靴压可控中高辊多油垫流体静力支承的应用研究

李若冰 李晓艳 程 敏

(1.廊坊燕京职业技术学院机电工程系，河北廊坊，065200；2.中国造纸装备有限公司研究发展部，河北廊坊，065699)

·可控中高辊·

李若冰女士，讲师；主要研究方向：机械设计及制造。

靴压可控中高辊多油垫流体静力支承的应用研究

李若冰1李晓艳1程 敏2

(1.廊坊燕京职业技术学院机电工程系，河北廊坊，065200；2.中国造纸装备有限公司研究发展部，河北廊坊，065699)

靴压是现代造纸机的一个压榨设备。基于流体静力原理，靴辊和可控中高辊采用同一个比例溢流阀输出压力，能够实现宽压区和高线压，使靴压的工作负载与比例溢流阀的输出压力成线性关系，且油膜厚度不随负载变化而变化，相当于形成刚度无限大的油膜。该设计延长了靴压在高负荷生产中的使用寿命，大大的提高了生产效率。

靴压；流体静力学支承；恒定的油膜厚度

在现代造纸机械中广泛应用靴压进行压榨脱水。靴压的工作线压是传统压榨的10倍，达到1400 kN/m，脱水能力强，因此靴压成为现代造纸机的首选压榨技术[1]。

1 可控中高辊中的多油垫流体静力支承

1.1流体静力支承理论

纸机设备的旋转不可避免地存在各种摩擦，如靴压设备的靴板和靴套的接触、可控中高辊的辊壳和加压靴的接触等。全液体润滑的滑动支承，分为静摩擦和动摩擦，静摩擦是在滑动表面之间输入足以平衡外载荷的高压润滑剂，人为地迫使两个接触表面完全分离，这种借助流体静压力来承载的方法称为流体“静”力润滑；而动摩擦则利用相对运动副两表面之间的相对运动和几何形状，借助流体黏性，把润滑剂带进摩擦面之间，依靠速度差建立起的流体压力膜将两表面完全分离。静压支承的使用条件是必须有一套液压系统。而动压支承使用的先决条件之一是必须有足够大的相对速度，否则设备在启动和停车阶段难以形成全液体润滑，会导致表面直接接触引起摩擦磨损[2]。

1.2靴压工作原理分析

靴压是依靠液压力使靴板和可控中高辊相互作用而产生非常高的线压以大量去除湿纸幅的水分，其中靴辊的加压靴和可控中高辊的加压靴采用的是同一个液压油源，靴压工作原理如图1所示。靴板通过加压活塞连接在中心梁上，产生的反作用力由靴辊的中心梁承担，中心梁不旋转。靴套由专用轴套固定并张紧，随着可控中高辊一起高速旋转，靴套与靴板之间采用流体动力学的润滑方式。可控中高辊内部有很多加压靴，通过加压活塞连接在中心梁上，加压靴上开孔并装入毛细管，通过毛细管给加压靴的油袋充满液压油，平衡靴辊的线压力。加压靴的线压力也由中心梁承担，中心梁不转而辊壳旋转，辊壳和加压靴之间采用流体静力学的润滑方式。当可控中高辊加压时，靴辊和可控中高辊的两根中心梁同时受力，大小相同、方向相反，靴辊和可控中高辊对纸机压榨部机架不产生额外的力[1-3]。

图1 靴压工作原理

图2 多油腔平面支承的流体分析

1.3多油垫静压支承的承载能力和刚度计算

静压支承一般由多个支承单元组成。根据静压支承的原理，靠油腔及封油面上的静压力来平衡外载荷。可控中高辊的设计采用了这种多油垫流体静力支承原理，所以在实际设计中，纸机横幅方向上根据纸机幅宽采用相应数量的对称油垫。这属于相隔的多油腔静力支承，采用毛细管的压力补偿方式防止偏载。可控中高辊的流体静力支承计算可以简化成图2所示的多油腔平面支承，来计算它的承载能力和刚度[2-3]。

(1)

式中，0表示回油管压力为零。

油腔压力P0和进油压力Ps的关系见式(2)。

(2)

式中，λ0为毛细管节流器液阻Rc0和支承间隙纵向回油液阻Rhb0的比值，简称液阻比。

矩形多油腔单元的回油液阻Rhb计算见式(3)。

(3)

式中，μ为油液的动力黏度；b1为矩形油垫的纵向节流边的宽度；l1为矩形油垫横向节油边宽度；L为矩形油垫横向长度；h为油膜的厚度。

在设计状态下，各单元油腔压力都一样，每个单元的承载能力We计算见式(4)。

(4)

式中，Ae为矩形油腔单元的有效承载面积，Ae=L(B-b1)；Te为负载力；We为承载力；Te和We大小相同，方向相反。

为了计算方便，在封油边较窄的情况下，每个单元在小位移率下的承载能力We′计算见式(5)。

(5)

式中，ζ为内流系数，对于多油垫支承，如果不发生内流，就不存在内流系数，可以取消ζ的各项；λ为油腔单元在工作状态下毛细管节流器液阻Ro和支承间隙纵向回油液阻Rhb的比值。

小位移率下的油膜刚度S计算见式(6)。

(6)

式中，ε为油膜厚度的变化值与设计油膜厚度的比值，简称油膜厚度变化率。

当ε=0时，λ=λ0，设计状态下的刚度S0计算见式(7)。

(7)

毛细管节流器液阻Rc计算见式(8)。

(8)

式中，μ为油液的动力黏度；l为毛细管的长度；d为毛细管的直径。

使用毛细管节流器的矩形多平面油垫的液阻比λ0计算见式(9)。

(9)

式中，C是一项结构参数，只与毛细管和油垫的几何尺寸有关；h为油膜厚度。

由式(2)和式(9)可得油腔压力P计算见式(10)。

(10)

由刚度计算公式(7)可知，可控中高辊的初始设计刚度与油源压力或与油腔压力有关，油腔压力又取决于设计线压的大小。当初始设计刚度确定后，油膜厚度基本上不会变化。在一般静压支承的应用中，油膜厚度总是随着负载变化而变化，负载增加，油垫压力增加，油膜厚度减小，油源压力不变的情况下，毛细管的压差减小，流经毛细管和矩形油垫的液压油的流量减小，以适应负载的变化。油膜厚度变化，引起油膜刚度发生变化。如果负载变化非常大，会造成油垫压力增加，流量降低，当油膜厚度减小到一定极限时，会造成加压靴和辊壳的直接接触，失去油膜的润滑，导致辊面或者加压靴的表面受损，从而影响到纸机的生产[4-5]。

在靴辊和可控中高辊中，靴压的线压来源于靴辊和可控中高辊的相互作用。它们采用的是同一液压油源，使得负载就是液压油源压力，既是靴辊的加压力，也是可控中高辊的加压力。当负载变化时，压力油源成比例变化，流量也会相应变化，但是油膜厚度始终保持不变，该设计对油膜的刚度非常有利。油膜厚度取决于液阻比，而液阻比与油垫压力和油源压力之比有关系。当负载减小时，油垫压力减小，油源压力也减小，负载的大小与油源压力成线性关系，油垫压力与油源压力的比值不变，由于负载减小，毛细管的压力差也减小，因此流量也相应减小，保持了油膜的厚度不变。

可控中高辊加压靴静压支承的油膜厚度不随负载变化而变化。油膜的两个重要指标是承载能力和刚度，承载能力与压力有关。刚度是产生单位油膜厚度变化所需的载荷变动量。由于刚度基本不变，所以可以认为油膜刚度接近无穷大。事实上这仅仅是针对改变靴压和可控中高辊的加压压力，靴压工作线压发生改变，油膜厚度保持不变。当负载由于操作不当等原因产生变化时，如靴压和可控中高辊之间进入异物或有外力加载靴压上，油膜厚度会发生变化。负载大的地方油垫的油膜变薄，流量减小；负载小的地方油垫的油膜变厚，流量增加压力减小以适应负载变化。

为了保证整个靴压整体受力为零，靴辊加压活塞的进油压力和可控中高辊加压活塞的进油压力采用同一压力油源。这种特殊的设计使得负载的大小跟油源压力成线性变化的关系，因此在任意工况和负载下，油膜厚度几乎不变。

2 多油垫静压支承应用实例

国内某涂布白纸板纸机，幅宽4600 mm、车速650 m/min采用了这种靴压配置可控中高辊的形式。可控中高辊共34个毛细管和油袋，毛细管的直径是1.6 mm，长度为96.7 mm，液压系统采用ISO VG150液压油，工作线压最大为1250 kN/m，当操作员设定线压为1250 kN/m时，负载最大，相应的液压油源压力输出最大，设计比例阀工作压力为8.22 MPa，油膜的设计厚度为0.15 mm，油垫压力为3.65 MPa，工作线压最大时系统需要的流量最大，由式(1)和式(8)计算流经每个毛细管或每个油垫所需要的流量Q为4.15 L/min，计算方法见式(11)。

(11)

式中，μ为油液的动力黏度，当温度在45°左右时VG150油的黏度为95.5；l为毛细管的长度，96.7 mm；d为毛细管的直径，1.6 mm；ΔP为毛细管的压力降，4.58 MPa。

同样根据式(1)和式(3)也可计算每个毛细管或每个油垫所需要的流量，结果与式(11)相同。其中b1是矩形油垫的纵向节流边的宽度，53 mm；L为矩形油垫横向长度，50 mm；h为油膜的厚度，0.15 mm。

靴压辊和可控中高辊的设计，保证了靴压液压系统的工作压力不随纸机幅宽改变。所以当纸机横幅变化时，只是机械结构上的变化，只要靴压设计线压不变，纸机横幅单位长度的液压加压压力始终保持不变，在8～9 MPa之间。纸机幅宽增大，靴板和可控中高辊加压靴的长度相应增加，可控中高辊毛细管的数量增加，流量就会增加，但是每个毛细管或油袋所需要的流量几乎不变或者改变较小，前提是毛细管的直径和长度不发生改变。

可控中高辊的设计使得油垫的油膜厚度在任何工作线压下都能保持不变。当操作员因工艺要求，将靴压线压减小到800 kN/m时，由于工作负载减小，比例溢流阀的设定压力减小，多余的油溢流回油箱，油源压力减小，造成毛细管压力差降低，进入可控中高辊的矩形平面油垫的流量相应减小。毛细管节流器的矩形平面油垫的液阻比只与油膜厚度有关，毛细管节流器和矩形平面油垫的尺寸均不变，压力比(油垫压力P0、油源压力Ps)也不变，油源压力减小后，油垫压力也成比例减小，液阻比保持不变，油膜厚度不变，相当于油膜的刚度无限大[5-7]。

3 结 语

多油垫静压支承应用于纸机设备的靴压模块，充分利用了带毛细管补偿的多油垫承载能力强和油膜刚度大的特点，相比传统的靴压设备，提高了纸机压榨部的脱水能力，减小了纸机在高车速下的振动，有利于纸机向更高车速发展。

[1] CHEN Ke-fu. Pulping & Paper-making Machinery (volume 2)[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2011.

陈克复. 制浆造纸机械与设备(下册)[M]. 北京： 中国轻工业出版社, 2011.

[2] XU Shang-xian. Hydrostatic and Hydrodynamic Sliding Bearing Design[M]. Nanjing: Southeast University Press, 1989.

许尚贤. 液体静压和动静压滑动轴承设计[M]. 南京： 东南大学出版社, 1989.

[3] LI Chang-guo. Structure Design of the Counter Roll of Shore Press[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(9)： 45.

李长国. 靴压配对辊的结构设计[J]. 中国造纸, 2013, 32(9)： 45.

[4] CHEN Yan-sheng. Principle and Design of Hydrostatic bearing[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1980.

陈燕生. 液体静压支承原理和设计[M]. 北京： 国防工业出版社, 1980.

[5] SUN Bao-rong. Application of Proportional Control Hydrostatic Bearing Technology in Crown Controlled Roll(volume 1)[J]. Light Industry Machinery, 2000(2)： 29.

孙宝荣. 比例控制静压支承技术在可控中高辊中的应用(上)[J]. 轻工机械, 2000(2)： 29.

[6] SUN Bao-rong. Application of Proportional Control Hydrostatic Bearing Technology in Crown Controlled Roll(volume 2)[J]. Light Industry Machinery, 2000(3)： 27.

孙宝荣. 比例控制静压支承技术在可控中高辊中的应用(下)[J]. 轻工机械, 2000(3)： 27.

[7] Zhang Ai-hua, REN Gong-chang. The Design of Hydraulic System of the Soft Calender[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(8)： 50.

TheApplicationofMultipleOilPocketHydrostaticBearinginControlledCrownRoll

LI Ruo-bing1,*LI Xiao-yan1CHENG Min2

(1.LangfangYanjingVocationalandTechnicalCollege,Langfang,HebeiProvince, 065200; 2.ChinaPaperMachineryCorporation,Langfang,HebeiProvince, 065699) (*E-mail: 79390244@qq.com)

Shoe press is a key equipment in modern paper making process.Shoe press counter roll is a controlled crown roll, the loading of the shoe press and counter roll is the same presure output by a proportional relief valve, the design is very smart to keep the oil film between the loading shoe and shell of the counter roll allways the same thickness, regardless of the linear presure changes, therefore the stiffness of the oil film is infinitely great, which extends the working life of the equipment．

shoe press; hydraostatic bearing; constant thickness of oil film

TS734+.4

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.10.011

2017- 06- 05(修改稿)

河北省廊坊市2017年度哲学社会科学研究课题(2017096)。

(责任编辑：董凤霞)