寬幅紙機液壓刮刀擺動器的設計與開發

李若冰

(廊坊燕京職業技術學院機電工程系，河北廊坊，065200)

·液壓刮刀擺動器·

寬幅紙機液壓刮刀擺動器的設計與開發

李若冰

(廊坊燕京職業技術學院機電工程系，河北廊坊，065200)

液壓刮刀擺動器由于不采用電氣元件，體積小而輸出力大，防水效果良好，高溫環境下亦能穩定運行，廣泛適用于紙機濕部潮濕的環境以及烘干部高溫環境。在寬幅紙機中，液壓刮刀擺動器工作效率高，能降低紙機的能耗，減小噸紙的耗電量，具有明顯的節能效果。

液壓刮刀擺動器；防水；節能

造紙設備中擺動器的應用場合較多，有刮刀擺動、高壓噴淋水擺動等，擺動速度一般為40～160 mm/min，頻率為3～10次/min。在造紙機的網部或壓榨部，環境非常潮濕，對擺動器的可靠性要求非常高；某些輥子還會附著很多紙漿，要求擺動器輸出力比較大，才能徹底清潔輥子表面的紙漿[1-2]。本課題主要介紹了寬幅紙機液壓刮刀擺動器的設計與開發，以期為紙廠的節能降耗提供參考。

1 常用刮刀擺動器

造紙設備中刮刀的作用是清潔輥面的廢紙毛、灰塵等，保持輥面干凈。目前紙廠普遍使用的刮刀擺動器為氣動式和機電式兩種方式。

1.1 氣動式刮刀擺動器

氣動式刮刀擺動器通過機械杠桿觸發氣動換向閥換向，實現氣缸往復運動，該擺動器集成度高、重量輕、維護簡單，在進口紙機上應用較多，成本較高，主要用在烘干部及完成部，因為烘干部及完成部刮刀的作用是清潔烘缸的紙毛，負載較小，氣動擺動器可以滿足要求，其結構見圖1。

圖1 氣動式刮刀擺動器內部結構

在造紙機網壓部，輥面有大量水、紙漿等，刮刀擺動的負載較大。刮刀結構具體分為刮刀體、刮刀夾和刮刀片。在寬幅紙機中，隨著紙機幅寬增加，為了保證刮刀體不變形，有足夠的剛度，必須加大刮刀體，因此若要求刮刀擺動器的輸出力更大，由于氣源壓力無法增加，必須使用大直徑的氣缸來提高擺動力。而氣缸直徑太大給紙機設計安裝增加難度，還可能與機架、水盤等部件發生干涉，影響紙機的整體布局。

1.2 機電式刮刀擺動器

機電式刮刀擺動器由電機、減速器、凸輪結構組成，體積大、質量重，維護起來比較復雜，長時間使用會產生機械磨損，且要求電機IP(INGRESS PROTECTION)防護等級很高，只能使用進口電機[2]。使用機電式擺動器的刮刀還需要增加電機的電氣控制系統，投資成本增加，維護工作量增大[3]。其結構見圖2。

圖2 機電式刮刀擺動器結構

2 液壓刮刀擺動器

液壓刮刀擺動器的設計和使用能夠解決傳統機電式、氣動式刮刀擺動器存在的體積較大、成本較高和維護工作量大等問題。

2.1 液壓刮刀擺動器的優勢

液壓刮刀擺動器采用液壓先導換向閥，比機電式和氣動式刮刀擺動器換向速度更快，沒有換向延遲，使用壽命長，維護簡單。該擺動器單位質量輸出功率大，輸出力達50～100 kN，適合應用于刮刀擺動等重載荷場合。它能夠根據需要調節擺動行程(一般在16～20 mm之間)。如果每個擺動器行程為20 mm，擺動3～8個行程/min，擺動器需采用缸徑和桿徑為70/35 mm液壓缸，液壓系統輸入的高壓液壓油流量約為0.7～2.5 L/min，壓力為3.5～5 MPa，消耗的液壓系統最大功率約為0.26 kW。而機電式刮刀擺動器的耗能較低，以幅寬5600 mm，車度800 m/min的紙機為例，機電式刮刀擺動器一般選用0.37 kW的電機，液壓擺動器的耗電量是傳統機電式擺動器的70%左右，按紙機每天工作24 h，一年工作300天計算，單個擺動器一年可以節省約792 kWh的電量，通常紙機配置有幾十把刮刀，長期運行可以為紙廠降低噸紙耗電量。

液壓擺動器的缺點是需要提供液壓壓力油源，而紙機壓榨部一般配置液壓系統，可利用壓榨部液壓系統的油源供液壓刮刀擺動器使用。由于壓榨部液壓系統處于保壓的工況，在紙機正常工作時壓榨部液壓系統只需要補充液壓缸和液壓元件泄露油量，以2道大輥壓榨為例，泄漏量大約為0.5～2 L/min。利用現有壓榨部液壓系統給液壓擺動器提供動力，不增加額外投資，達到節能效果，提高設備利用率。

2.2 液壓擺動器的工作原理

液壓擺動器由液壓缸和液壓控制閥塊兩個部分組成，通過液控換向閥進行換向，驅動液壓缸來回擺動。其液壓原理圖如圖3所示[4]。

圖3 液壓刮刀擺動器原理圖

由圖3可知，液壓的壓力油源通過壓力油P進入液壓控制閥塊，經過調速閥FV1后進入換向閥DV1，圖3所示的換向閥DV1位置，壓力油會連通B油路，進入液壓缸的有桿腔，驅動液壓缸向左運動。當液壓缸運動到左極限位置時，壓力升高。當壓力升高至順序閥P2的設定壓力后，順序閥P2打開，壓力油進入換向閥左邊的先導控制油路，推動換向閥DV1進行換向。換向閥換向后，壓力油P連通A油路，進入油缸的無桿腔，推動油缸向右運動；當油缸運動到右極限位置后，壓力升高，打開順序閥P3，壓力油進入換向閥右邊的先導控制油路，推動換向閥換向。周而復始完成擺動行程。擺動速度可以根據實際情況通過調速閥FV1調節。

2.3 液壓刮刀擺動器的設計計算

一般應用于幅寬5600 mm、車速800 m/min紙機刮刀的質量在1t左右，考慮負載最大的情況，真空伏輥常采用的雙刮刀，質量在2 t左右。刮刀體采用滑動軸承，擺動時產生滑動摩擦，摩擦系數約為0.2～0.4。紙機運行時，刮刀片加壓與輥面貼合后擺動，相當于給刮刀增加了約0.1～0.3的阻尼系數。按照極限工況計算，刮刀所需要的輸出力為14000 N。一般紙機壓榨部液壓系統的壓力為10 MPa，使用壓力為8 MPa，可根據公式(1)計算液壓缸的有效面積。

A=F/P

(1)

式中，A為液壓缸有效面積， m2；F為液壓缸的輸出力， N；P為負載壓力，Pa。

經過計算，選擇缸徑和桿徑為70/35 mm的液壓缸可以滿足要求[5- 6]。當工作壓力為8 MPa時，液壓缸的輸出力為：

F=P×A=3.14×(0.07×0.07-0.035×0.035)×8×1000000/4=30773 N>14000 N。

當所需的輸出力為14000 N時，所需的液壓壓力分別為：

油缸無桿腔P=F/A1=14000/(3.14×0.07×0.07/4)=3.64×106Pa=3.64 MPa

油缸有桿腔P=F/A2=14000/[3.14×(0.07×0.07-0.035×0.035)/4]=4.85×106Pa=4.85 MPa

以上計算出來的液壓壓力分別是順序閥P2和P3的設定工作壓力，計算液壓缸的設計參數后，最后進行液壓缸密封的設計選型。

液壓缸密封分為靜密封和動密封，靜密封是指端蓋和缸筒、端蓋和閥塊，油管和閥塊之間的密封。動密封是指活塞和缸筒的密封、活塞桿與端蓋之間的密封。

液壓缸的靜密封設計必須確保固定密封處在正常工作壓力和1.5倍工作壓力下均無外泄露即可。靜密封通常選用O型橡膠密封圈，其規格和溝槽的尺寸符合GB3452.3—1988或與之相同的德標或者日標[4]。

液壓缸的動密封設計與常規液壓缸不太一樣，傳統的液壓缸工作頻率較低，一般采用格萊圈作為活塞的密封，密封性能好，缺點是這種接觸型密封會引起摩擦力，使壓力可達最大有效負載的5%～15%，長期運行會造成密封圈磨損老化等問題。而刮刀擺動器用的液壓缸設計采用了活塞間隙密封，類似于液壓缸的結構，這是一種非接觸性動密封，利用液壓油形成的油膜，對活塞進行密封和潤滑。間隙密封原理是基于牛頓的黏性摩擦理論，即依靠液壓油通過液壓缸筒和活塞之間的縫隙時，一定的黏性阻力起到密封作用，另外液壓缸有桿腔和無桿腔之間存在壓差作用，液壓油在活塞和缸筒的表面上形成堅固的極化分子吸附層，它使縫隙的間距變小，當縫隙的間距等于2倍的極化分子層的厚度時，縫隙將全被極化分子層填滿，通常小于0.2 mm，這個數值就是設計的油膜厚度。縫隙的存在會造成輕微的內泄露，從油缸的高壓腔泄露到低壓腔，一般小于0.5 mL/min。輕微的泄露量不影響刮刀擺動性能，由于油缸內部沒有密封圈和缸筒的直接接觸，用油膜代替密封圈，工作阻力更小，運動更平順，工作壽命更長，不需要定期更換密封圈[5]。

液壓刮刀擺動器液壓缸內部結構和三維模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 液壓缸內部結構

圖5 液壓刮刀擺動器的三維模型

液壓刮刀擺動器可以根據刮刀實際所需的輸出力調節壓力和流量，控制擺動速度和擺動力。液壓刮刀擺動器設計上選用集成度很高的螺紋插裝閥。液壓閥塊一般采用35#鋼鍛件，而液壓刮刀擺動器選擇質量較輕的硬鋁合金，因此液壓刮刀擺動器體積小，質量輕。

3 結 語

液壓刮刀擺動器充分發揮質量小且功率大的特點，不使用任何電氣元件，防水功能強，適合用于紙機濕部。對外界來說，液壓刮刀擺動器是一個封閉的結構，降低了紙機的故障率。在液壓刮刀擺動器的設計中，選用螺紋插裝閥和硬鋁合金閥塊，具有質量輕，集成度較高等優點。液壓刮刀擺動器的成本較低，所有元件均可國產，市場前景良好。

[1] YANG Feng-hui. Paper Mchine Energy Saving and Systematic Optimization from the Synergy Aspects of Vacuum, Doctoring and Online Dewatering Measurement[J]. China Pulp & Paper, 2017, 36(6)： 18．

楊鳳輝. 從真空系統、 刮刀及在線脫水測量協同角度探討紙機節能及系統優化[J] . 中國造紙, 2017, 36(6)： 18．

[2] WANG Dao-wen. Design and Application of Double System of Paper Machine[J]. China Pulp & Paper, 2008, 27(3)： 42．

王道文. 紙機雙刮刀裝置的設計與應用[J] . 中國造紙, 2008, 27(3)： 42．

[3] QI Zhi-hong, LI Kai-wei. Control Principle and Application of Doctor Oscillator in Press Section[J]. China Pulp & Paper Industry, 2000, 21(12)： 48.

齊志宏, 李凱維. 壓榨部刮刀擺動器的控制原理及其應用[J]. 中華紙業, 2000, 21(12)： 48．

[4] ZANG Ke-jiang. Hydraulic Cylinder[M]. Beijing: Chemical Science Press, 2010．

臧克江. 液壓缸[M]. 北京： 化學工業出版社, 2010．

[5] DUAN Wei-min. Hydraulic and Pneumatic Transmission[M]. Beijing: Higher Education Press, 2012．

段衛民. 液壓與氣壓傳動[M]. 北京： 高等教育出版社, 2012．

[6] LEI Tian-jue. New handbook of hydraulic engineering[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1998．

DevelopmentofHydraulicDoctorOscillatorUsedinWidePaperMachine

LI Ruo-bing

(DepartmentofElectro-machineryEngineering，LangfangYanjingVocationalandTechnicalCollege，Langfang，HebeiProvince， 065200)

Traditionally the doctor oscillators in paper machine are electro-mechanical oscillator and pneumatic oscillator, but this two kinds are not suitable for wet-end section due to humid environment. A new kind of hydraulic oscillator was designed, it was small but had a much bigger output force without any electronic device, it also had very good water proof performance to assure a long life time, which contributed to energy saving for the paper mill.

hydraulic doctor oscillator； water proof； energy saving

李若冰女士，講師；主要研究方向：機械設計及制造。

TS734+.8

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.12.011

2017- 06-20(修改稿)

河北省廊坊市2017年度哲學社會科學研究課題(2017096)。

(E-mail: 79390244@qq.com)

董鳳霞)