靴壓液壓系統的關鍵要素設計及分析

李若冰 賈小龍 程 敏 魏愛玲，* 宗維亞

（1.廊坊燕京職業技術學院，河北廊坊，065200；2.中國制漿造紙研究院有限公司，北京，100102；3.北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

靴壓液壓系統的作用除了要完成靴壓的加壓功能外，還要提供靴板的潤滑，包括靴壓對輥的流體靜力支承和輥子軸承、減速箱的潤滑。靴壓模塊所需要的壓力和流量，是根據靴壓的設計要求確定的。在某些靴壓設備上，靴壓液壓系統還要具備靴套的張緊和靴壓換輥裝置的提升等功能[1-2]。

1 靴壓液壓系統的設計要求

1.1 靴輥的液壓設計要求

一般來說，靴輥和靴套間為流體動力支承潤滑，靴輥和靴套間需配置1根橫幅的潤滑油管，并在潤滑管上安裝噴嘴，對靴套和靴板之間噴射冷卻后的液壓油，對壓區進行潤滑和冷卻，減小磨損，延長靴套使用壽命。另外，靴輥內部加壓活塞的布置有單排和雙排2種結構；根據紙種及紙幅水分均勻控制要求進行壓區的分區控制，如果對紙幅水分均勻要求高，宜采用分區控制來調節水分；雙排加壓活塞可以提高靴壓峰值加壓密度，減小紙機回濕現象[3-4]。

1.2 靴壓對輥的液壓設計要求

靴壓對輥一般采用靜壓支承原理的軸承，線壓的載荷通過液壓加壓活塞，加載到對輥的中心梁上，輥殼的軸承基本上只承受輥殼和軸頭的重力，因此選擇較小規格即可，這種結構的工作線壓可達1400 kN/m[1]。靴壓對輥需要液壓系統提供加壓油，通過計算靜壓軸承加壓潤滑所需要的壓力和流量，確定液壓系統的輸出流量。

1.3 靴套張緊的液壓設計要求

靴套是聚合物材料，相對靴板和對輥來說，質地較軟，需要用液壓控制回路進行張緊，并配置壓力傳感器，實時檢測張緊力并顯示在控制面板中；靴套內需要保持5～8 kPa 壓縮空氣，保證靴套處于膨脹狀態，防止靴套有折痕被壓潰變形，靴套內部通過設置虹吸管隔離靴壓回油管和主回油管，防止靴套內空氣通過回油管連通大氣，無法保持靴套張緊壓力。

1.4 靴壓換輥裝置的提升

根據不同廠家的結構，有液壓提升和機電絲杠提升2種方式。

2 液壓系統詳細設計

本課題以5600 mm箱紙板機配置的單靴壓帶可控中高輥的配置為例，詳細說明靴壓液壓系統的設計。

2.1 液壓油選擇

靴壓液壓系統一般選用VG150 的液壓油。由于靴板和靴套間采用流體動力支承的形式，靴板為不對稱的楔形結構，在旋轉過程中的楔形結構將潤滑油帶入壓區，形成流體動力支承，同時建立潤滑油膜，黏度高的油能產生更好的油膜，潤滑性能更好。靴板的內部結構一般為流體靜力支承形式，通過在靴板的凹槽里通入壓力油，潤滑靴板和靴套的同時在靴板的凹槽里實現部分流體動力學效應，提高油膜的剛度和載荷能力。

2.2 靴板潤滑所需的流量

所需的流量可根據經驗公式計算，如式(1)所示。

式中，Q為所需流量，L/min；L為靴板長度，mm；V為紙機速度，m/min。潤滑油的壓力一般為400～800 kPa，根據所使用的噴嘴形式來確定壓力。

已知L= 5937 mm，V= 750 m/min，因此Q為400.7 L/min。靴輥內部的軸承潤滑流量為24 L/min，所以噴淋油需要的總流量是424.7 L/min。

除了靴板的潤滑之外，靴壓設備上的輥子軸承、減速箱等，也要進入集中稀油潤滑，對軸承流量和潤滑油溫度進行實時監控。

由于潤滑用油的工作壓力較低，一般采用單獨的低壓泵，并在回路中設置好必要的流量計，實時檢測靴壓各個潤滑點是否良好，泵的電機最好使用變頻電機，可以方便調節潤滑流量。

2.3 加壓所需的壓力和流量

根據靴壓模塊的設計線壓（1250 kN/m）和靴板加壓活塞的有效面積，可計算靴板加壓壓力。計算靴壓模塊工作所需流量時，考慮靴輥工作時加壓本質是一個單作用的大液壓缸，工作時是保壓狀態，其余液壓控制回路如靴套張緊、靴板提升等控制回路只需要少量的泄露油保持液壓壓力即可，所以靴壓液壓系統正常工作時所需流量主要是可控中高輥工作所需流量。可控中高輥內部沿紙機方向橫幅布置了若干個油袋，每個油袋設計1 個毛細管，如圖1 所示。液壓系統通過毛細管建立液壓靜壓支承，并在加載柱塞和內輥面之間形成150μm 厚的油膜。靜壓支承的油袋和毛細管的數量確定后，根據帶毛細管補償的靜壓支承原理可知，壓力比（加壓壓力和油源壓力之比）為0.5左右，最好不大于0.5[5]。壓力比為0.5時油膜的剛度和承載能力較大，在工作線壓1250 kN/m 的情況下，根據加壓活塞面積，計算加壓活塞的工作壓力為8224 kPa，如果選擇壓力比為0.45，則為3700 kPa；根據毛細管的流量公式（如式(2)所示），在壓差一定的情況下，毛細管的直徑和長度成正比[6]。根據經驗，毛細管直徑一般取1.6 mm，如果直徑太小容易堵塞，且加工難度大；直徑太大則同樣的液阻下要求毛細管的長度更長。毛細管外徑6 mm，嵌裝在油袋中，油袋安裝毛細管的內孔為6.1 mm，油袋剖視圖如圖2所示。

圖1 可控中高輥油袋橫幅分布圖（局部）Fig.1 Controlled crown roll oil pocket cross machine layout view（section）

圖2 可控中高輥油袋剖視圖Fig.2 Controlled crown roll oil pocket section view

式中，Q為毛細管流量，L/min；μ為油液的動力黏度，當溫度在45℃左右時為0.0955 Pa·s；l為毛細管的長度，取0.0967 mm；d為毛細管直徑，取1.6 mm；ΔP為毛細管的壓力降，取450 kPa。

由式(2)計算可得，每個毛細管的流量（Q）為4.7 L/min。

根據輥體結構設計可知，可控中高輥共68 個毛細血管和油袋。一般來說，可控中高輥油袋的尺寸大小及間距是標準的，在不同幅寬的紙機中，紙幅的兩邊油腔寬度不一樣，根據幅寬減去標準的油袋寬度和間距尺寸得到兩端油袋的寬度。兩端的油腔除了從紙機橫向的封油邊出油之外，在紙機的端面封油邊也會有油流出，所以可控中高輥兩端油腔的流量相對標準油袋的流量會增加，一般靠近輥邊的4個油袋需要的流量是標準油袋的1.3 倍。故中間油袋需求流量為282.02 L/min，邊緣油袋所需流量為24.44 L/min，總流量為306.46 L/min。

可控中高輥內還配置了一個潤滑管，當可控中高輥開始轉動或者車速較低時，活塞加載壓力較低，設置了潤滑管對壓區進行潤滑。根據這種工況，液壓控制回路采用比例溢流閥控制可控中高輥的壓力，比例溢流閥的溢流管路接入噴油管，對可控中高輥的壓區進行潤滑，低壓運行時，大量的油通過溢流閥的溢流管連接潤滑管對加壓的壓區進行潤滑。當車速較高時，線壓逐漸上升到工作線壓，大部分的油通過毛細管和油腔，少部分的油通過溢流管，因為油腔流量增大，流經封油邊的油對加壓的壓區起到潤滑作用。因此，確定泵的流量時，需增加30%的流量來對可控中高輥進行潤滑。

2.4 壓區加壓回路設計

靴壓壓區加壓分為主壓區和邊壓區。主壓區采用比例溢流閥進行壓力控制，調節靴壓工作線壓。邊壓區用來調節補償紙機橫幅方向偏載問題，壓力比主壓力小，所以采用比例減壓閥和電磁換向閥進行控制，并帶高壓過載溢流和快速泄壓功能，當靴壓壓區進入異物等意外情況時能夠保護設備和快速泄壓。

主壓區控制原理圖如圖3 所示。主閥芯為DN32插裝式溢流閥，滿足大流量工作要求；先導閥為比例溢流閥，DB 是靴壓加油油路，通往靴壓加壓模塊和可控中高輥的油袋，調節比例溢流閥的壓力，就能調節靴壓線壓大小；DA 為溢流閥的溢流管路，連接可控中高輥內部，對輥內進行潤滑。當靴壓開機，工作壓力較低時，可控中高輥的毛細管無法正常工作，DA管路的油可以潤滑可控中高輥，防止輥內磨損[7]。

圖3 靴壓主壓區加壓控制原理圖Fig.3 Shoe press main zone hydraulic loading control diagram

邊壓區控制原理圖如圖4 所示。采用電磁換向閥和比例減壓閥[7]，滿足實時調壓的工作要求，設置壓力傳感器進行壓力閉環控制，當發現紙機橫幅水分有偏差時，可以調整邊壓區線壓，達到更好的橫幅水分一致性。

圖4 靴壓邊壓區加壓控制原理圖Fig.4 Shoe press side zone hydraulic loading control diagram

2.5 油箱設計及內部流體仿真

油箱為靴壓提供清潔和冷卻的液壓油。由于可控中高輥的油經過靜壓支承，摩擦力較大，造成溫升較高。在靴輥中，噴淋油對靴板和靴套之間的流體動力學進行潤滑后，同樣產生了大量熱量，一般回油溫度約60℃，所以液壓站配置了板式冷卻器；當開機時，由于液壓油黏度較大，設置了加熱器，液壓油加熱到35℃后再進入靴壓模塊中。

不同于傳統的液壓站，靴壓液壓站需具有除氣的作用。由于靴輥外的靴套是聚合物材料，需要內部充滿壓縮空氣，將靴套漲起。靴輥內部的油與壓縮空氣充分接觸，使靴輥的回油充滿了氣泡，占10%左右，所以油箱的功能需要除氣。油箱分為凈油箱和回油箱。靴輥模塊的回油依靠自重回到回油箱，經過1個990 μm 的磁性過濾器，再通過一系列油箱內部隔板和循環泵冷卻，然后將油泵到凈油箱，凈油箱也設置了3個隔板，最后通過高壓泵和潤滑泵，將油泵入閥盤以及相應的流量控制單元。

液壓系統回油時，設置了1～2 m 帶一定角度的回油槽，角度為2°～3°，回油槽內設置若干個擋油板，加長油液的流動路徑，盡可能析出油中的空氣。

油箱內設置3～5對隔板，每對隔板分成上隔板和下隔板，促進油液在油箱內的流動。為優化隔板的設計，利用了流體仿真功能，防止造成油液流動速度太快而油液混入空氣；或油液沖擊力大，對油箱的結構強度造成影響。

簡化模型油箱的液壓油內部流動的流體仿真圖如圖5所示，仿真的邊界條件為回油流量740 L/min，出油口（泵的吸油口）的壓力80 kPa（絕對壓力）；仿真結果是內部油液的流量速度在0.3 m/s 以內，利于油液中氣泡的析出；同時流體的油液不會形成對油箱側板過大的沖擊力。

圖5 油箱油液的流體仿真Fig.5 Simulation of oil flow in the tank

2.6 靴壓回油的虹吸管設計

虹吸管的功能是維持靴套內部的膨脹壓力，一般為0.5～0.8 kPa。由于油箱內部和主回油管與大氣相通，而靴套內部有一定的膨脹壓力，不能直接與大氣相通，所以需要設置1個虹吸管，將靴壓回油管和主回油管進行隔離，保證靴壓的回油管一直都是滿油狀態，維持靴套內部壓力。虹吸管的高度一般為0.8～1.2 m，保證靴套內部最大的壓力為8 kPa，可以滿足靴壓工作需要。

虹吸管如圖6 所示，一般集成在靴壓液壓系統的回油管中，靴壓回油管的油先進入虹吸管的最低點，在從下到上回流到主回油管，設置了可視液位計，可以觀察油液流通情況。虹吸管的設計參考了某紙廠進口靴壓設備回油管的應用，加工簡單，成本較低，具有較強的實用性。

圖6 虹吸管液壓控制原理圖Fig.6 Syphon hydraulic control schematic diagram

3 結 論

本課題詳細介紹了靴壓液壓系統的關鍵要素的設計及分析，計算了各個關鍵用油點的流量和壓力，包括靴板的潤滑、靴壓和可控中高輥的加壓、可控中高輥的流體靜力支承、靴套液壓張緊等，并通過液壓流體仿真軟件模擬了油箱內液壓油在隔板的流動，保證油液在油箱內較低的循環速度和通過虹吸管隔離靴壓回油管和主回油管，維持靴套膨脹的氣壓壓力等。