盤磨機磨盤磨損檢測技術的研究

劉慶立 湯 偉 王孟效 王 博 徐英英 劉慶紅

(1.陜西科技大學機電工程學院,陜西西安,710021；2.陜西科技大學輕工科學與工程學院,陜西西安,710021；3.陜西科技大學電氣與信息工程學院,陜西西安,710021；4.陜西西微測控工程有限公司,陜西咸陽,712081；5.中國石油天然氣管道工程有限公司天津濱海分公司,天津，300457)

·磨盤磨損檢測·

盤磨機磨盤磨損檢測技術的研究

劉慶立1,2湯 偉2,3王孟效4王 博1徐英英1劉慶紅5

(1.陜西科技大學機電工程學院,陜西西安,710021；2.陜西科技大學輕工科學與工程學院,陜西西安,710021；3.陜西科技大學電氣與信息工程學院,陜西西安,710021；4.陜西西微測控工程有限公司,陜西咸陽,712081；5.中國石油天然氣管道工程有限公司天津濱海分公司,天津，300457)

在大功率磨漿機內部高速、高壓、高溫條件下實時檢測磨盤間隙,是一項十分艱巨而復雜的工作。本文基于同步磨損檢測的思想,提出了利用磨損檢測棒檢測磨盤磨損量的新方法,并詳細敘述了磨損檢測棒的內部結構、安裝方法及檢測機理,為盤磨機磨盤間隙檢測提供了一條新途徑。

盤磨機；磨盤間隙；磨損檢測；磨損檢測棒

盤磨機是制漿造紙和纖維板工業中應用非常廣泛而又十分重要的關鍵設備,圖1是一臺典型的單盤磨漿機的結構圖,其工作原理如圖2所示。原料通過盤磨機的入口進入定盤和動盤之間的磨漿區域,在盤磨機的動盤和定盤上都裝有磨片。當盤磨機工作時,定盤不轉而動盤高速旋轉,在離心力的作用下,原料由磨盤中心沿放射狀向外甩出,在甩出過程中受到磨盤磨齒的擠壓、摩擦和剪切作用,逐漸分絲、帚化,形成制漿用纖維。

目前,盤磨機的控制主要采用恒功率控制,即通過調節磨盤間隙,使主電機功率保持恒定,以獲得穩定的打漿度。當電機功率降低時,控制系統會自動減小磨盤間隙；電機功率增加時,則自動增大磨盤間隙。當漿料濃度不穩定時,若漿料濃度忽然降低,電機功率隨之下降,控制系統會自動驅動磨盤減小間隙,這一故障隱患會導致碰盤。因此,僅僅依據電機功率的變化來控制磨盤間隙的方法會給安全生產帶來很大隱患。由于恒功率控制始終通過調節磨盤間隙來達到控制效果,因此磨盤間隙的檢測十分重要,由于磨盤磨損問題的存在,在大功率磨漿機內部高速、高壓、高溫條件下實時檢測磨盤間隙,是一項十分艱巨而復雜的工作。

圖1 單盤磨漿機的結構

圖2 單盤磨漿機工作原理示意圖

本課題在系統分析整理國內外學者研究成果的基礎上,提出了一種新的磨盤間隙檢測方法,通過檢測磨齒磨損量并參考磨盤位移量,可以獲得磨盤間隙實

際數值。該方法為控制系統獲知磨盤間隙、磨損量及使用壽命提供了有效依據,為磨盤間隙檢測提供了一條新思路。

1 磨盤磨損及間隙檢測的研究現狀

目前,國內外學者的研究重點是準確測量磨盤之間的實際間隙,間隙測量的難點主要有以下幾點。

(1)檢測精度要求高,定盤與動盤之間間隙小,一般在0.2～0.5 mm之間,需要檢測出0.01 mm磨盤間隙的變化。

(2)檢測環境惡劣,磨盤之間有液態、固態混合介質,且伴有高溫蒸汽。

(3)檢測難度大。動盤和定盤的磨片表面分布有磨齒(凸起和凹槽),且齒形各異,與靜態的平面間隙檢測不同,磨盤間隙檢測的對象是動態旋轉且凹凸不平的表面,測量的數值不可能精確反映磨齒頂端的實際間隙。

圖3 磨片的非正常磨損(拍攝于浙江某紙廠)

(4)磨片磨損。在實際生產過程中,盤磨機往往會出現兩種磨損狀況：正常磨損和非正常磨損。正常磨損是由于磨片持續擠壓、磨削木片過程中,磨齒在擠壓和摩擦力的作用下正常磨損,該過程往往緩慢,有一定周期,磨損后的磨齒齒面基本平整均勻；非正常磨損是由于磨漿過程中,木片原料中摻雜了鐵釘等堅硬異物,造成磨片磨齒的損壞(見圖3(a)),該過程往往是瞬間的、短時的,在磨齒的局部產生缺損(見圖3(b))。無論是哪種形式的磨損,對成漿質量都會產生影響。

在盤磨機運行過程中,磨片磨損不可避免,而磨損的結果必然導致磨盤間隙逐漸變大,從而直接影響打漿度。由于動盤與定盤之間間隙小,且伴隨高溫、高壓,磨盤的磨損量難于在線檢測,傳統的接觸測量及光學測量方法無法完成探測任務。因此,1969年W.D.May[1]提出了電磁感應原理檢測磨盤間隙的方法,在一個磨盤邊緣放置一個磁鐵,另一個磨盤邊緣布置6個線圈,當磨盤旋轉且磁鐵通過某個線圈時,會產生感應電流,可以根據電流的幅值確定磨盤的間隙,該方法的缺點是只能檢測兩磨盤邊緣之間的間隙,且不能反映磨片的磨損情況。受這一技術思想的啟發,Darryl Dodson-Edgars等人[2]1989年提出利用電感式位移傳感器直接檢測磨盤間隙的專利,如圖4所示,將電感式位移傳感器1從定盤2的內部嵌入到磨片里,A表示傳感器表面到動盤3磨齒頂端的距離,B表示傳感器表面到磨齒槽底的距離,動盤3轉動時,傳感器檢測值根據齒頂和槽底的變化波動,可以推斷磨盤間隙及磨損量。

圖4 利用電感式位移傳感器測量磨盤間隙原理示意圖[2]

國內的研究學者王金寶[3]、張輝[4]等人利用電渦流傳感器對磨盤間隙檢測進行了系統的實驗研究,結果表明,電渦流傳感器在準確標定的情況下可以用于磨盤間隙檢測,但漿料介質及鐵質雜質對電渦流傳感器的檢測值會產生影響,且靜態測試效果優于動態測試,檢測成本高。

圖5 單盤磨漿機上配備的振動加速度傳感器和振動位移傳感器

圖6 某型號磨盤表面圖

圖7 扇形磨片圖

圖8 磨損檢測棒安裝示意圖

在盤磨機的國內應用方面,無論是國外引進的盤磨機,還是國產盤磨機,目前還未收集到關于磨盤磨損檢測的應用案例,以國內生產線普遍采用的奧地利安德里茨的1C(P)系列單盤磨漿機為例,該磨漿機配備了用于檢測磨盤運動位置的傳感器(見圖5(a)),由此可以獲知磨盤的原始間隙,但不能測量磨盤磨損后的實際間隙。為了防止由此導致的磨盤碰盤事故的發生,該磨漿機配備了振動加速度傳感器(見圖5(b))和振動位移傳感器(見圖5(c)),當磨盤發生摩擦碰盤時,通過檢測主軸振動來檢測故障并迅速退刀,以最大程度保護磨盤。

總體而言,國內外檢測磨盤間隙的研究方法主要采用電磁感應原理檢測[5 -6],但不能解決磨片局部磨損和局部位置精確檢測的問題,由于磨盤表面分布有齒和溝槽,動盤在轉動過程中,采集的信號是波動信號,只能反映磨盤間隙的平均值,且傳感器需要特殊防護,否則很快就會被磨損而導致損壞,檢測成本非常高。

2 磨盤磨損檢測裝置的設計

本課題針對磨盤間隙檢測的諸多難點,從主動磨損檢測的角度出發,提出了一種用于盤磨機磨盤磨損檢測的總體方案,并設計了一種專門用于磨損檢測的測試棒——磨損檢測棒,安裝在定盤磨齒固定位置上,用于解決盤磨機在運行過程中磨盤磨損量難于在線檢測的問題。

以圖6所示磨盤為例,該磨盤表面安裝有6片扇形磨片,根據磨漿區域的不同,在扇形磨片上沿著磨齒方向加工若干安裝孔,如圖7所示。將磨損檢測棒沿安裝孔嵌入到定盤磨齒表面,并使磨損檢測棒頂端與磨齒齒面保持平齊,檢測棒的材料與磨齒材料相同,如圖8所示。當盤磨機運行時,磨齒齒面與磨損檢測棒頂端表面磨損是同步的,因此,通過檢測磨損檢測棒的磨損便可以得到磨齒表面的磨損量。

磨損檢測棒的內部結構原理示意圖如圖9所示,棒體6內部有階梯孔,為保證密封,首先將密封圈7放入棒體6內,并將階梯芯軸5插入棒體6,在階梯芯軸5伸出棒體6的另一端,套上彈簧8、墊片1,并用螺母2旋緊,由于彈簧8被壓縮,彈簧反作用力會對階梯芯軸5產生一個向下拉的力,可以使階梯芯軸5的階梯軸端面與棒體6的階梯孔端面重合,滑移變阻器9安裝在棒體6下端,墊片1正好卡在滑塊10的卡槽內,當階梯芯軸5下降時,墊片1隨之移動,并帶動滑塊10移動,從而改變滑移變阻器9的阻值。這樣,當階梯芯軸5的上端逐漸磨損時,會階段性地向下移動,滑移變阻器9的阻值也會隨之變化,通過檢測電流變化便可以預知磨盤磨損量的變化。每個扇形磨片上可以安裝多個磨損檢測棒。

圖9 磨損檢測棒結構原理示意圖

磨損檢測棒的具體檢測原理為：當盤磨機磨盤發生磨損時,磨齒磨損會導致磨損檢測棒同步磨損,如圖9所示,當階梯芯軸5上的第Ⅰ階梯軸段A1被磨掉時,階梯芯軸5在彈簧力的作用下下沉距離t1,墊片1帶動滑塊10移動相同距離t1,滑移變阻器9的阻值隨之發生改變,此時,磨盤磨齒磨損量等于第Ⅰ階梯軸段A1的高度h1；當階梯芯軸5上的第Ⅱ階梯軸段A2被磨掉時,階梯芯軸5在彈簧力的作用下又下沉一段距離(t2-t1),隨之墊片1帶動滑塊10移動距離(t2-t1),滑移變阻器9阻值繼續隨之發生改變,此時,磨盤磨齒總磨損量等于(h1+h2+t1)；當階梯芯軸5上的第Ⅲ階梯軸段A3被磨掉時,階梯芯軸5在彈簧力的作用下繼續下沉一段距離(t3-t2-t1),隨之墊片1帶動滑塊10移動距離(t3-t2-t1),滑移變阻器9阻值繼續隨之發生改變,此時,磨盤磨齒總磨損量等于(h1+h2+h3+t2)。以此類推,當最后第Ⅳ階梯軸段A4被磨損掉時,階梯芯軸5壓緊密封圈7,磨盤已經磨損到極限,此時,可以判斷在磨損檢測棒安裝位置的磨盤磨齒已經失效。

為了實現上述檢測原理,作為一個特例,在設計制造磨損檢測棒時,可以取階梯芯軸的階梯軸段高度相同,即：h1=h2=h3=h4=h,且t1=t,t2=2*t,t3=3*t,則棒體內階梯孔的階梯高度尺寸依次為：最上端階梯孔高度為h,向下每段階梯孔高度均可設計為h+t。這樣,當階梯芯軸的每段軸段磨損后,階梯芯軸下降的距離均為t。這一設計可以為控制系統檢測滑移變阻器的阻值變化提供便利。

為了進一步說明磨損檢測棒阻值與磨損量變化之間的關系,按照以上特例設計,圖10給出了阻值變化與磨損量變化關系圖。從圖10中可以看出,當磨損檢測棒第一段磨損后,即滑移變阻器阻值大于R1時,阻值R與磨損量K之間呈線性關系變化。對于磨損檢測棒的階梯芯軸軸段劃分越細,采集的電阻變化信號所反映的磨損量精度就越高。根據采集的磨盤表面所有磨損檢測棒的電阻變化情況,可以判定磨盤磨損的程度,同時也可以判定磨損類型。如果是均勻磨損,分布在磨盤各個位置的磨損檢測棒反饋的電阻值變化基本趨于一致,屬于正常磨損；如果是局部磨損,會出現個別磨損檢測棒阻值突變的情況,此時盤磨機很有可能發生了非正常磨損,說明該處磨齒很有可能已經發生損壞。

磨損檢測棒可以對磨盤的磨損情況進行評估,并預測磨盤磨損的程度,為盤磨機控制提供工藝參考。從磨損檢測棒的機械結構可以看出,該檢測棒結構簡單,拆裝方便,可以直接嵌入到磨片中,制造、安裝、檢測成本會遠遠低于電渦流傳感器的安裝檢測成本。從檢測機理可以看出,該檢測裝置可以普遍適用于高、中、低濃盤磨機的磨片磨損檢測,具有較為普遍的適用性。

圖10 磨損檢測棒的阻值與磨損量變化關系示意圖

3 結 語

本課題基于同步磨損檢測的思想,提出了利用磨損檢測棒檢測磨盤磨損量的新方法。磨損檢測棒結構簡單,制造成本低,適用性好。由于其內部主要采用機械結構進行檢測,因此檢測結果不會受漿料介質及鐵質雜質的影響,通過該方法可以預知磨片的磨損狀況,評估磨盤磨損量,為控制盤磨間隙提供直接的檢測依據。作為一種技術方案和設想,該方法還需要進行進一步實驗驗證,內部結構尺寸還需根據盤磨機運行過程中的受力情況進行改進。相信經過不斷改進,可以大大提高盤磨機的控制精度,并有效提高磨漿質量。

[1] William D May.Apparatus for Measuring out of Tram and Plate Separation of Disc Refiners: US, 3434670[P].1969- 03-25.

[2] Dodson-Edgars.Gap, Wear and Tram Measurement System and Method for Grinding Machines: US, 4820980[P].1989- 04-11.

[3] Wang Jinbao.Studies on Accurate Measure of Real Plate Gap and State Monitoring of Main Spindle of Refiner[D].Nanjing: Nanjing Forestry University, 2004.王寶金.熱磨機磨盤實際間隙精確測量與主軸運行狀態檢測的研究[D].南京： 南京林業大學, 2004.

[4] Zhang Hui.The On-line and Precise Measurement Principle and Method of Refining Gap of Disk Refiner for Papermaking[D].Nanjing: Nanjing Forestry University, 2008.張 輝.造紙盤式磨漿機磨漿間隙在線、 精確測量技術原理與方法[D].南京： 南京林業大學, 2008.

[5] YAO Jun, WANG Ping.Methods of Measuring and Adjusting Plate Clearance of Disc Refiner[J].China Pulp & Paper, 2012, 31(1): 67.姚 俊, 王 平.盤磨機磨盤間隙的測量與調節方法[J].中國造紙, 2012, 31(1): 67.

(責任編輯：董鳳霞)

Research on Plate Wear Detection of Disc Refiner

LIU Qing-li1,2,*TANG Wei2,3WANG Meng-xiao4WANG Bo1XU Ying-ying1LIU Qing-hong5

(1.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;2.SchoolofLightIndustrialScienceandEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;3.SchoolofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;4.ShaanxiXIWEProcessAutomationEngineeringCo.,Ltd.,Xianyang,ShaanxiProvince, 712081;5.ChinaPetroleumPipelineBureauTianjinDesignInstitute,Tianjin, 300457)
(*E-mail: kinglee988@163.com)

It is a very complicated task to detect the plate gap of a high powerdisc refiner online which are running under the conditions of high speed, high pressure and high temperature.Based on the idea of synchronous wear detection, a novel method for disc wear detection with the wear test stick was proposed.The internal structure, installing method and detection mechanism of the wear test stick were also illustrated.The method suggested in this paper provided a new way to solve the problem of plate gap detection in a disc refiner．

disc refiner; plate gap; wear detection; the wear test stick

2016- 09- 06(修改稿)

陜西省工業攻關項目(2012K09-10)。

劉慶立先生,副教授,在讀博士研究生；主要研究方向：制漿造紙過程控制、機械故障診斷。

TS734+.1

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.01.009