黄运贤

(华南理工大学造纸与污染控制国家工程研究中心，广东广州，510640)

华南理工大学造纸与污染控制国家工程研究中心(以下称本中心)自主研发的系列中浓液压盘磨机，由于具有打浆能耗低 (节水省电)、明显改善打浆质量、提高生产效率等优点，使中浓打浆技术在全国范围内的中小造纸企业得以成功推广应用，并取得了明显的经济及社会效益。但该盘磨机还是属于半手工操作，不易控制打浆质量，并且对于不同浆种其打浆操作有所不同，对工人的操作熟练程度要求很高，工人劳动强度较大;另外，随着我国造纸企业生产的转型升级，迫切需要打浆生产线的电气控制自动化，以保证打浆质量，降低工人劳动强度，提高生产效率。因此，本中心对系列中浓液压盘磨机 (以下简称盘磨机)进行了升级改进，改进后盘磨机升级为自动化控制，并纳入造纸厂生产线的中央控制系统。本文介绍了盘磨机改进与升级的技术要点，以供参考。

1 中浓打浆机理及盘磨机结构简述

盘磨机采用特殊结构，允许浓度6%～15%的浆料通过磨区和磨室。磨盘之间的浆料呈纤维网状形态，且纤维的密度大，纤维的形态变化依赖纤维与纤维之间的剧烈摩擦，促使纤维产生挤压、压溃、细胞壁破裂、分丝、起毛、细纤维化等一系列的变化［1］，而受齿纹刀刃直接作用引起纤维形态变化的几率大为减弱。其结果是:纤维的平均长度较长、纤维分丝帚化的作用较强、纤维受切断较少、细小纤维较少。这种纤维与纤维之间的剧烈摩擦引起纤维形态的变化称之为“纤维间的内摩擦效应”［2］，这就是中浓打浆机理。

盘磨机改进前的结构示意图见图1。从图1可见，主体设备由定磨片1、动磨片3、磨室2、主轴4、前后滚动轴承座5、油缸6、调整螺母7、推力筒8、前后滑座9、联轴器10、电机11和机座12等组成。此外，还配有电气控制系统和液压站。磨室里装有一对磨片，一个固定在磨室上，称为定磨片，另一个固定在轴端并随主轴旋转，称为动磨片。在液压系统和主电机的共同驱动下，转动的主轴同时可沿轴向前、后移动，从而使动磨片向定磨片靠近或离开，正常打浆时两磨片之间必须保持一定的间隙，不同的浆种，间隙要求不同，由工艺要求确定。浆料进入磨区时，高速旋转的动磨片使浆料产生巨大的离心力并获得愈来愈高的线速度，浆料在两磨片间运动轨迹呈近似螺旋线，同时经受扭转力、剪切力、摩擦力、挤压力等作用，引起纤维的疏解分离、横断纵裂、吸水膨胀、分丝起毛、帚化和细纤维化等各种变化［3］，从而实现打浆或磨浆效果。

图1 改进前中浓液压盘磨机结构示意图

2 盘磨机存在的问题

2.1 手动调整磨片间隙

两磨片之间的间隙大小是中浓打浆最重要参数之一，间隙太大或太小都会影响到成浆的质量，打浆的最佳间隙主要靠生产实践中摸索出来;不同的浆种，间隙要求是截然不同的。即使是同一种浆料，在生产过程中 (包括浆料的调配)受到各种因素的交叉影响，最佳打浆间隙也会发生变化。因此，两磨片之间的间隙不仅在开机前要初步调定，在生产过程中也要视成浆的质量变化适当作一些调整。从图1可知，主轴4通过滚动轴承座5的轴向移动来实现两磨片的重合或分开，滚动轴承座5与推力筒8固定连接，调整螺母7与推力筒8构成螺纹传动关系，在螺母轴向位置 (相对机座而言)不变的情况下，通过旋转调整螺母来实现推力筒的轴向移动，从而使主轴上的动磨片移动，进而实现动、定磨片间隙的调整。从上面的分析可以看出，要调整出磨片的间隙，首先要找出该盘磨机磨片间隙的“零位”，即动、定磨片重合。操作步骤分三步:第一步，向后转动调整螺母，使动磨片较大偏离原来的位置;第二步，液压系统驱动主轴向前，使两磨片重合;第三步，向前旋转调整螺母，使之回到原来的位置。这时调整螺母在推力筒上所处的位置就是“零位”时的位置，两磨片重合，间隙为零。

根据工艺要求调出两磨片的间隙，步骤如下:第一步，液压系统驱动主轴向后;第二步，向前转动调整螺母，调整螺母在推力筒上所处的新位置后，再锁紧调整螺母;第三步，液压系统再驱动主轴向前，使调整螺母回到原来的位置，这时，两磨片的间隙就是调整螺母在推力筒上所处的新旧位置之差。由此可见，要调出两磨片之间的间隙或者生产中不断地调整磨片间隙的大小，都必须由工人现场手动操作完成，不仅劳动强度较大，而且还会由于每个工人的熟练程度不同而导致打浆质量的不稳定。

2.2 轴承温升异常导致烧坏

盘磨机主轴的高速旋转常常使轴承发热，通常情况下，滑座的水冷却系统可以带走轴承产生的热量，使之达到发热与散热平衡;但当轴承润滑不够、轴承本身质量问题或主轴精度低等因素的影响下，可能造成轴承温升异常而操作人员却浑然不觉，最后导致轴承烧坏。频繁的设备维修严重影响企业的正常生产，并且给企业造成相当大的经济损失。

3 改进与升级

3.1 电动调整磨片间隙

应用机床上夹紧工件用的三爪卡盘调整磨片间隙。卡爪的一面改成斜面，3个卡爪径向运动的位移量就转化为主轴的轴向位移量，即两磨片的间隙变化量。设计出一个电动调整装置代替手工操作调整磨片间隙，原来的调整螺母仅用作锁紧功能。改进后的盘磨机结构示意图如图2所示。图2中，7为电动调整装置，8为锁紧组件。

电动调整装置横向截面示意图如图3所示，轴向截面示意图如图4所示。电动调整装置主要由伺服电机、小锥齿轮、大锥齿轮、楔形卡爪和卡盘座组成。小锥齿轮与大锥齿轮啮合，大锥齿轮的背面有平面螺纹结构，3个卡爪等分安装在平面螺纹上。伺服电机启动时，小锥齿轮带动大锥齿轮转动，大锥齿轮背面的平面螺纹就使3个楔形卡爪同时向中心靠近或退出磨片间隙变化量的计算。

图2 改进后中浓液压盘磨机结构示意图

假如小锥齿轮与大锥齿轮的速比设为i，平面矩形螺纹的螺距设为N，大锥齿轮转一圈，它背面的平面螺纹则带动3个卡爪径向移动一个螺距N，因此，采用伺服电机驱动，从伺服电机转过的转数n就可以计算出楔形卡爪的径向位移量dy:

图5为楔形卡爪结构示意图，从图5可以看出，楔形卡爪的一面是平面矩形螺纹，螺矩为N;另一面是斜面，斜面的升角α，为一楔形结构。从3个卡爪的运动轨迹可以作出卡爪轴向位移量计算模型，也就是磨片间隙变化量计算模型，如图6所示。从图6中可以得出:

tgα=dx/dy

dx=dy·tgα

其中，dy为卡爪径向位移量，dx为卡爪轴向位移量，α为卡爪斜面升角。

α是一定值，只要知道卡爪的径向位移量dy，就可以得出它的轴向位移量dx，卡爪的轴向位移量dx就是磨片间隙的变化量。

以上的计算结果只是理论值，由于圆锥齿轮传动、平面螺纹传动和零件加工等存在累积误差，还要对其结果进行必要的修正，才能得到实际的磨片间隙变化量。

伺服电机可以根据指令作出每次绝对值相同调整量，实际操作时先调出“零”值，然后微量一次次增加间隙，也可以一次次减少间隙，根据不同浆种随时做出相应的调整。

图7是电动调整装置的三维轴测图，图8是楔形卡爪的三维轴测图。对电动调整装置的控制可纳入PLC全自动控制系统。

3.2 设立轴承温度监测报警系统

轴承是盘磨机最重要的标准件，轴承损坏有时甚至会影响到与其相连的主轴和轴承座，如若这些主要零件损坏，将导致停机维修，不但影响正常生产，也给企业造成较大的经济损失。轴承发热是轴承损坏最主要的原因。因此，要随时能监测轴承的温度，就要设立一套温度监测报警系统，系统主要由温度传感器、温度监控模块、报警器等组成。温度监控模块对轴承温度的监控通过设于盘磨机主轴轴承上的温度传感器实现;当检测到的实时温度在盘磨机正常工作的温度范围内，系统正常运行;当检测到的实时温度超出盘磨机正常工作的温度范围时，系统控制报警并控制盘磨机停机或启动盘磨机的冷却装置直接进行冷却。该系统纳入PLC全自动化控制系统。

3.3 建立PLC全自动化控制系统

中浓液压盘磨机PLC全自动化控制系统，包括温度监控模块、位移控制模块、电流检测模块、电动调整伺服控制模块和进退刀控制模块。由温度监控模块检测盘磨机主轴轴承温度，保证其温度在轴承的正常工作温度范围内，实现对系统的保护;电动调整伺服控制模块结合位移控制模块和电流检测模块得到的数据进行计算，并将计算结果输送给进退刀控制模块，由进退刀控制模块控制液压装置及电动调整装置动作，从而实现对两磨片之间间隙的调节。在生产线上可以纳入全线的中央控制系统来集中控制。

4 结语

改进升级后的大功率中浓液压盘磨机应用在陕西圣龙纸业有限公司的中浓打浆生产线上，打浆效果好、高效节能，实现全自动化调节控制。在此基础上，本中心将开发出更大功率的中浓液压盘磨机，更加完善各种重要参数的监测控制，进一步提高中浓液压盘磨机全自动化控制水平。

［1］Li Shi-yang.Medium Consistency Ref ining Technology of High Eff iciency［J］.Low Power Consumption and its Appl ication.Light Industry Machinery，2001(3):34.

李世扬.高效节能中浓打浆技术及其生产应用［J］.轻工机械，2001(3):34.

［2］LIU Shi-liang，LI Shi-yang，CHEN Zhong-hao，et al.Medium Consistency Refining with ZDPM Refiner［J］.China Pulp ＆ Paper，2000，19(4):14.

刘士亮，李世扬，陈中豪，等.ZDPM型液压盘磨机中浓打浆生产应用——草浆、废纸浆中浓打浆的使用效果及机理初探［J］.中国造纸，2000，19(4):14.

［3］LIU Shi-liang，CAO Guo-ping，LEI Li-rong，et al.Application of Medium Consistency Refining Production Kraft Liner［J］.China Pulp＆ Paper，2004，23(9):10.

刘士亮，曹国平，雷利荣，等.中浓打浆在高强牛皮箱纸板中的应用及机理分析［J］.中国造纸，2004，23(9):10. CPP