宽幅纸机液压刮刀摆动器的设计与开发

李若冰

(廊坊燕京职业技术学院机电工程系，河北廊坊，065200)

·液压刮刀摆动器·

宽幅纸机液压刮刀摆动器的设计与开发

李若冰

(廊坊燕京职业技术学院机电工程系，河北廊坊，065200)

液压刮刀摆动器由于不采用电气元件，体积小而输出力大，防水效果良好，高温环境下亦能稳定运行，广泛适用于纸机湿部潮湿的环境以及烘干部高温环境。在宽幅纸机中，液压刮刀摆动器工作效率高，能降低纸机的能耗，减小吨纸的耗电量，具有明显的节能效果。

液压刮刀摆动器；防水；节能

造纸设备中摆动器的应用场合较多，有刮刀摆动、高压喷淋水摆动等，摆动速度一般为40～160 mm/min，频率为3～10次/min。在造纸机的网部或压榨部，环境非常潮湿，对摆动器的可靠性要求非常高；某些辊子还会附着很多纸浆，要求摆动器输出力比较大，才能彻底清洁辊子表面的纸浆[1-2]。本课题主要介绍了宽幅纸机液压刮刀摆动器的设计与开发，以期为纸厂的节能降耗提供参考。

1 常用刮刀摆动器

造纸设备中刮刀的作用是清洁辊面的废纸毛、灰尘等，保持辊面干净。目前纸厂普遍使用的刮刀摆动器为气动式和机电式两种方式。

1.1 气动式刮刀摆动器

气动式刮刀摆动器通过机械杠杆触发气动换向阀换向，实现气缸往复运动，该摆动器集成度高、重量轻、维护简单，在进口纸机上应用较多，成本较高，主要用在烘干部及完成部，因为烘干部及完成部刮刀的作用是清洁烘缸的纸毛，负载较小，气动摆动器可以满足要求，其结构见图1。

图1 气动式刮刀摆动器内部结构

在造纸机网压部，辊面有大量水、纸浆等，刮刀摆动的负载较大。刮刀结构具体分为刮刀体、刮刀夹和刮刀片。在宽幅纸机中，随着纸机幅宽增加，为了保证刮刀体不变形，有足够的刚度，必须加大刮刀体，因此若要求刮刀摆动器的输出力更大，由于气源压力无法增加，必须使用大直径的气缸来提高摆动力。而气缸直径太大给纸机设计安装增加难度，还可能与机架、水盘等部件发生干涉，影响纸机的整体布局。

1.2 机电式刮刀摆动器

机电式刮刀摆动器由电机、减速器、凸轮结构组成，体积大、质量重，维护起来比较复杂，长时间使用会产生机械磨损，且要求电机IP(INGRESS PROTECTION)防护等级很高，只能使用进口电机[2]。使用机电式摆动器的刮刀还需要增加电机的电气控制系统，投资成本增加，维护工作量增大[3]。其结构见图2。

图2 机电式刮刀摆动器结构

2 液压刮刀摆动器

液压刮刀摆动器的设计和使用能够解决传统机电式、气动式刮刀摆动器存在的体积较大、成本较高和维护工作量大等问题。

2.1 液压刮刀摆动器的优势

液压刮刀摆动器采用液压先导换向阀，比机电式和气动式刮刀摆动器换向速度更快，没有换向延迟，使用寿命长，维护简单。该摆动器单位质量输出功率大，输出力达50～100 kN，适合应用于刮刀摆动等重载荷场合。它能够根据需要调节摆动行程(一般在16～20 mm之间)。如果每个摆动器行程为20 mm，摆动3～8个行程/min，摆动器需采用缸径和杆径为70/35 mm液压缸，液压系统输入的高压液压油流量约为0.7～2.5 L/min，压力为3.5～5 MPa，消耗的液压系统最大功率约为0.26 kW。而机电式刮刀摆动器的耗能较低，以幅宽5600 mm，车度800 m/min的纸机为例，机电式刮刀摆动器一般选用0.37 kW的电机，液压摆动器的耗电量是传统机电式摆动器的70%左右，按纸机每天工作24 h，一年工作300天计算，单个摆动器一年可以节省约792 kWh的电量，通常纸机配置有几十把刮刀，长期运行可以为纸厂降低吨纸耗电量。

液压摆动器的缺点是需要提供液压压力油源，而纸机压榨部一般配置液压系统，可利用压榨部液压系统的油源供液压刮刀摆动器使用。由于压榨部液压系统处于保压的工况，在纸机正常工作时压榨部液压系统只需要补充液压缸和液压元件泄露油量，以2道大辊压榨为例，泄漏量大约为0.5～2 L/min。利用现有压榨部液压系统给液压摆动器提供动力，不增加额外投资，达到节能效果，提高设备利用率。

2.2 液压摆动器的工作原理

液压摆动器由液压缸和液压控制阀块两个部分组成，通过液控换向阀进行换向，驱动液压缸来回摆动。其液压原理图如图3所示[4]。

图3 液压刮刀摆动器原理图

由图3可知，液压的压力油源通过压力油P进入液压控制阀块，经过调速阀FV1后进入换向阀DV1，图3所示的换向阀DV1位置，压力油会连通B油路，进入液压缸的有杆腔，驱动液压缸向左运动。当液压缸运动到左极限位置时，压力升高。当压力升高至顺序阀P2的设定压力后，顺序阀P2打开，压力油进入换向阀左边的先导控制油路，推动换向阀DV1进行换向。换向阀换向后，压力油P连通A油路，进入油缸的无杆腔，推动油缸向右运动；当油缸运动到右极限位置后，压力升高，打开顺序阀P3，压力油进入换向阀右边的先导控制油路，推动换向阀换向。周而复始完成摆动行程。摆动速度可以根据实际情况通过调速阀FV1调节。

2.3 液压刮刀摆动器的设计计算

一般应用于幅宽5600 mm、车速800 m/min纸机刮刀的质量在1t左右，考虑负载最大的情况，真空伏辊常采用的双刮刀，质量在2 t左右。刮刀体采用滑动轴承，摆动时产生滑动摩擦，摩擦系数约为0.2～0.4。纸机运行时，刮刀片加压与辊面贴合后摆动，相当于给刮刀增加了约0.1～0.3的阻尼系数。按照极限工况计算，刮刀所需要的输出力为14000 N。一般纸机压榨部液压系统的压力为10 MPa，使用压力为8 MPa，可根据公式(1)计算液压缸的有效面积。

A=F/P

(1)

式中，A为液压缸有效面积， m2；F为液压缸的输出力， N；P为负载压力，Pa。

经过计算，选择缸径和杆径为70/35 mm的液压缸可以满足要求[5- 6]。当工作压力为8 MPa时，液压缸的输出力为：

F=P×A=3.14×(0.07×0.07-0.035×0.035)×8×1000000/4=30773 N>14000 N。

当所需的输出力为14000 N时，所需的液压压力分别为：

油缸无杆腔P=F/A1=14000/(3.14×0.07×0.07/4)=3.64×106Pa=3.64 MPa

油缸有杆腔P=F/A2=14000/[3.14×(0.07×0.07-0.035×0.035)/4]=4.85×106Pa=4.85 MPa

以上计算出来的液压压力分别是顺序阀P2和P3的设定工作压力，计算液压缸的设计参数后，最后进行液压缸密封的设计选型。

液压缸密封分为静密封和动密封，静密封是指端盖和缸筒、端盖和阀块，油管和阀块之间的密封。动密封是指活塞和缸筒的密封、活塞杆与端盖之间的密封。

液压缸的静密封设计必须确保固定密封处在正常工作压力和1.5倍工作压力下均无外泄露即可。静密封通常选用O型橡胶密封圈，其规格和沟槽的尺寸符合GB3452.3—1988或与之相同的德标或者日标[4]。

液压缸的动密封设计与常规液压缸不太一样，传统的液压缸工作频率较低，一般采用格莱圈作为活塞的密封，密封性能好，缺点是这种接触型密封会引起摩擦力，使压力可达最大有效负载的5%～15%，长期运行会造成密封圈磨损老化等问题。而刮刀摆动器用的液压缸设计采用了活塞间隙密封，类似于液压缸的结构，这是一种非接触性动密封，利用液压油形成的油膜，对活塞进行密封和润滑。间隙密封原理是基于牛顿的黏性摩擦理论，即依靠液压油通过液压缸筒和活塞之间的缝隙时，一定的黏性阻力起到密封作用，另外液压缸有杆腔和无杆腔之间存在压差作用，液压油在活塞和缸筒的表面上形成坚固的极化分子吸附层，它使缝隙的间距变小，当缝隙的间距等于2倍的极化分子层的厚度时，缝隙将全被极化分子层填满，通常小于0.2 mm，这个数值就是设计的油膜厚度。缝隙的存在会造成轻微的内泄露，从油缸的高压腔泄露到低压腔，一般小于0.5 mL/min。轻微的泄露量不影响刮刀摆动性能，由于油缸内部没有密封圈和缸筒的直接接触，用油膜代替密封圈，工作阻力更小，运动更平顺，工作寿命更长，不需要定期更换密封圈[5]。

液压刮刀摆动器液压缸内部结构和三维模型分别如图4和图5所示。

图4 液压缸内部结构

图5 液压刮刀摆动器的三维模型

液压刮刀摆动器可以根据刮刀实际所需的输出力调节压力和流量，控制摆动速度和摆动力。液压刮刀摆动器设计上选用集成度很高的螺纹插装阀。液压阀块一般采用35#钢锻件，而液压刮刀摆动器选择质量较轻的硬铝合金，因此液压刮刀摆动器体积小，质量轻。

3 结 语

液压刮刀摆动器充分发挥质量小且功率大的特点，不使用任何电气元件，防水功能强，适合用于纸机湿部。对外界来说，液压刮刀摆动器是一个封闭的结构，降低了纸机的故障率。在液压刮刀摆动器的设计中，选用螺纹插装阀和硬铝合金阀块，具有质量轻，集成度较高等优点。液压刮刀摆动器的成本较低，所有元件均可国产，市场前景良好。

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DevelopmentofHydraulicDoctorOscillatorUsedinWidePaperMachine

LI Ruo-bing

(DepartmentofElectro-machineryEngineering，LangfangYanjingVocationalandTechnicalCollege，Langfang，HebeiProvince， 065200)

Traditionally the doctor oscillators in paper machine are electro-mechanical oscillator and pneumatic oscillator, but this two kinds are not suitable for wet-end section due to humid environment. A new kind of hydraulic oscillator was designed, it was small but had a much bigger output force without any electronic device, it also had very good water proof performance to assure a long life time, which contributed to energy saving for the paper mill.

hydraulic doctor oscillator； water proof； energy saving

李若冰女士，讲师；主要研究方向：机械设计及制造。

TS734+.8

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.12.011

2017- 06-20(修改稿)

河北省廊坊市2017年度哲学社会科学研究课题(2017096)。

(E-mail: 79390244@qq.com)

董凤霞)