靴式壓榨裝置的設計與有限元分析

王宏民 黃建坷 林蔚 覃才 何有根 王建生 楊威 陳凡

摘要：靴式壓榨技術是目前造紙行業最先進的壓榨技術，保持線壓的穩定性和提高脫水率是靴式壓榨技術面臨的挑戰，有必要通過結構設計和有限元分析，探索優化靴式壓榨裝置的結構和性能，以提高造紙過程中的漿料脫水效率和紙張質量。首先進行了文獻綜述，回顧了已有的靴式壓榨裝置設計和有限元分析方面的研究。然后，根據研究目標，設計了一種新型的靴式壓榨裝置，并使用有限元分析方法進行了結構分析和性能評估。通過有限元分析，獲得了靴式壓榨裝置在極限條件下的工況下的靜應力變形情況。分析結果顯示，設計的裝置在結構穩定性方面表現良好，能夠有效實現漿料的脫水和紙張的均勻壓制?；谠O計和有限元分析結果，得出結論認為該靴式壓榨裝置具有優越的結構性能，該研究對于進一步改進和優化靴式壓榨技術具有重要的實用價值和應用潛力。

關鍵詞：靴式壓榨；脫水效率；紙張質量；有限元分析

中圖分類號：TS734.8??????????????? ? 文獻標志碼：A?????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.05.010

文章編號：1006-0316 （2024） 05-0074-07

Design and Finite Element Analysis of Shoe Press Unit

WANG Hongmin1，HUANG Jianke1，LIN Wei1，QIN Cai1，HE Yougen1，

WANG Jiansheng1，YANG Wei2，CHEN Fan3

（ 1. Faculty of Intelligent Manufacturing， Wuyi University， Jiangmen 529020， China;

2. OPD Servo Motor & Energy-Saving System Co.， Ltd.， Jiangmen 529050， China;

3. Jiangmen Polytechnic， Jiangmen 529030， China ）

Abstract：The shoe press technology is the most advanced press technology in the paper industry at present. Maintaining the stability of the line pressure and improving the dewatering rate are the challenges faced in the field of shoe press technology， and it is necessary to explore the optimization of the structure and performance of the shoe press device through structural design and finite element analysis to improve the efficiency of pulp dewatering and paper quality in the papermaking process. In this paper， a literature review on the existing studies on the design and finite element analysis of shoe press devices is first conducted. Then， based on the research objectives， a new shoe press device is designed ， followed by the structural analysis and performance evaluation through the finite element analysis. Through finite element analysis， the static stress deformation of the shoe press device is obtained under the working conditions at the limit conditions. The analysis results show that the designed device performs well in terms of structural stability， and is able to effectively realize the dewatering of pulp and the uniform pressing of paper. Based on the design and finite element analysis results of this paper， it is concluded that the shoe press device has superior structural performance， and the study has important practical value and application potential for further improving and optimizing the shoe press technology.

Key words：shoepress；dewatering efficiency；paperquality；finite element analysis

靴式壓榨簡稱靴壓，是由20世紀80年代美國的Beloit公司研發出來的技術，其目的是為了延長紙張在壓榨區的停留時間[1]。靴壓最早通過增大輥子直徑來實現，這樣可以增加壓榨區域的寬度，并延長紙張在壓榨區域的停留時間。

造紙設備脫水的關鍵部位是壓榨部分，靴壓是目前造紙行業最先進的壓榨技術，壓榨紙張中水分的效果最好。一般紙幅出口壓榨部的干度每提高1%，蒸汽消耗量就會減少約5%，從而直接降低造紙生產成本約0.75%。這種方法的節能降耗效果十分顯著[2]。所以靴壓很大程度上決定了造紙機的運行成本和經濟效益。

德國的Voith公司也根據靴壓技術設計出類似裝置，其開發了一種名為NipcoFlex單靴壓榨方法。該方法利用弧形液壓加壓靴與壓榨輥配合形成壓區，通過不透水的尼龍聚氨酯毛毯將加壓靴與濕毛毯隔開，同時利用油膜進行潤滑。紙張和毛毯在上壓榨輥和毛毯之間運行[3-5]。這種寬壓區壓榨形式不僅確保在需要高度脫水時無需過高的加載壓力，還避免了紙張在壓區間被壓碎或損壞。

我國自1998年開始在高速大型文化紙機上采用靴壓技術，截至2016年，已有超過250套靴壓裝置應用于不同類型的紙機上[6]。近年來，國內靴壓技術的應用數量持續增加，特別是在新投入使用的大型紙機上，靴壓裝置成為不可或缺的關鍵組成部分。國內的靴壓相比于國外起步較晚，由于缺乏關鍵技術理論和關鍵設備的研究，只有幾家公司初步研發出了靴壓造紙裝置，例如中國造紙裝備有限公司、山東昌華造紙機械公司、淄博泰鼎造紙機械廠等[7-9]。

針對國內在靴壓裝置方面研究缺乏的現狀，本文根據造紙設備的性能要求，通過理論分析和有限元分析，深入研究靴壓的結構原理。對靴壓裝置進行了結構設計，提供了靴壓造紙設備電機的選型依據，為國產造紙機的發展提供參考依據。

1 靴壓裝置主要結構設計

1.1 靴壓裝置整體結構

靴壓裝置主要由靴輥和背輥組成，靴壓技術通過靴輥和背輥之間的擠壓來減少紙漿中的含水量。靴板并不是和紙頁直接接觸的，靴壓壓榨區域的結構從下到上分別是背輥輥殼－毛毯－紙輻－毛毯－靴套－靴板。如圖1所示。靴輥和背輥的兩端通過軸承座相互加壓鉸接在一起來保證運行時的穩定性，更好的平衡靴輥和背輥的相互作用力。

1.2 靴輥設計

靴板可通過液壓加載裝置進行加壓，靴板通過上下移動來壓榨紙頁。靴板安裝在靴輥上，靴輥本身是不旋轉的，所以靴板也不旋轉，但靴輥上的靴套會由于背輥的高速轉動產生轉動。靴輥兩端是軸承座，背輥兩端也是軸承座，兩端用鉸鏈進行連接。

靴板中間有凹槽，且凹槽被分成若干部分，靴板和靴套之間的潤滑油膜由每個靴板凹槽的出油孔流出產生。靴板液壓缸的活塞桿頭與靴板固定連接在一起，這樣可以更好傳遞壓力，使線壓力更穩定。液壓缸總共兩排，橫向排列在支撐橫梁上，這樣可以通過控制液壓缸的壓力，從而控制靴板的傾斜角度，以延長壓榨的時間。液壓缸的缸體安裝在支撐梁上，出油孔位于缸體底部，所有液壓缸的油管互通且設置在支撐橫梁內部，油管的進油孔與支撐橫梁上的回轉油缸相連，同樣位于支撐橫梁內部。如圖2、圖3所示。

1.3 背輥設計

背輥的輥芯相當于背輥的支撐部位，和靴輥的支撐梁作用類似，輥芯材質是球墨鑄鐵。工作時，靴輥的線壓力主要作用在輥芯上，所以輥芯要有足夠的強度。而軸承主要起到傳遞線壓力的作用，所以兩端軸承的載荷并不大[10]。

背輥外部主要由端蓋、輥殼和減速箱組成，減速箱是整個靴式壓榨裝置的動力來源，輥殼靠近減速器的一端內嵌內齒輪，這樣電機的動力就可通過減速器傳遞給輥殼。背輥內部主要由輥芯和液壓加載單元組成，液壓加載單元就是液壓缸，它橫向排列在輥芯上對輥殼起加壓的作用。液壓加載單元的活塞是固定的，它是通過加壓讓液壓缸對輥殼進行擠壓。壓力油是通過活塞桿上的小孔流出的，活塞桿末端小孔與輥芯內置油管相連。液壓缸和輥殼之間也是需要潤滑油來減少摩擦力，它們之間的潤滑油是通過液壓缸上的小孔流出的，液壓缸上的小孔裝有節流閥。如圖4所示。

2 電機選型

造紙設備通常是由轉動件構成，這些轉動件的功率可以通過計算驅動轉矩和轉速的乘積來求得。沒有必要再寫成牽引力和線速度的乘積，這樣可以使計算概念清晰，并減少計算的工作量，從而提高設計工作的效率[11]。

根據靴壓的結構，系統內驅動輥子的驅動轉矩等于各種滾動摩阻阻力矩和壓榨輥轉動所需要的力矩之和。驅動輥子傳動所需功率計算如下：

（1）

式中：Mi為摩擦力矩，kN·m；V為背輥轉速，m/min；n為摩擦類型數目；D為背輥直徑，m；η為傳動效率。

背輥所受的摩擦力矩可分為三種類型[5]，這三種類型分別為背輥軸承內摩擦力矩、靴輥和背輥之間的摩擦力矩和液壓缸和輥殼之間的摩擦力矩，下面對此一一進行計算。

（1）背輥軸承內摩擦力矩為：

（2）

式中；Q為背輥兩側軸承上的總負載，kN，包含背輥自重、通過背輥的毛布拉力之和、靴輥的重量以及靴輥施加的壓力[5]，選擇重力系數為9.8 N/kg；f為軸承的滾動摩擦系數，對于圓柱滾珠軸承f＝0.04；d為軸承的直徑，m。

（2）靴輥和背輥之間的摩擦力矩為：

（3）

式中：Q2為靴輥和背輥之間的壓力，kN；K為滾動摩擦力臂，m，該值通常為0.007～0.016 m [5]；Da為背輥直徑，m；Db為靴輥直徑，m。

（3）液壓缸和輥殼之間的摩擦力矩為：

（4）

式中：f1為液壓缸和輥殼的摩擦系數；P1為液壓缸的單位壓力，kN/m；F1為液壓缸和輥殼的接觸面積，m2。

當鋼與鋼之間加有潤滑劑時，它們的摩擦系數為0.05～0.10，液壓缸和輥殼之間的油膜處于混合潤滑狀態，通過其它潤滑的摩擦系數區間，即可獲得混合潤滑的系數區間，動壓潤滑的系數為0.001～0.01，邊界潤滑的系數為0.05～0.10，那么混合潤滑的系數取0.01～0.05，

取液壓缸和輥殼的摩擦系數為0.05。

根據轉矩與造紙設備車速的關系[5]，如圖5所示，當轉速很高時，可用下式來計算轉矩增加系數：

（5）

式中：Kv為轉矩增加系數。

在計算電機傳動軸的輸出功率時，還需考慮減速機的傳動效率和萬向軸聯軸器的傳動效率，為了確保驅動轉矩的安全性，采用Km作為極限系數[5]。因此，電動機軸的功率計算如下：

（6）

Km、Kv、η根據減速機和聯軸器的類型來取值。

3 靴輥的有限元分析

雖然靴板比起靴輥小很多，但由于靴板是固定在靴輥上的，且屬于主動件，并且靴輥和背輥都是固定在機架上，靴板不會受到靴輥的重力作用，所以本文不對靴板進行分析。靴輥是靴壓裝置運行過程中的主要受力構件之一，它的穩定性和可靠性直接決定了整個壓榨系統的性能。因此，靴輥必須具備足夠的剛度和強度，以確保其在運行過程中不會發生變形或損壞[5]。下面對靴輥進行靜強度分析。

3.1 建立靴輥有限元模型

利用Solidworks軟件對靴輥支撐梁模型進行有限元分析。在應用材料中，對靴輥支撐橫梁材料屬性進行設置，定義材料屬性選擇合金鋼材料，密度為7700 kg/m3，彈性模量為2.1×1011 N/m2，泊松比為0.28。如圖6所示。

3.2 添加約束和施加載荷

對靴輥支撐梁的兩端進行固定約束，采取極限條件下的工況進行計算，靴輥支撐梁的受力為自身的重量和兩輥之間的最大壓力，靴輥的重量為1777.3 kg，文獻[12]中Valmet公司在測試實驗的峰值壓力是5 MPa，故本文兩輥之間的最大壓力選擇5 MPa。如圖7所示。

3.3 網格劃分

生成網格，選擇網格屬性，然后選擇布種密度，網格的參數選擇基于曲率的網格，計算會更加準確。如圖8所示。

3.4 結果分析

對圖9～11進行分析，圖9是支撐梁的應力分析圖，可以看出支撐梁滿足極限條件下的工況。圖10是位移分析圖，從圖中可以看出，變形主要集中在支撐梁中間，兩端變形基本不變形，最大變形量為4.9 mm，對于整體長6 m的支撐梁來說，沒有明顯變形。圖11是應變分析圖，可以看出支撐梁的變形數據為0.0013，對設備正常運行影響不大。

4 結論

根據研究目標，設計了一種新型的靴壓造紙裝置，并使用有限元分析方法進行了結構分析和性能評估。經過對靴輥的有限元分析，證明了所設計的裝置在結構穩定性方面表現良好，能夠有效實現漿料的脫水和紙張的均勻壓榨。這些結果分析將為靴壓的國產化研究以及國產造紙機的發展打下一定的理論基礎，提供參考依據。使用靴壓技術不僅可以提高產品質量，還可以節約能源成本，符合國家的“雙碳”政策，降低碳排放并減少污染。隨著造紙機技術的不斷發展，靴壓技術也需要不斷優化和改進。保持線壓的穩定性和提高脫水率成為靴壓技術面臨的挑戰，這也是未來需要解決的難題。

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