盤磨機磨盤間隙實時在線檢測技術研究進展

邢宇航 董繼先 劉彥龍 劉 歡 郭西雅 孫 宇 ，*

（1.陜西科技大學機電工程學院，陜西西安，710021；2.中國輕工業裝備制造智能化重點實驗室，陜西西安，710021；3.河南卷煙工業煙草薄片有限公司，河南許昌，461100）

盤磨機是磨漿中應用最為廣泛的核心設備之一，隨著新常態下造紙工業的發展以及技術的更新和產品的需求，盤磨機開始向低能耗、高速化、高濃化、大型化及自動化等方向發展[1-2]。目前，盤磨機在工作過程中存在一些問題，如能耗較大、漿料質量不可控、磨片使用壽命較短等問題[3]，提高漿料質量的同時降低能耗的要求為盤磨機的設計及操作提供了新的挑戰。磨漿質量的好壞對纖維的質量有直接影響，進而影響紙張的性能。改善紙張性能的方法較多，如向漿料中添加納米纖維素可改善紙張的強度、透氣性、抗水性等[4-5]，但改善紙張性能的根本是磨盤間隙，主要原因是磨漿過程中纖維形態及性能的改變與磨盤間隙直接相關。劉歡等人[6]對低濃磨漿過程纖維切斷表征進行了深入研究，認為纖維切斷開始可從能耗、磨區力學及磨盤間隙3個角度進行表征，但磨盤間隙是其他兩者改變的根本原因。因此，磨盤間隙的精確在線測量對于磨漿機理及磨漿過程的高效控制具有積極意義。

1 盤磨機的磨盤間隙

盤磨機磨盤間隙可分為初始間隙和實際間隙。初始間隙是指移動動盤至與定盤接觸，即“0”狀態位置，通過位移傳感器等檢測元件記錄此位置，然后再調整動盤與定盤之間的距離達到要求距離，即為盤磨機磨盤初始間隙[7-8]。實際間隙是指在磨漿過程中，盤磨機動盤與定盤在精磨區內磨齒表面之間的垂直距離，即為實際間隙[9]，盤磨機磨盤間隙示意圖如圖1所示。

圖1 磨盤間隙示意圖

磨盤間隙是保證磨漿質量和產量的關鍵參數，是影響打漿度的主要因素之一[7]。此外，對磨漿能耗及磨片壽命等也有一定的影響，間隙過大時纖維所受磨漿作用較弱、質量較差，而間隙過小時漿料纖維切斷過多、功耗較大，且磨片會發生彎曲形變，容易發生“碰盤”[10-12]，從而降低磨盤使用壽命。熱磨機械漿磨漿過程中，在不受任何內力或外力的作用下，一般將磨盤間隙控制在0.2～0.5 mm 之間，控制精度應為0.01 mm[9]，而低濃磨漿過程的磨盤間隙會更小。由于磨漿過程中，磨漿溫度和壓力的變化、軸承間隙、磨盤受力不均勻以及磨盤磨損等因素，使得磨漿前調整好的磨盤間隙發生改變[13-14]，無論磨盤間隙增大或減小均會對磨漿效率和磨漿質量有較大影響。

磨漿過程中影響磨盤間隙變化的主要因素為負載力和磨片磨損[15]。其中負載力是漿料被壓縮、剪切和摩擦等產生的反作用力及高壓蒸汽對磨片產生的作用力。負載力可使磨盤軸部發生軸向形變進而影響磨盤間隙。因此，實際磨盤間隙由初始間隙量、磨盤磨損量、軸向竄動三部分組成，通過以初始間隙為基礎，測量磨盤磨損及軸向竄動并進行疊加方能準確測量磨盤間隙。由于磨漿過程中漿的流量、流速和漿料壓力、溫度及漿料里的雜質對磨盤磨損量的測量精度影響較大，使得磨盤磨損成為實現在線測量間隙的重點和難點。

2 磨盤間隙的直接實時在線測量技術

隨著科學技術的發展，位移傳感器逐漸成為直接實時在線測量技術中檢測磨盤間隙的普遍方法。目前常用的位移傳感器測量法有接觸式測量法和非接觸式測量法。

2.1 接觸式測量法

接觸式測量法就是將量具與被測物體接觸進而測量的方法，其精度及穩定性較高。將現有接觸式位移傳感器改進后可用于測量磨盤間隙。

國內外學者對此進行了一定的研究，美國學者Jewell 等人[16]提出一種用電感差動變壓器位移傳感器組成的間隙檢測控制系統（如圖2 所示），該系統主要以LVDT 位移傳感器檢測盤磨機軸向竄動進而檢測磨盤間隙，再把檢測的盤磨間隙信號與最初的間隙信號作對比，從而檢測磨盤間隙的大小，并可對磨盤間隙進行調整。Guerrero 等人[17]提出了一種運用磁性鄰接傳感器檢測磨盤間隙的方法，如圖3所示，其主要是把位移傳感器安裝于磨盤圓周外表面，這樣既能避免磨區里一些特殊介質對磁芯的影響，又可以檢測出包含磨盤磨損量的磨盤間隙。張輝[18]對差動變壓器式位移傳感器測量技術、光柵式位移傳感器測量技術以及高精度納米分辨率線位移測量技術進行分析得出，三者都具有良好的環境適應性、使用壽命長、靈敏度和分辨率高的特點；但前兩者由于只能安裝于磨區外部不能夠檢測間隙磨損，高精度納米分辨率線位移測量技術目前不夠成熟不適用于間隙檢測。

圖2 LVDT位移傳感器磨盤間隙測量示意圖

圖3 磁性鄰接傳感器測磨盤間隙示意圖

綜合以上研究并結合磨漿實際過程，部分接觸式傳感器測量磨盤間隙是不適宜的，其不能反映動態磨損對磨盤間隙的動態影響，只能反映初始調整時的磨盤間隙，如光柵式位移傳感器和高精度納米分辨率線性位移傳感器。而磁性鄰接傳感器可能會受到漿料流動的影響，LVDT 位移傳感器無法測量磨漿過程中的磨損[19]，以上接觸式傳感器都不能精準的測量磨漿過程的實際磨盤間隙。LVDT 雖無法檢測磨漿過程的磨盤磨損量，但其具有動態特性好、耐高溫、線性度好、零位重復性、分辨率高及使用方便等特點[20-21]，能夠適用于小位移測量，因此，其可為實現磨盤間隙的實時在線測量提供有利的技術。

2.2 非接觸式測量法

非接觸式測量技術在測量間隙時不與被檢測物體直接接觸，不會對被檢測物體產生損壞，且無需調零，相比于直接測量方法具有顯著的優點。

國外學者對于磨漿過程磨盤間隙的非接觸測量方法研究相對較多。Garr 等人[22]提出磨盤間隙控制的方法，主要是運用惠斯通電橋放大電路，當磨盤間隙增大或減小時電壓發生波動，再通過驅動調整電機正、反轉來調節磨盤間隙，一直到電壓平衡為止。Karna等人[23]提出對線圈安裝方式進行改變，在磨齒上纏繞線圈進行磨盤間隙測量，但這樣做安裝檢測裝置的磨齒需要設計一種特定的磨齒。May 等人[24]將幾個數量相同的線圈和氖氣燈泡安裝在定盤外圓周上和背面，同時將磁芯安裝于動盤面圓周上的相應位置，根據氖氣燈泡燈光的強弱來反映盤磨機間隙的變化，但不能精確表征及調節磨盤間隙。Dadson等人[25]將數個電渦流位移傳感器安裝在定盤上，將傳感器鑲嵌在定盤中，在動盤相應位置挖凹槽，如圖4所示，通過傳感器測出兩段距離a與b，a是傳感器探頭到動盤磨齒距離，b是傳感器探頭到凹槽底部距離。當磨盤間隙發生變化時，傳感器輸出信號也跟著發生變化，可根據傳感器輸出a信號的大小檢測磨損位置和磨盤間隙。

圖4 電渦流位移傳感器檢測磨盤間隙示意圖

王寶金[9]在定盤靠近邊緣圓周上的孔內直接安裝電渦流式位移傳感器，且結合超聲波測厚儀對磨盤間隙進行檢測，主要是根據電渦流傳感器檢測的距離和超聲測厚儀檢測的定盤厚度差，以及與定盤背面到電渦輪傳感器探頭之間的距離之和，最終可得到實際的磨盤間隙。張輝[18]對光學式位移傳感器、電容式位移傳感器、霍爾式位移傳感器、電渦流式位移傳感器測量檢測磨盤間隙做了分析。光學式位移傳感器具有探頭小、響應速度快、小位移測量等優點，但由于正常磨漿時，動、定磨片之間有漿料介質等因素，無法使用光纖位移傳感器。電容式位移傳感器具有適應性強和可在高、低溫度及強輻射等惡劣環境中工作等優點，但由于溫度、纖維漿料介電常數的影響也不適用于磨盤間隙測量?；魻柺轿灰苽鞲衅骶哂徐`敏度高、精度高、線性度好等優點，但因為溫度對其檢測精度有較大的影響，所以不能檢測磨盤間隙。電渦流式位移傳感器具有抗干擾能力強、靈敏度高、無介質影響等優點，但在磨漿過程中如果探頭端面與定盤磨片面保持平齊則會受到磨損。

綜合以上國內外關于非接觸位移傳感器的研究現狀分析，發現部分非接觸位移傳感器與接觸式傳感器一樣也不適用于盤磨機間隙的實時在線檢測，如光學式位移傳感器、電容式位移傳感器及霍爾式位移傳感器。Garr[22]、Karna[23]及May[24]所提出的方法核心原件均與位移傳感器類似，可判斷出磨盤增大或減小，但無法測出明確的數值，且其方法實施比較困難，其較早利用電磁感應原理測量磨盤間隙，為后面的研究提供了基礎。關于電渦流位移傳感器在國內外研究較多，其操作簡單、安裝方便且不需調零，但若將電渦流位移傳感器安裝在磨區內部，則其探頭會磨損，且探頭周圍的金屬會影響磨盤間隙的測量值，因此電渦流位移傳感器也不能實現實時檢測磨盤間隙。

3 磨盤間隙的疊加實時在線測量技術

磨盤間隙的疊加實時在線測量法是指將磨盤磨損量、軸部發生的軸向竄動以及初始間隙（原始間隙）三部分進行疊加的在線測量方法。其測量基本原理為：盤磨機在磨漿前首先利用位移傳感器對原始間隙進行檢測；在磨漿過程中磨盤發生磨損時，運用位移傳感器將測量磨盤磨損量；當盤磨機磨漿過程中發生軸向竄動時，軸部應變量可通過位移傳感器測得，且磨盤磨損和軸向竄動都以原始間隙為基準進行測量，將三部分進行疊加即可獲得實際磨盤間隙。

3.1 磨損測量技術

磨盤的磨損檢測是疊加實時在線測量技術的重點及難點，實際生產中，磨盤磨損可分為正常磨損和非正常磨損[26]，如圖5 所示。非正常磨損在正常磨漿過程中發生頻率較低，可忽略不計，本研究只考慮磨盤的正常磨損。

圖5 磨盤的磨損[26]

劉慶立等人[26]設計了一種專門能夠檢測磨盤磨損的裝置，被稱作磨損檢測幫，主要是將其安裝在定盤磨齒特定位置上，使其在磨漿過程中對磨盤磨損量進行檢測，見圖6(a)。其工作原理（見圖6(b)）為：當磨漿過程中出現磨損時，磨損檢測棒與磨齒同時發生磨損，當其每磨損一個階梯時滑動變阻器會出現一個阻值，且阻值與磨損量呈線性關系。

磨損檢驗棒此方法理論上雖然可以測量盤磨機磨盤磨損問題，但目前其并沒有實際應用，有效性還需要進一步研究。由于磨損量少磨損檢測棒移動位移小，其主要的檢測原理是利用滑動變阻器，而滑動變阻器相對于位移傳感器靈敏度較低，無法完成實時在線測量，但是此方法可為磨漿過程中磨損量的檢測提供有益思路。

圖6 磨損檢驗棒示意圖

3.2 疊加實時在線測量檢測系統

磨漿過程中磨盤間隙控制系統主要應具備兩項基本功能。其一，準確、實時測量磨盤間隙；其二，根據檢測的磨盤間隙及時做出精確的調節[27]，使其達到設定磨盤間隙?？紤]到盤磨機的工作環境，位移傳感器的輸入輸出信號需要傳遞給控制系統，控制系統需要快速響應以調整間隙位置，因此必須選用穩定性高的位移傳感器?？紤]到LVDT 位移傳感器的特點，在系統設計中應基于LVDT 位移傳感器加以改進，實現疊加實時在線測量。

圖7 磨盤間隙的疊加實時在線檢測系統示意圖

疊加實時在線測量系統如圖7 所示，其中磨盤磨損、軸向竄動及原始間隙的測量可通過2 個的LVDT位移傳感器實現，1 個進行改進，主要在探頭處添加1 個材料與磨齒材料相同的可磨損裝置，將其置于磨盤用來檢測磨盤磨損量，另1個置于軸部用來測量動盤主軸的軸向竄動。2 個位移傳感器同時也承擔信息采集任務將檢測到的磨盤間隙信號傳入控制系統，再由控制系統輸出調節信號，進而對磨盤間隙進行調節。疊加實時在線測量系統軸部檢測主要是檢測軸向竄動，當動盤主軸發生接觸形變或工作時間較長出現一些特殊情況時，主軸可能會出現軸向竄動，會直接影響磨盤間隙，因此，主軸的軸向竄動檢測是必要的。其測量原理與美國Jewell[16]的LVDT 檢測原理相似。在磨漿過程中主軸出現滾動體磨損或接觸形變等問題會使磨盤間隙增大或減小，此時LVDT 位移傳感器內部鐵芯將會右移或左移出現電壓差，從而檢測出磨漿過程中由于主軸軸向竄動產生的磨盤間隙。

磨盤磨損檢測的原理與劉慶立等人[26]的磨損檢驗棒相似，如圖8所示。從第二個階梯開始，每個階梯與外殼都有一段距離，此段距離是前面所有階梯之和。旋轉螺母使彈簧處于壓縮狀態，直到彈簧的彈力可以使第一段階梯芯軸與磨齒平行。當磨齒出現磨損時，磨盤實際間隙增大。此時，第一個階梯軸被磨損，彈簧彈力向右推動墊片，墊片帶動主軸移動，以此類推。不同點為本文檢測方法中感應裝置為LVDT位移傳感器。每磨損一個階梯時，出現一段位移量，此時主軸會觸發探頭使LVDT 傳感器鐵芯移動產生電壓差，位移量經由LVDT 位移傳感器測得，即為磨盤磨損量。假定動盤與定盤磨損量相同，LVDT 位移傳感器將測量量傳送給控制系統，控制系統發出2倍的測量信號給間隙調整系統，進而對間隙進行調整。此種檢測裝置可以直接嵌入到磨片中測量，且能夠避免磨漿過程中漿料流量、溫度、壓力等對檢測的影響。每個階梯高度值應該越小越好，這樣可以更有利于磨盤間隙的精準檢測，但不能超出位移傳感器的測量范圍，具體最小高度值需要進一步實驗研究。

圖8 磨盤磨損測量裝置圖

直接實時在線測量技術其主要是以某一種傳感器進行直接測量，部分安裝于磨盤外部，雖然簡單方便但無法測量磨盤磨損，部分安裝于磨盤內部可檢測磨損以及初始間隙。但會受磨漿過程中溫度、壓力、鐵制雜質等因素的影響。而疊加實時在線測量技術綜合考慮可能影響磨盤間隙的磨盤磨損、軸向竄動對磨盤間隙的影響，實現了實時在線測量磨盤間隙。所測得磨盤間隙可通過位移傳感器發出信號給控制系統，可實現實時在線為間隙控制系統提供精確間隙值進而精確調整磨盤間隙。磨盤磨損、軸向竄動及初始間隙的測量互不干擾，此方法為實現實時在線控制調整磨盤間隙提供了方向，但還需要進行深入研究。

4 結 語

磨盤間隙是磨漿過程的重要控制參數，會直接影響磨漿質量及磨漿能耗。目前，關于磨盤間隙的檢測主要為直接測量方法，本文提出的磨盤間隙疊加實時在線檢測方法，綜合了磨盤磨損量、磨盤主軸軸向竄動及磨盤原始間隙的測量，克服了原有測量技術的不足，對于盤磨機間隙的精確在線測量及盤磨機的精確高效控制提供了一個新的思路。