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    盘磨机磨区力学研究及进展
    中国纸业网造纸厂设备:2019-11-7 11:10:30 造纸机械|卫生纸机|铜版纸|瓦楞纸|盘磨机
      目前,国内对于盘磨机磨区受力的研究较少,本文在总结国外对于盘磨机磨齿齿面、纤维或纤维团受力的理论和实验研究的基础上,进行了分析、综合,对于我国盘磨机磨浆过程的受力研究及磨区的深入研究具有一定的积极作用。

    1 磨浆过程磨区受力情况

    磨浆过程中,纸浆连续不断地从定盘中心进入磨区,在高速回转的磨盘作用下作圆周运动,而在离心力和圆周力的联合作用下,纸浆质点在磨盘间有径向及圆周运动的趋势;由于动、定盘两个磨面磨齿的频繁交错,对纸浆施加一定形式的力,纸浆质点在齿面和齿槽之间频繁的起落,并受到磨齿的压缩和剪切。在各种力的作用下,纸浆纤维疏解、横向断裂、吸水润胀、分丝帚化等,最终使得纤维性能得到大幅提升。

    2 磨浆过程磨区受力模型的研究

    1989年,Page以自己的观点阐述了纤维团在两盘之间受到的力的作用。认为磨浆过程中,纤维团受到法向力(磨盘对纤维团的压缩)、剪切力(磨盘之间的相对运动使得齿面与纤维之间存在摩擦力)、犁耕力(角力、边角力),但没有对这些力进行测量。

     

    董继先借助于数学和空气动力学的方法,对锥形磨浆机的锥形区、平磨区进行受力分析,建立了高浓锥形磨浆机力学模型。考虑到纤维间的作用力,得出了锥形磨区和平磨区的受力模型,如图2。


     

    3 磨浆过程磨区力学实验研究

    3.1 基于应变计的齿面受力研究

    1969年Khlebnikov等首次测量了磨浆过程中磨区磨齿交错的受力情况,运用应变计测量了浓度为2%~3%的锥形磨浆机垂直于齿面和相切于齿面两个方向的受力。发现在磨齿交错的初期,剪切力迅速增大,随后迅速下降到一个很低的值并基本保持不变,直至磨齿交错结束;将剪切力与法向力之比定义为磨浆系数,表明随着磨盘间隙的减少和转速的增加,磨浆系数会增加。

    3.2 基于磨盘力传感器(RFS)的研究

    随着科技的发展,原有的运用应变计来测量磨齿受力的方式已经不能满足现实的需要,设计用于测量磨盘磨齿受力的传感器十分必要。

    3.2.1 RFS的发展

    20世界90年代后期,Bankes和Siadat 第一次研究了磨盘力传感器,如图3


    2008年,D. Olender和P. Wild等在RFS3的基础上,设计了第四代磨盘力传感器。通过探头底座接触面及紧固螺钉的改进,增强了传感器的密封性及牢固性,结构如图4。


    3.2.2 RFS与磨区受力研究

    2001年,不列颠哥伦比亚大学的SEYED MOHAMMAD ALI SLADAT对RFS1进行了改进,将之运用于转速为600r/min,浓度为16%的高浓磨浆机中,研究了不同操作条件对于磨区受力的影响。

    3.3 纤维受力的实验研究

    1997年,Martinez等和Batchelor等运用浓度为9.5%的尼龙纤维絮凝物研究了单齿低浓磨浆机磨区的纤维受力。表明当磨齿间隙大于磨盘间隙上限,剪切力为零,纤维完好;小于磨盘间隙下限,由于纤维被磨齿捕获,剪切力减小;当磨齿间隙在上限和下限之间时,剪切力随间隙的减小而增大,并达到峰值。虽然聚合物的配料不同于纸浆纤维,具有一定的局限性,但这种研究方法提供了一个从实验的角度研究纤维受力的新思路。


     

    4 总结与展望

    国外对于高浓和低浓磨浆过程中的受力研究均有涉猎,但是还存在或多或少的问题。国内对于盘磨机工作过程中的受力基本处于理论层面,对于磨区受力的研究还处于空白,具有很大的研究空间。对于磨区受力的研究,能够促进对磨浆行为的认知,具体应从以下几个方面着手:

    4.1 研究开发针对磨区受力研究的新型传感器

    目前,我国并没有对磨浆过程磨区受力进行过实验研究,相应的测量设备也不健全。国外对于磨区受力研究的传感器主要有四代,随着科学技术的不断进步,造纸装备的不断更新换代,国外原有的磨盘力传感器可能不适应新的磨浆环境,传感器需要具有更宽的动态范围及稳定性。研究符合我国实际的磨盘受力传感器,对于磨浆过程的状态监测及实验研究具有重要意义。

    4.2 完善齿面受力与操作参数的关系

    目前,对于磨浆过程中磨区受力的研究大部分专注于特定情况下剪切力和法向力的变化,很少有学者研究磨区受力随操作参数的变化情况,如浆料浓度、磨齿结构等,没有形成系统的对照关系。磨浆过程的受力对于磨浆的结果具有很大影响,不同的操作条件下,磨齿齿面及纤维的受力情况是不同的。探究操作参数及磨区受力的关系,对于研究磨区“黑箱”过程具有积极作用。

    4.3 计算机模拟与实验研究相结合

    目前,国外对于盘磨机的实验研究均是与美高梅娱乐场官网企业合作进行的。由于国内研究基础薄弱、起步较晚,实验条件有限,加之磨盘机的功耗较大,可供进行的实验寥寥无几。随着高速计算机及CFD等各大有限元分析软件的出现,给予流体过程的研究提供了机遇。可以通过对磨浆过程进行有限元分析,初步近似研究磨盘受力,进一步建立适合实验室研究的盘磨实验设备或与相应企业进行合作,理论和实验相结合,使得研究结果更具有说服力。

    4.4 高浓磨浆过程磨区受力及能耗的研究

    高浓盘磨机磨浆过程中,纸浆纤维浓度较大,磨齿间隙相对较大,磨齿刀缘对纤维的切断及齿面对纤维的摩擦作用退而其次,取而代之的是纤维团与纤维团之间的摩擦、揉搓,产生大量的热量进行使得纤维软化、吸水润胀进而分丝帚化。高浓磨浆过程由于其巨大的能耗,限制了其广泛的应用。磨浆过程中,磨齿对纤维施加力的作用,并在切线方向发生位移,产生一定的功耗,由此可知,力和能耗有着直接的联系。通过建立磨浆过程的力学及能耗模型,寻求两者之间的联系,进行适当的实验研究,将是未来研究高浓磨浆理论的一个方向。

    5 结语

    盘磨机作为机械制浆的典型设备,灵活度高、适应性强,但能耗较大。在磨浆过程中,力是纤维分丝帚化的根本原因,通过对国内外盘磨机磨区磨齿及纤维受力的理论及实验研究进行综述,对于磨浆过程的节能降耗、提质增效具有积极意义。

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