高频摇振箱对成纸性能影响的分析

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高频摇振箱对成纸性能影响的分析

发布时间:2019-7-4

摇振箱是改善成纸性能和脱水性能的一种设备,目前主要应用在低车速的特种纸机上。传统摇振箱采用偏心机构进行摇振,工作频率一般在300次/min以下,随着纸机车速的提高,其使用效果逐渐减小。近年来,市场上推出了一种高频率、高振幅的摇振箱[1],轻工业杭州机电设计研究院也已开发出这一产品,并成功应用于生产实践。其摇振频率可以达到50 0次/m i n,最大振幅可达12.5m m。摇振的频率和振幅是影响其使用效果的最主要参数,本文将从机械波能量的角度来分析和理解两者对成形性能的影响,并为优化其使用效果提供指导。

1 高频摇振箱的工作原理与结构

高频摇振箱的工作原理是系统不受外力时,系统中运动各部分的合成质心位置保持不变。设备核心是4个完全相同的偏重块和4根轴,每个偏重块固定在一个轴上,分为两组,每组由一个伺服电机驱动,组内两个偏重块旋转产生的离心力在竖直方向的分力相互抵消,水平方向上的分力叠加

1。摇振箱在运动中没有任何反作用力产生,仅将设备振动部分与静止部分之间的摩擦传递给基础,因此,对基础和连接要求低,实际可应用的振动频率能够得到很大地提升。

高频摇振箱参数的调节是通过如下方法来实现的。偏重块转速与系统振动频率是一致的,因此,改变电机转速即可调节摇振频率。当两对偏重块角度差为零时,在任何时刻摇振箱内偏重块产生的离心力都将相互抵消,合力为零;当两

对偏重块角度差为18 0°时,偏重块离心力的合力将达到最大值,见图2。因此,改变两对偏重块的角度将改变系统的摇振力,从而改变振幅。

2 机械波模型与多普勒效应

摇振装置的配置主要有两种情形,一种是单独摇振胸辊,另一种是胸辊与网案均摇振。下面使用第一种配置来建立模型。

假设聚酯材质的成形网是一种弹性介质,能够有效地传播机械振动,胸辊与成形网之间没有相对滑动。因此,当胸辊在摇振装置驱动下作机械振动时,与胸辊接触的成形网作受迫振动,它沿成形网传播,形成一列机械波。其振动方向为纸机横向,传播方向为纸机纵向,是一列横波。

先分析理想情况:网部不带浆料空运行,其运动不受成形箱、脱水元件的影响。设摇振装置振动频率为f ,振幅为A,机械波在成形网上传播速度为v 1,网部车速为v 2。成形网与胸辊接触点P为波源,着网点Q为感受对象。显然,波源P以速度v 2远离感受对象Q,根据多普勒效应,感受对象Q接收频率变低

由式(1)可知:f 与v 1不变时,车速v 2越高,接收频率f`越低。

3 机械波的能量与能耗

从流浆箱喷出的浆料,其湍动衰减和消失后,纤维还会重新絮聚。纤维重新絮聚的时间很快。已有文献[2]表明,磨木浆重新絮聚的时间随着浆料浓度的增加而急剧减少,见表1。因此,必须在网部将能量输入到喷出的浆料中,以建立和保持纤维良好的分散状态。

有两个提供能量的办法:即湍动和定向剪切,见图3 [3]。案板刮刀角度与案板相结合可在低车速下用以在网上产生湍动,而网部摇振则是同时通过湍动和定向剪切向浆料提供能量。摇振时,浆流的上层和下层出现速差,产生定向剪切。在实际生产条件下,同一厚度的相邻区域也会出现速度不一致的情况,此时这一区域浆料就会产生湍动,甚至出现跳浆现象。

浆料在网部成形过程中,其媒介单元不断从波源方向接受能量,又不断向前放出能量,完成传递能量的过程。某位置机械波的能量是弹性媒质因波动而具有的动能和势能的总和,

媒介单元的能量由零增加到最大,完成能量的输入过程,然后又从最大减到零,这是能量输出的过程,周而复始,在一个周期内完成两次能量的输入输出的过程。传递的总能量


( 3 )

若不考虑多普勒效应,在其它条件不变的情况下,摇振频率越高,在浆料成形的过程中完成能量输入输出的次数也就越多,即摇振次数n与摇振频率成正比,浆料在成形过程中接收的总能量为:


实际生产中,媒介单元从波源方向接收的能量除了向前传递外,还有部分被媒质和浆料吸收,另外,成形网与脱水元件之间的摩擦也会消耗能量。显然,一个周期内波动传递能量增大,浆料吸收的能量与媒质向前传递的能量也相应增大。随着浆料的脱水成形,由于前方浆料的能量吸收与多普勒效应的影响,媒介单元的能量减小,但其振动频率仍与波源一致,根据式(3)其振幅必将减小,每个周期内浆料吸收的能量也将减小。

综上,在浆料成形过程中,随着车速的提高,完成摇振次数减少及多普勒效应导致传统摇振箱输入浆料的能量减少,因此摇振效果逐渐减少,甚至消失。

4 高频摇振对成纸性能的影响

高频摇振箱振动频率高,能够消除传统摇振箱高车速下输入浆料能量不足的缺点,保证摇振效果在高车速下仍然良好。从流浆箱喷出的浆料落到成形网上后,因浆速、网速的差异,大部分纤维沿纸机纵向(M D)排列。随着脱水过程的进行,底层的纤维首先沉积在网上,形成纤维滤层,其上层纤维在网的带动下,因纸机车速而具有M D方向速度,因网部摇振而在纸机横向(C D)具有速度和加速度,从而部分上层纤维取向发生变化,更加无序,形成更好的交织。摇振

频率不变时,振幅增大,或者摇振振幅不变,频率增大,都将使振动的平均速度增大,加速度增大,有利于纤维的无序排列。

通过调节振幅与频率,改变向浆料中输入的能量,能够保持纤维良好的分散状态,减少纤维之间的絮聚,从而改善成纸的匀度。高频摇振向浆料中输入的能量大,因此,底层纤维滤层的形成相对于传统摇振更困难,从而改善了网部的脱水。通过改变纤维的排列,减少沿M D方向排列纤维,能够有效地降低纸幅纵横向拉力比,同时,由于在制浆过程中纤维发生润胀,其直径方向润胀比率明显大于长度方向的润胀比率,因此,能提高成纸的尺寸稳定性。

5 结论

5.1 当胸辊在摇振装置驱动下作机械振动时,成形网形成一列机械横波。纸机开机运行时,由于多普勒效应,车速越高,成形网接收波的频率越低,其上方浆料接收能量越少。

5 .2 成形网在一个摇振周期内传递的能量与频率成正比,与振幅的平方成正比。成形过程中,浆料接收总能量与摇振箱振幅和频率、纸机车速等有关。

5 . 3 高频摇振箱通过改变纤维取向,改善成纸匀度,降低纸幅纵横向拉力比,提高成纸的尺寸稳定性,并能改善网部脱水。