磨片磨紋設(shè)計(jì)的新動(dòng)向
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王成昆 王 平
（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300222）
摘要：磨片的磨紋設(shè)計(jì)直接決定了磨片的性能，影響磨漿的質(zhì)量、效率和能耗。本文從磨齒的參數(shù)、磨紋的形狀、磨盤(pán)的結(jié)構(gòu)等方面，介紹了近年來(lái)磨片磨紋設(shè)計(jì)的發(fā)展動(dòng)向，包括磨齒斜面設(shè)計(jì)、深淺不同的齒槽、鋸齒形磨齒、正反轉(zhuǎn)磨片、V形及Z形磨紋等。
關(guān)鍵詞：磨片；齒形設(shè)計(jì)；磨齒參數(shù)；磨紋形狀
中圖分類號(hào)：TS734+．1DOI: 10. 11980/j. issn．0254-508X. 2016. 04.013
當(dāng)盤(pán)磨機(jī)選型和磨片材料確定以后，磨片的磨紋設(shè)計(jì)是影響磨漿質(zhì)量、效率最重要的因素，也是最容易改變和創(chuàng)新的因素。盤(pán)磨機(jī)磨片的磨紋參數(shù)主要有磨齒寬度、齒槽寬度、齒槽深度、磨紋傾角、擋壩設(shè)置等。磨紋參數(shù)的設(shè)計(jì)一般是根據(jù)漿料的特性和磨漿質(zhì)量要求進(jìn)行的。根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)常用的制漿原料，磨片磨紋設(shè)計(jì)有一些典型的基本齒形，當(dāng)有特殊要求時(shí)，對(duì)基本齒形進(jìn)行一些變型設(shè)計(jì)。近年來(lái)，隨著節(jié)能降耗的要求，人們對(duì)磨片齒形進(jìn)行了深入的研究，本文在分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)磨片磨紋設(shè)計(jì)的新動(dòng)向進(jìn)行了論述。
1磨齒截面形狀改進(jìn)
在打漿過(guò)程中，動(dòng)壓作用促進(jìn)了纖維之間的接觸，減少了纖維的切斷。最佳的磨漿條件是：在紙漿潤(rùn)滑的邊界條件下，摩擦因數(shù)最大，纖維之間的相互作用最強(qiáng)，切斷少，疏解作用增強(qiáng)，動(dòng)靜磨片分離，降低能耗。初嘉鵬等人在2011年提出，要想利用動(dòng)壓作用實(shí)現(xiàn)最佳打漿，需要改變磨片齒形，改進(jìn)后的齒形如圖1所示。把動(dòng)磨片的齒頂平面改成斜面之后，通過(guò)力學(xué)分析可知，漿料與齒頂斜面會(huì)產(chǎn)生垂直動(dòng)壓力，纖維的切斷減少，纖維之間的作用力增強(qiáng)，有效促進(jìn)了纖維的分絲和帚化，增加了漿流量，降低了能耗。
Luc Gingras在2012年通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，對(duì)比了動(dòng)靜磨片磨齒齒面都是平面時(shí)的漿料與靜磨片磨齒齒面為斜面時(shí)的漿料受力情況，如圖2所示。圖2 (a)是傳統(tǒng)形狀的磨齒，圖2 (b)是齒面有斜面的磨齒，圖2 (c)所示的是動(dòng)靜磨片的磨齒在交叉接觸的過(guò)程中，漿料受到的剪切力F的變化情況。圖2 (c)中，虛線是傳統(tǒng)磨齒的漿料的受力，實(shí)線表示改進(jìn)后帶有斜面的磨齒的漿料受力。由圖2 (c)中的受力變化可以看出，由于傳統(tǒng)磨齒齒面與齒槽幾乎垂直，所
以在動(dòng)靜磨片磨齒接觸過(guò)程中漿料受到的擠壓剪切作用力比較大，有峰值出現(xiàn)，而帶有斜面的磨齒中的漿料受力則相對(duì)緩和。
顯然這種峰值作用力的出現(xiàn)是不利于打漿的，一方面對(duì)漿料會(huì)有過(guò)量的切斷作用，影響纖維質(zhì)量，且對(duì)磨齒也會(huì)有損害，降低使用壽命。所以Luc Gin-gras等人也提出并設(shè)計(jì)了幾種帶有一定斜度的齒形，其結(jié)構(gòu)與初嘉鵬等人的設(shè)計(jì)有相似之處，這里不再贅述。
2 齒槽及漿檔形狀變化
齒槽的寬度和深度與齒形有關(guān)，并且對(duì)磨漿的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，齒槽較窄可使整個(gè)磨盤(pán)齒數(shù)增加，加大了對(duì)漿料的切斷作用。雖然能提高漿料的打漿度，但是由于齒槽窄，槽深也淺，從而降低了漿料的通過(guò)量；增加齒槽寬度可以加大漿料通過(guò)量，但會(huì)削弱打漿作用，所以會(huì)配合漿檔設(shè)計(jì)以延長(zhǎng)漿料在磨區(qū)的停留時(shí)間。
針對(duì)最佳磨片齒寬的選擇和確定，劉士亮等人就不同齒寬的磨片，對(duì)短纖維漿中濃打漿的質(zhì)量、保留的纖維長(zhǎng)度和打漿能耗方面做了對(duì)比分析，并得出了最適宜的磨片齒寬。該方法為新型、高效盤(pán)磨磨片磨齒參數(shù)的確定提供了參考。
一般常見(jiàn)的磨盤(pán)齒槽無(wú)論分幾個(gè)磨區(qū)，除破碎區(qū)外其齒槽的深度幾乎都是恒定不變的。所以有學(xué)者提出是否能在提高漿料通過(guò)量的同時(shí)保證對(duì)纖維較小的損害，提供一個(gè)合理的打漿強(qiáng)度以確保較好的打漿質(zhì)量。Wesley Underberg等人設(shè)計(jì)了一種變齒槽深度的磨齒，具有一定的創(chuàng)新性，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該磨片設(shè)計(jì)原本是為高濃磨漿設(shè)計(jì)，但實(shí)際上已經(jīng)在低濃打漿應(yīng)用，從磨片內(nèi)徑到外徑齒槽深度是變化的。其特點(diǎn)可以概括為：相鄰兩個(gè)較深的齒槽中會(huì)有一個(gè)較淺的齒槽，增加了磨齒數(shù)量，提高了打漿度；在高濃磨漿時(shí)，較淺的齒槽利于蒸汽的疏散，防止出現(xiàn)過(guò)大蒸汽壓力造成沖擊載荷；位于上端的齒槽較淺且窄，能夠抵抗磨齒變形，但磨齒的強(qiáng)度有一定降低。
隨后，Luc Glngras等人對(duì)這種深淺不同的變齒槽深度設(shè)計(jì)進(jìn)行了更深入的研究，對(duì)位于上端較淺齒槽的深度、寬度以及下端較深齒槽的尺寸等內(nèi)容做了分析，確定了可選擇的參數(shù)范圍。Antensteiner Pe-ter等人也設(shè)計(jì)了一種深淺不同的齒槽，并推導(dǎo)出了上端齒槽的深度與其受到的應(yīng)力之間的關(guān)系式，為磨齒參數(shù)的確定提供了理論依據(jù)，具有一定的意義。原文介紹較為詳細(xì)，此處不再贅述。
漿檔（擋壩）的設(shè)計(jì)受磨齒參數(shù)以及漿料特性等因素的制約，無(wú)論是直齒（平行齒和徑向齒）或者弧形齒磨盤(pán)，漿檔都不是必需的，而是根據(jù)打漿的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，對(duì)于無(wú)漿檔的直齒磨盤(pán)，雖然其泵送作用相對(duì)較明顯，但如果磨齒及齒槽的參數(shù)得到合理的設(shè)計(jì)，其磨漿效果也是不錯(cuò)的；另外，對(duì)于有錯(cuò)位漿檔的磨盤(pán)，實(shí)際打漿中，漿料的通過(guò)量會(huì)減少，齒槽設(shè)計(jì)較窄時(shí)甚至?xí)斐蓾{料阻塞。
傳統(tǒng)的漿檔呈一定寬度，高度與磨齒齒面平齊地布置在齒槽中。該設(shè)計(jì)對(duì)于低濃打漿沒(méi)有太大問(wèn)題，但是在高濃磨漿時(shí)，紙漿含水量較少，在磨漿區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的蒸汽，高速流動(dòng)的蒸汽會(huì)造成漿料的回流或者過(guò)早排出磨漿區(qū)，甚至產(chǎn)生沖擊載荷，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致載荷控制不穩(wěn)定，所以需要盡快排出。針對(duì)以上問(wèn)題，Luc Gingras等人設(shè)計(jì)了一種帶有缺口的漿檔，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中的1-1和2-2是磨盤(pán)上的剖切示意圖，由圖4可知，該漿檔上端和磨齒面平齊，但是一邊留有缺口，便于蒸汽疏散；圖4中2-2的斜面設(shè)計(jì)，有利于漿料翻過(guò)漿檔，不會(huì)造成漿料的阻塞。
3磨紋形狀變化
3.1鋸齒狀磨齒的設(shè)計(jì)
在精磨機(jī)磨片設(shè)計(jì)中，提高能效的傳統(tǒng)方法是改進(jìn)內(nèi)部進(jìn)漿區(qū)域的設(shè)計(jì)特征，目的是加快進(jìn)漿。其結(jié)果是在一定磨漿間隙時(shí)，減小了纖維團(tuán)的厚度，纖維之間的相互作用減少，磨齒的切斷作用增加。當(dāng)纖維過(guò)快流出精磨區(qū)時(shí)，造成磨漿間隙變小，而磨片的使用壽命隨間隙的減小呈指數(shù)降低。
所以對(duì)于精磨機(jī)來(lái)說(shuō)，最佳的磨片是既能有較高的能量利用效率，又可以減少纖維切斷，同時(shí)具有較長(zhǎng)的工作壽命。安德里茨公司設(shè)計(jì)了一款新型磨片，很好地滿足了以上要求，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
該磨紋設(shè)計(jì)已經(jīng)申請(qǐng)了專利，其變型結(jié)構(gòu)有：內(nèi)部粗磨區(qū)的直形齒設(shè)計(jì)、精磨區(qū)進(jìn)一步細(xì)化分區(qū)、磨齒上的鋸齒形改進(jìn)為其他凹凸不規(guī)則形狀等�；⌒文X的彎曲方向與磨片旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，鋸齒狀凹槽分布在磨齒的前緣即運(yùn)動(dòng)方向一側(cè)；獨(dú)特的鋸齒狀設(shè)計(jì)，有助于延緩漿料在外部精磨區(qū)的停留時(shí)間，增加纖維束的厚度，減少切斷；允許動(dòng)靜磨片之間較大的磨漿間隙，在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度磨漿的同時(shí)，延長(zhǎng)了磨片的使用壽命。
3.2可正反轉(zhuǎn)的磨紋設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)磨紋的排列形狀，主要是直形齒和弧形齒。華南理工大學(xué)在磨紋設(shè)計(jì)方面做了一定的研究，設(shè)計(jì)了一種磨齒呈V形布置的磨片，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。該磨片主要用于中高濃度的廢紙( OCC)打漿，可分為3個(gè)磨區(qū)，磨齒截面為直角梯形，截面的形狀如圖6中1-1、2-2所示，梯形截面設(shè)計(jì)能增加纖維與齒面的接觸面積，提高纖維與齒面及纖維內(nèi)摩擦的機(jī)率。由于受到疏解區(qū)磨齒彎曲方向的限制，該磨片不能實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，但是可改善磨區(qū)的漿料流動(dòng)混合形式，實(shí)際的打漿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
與傳統(tǒng)磨片對(duì)比，磨紋呈V形布置的磨片可有效降低能耗，進(jìn)一步提高成紙性能。結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出新型磨片在處理OCC紙漿時(shí)磨漿效果優(yōu)于傳統(tǒng)磨片。
當(dāng)磨片被設(shè)計(jì)制造出來(lái)以后，其旋轉(zhuǎn)方向一般都是固定的。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的磨漿之后，磨齒基本上是順著旋轉(zhuǎn)方向齒前刃角受到的磨損最大，呈圓弧狀出現(xiàn)鈍口，而齒后刃磨損不突出，齒面磨損為不規(guī)則狀。國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出通過(guò)精加工復(fù)磨能基本恢復(fù)齒前刃的鋒利狀態(tài)，使磨損齒面得到修整。而國(guó)外一些廠家則嘗試隔一段時(shí)間改變磨片的旋轉(zhuǎn)方向，以保證磨齒前緣的鋒利，也延長(zhǎng)了磨片的使用壽命。
針對(duì)以上問(wèn)題，安德里茨公司設(shè)計(jì)了一種可反轉(zhuǎn)的精漿機(jī)磨片，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。由圖7可知，動(dòng)靜磨片的磨紋呈V形，動(dòng)磨片的齒槽深度要比靜磨片的深一些。該磨片的變型結(jié)構(gòu)還有很多，比如疏解區(qū)的設(shè)置、精磨區(qū)的細(xì)化分區(qū)等、V形磨紋結(jié)合再緊湊些呈W形等。無(wú)論怎樣變型，該動(dòng)靜磨片都能允許精磨機(jī)以相同的性能反向旋轉(zhuǎn)工作。
3.3其他的磨紋設(shè)計(jì)
除以上的磨片之外，安德里茨公司還陸續(xù)設(shè)計(jì)了其他一些新型的磨片。 (1)具有逐漸變化形狀的磨片。從內(nèi)部進(jìn)料區(qū)至出口區(qū)的磨齒和齒槽寬度逐漸變小，即在徑向，磨齒和齒槽的密度逐漸增大，過(guò)渡區(qū)域形狀呈螺旋線狀、V形、倒V形或者X形等。該設(shè)計(jì)充分利用了磨盤(pán)的表面，優(yōu)化了磨漿性能。結(jié)構(gòu)如圖8所示。
(2)磨紋呈Z形的磨片。在磨片中間有一段傾斜形狀的磨齒與徑向排列的磨齒相連呈Z形，在Z型彎曲部分可以根據(jù)需要設(shè)置斜面。有規(guī)律分布的Z形彎曲起到了漿檔的作用，所以磨片徑向沒(méi)有漿檔，結(jié)構(gòu)如圖9所示，其中圖9 (a)是Z形彎曲的局部放大圖。
(3)磨齒呈V形立體結(jié)構(gòu)的磨片。該磨齒呈三棱柱狀或是V形的立體，一個(gè)個(gè)單獨(dú)的磨齒按照一定規(guī)律布置在磨盤(pán)上，其磨漿效果有待論證，但是設(shè)計(jì)方法比較獨(dú)特，有一定的參考價(jià)值。
在國(guó)內(nèi)，早在2004年陳永生等人就公布了一項(xiàng)磨片專利，其設(shè)計(jì)理念與上述具有逐漸變化形狀的磨片相類似。每塊磨片可分為3個(gè)或更多的同心圓磨漿區(qū)間，磨區(qū)寬度隨著半徑的增大依次變小，齒槽深度在徑向逐漸減小。該設(shè)計(jì)可以有效解決磨盤(pán)表面掛漿不均問(wèn)題，避免齒面直接摩擦，促進(jìn)纖維分絲帚化。
此外，Ola M Johansson等人曾設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特的磨片。第一種是可調(diào)齒形的磨片。其原理是在一塊磨片中，存在一部分可以是圓形、方形及三角形狀，單獨(dú)安裝固定在磨盤(pán)上。其上端和磨盤(pán)上端面平齊，“填在”磨盤(pán)里構(gòu)成一塊完整的磨片，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)來(lái)改變磨片的齒紋形狀，進(jìn)而改變打漿效果。第二種是可分離式磨片。其結(jié)構(gòu)是使用螺栓將分塊的扇形磨片固定在磨盤(pán)基體上，其中每個(gè)磨片中間呈一定形狀的區(qū)域沒(méi)有磨紋，而是篩網(wǎng)式的通孔。當(dāng)漿料從磨片內(nèi)徑向外流出過(guò)程中，一部分細(xì)小的漿料將會(huì)穿過(guò)漏孔從磨片下方流出，另一部分則流向外徑磨紋，然后排出。以上兩種設(shè)計(jì)，都比較新穎，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，實(shí)際磨漿效果也有待驗(yàn)證。
4結(jié)語(yǔ)
(1)將磨齒截面設(shè)計(jì)有一定的斜角，有利于減少纖維切斷，提高漿料通過(guò)量，并減小磨片受到的沖擊力，提高磨片的使用壽命。
(2)不同磨區(qū)變齒槽深度的設(shè)計(jì)，可以增加磨齒數(shù)量，提高打漿度；帶有缺口的漿檔在熱磨機(jī)械漿或高濃磨漿時(shí)有利于高溫蒸汽的排出。
(3)磨片的鋸齒形磨紋設(shè)計(jì)，可延長(zhǎng)漿料在外部精磨區(qū)的停留時(shí)間，增加纖維厚度，減少切斷，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度磨漿；可正反轉(zhuǎn)的磨紋設(shè)計(jì)，能夠延長(zhǎng)磨片使用壽命，但要求磨漿機(jī)可靈活改變轉(zhuǎn)向。
(4)V形或Z形磨紋以及結(jié)構(gòu)可調(diào)整分離的磨片，結(jié)構(gòu)都比較獨(dú)特，具有一定的參考價(jià)值。
(5)磨片磨紋的創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)磨片的制造工藝提出了新的要求，如精密鑄造、專用磨削等，新齒形的磨片會(huì)增加磨片的制造成本。在生產(chǎn)中，需要權(quán)衡經(jīng)濟(jì)效益和增加的成本。
