（化工过程机械专业论文）多列烘缸干燥部实验装置机械性能分析.pdf

多列烘缸干燥部实验装置机械性能分析 摘要 近年来高速纸机的发展对更高的干燥效率和更经济的综合成本 提出了更为苛刻的要求。为了提高干燥效率和适应更高的车速要求， 业内也研发出了诸如热风冲击干燥等新型干燥技术，但这些技术在 运行成本及实用性上都存在局限性。多列烘缸干燥部设计概念的提 出，能在继承和改善蒸汽干燥优点的基础上，大幅地降低干燥部的 占地面积，且具有更好的纸页运行性能，很好的满足了在高车速高 干燥效率下的经济性要求。基于有限元理论，本文利用a n s y s 软件， 在对多列烘缸干燥部实验装置机架完成了有限元静力学、动力学模 态分析、动力学谐响应分析和运行实验后，分别在理论分析和实验 验证两个方面对机架的机械性能进行综合研究。本文完成的分析工 作如下： 通过对多列烘缸干燥部静态载荷情况及特点的分析，建立其有 限元模型，利用a n s y s 静力分析模块对多列烘缸干燥部机架的静态 力学响应进行分析。通过对最大应力、应变的分析，该机架在静力 学强度和刚度上都能很好满足现代纸机干燥部运行的机械精度要 求。 通过对多列烘缸干燥部实验装置机架的动力学模态分析，并提 取其前10 阶模态频率和振型，并通过以烘缸辊和导辊运转振动作为 机架的外加激振振源进行机架运行情况的分析。实验装置机架各阶 模态频率差距较大，但存在相对集中的频率区间。机架在前五阶振 型中主要表现为横向或者纵向的单向摆动。选择更高激振频率的导 辊作为激振振源，确定该实验装置适宜运行车速为2 3 2 m m in ，此时 机架的模态响应能满足其运行精度要求。 通过a n s y s 谐响应功能，对多列烘缸干燥部实验装置整体机架 及单边机架在从零速度开机到达到设计车速范围内特定激振频率下 的响应进行了分析。分析描述了实验装置开机提速过程中的振动响 应情况，提供了不同车速下的振动响应，为多列烘缸干燥部在运行 过程中制定调速方案提供参考。 最后对实验装置进行运行试验，通过振动检测仪监测实验装置 机架在不同的车速下的振动响应。通过绘制多列烘缸干燥部实验装 置各测试点实时振动曲线和振动加速度曲线，分析实验装置的实时 振动响应。通过对振动曲线峰值进行统计方法分析，绘制各测试点 的振动车速一峰值曲线，分析振动波峰值与运行车速的关系及其变化 趋势。结合模态分析及运行试验结果，确定实验装置最佳运行车速 为2lo m m in ，其分析误差为： g ：! ! ：壅竺二! ：堡查! 1 0 0 ： 2 1 0 - 2 3 2 1 0 0 ：1 0 5 v 实验 2 1 0 利用有限元法对纸机干燥部分析，尤其是完成新结构新概念的 预先分析，将c a e 技术引进到制浆造纸装备设计制造行业中。本课 题通过对多列烘缸干燥部实验装置机架进行基于有限元的理论分析 并对实验装置进行运行试验。有限元静力分析、动力模态分析和谐 响应分析表明多列烘缸干燥部实验装置在静态机械强度、动态运行 性能方面都能达到纸机干燥部的要求，并通过运行实验验证有限元 分析结论。本课题通过对实验装置机械性能的全面分析，可为多列 烘缸干燥装置的实施提供理论依据和分析方法的参考。 关键词：多列烘缸干燥部实验装置，静力学有限元分析，动力学有 限元分析，机械性能 m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n a l y s i s0 f m u l t i l a y e r e dd r y i n gs e c t i o n e x p e r i m e n t a ld e v i c e a b s t r a c t r e c e n t l y ，h i g h e rd e m a n do fd r y i n ge f f i c i e n c ya n de c o n o m i cc o s t u s a g er i s eu pt o g e t h e r w i t ht h e d e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dp a p e r m a c h i n e i no r d e rt om e e tt h e s er e q u i r e m e n t s ，s o m en e wc o n c e p td r y i n g e q u i p m e n t ss u c ha si m p i n g i n gd r y i n gt e c h n o l o g yc o m eo u t b u tt h e r e a r es t i l ls o m ep r o b l e m sw i t ht h ec o s ta n da l s os o m el i m i t a t i o n s t h e c o n c e p to fm u l t i 1 a y e r e dd r y e rs e c t i o nw h i c hh a sf u l l yc o m ei n t ot h e a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a ls t e a md r y i n gh a so b v i o u s l ym i n i m i z e dt h e s p a c en e e do fd r y i n gs e c t i o na n dw i t hq u i t eg o o dr u n n i n gp e r f o r m a n c e 喀 t h i sh a sm e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g hd r y i n ge f f i c i e n c ya n de c o n o m i c b a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) a n dt h es o f t w a r ea n s y s a n d t h r o u g ht h ea n a l y z eo fs t a t i c ，d y n a m i cm o d a l ，h a r m o n i ca n a l y s i sa n d r u n n i n gt e s t ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h e m u l t i l a y e r e dd r y i n g s e c t i o n e x p e r i m e n t a l d e v i c e s f r a m eb o t h i n ：。j ： t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l t h em a i na n a l y s i sw o r k sa r ea sb e l o w ： a f t e ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e ro ft h es t a t i cl o a d i n gc o n d i t i o no ft h e f r a m e ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef r a m ei sb u i l t ，t h e nt h es t a t i c l o a d i n gr e s p o n s eo ft h ef r a m ei sa n a l y z e dw i t ht h es t a t i ca n a l y s i s m o d u l eo fa n s y s w i t ht h er e s u l to ft h em a x i m u ms t r e s sa n dm a x i m u m d i s p l a c e m e n t 。i tt e l l st h a tt h ef r a m ef u l l ym e e t st h er e q u i r e m e n to f m e c h a n i c a lp r e c i s i o nb o t hi ns t a t i cs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s w i t ht h ed y n a m i cm o d a la n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e f r a m e a n d10s u b s e t sm o d a lf r e q u e n c ya n dc o n t o u r sp i c k e du p ，t h er u n n i n g p e r f o r m a n c eo ft h ef r a m ei sa n a l y z e du s i n gt h er o l l - r u n n i n gf r e q u e n c y a n da l s ot h e g u i d er o l lr u n n i n gf r e q u e n c ya s t h ed r i v i n gf r e q u e n c y s e p a r a t e l y i ts h o w st h a tt h e r ea r eb i gm o d a lf r e q u e n c yd i f f e r e n c e sa n d a l s os o m ef o c u s e df r e q u e n c yd o m a i n s w i t h i nt h ef i r s t5s u b s e t sm o d a l f r e q u e n c y t h ev i b r a t i o ni sm a i n l yi nh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o n 1 l i w h e nt a k et h eh i g h e rd r i v i n gf r e q u e n c yo ft h eg u i d er o l l ，t h es u i t a b l e s p e e di sa b o u t2 32 m m i n ，t h e nt h em o d a lr e s p o n s es h o w st h a tt h ef r a m e isu n d e rg o o dp e r f o r m a n c e t h ew h o l ef r a m ea n ds i n g l es i d ef l a m eh a sb e e na n a l y z e dw i t ht h e h a r m o n i ca n a l y s i sm o d u l eu n d e rt h ef r e q u e n c i e sf r o mt h ez e r os p e e d s t a r tu pt ot h ed e s i g nm a c h i n es p e e d t h i sa n a l y s i sh a sd e s c r i b e dt h e r e s p o n s ev a r i a t i o nu n d e rd i f f e r e n td r i v i n gf r e q u e n c yw h i c hc h a n g e s a c c o r d i n gt ot h em a c h i n es p e e d i tp r o v i d e sb l u ep r i n tf o rt h es p e e d t u n i n go ft h em u l t i 1 a y e r e dd r y i n gs e c t i o n u s i n gt h ev i b r a t i o nt e s t e r ，t h er u n n i n gt e s th a sb e e nt a k e nu n d e r d i f f e r e n tm a c h i n e s p e e d t h r o u g h t h ev i b r a t i o na n dv i b r a t i o n a c c e l e r a t i o nc u r v eo ft h et e s tp o i n t so nt h ee x p e r i m e n t a l d e v i c ef r a m e ， i ts h o w st h ev i b r a t i o nr e s p o n s e s t h es p e e d p e a kc u r v eh a sb e e nd r a w n w i t ht h es t a t i s t i c so ft h ep e a kv a l u e so ft h ev i b r a t i o nc u r v e s ；i ts h o w s t h er e l a t i o n s h i pa n dt e n d e n c yo ft h ep e a kv a l u ea n dm a c h i n es p e e d c o m b i n e dw i t ht h ea n a l y z e ds u i t a b l es p e e do ft h ee x p e r i m e n t a l d e v i c e ， t h eo p t i m a l s p e e do ft h em u l t i l a y e r e dd r y i n gs e c t i o ne x p e r i m e n t a l d e v i c ei sa b o u t210 m m i n t h ea n a l y t i c a le r r o ri s ： 占：睦二鳖竺 v 唧 1 2 1 0 2 3 2 l 1 0 0 = 1 0 0 = 1 0 5 2 1 0 u s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ei n t ot h ep r e a n a l y z i n ga n dp r e d e s i g n o fp u l p i n ga n dp a p e r m a k i n gm a c h i n e si st h en e c e s s i t yt e n d e n c y w i t h t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so ft h em u l t i l a y e r e dd r y i n gs e c t i o n e x p e r i m e n t a l - d e v i c e sf r a m e ，t h i sp a p e rh a st o l dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i s n e wd r y i n gc o n c e p t t h r o u g ht h ea n a l y z eo fs t a t i c ，d y n a m i cm o d a l ， h a r m o n i ca n a l y s i sa n dr u n n i n gt e s t ，t h es t a t i cm e c h a n i c a l s t r e n g t h ， d y n a m i cs t r e n g t ha n dr u n n i n gp e r f o r m a n c eo ft h ee x p e r i m e n t a l - d e v i c e h a sf u l l ym e e tt h em e c h a n i c a lp r e c i s i o no fd r y i n gm a c h i n e s ，a n di tw a s p r o v e db yt h er u n n i n gt e s t k e yw o r d s ：m u l t i l a y e r e dd r y i n gs e c t i o ne x p e r i m e n t a ld e v i c e ，s t a t i c l o a d i n gf e a ，d y n a m i cl o a d i n gf e a ，m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e 多列烘缸干燥部实验装置机械性能分析 i 绪论 1 i 纸机干燥部概述 1 1 1 纸机干燥部的作用 脱除纸页中的水分是烘干部的主要作用。压榨之后的纸页，其含水量还有 6 0 7 0 ，即便在经过最先进的压榨方式后，含水量也还有5 0 6 0 。机械压 榨已经无法将剩下的水分脱除，但成纸的水分是5 8 ，因此只能采取加热 蒸发干燥的方法达到这个干度。此外对纸张质量的提高也是加热干燥的另一个 作用。干燥时纸页内水分蒸发，表面张力使得纤维靠拢收缩，氢键结合提高了 成纸物理强度，并提高其平滑度并辅助完成施胶。但是如果对于燥的工艺条件 控制不当，比如过快升温或者温度过高，都将降低纸页的强度。此外，干燥部 是纸厂能耗最大的工段，占成本的5 1 5 1 1 1 。干燥部主要用于压榨后对纸页 脱水，还可以起到提高纸张强度、改善平滑度和完成施胶的作用。 游离水、毛细管水还有结合水分别都是湿纸页中水分的存在形式。纸的干 度为5 5 时，水分含量减少氢键强度高，纸张的强度也增加。干燥时纸在干布 或者干网的压挤下贴在烘缸面上，约束横向收缩，但是纵向受力不受约束，纵 向牵引力增加了纸的刚性和纵向抗张强度。纸页的松软、气孔率以及吸收性和 透气能力在快速升温时提高，但紧度、透明度以及其机械强度下降，但在缓慢 升温是上述现象出现相反变化l z j 。 1 i 2 干燥部的结构组成 传统的烘缸干燥部，其一般组成包括烘缸、烘毯缸、冷缸、机架和传动装 置、帆毯校正器和张紧器、气罩或热风罩等。双列烘缸排列方式也是纸和纸板 机干燥部最传统的布置方式，如图1 1 。帆毯和干网包裹上下烘缸，引领纸页 缠绕烘缸运行，对其进行约束干燥。 陕西科技大学硕士学位论文 i 。 ，1 迅公篷 。 wk 垒m 骶a 骶蕊孺蕊蔼阖翮蹋辞删 二囊融縻磷醪缬潞魉黼 雕骜 爝 夕 址 秘1 0 1 2 ， ( 龠氏划舯 - n i 7 l 竺 ， 肛0 爨雠： 1 、歹国 卜机架2 一下排烘缸3 一上排烘缸4 一烘毯缸5 一导毯辊6 一张紧器7 一校正器b 一刮刀9 一引纸辊1 0 一下 帆毯1 卜上帆毯1 2 - 弓 纸绳1 3 - 引纸绳张紧器1 4 - 裸露烘缸 图卜l 传统纸机双排烘缸干燥装王 f i g 1 - ld o u b l e - l a yd r y i n gs e c t i o no ft r a d i t i o n a lp a p e rm a c h i n e 半个世纪以来，通气性能良好的干网在生产新闻纸、胶印书刊纸、纸袋纸 和纸板等的造纸机干燥装置中代替了帆毯。但对于高速纸机，若继续沿用双层 烘缸布置并包绕帆毯，必然引起纸页运行过程中的颤抖，从而容易导致断纸， 影响正常生产。单层烘缸带真空辊排列、配置单干毯的干燥装置解决了这个问 题。如图1 2 。 压 孰甑麓漱蕊豫麓瀛毹自癞麓瓣醐酬 v 8 州imim 驯 i 上干毯2 - 烘缸3 - 真空辊4 s y m r u nh s 型吹风霜 图1 - 2 新式单排烘缸干燥装置 f i g 1 2n e wd r y i n gs e c t i o nw i t hs i n g l ed r y i n gr o l l 1 1 3 纸机干燥部的工作原理 就每一个烘缸来说，它都有四个不同的干燥区。四个同步的干燥区都存在 于烘缸干燥中，如图1 3 所示。a b 贴缸干燥区：湿纸在吸收热量后温度升高， 蒸发水分；b c 压纸干燥区：烘缸表面上，被干网压着的纸页被干燥：c d 贴缸 干燥区：湿纸温度恒定，进行单面蒸发干燥；d e 双面自由蒸发干燥区：离开烘 2 多列烘缸干燥部实验装置机械性能分析 缸的纸页温度下降，依靠自身温度蒸发水分，在下一个烘缸提供热量。高速纸 机中双面自由蒸发干燥区中纸的温度约降4 5 ，普通车速纸机中下降 1 2 15 。 图1 3 烘缸干燥区 f i g 1 3d r y i n ga r e ao fd r y i n gr o l l s 由于a b 和c d 两个干燥区短，而且纸页和烘缸表面贴合又不是非常紧密， ， 因此水分蒸发量并不太多，占干燥部脱水总量5 10 。在b c 区蒸发水量最多， 占低速纸机的8 0 8 5 ，在高速纸机中也占了6 0 6 5 。在d e 区车速提高蒸发 量也增加，占2 0 3 0 强。双面自由蒸发干燥区由于水分不断减少，而且含热一 量在降低，因此末端蒸发量很少。由此可见，升温、降温、再升温是干燥部的 循环过程。 纸页干燥存在两种方式，即热对流和热接触干燥。湿纸被烘缸加热，当达：妒 到外界空气的湿球温度，开始恒速干燥。此阶段中，在纸表面上的水分蒸发速 度小于纸内部的水扩散到表面的速度，空气湿球温度与湿纸温度接近。当湿纸 水分下降到一定程度时，纸页内部水分扩散到纸面速度小于表面蒸发速度，降 速干燥开始，干燥速率降低但是纸温度升高。 对流干燥的干燥速率服从于道尔顿方程式： 篙= 吒g 。一办) 鲁k b 2e 办)(1-1) 式中2 d w 一一蒸发水量( 磁) ； 记一一时间( 办) ； f 一一蒸发面积k 2 ) ； p ，一一相当于水蒸发温度的饱和蒸汽压( m m h g ) 1 p d 一一外界空气的水蒸汽分压( m m h g ) ； 日一一外界大气压( m m h g ) g 3 陕西科技大学硕士学位论文 屯一一自由表面蒸发系数，决定于空气速度，可用计算经验公式： 吒= 0 0 2 2 9 + 0 0 1 7 4 v ( 卜2 ) 式中： 1 ，一一蒸发表面上的空气速度( m s ) 。 干燥部对纸页进行干燥时，纸页与烘缸接触，因此道尔顿方程只能用于定 性说明对流干燥，不能定量确定干燥速率。恒速阶段干燥去掉的是游离水，而 毛细管水和结合水则在降速阶段的第一分段去除，第二分段则主要为结合水。 对于接触干燥机理的研究，主要引用对流干燥的原理，即外部扩散决定恒 速阶段速率，内部扩散决定于降速阶段。恒速干燥时湿纸贴在烘缸的一面首先 吸热而蒸发水分，蒸汽压力大于纸页其他位置的平衡蒸汽压力而产生蒸汽压 差，从而使得蒸汽向纸面转移。伴随蒸汽的转移，也发生了蒸汽的冷凝，释放 出热量传给纸页，并向低温方向流动。而在纸的表面，一部分热对流散发到空 气中，其余则都用于纸面蒸发水分。 双面自由蒸发干燥时蒸发在纸的两面同时进行，两面液体水分随之减少而 产生水分梯度，使得水向纸两面转移。当接触烘缸的一面变得太干时，就不能 再保证蒸发的稳定。接触烘缸的湿纸的水分含量确定了这种临界水分含量。接 触烘缸的纸页水分降低到临界水分含量以下时，水分蒸发向内移动，在纸中重 新调整接触烘缸的水分而继续蒸发。降速干燥时水的转移向内到最大含水区域 为止。 接触干燥速率： 器= 掣= 掣 k g * i m 2 硼 ( 1 3 ) 式中： f 一一干燥面积，即烘缸表面与湿纸接触的面积( m 2 ) ； u 一一总传热系数m k 2 h e ) j ： r 一一一缸内热蒸汽温度( ) ； f 6 一一缸面纸的温度( ) ： ，一一蒸发水汽的热含量( 驯堙) ； 一一蒸汽的热含量( 材r 堙蒸汽) ： 一一缸内排出的冷凝水热含量( 驯培水) 。 在纸页进行干燥时，热对流和热接触干燥这两个过程是同时进行的。对于 单个烘缸，它又具有四个性质不同的干燥区域，而且各烘缸也采用不完全相同 的干燥温度。因此如果要理论上定量计算烘缸的干燥速率和脱水是具有很大困 4 多列烘缸干燥部实验装置机械性能分析 难的。 1 2 纸机干燥部的发展趋势 1 2 1 国内外干燥装置的发展 现代社会工业化生产对于能源的要求不断提高，它是发展社会生产力，改 善生活水平的基础，在造纸工业中能源的地位尤其重要。国际国内在纸机干燥 部干燥技术和干燥装备上都有了很大的变革和改进。各种针对干燥部技术和干 燥装备的变革和改进在国际国内不断出现。诸如通风换气系统中聚酯干网、密 闭汽罩、袋区通风技术的使用，烘缸蒸汽加热系统中多段通汽、烘缸内部强化 传热、热泵技术的发展【2 】。在高速纸机干燥技术上，针对纸机宽幅高速的要求， 还有包括热风冲击干燥、脉冲干燥、穿透干燥、红外干燥以及过热蒸汽冲击干 燥等新技术。 1 通风换气系统新技术 造纸过程中，在网部和干燥部都会有大量的水蒸汽产生，为了保证工艺稳 定运行，需要采取通风的办法将这些高温高湿气体排出。纸机运行效率、能耗 和成纸质量受到通风的性能的重要影响。基于上述原因，纸机通风系统对于整 机的正常运行以及能耗有重要意义【3 j 。 a 优化的汽罩通风设计：带着节约能源并不断提高车速的目标，通风技术 不断进行改进。对于多缸纸机汽罩从开式到闭式，低露点到高露点的热 工性能改善。具有高露点的闭式汽罩、先进通风系统的设计，改变了传 统纸机面貌。改善了热工条件，节约了能源【4 1 。 b 采用多段通汽方案及热泵技术应用：目前大、中型纸厂普遍采取多段通 汽干燥技术，利用多级闪蒸，合理使用不同品质的能源，从而实现节能 降耗1 5 】。目前常见的多段通汽包含有两段和三段通汽技术，相对于单段 通汽相比较，它节约成本【6 】。但多段通汽都是串联逆向供热系统，因此 也带来了工艺条件、自控设备仪表的困难 7 - s 】。业内提出了喷射式热泵技 术，很好满足了通汽要求，系统简单节能( 9 - 1 0 】。 2 先进干燥装置的研发和推广 随着造纸工业对产能和效率的要求不断提高，宽幅高速的纸机不断发展， 各种新式干燥技术、干燥装置不断研发出来并得到推广。例如m e t s o 公司推 出的o p t i d r y 系列干燥装置，包括o p t i t w i n o p t i h o r i z o n t a l ，o p t i v e r t i c a l 三 种主要的干燥装置结构形式，业内也称作热风冲击干燥、热风水平、垂直穿透 干燥。o p t i d r y 系列干燥装置在结构形式上，改变了传统的水平布置烘缸的方 5 陕西科技大学硕士学位论文 式，一定程度上节省了干燥部长度，而且紧凑的结构形式，很好的与现有干燥 结构配合，实现了升级改造的方便性。而且该类干燥装置，形成了相对封闭的 汽罩热区，维持了个相对低湿度，高露点的热空气环境，提高蒸发效率，节 约蒸汽【1 卜1 2 】。此外还有冷凝带干燥，脉冲干燥，红外干燥，微波干燥等新型干 燥装置 1 3 - 1 4 1 。 1 2 2 多列烘缸干燥部结构概念的提出 对于现代纸机，无从从其投资比例或者是对纸页成形的影响，其干燥部都 是重要部分。而且，在未来的很长时间内干燥部也将仍是研发的重点。多年来， 纸机干燥部结构及工作原理都没多大改变，依旧普遍采用蒸汽烘缸接触干燥。 其中多烘缸纸机的干燥部占纸机总用地面积的5 0 多，这个比例在现代高速纸 机上则更大。带来的问题包括操作管理不便，厂房土建投资大，制约了车速的 提高。此外，部分纸厂在考虑升级改造时，烘缸数量需要增加。但厂房限制， 使得升级改造无法完成。 针对高速纸机提出的多列烘缸干燥部概念，能有效缩短其长度。多列烘缸 烘干部把传统烘干部的烘缸进行分组，每组烘缸在竖直方向拍成两列，典型数 量4 6 只。左右烘缸分别被左右干网包绕。干网承托纸幅在两列烘缸间迂回穿 过。 图1 4 所示为由l5 0 0 m m 烘缸的多列干燥部结构模型，含烘缸6 4 只，分为 16 列每列4 只，含有入口单元，中间单元和出口单元。每个单元中包含两个传 动组，总计4 列烘缸。其中烘缸组配置有左右两条无端干网，张紧器、校正器 和导辊。 实验装置的传动，由最底下的烘缸在通过电机和齿轮带动，其余的各烘缸 被缠绕的干网拖动。多列烘缸的中间单元一个单元结构如图1 4 所示。中高速 纸机车间一般是两层的布局，地面高度约6 米左右。 每个单元中，左传动左烘缸与包绕它的干网一起从上向下运行，从而将纸 幅向前输送。烘缸与干网一起由上而下运转，离开最后一个烘缸的干燥从右侧 通过校正器、张紧器等机构返回上面的烘缸。而左传动组中的烘缸在左面干网 包绕着由下而上的运转，离开最上边的烘缸后通过校正器等返回最下面的烘 缸。 6 多列烘缸干燥部实验装置机械性能分析 wo - 一三皿n ；z u 诞兰一_ 。干o u 圭 塾一对x 陬 l 、r 【】 9 ：酗埴 _ 1 。 - 一凰- * 5 ， 、 卤黼 d 话 徽去 1w r r 工之一 醇 蘧 l 、龋r 、 4 ￥ ，黼 一 _ - 一 _ _ 。、铺汰 、 l s 4 f 1 b u 一一 v ， 褂 n 呼砟 ，7黼 b 毕 一 、龋、 一一 _ _ _ 、 )5ii薏 i 7 斟、囝 、 上盥l m _-_ d 一盘篇辩 ，耐 岛 - 、龋、 ；f _ - _ - 一 、 ，7 沙 。 。 一，【厂，u 倒 _ 一 - 一 三 一盘黼 一。、 - 一7 弋! 太 l 1 _ 、。 箍- 阿嗣；鲻 _ ， 图卜4 多列烘缸干燥装置结构方案 f i g 1 4s t r u c t u r a ld e s i g no fm u l t i l a y e rd r y i n gs e c t i o n 。 正常的纸幅运路线是：在入口单元的左上部，压榨托着毛毯纸幅输送进入。 纸幅紧压在右侧干网下面达到右面最顶的烘缸的上部。干网把纸幅压着运行至t 本个烘缸下部，纸幅在离开干网后再从本烘缸表面分离并在切线方向运行到左 列洪刚顶部烘缸的上部，并在左侧干网紧压下运行到下部。按照上述运转规律， 纸幅左右与会的运行，左右干网在传递纸幅时承托纸幅向对方传送。纸幅依次f 左右迂回并且由下至上的，依次地通过右传动组的各烘缸表面。多列烘缸干燥 部的引纸系统可以采用引纸绳或者压缩空气引纸n 们。 1 3 课题的目的和意义 1 3 1 课题目的 在优点上，多列烘缸干燥部继承了蒸汽烘缸干燥能耗低，成纸质量好的优 点，并可以充分利用车间空间，节省土建投资。因此同样产能下，不改变厂房 高度，能缩短一半的干燥部长度。如果调整车间高度，干燥部长度可以更大的 缩短。 如何评判多列烘缸干燥部的实际可行性，关键在于对其机械方面性能以及 在实际运行中的性能来确定的。机械性能上，因为烘缸采用垂直排列的方式， 导致了整体机架高度的增加，较强烈的振动可能在车速提高时发生。烘缸的层 叠布置，在每根机架柱梁上承受的载荷随着烘缸数量的增加成倍增加，机架的 静态载荷刚度和强度在此载荷下能否满足干燥部运行机械精度要求是很重要 7 陕西科技大学硕士学位论文 的技术指标。多烘缸同时运转，烘缸在制造加工时的偏重产生的离心力叠加产 生更大的振动激励，表现在激励大小和激励频率的叠加，导致机架振动的加剧。 过大的振动导致大变形，使得机架机械精度下降，影响干燥部正常工作。 本课题主要研究多列烘缸干燥部实验装置的机械稳定性及在高车速下机 架高度的增加对干燥部机械性能的影响。在研究方法上，本课题分别采用了有 限元进行理论分析和实验装置进行运行试验：首先按照多列烘缸干燥部概念进 行实验装置设计和参数化建模，导入a n s y s 中利用静力和动力分析模块进行 分析；二是在a n s y s 分析的基础上，在实验装置上进行运行试验，探寻运行 车速与振动响应的关系，探索实验装置实际适宜运行车速，与理论分析进行对 比。 本课题采用工程模拟的方法，通过对多列烘缸干燥部实验装置进行理论分 析和运行试验，对其综合机械性能进行有限元分析并实验验证。通过对实验装 置机械性能可行性以及适宜车速的探索，可为多列烘缸干燥装置的工程实施提 供设计方法和参考数据，并为机械加工提供参考，如应力应变集中位置的分布。 本课题来源于陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室“多列烘缸干燥 装置的研发”项目，项目编号：0 9 j s 0 5 5 。 1 3 2 课题意义 多列烘缸干燥部的实施，可以使得车间的利用率更高，节约土建投资。因 此同样产能下，不改变厂房高度却能缩短一半的干燥部长度，如果调整车间高 度，干燥部长度可以更大地缩短。多列烘缸干燥部的概念对于针对提产为目的 的纸机改造特别有效，因为它能在现有厂房高度和面积的条件下增加烘缸数。 本课题的研究拥有完全的自主化知识产权，在成果转化上方便。若研究成 功，该课题具有良好的市场前景，在与国内外造纸设备制造厂商合作开发时可 以得到很好的工程应用与推广。 通过本课题的研究，从机械性能和最佳车速两个方面探索验证多列烘缸干 燥装置的可行性，为多列烘缸干燥装置的实施提供理论依据和参考。 1 4 有限元法及有限元分析软件a n s y s 简介 1 4 1 有限元法简介 有限元法，也常被称为限元素法( t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简写为f e m ) ， 其求解问题的基本方法是通过建立待定场函数，然后分析边界并求解边界值和 初始值。它是2 0 世纪把应用数学，力学和计算科学相结合渗透的学科【”】。有 限元法的基本思想是把连续区域利用单节点处相连的子域( 单元) 来分解，分 8 多列烘缸干燥部实验装置机械性能分析 别求解区域模型，给出所得基本方程的分片( 子域) 解。在划分单元( 子域) 时，其在形状和尺寸大小上有很多选择，所以它能很好的适应几何形状、材料 性质和边界条件复杂的模型，使得其有很好的通用性，极受欢迎【1 6 】。 利用计算机技术，对工程结构进行有限元( f e m ) 分析的步骤如下：根据 有限元( f e m ) 理论建立近似矩阵公式也就是数学模型；矩阵计算程序转化成 计算机程序和算法；调试后的程序在上传到计算机后运算出结果 1 7 l 。 1 有限元常用术语 a 单元：是指在有限元模型中划分出的每一个模型块体。根据每个单元都 有不同的形状，包括线段、三角形和四角形、四面体和六面体单元等。 有限元模型的建立，以单元为基础的。因此，合理的选择单元类型对分 析结果很关键。并且以能提供单元类型的多少来一定程度反映程序功能 的强大性。 b 节点：节点被用来表示单元形状，单元特性以及连接关系的点。节点是 构成有限元模型的最小元素。它是连接单元，并在单元间传递数据的通， i 埴o c 载荷：工程上把结构所承受的力或者力矩称为载荷，其中包含力、分布 力和力矩等。载荷的含义根据学科的不同而不同。结构分析中的载荷是 力和位移，温度分析的载荷是温度，而电磁场分析中的载荷是指电场和 磁场对结构的作用。o d 边界条件：有限元把结构在边界上受到来自外界的约束，定位成边界条 件。有限元分析中边界条件，正确施加对结果的正确性以及精确性影响 很大。 e 初始条件：结构在载荷施加发生相应前的初始速度，温度和预应力定义 为初始条件。 2 有限元分析基本步骤 a 在结构上定义求解域，并离散化为单元，把连续体的问题离散为由单元 和节点组成的个体问题求解： b 建立代表单元物理表现的形函数，即近似连续函数； c 建立单元方程； d 构造整体刚度矩阵； e 边界条件和初始条件，载荷的施加； f 求解微分方程组，得到节点解； g 得到其他重要信息。 o 陕西科技大学硕士学位论文 1 4 2a n s y s 软件介绍 j a n s y s 是目前应用最为主流的有限元分析程序。a n s y s 分析软件可以在 大多数的计算机操作系统上运行，操作界面人性化友好设计，数据输入和功能 选择方便灵活，并且与大多数c a d 软件进行数据连接交换，是很好的c a d c a e 工具软件。 a n s y s 软件在程序组成上，主要包括前处理、求解和后处理三大模块。 如图1 5 。 ， 图卜5a n s y s 程序组织结构 f i g 1 5p r o g r a ms t r u c t u r eo fa n s y s 利用a n s y s 前处理模块，可以完成实体建模以及对模型进行网格划分， 用户能够方便地设计有限元模型；求解模块集成了多领域以及耦合物理场的求 解；彩色等值线、梯度、矢量、粒子、立体切片等方式显示后处理计算结果， 也能通过图表和曲线的方式显示输出结果【1 8 】。 1 5 本课题的主要研究内容及工作 本课题研究对象为多列烘缸干燥部实验装置，通过选取干燥部实验装置一 个干燥单元的机架。利用有限元分析技术，通过a n s y s 对机架的静力学、动 力学性质进行分析，评估其强度、刚度和动态性能，完成多列烘缸干燥部机架 实验装置的运行实验，对比实验装置数据验证a n s y s 分析结果，并分析多列 烘缸干燥部实验装置适应车速范围。 1 5 1 多列烘缸干燥部实验装置机架静力学分析 由于多列烘缸干燥部所采取的将多个烘缸在纸机垂直上方进行层叠布置 的结构方式，改变了传统干燥部上烘缸双层布置的结构惯例。该布置方式能大 大缩减干燥部长度，但是也带来了干燥部机架相同结构上承受载荷的成倍增 加。干燥部对于两烘缸在平行度上有较高要求，直接关系到成纸的横向匀度等 重要指标。因此，分析多列烘缸干燥部实验装置机架在静态载荷下的强度及刚 度情况，并针对应力及应变集中位置进行局部分析，得到具体应力应变分布情 1 0 多列烘缸干燥部实验装置机械性能分析 况。 1 5 2 多列烘缸干燥部实验装置机架动力学模态分析 干燥部运行时，通过地脚螺栓，整个机架定位在基础上。干燥部作为烘缸 辊及传动组件的承载件，支撑其高速运转。烘缸辊及传动组件高速运转时，由 于制造加工和安装精度不足及负载变化，必然产生一定的离心力而引发一定频 率的振动。模态频率是所有结构都具有一定的共振动特性。因此本课题对机架 的模态特性进行分析，得到其各阶次模态频率及模态振型情况，并分析运行情 况下，实验装置的激振频率分布。通过对上述两频率进行对比，探索多列烘缸 干燥部实验装置机架，可行的运行频率域即速度范围，为多列烘缸干燥部机架 的实施提供参考。 1 5 3 多列烘缸干燥部实验装置机架谐响应分析 干燥部开机运行时，烘缸辊及传动组件由初速度零提升到设计车速。运转 件在转动的同时角速度提高，因此不同转速下的离心力激振频率也不断提高。 不同的激振频率施加在干燥部机架上，将会引起机架的振动。而通过对多列烘 缸干燥部机架的受力和运行工况分析计算，可在一定条件下将离心力简化为简 谐力，则激振频率具有简谐载荷性质。利用谐响应分析，分析在简谐载荷下实 验装置机架的振动响应，得出特定转速下机架的动态特性，为其运行提供参考。 1 5 4 多列烘缸干燥部实验装置运行实验 通过上述分析研究，提出了多列烘缸干燥部设计结构形式，并进行设计、 加工制造多列烘缸干燥部实验装置。利用变频调速方法，使多列烘缸干燥部在 不同的车速下运行，利用振动测试仪器对机架不同部位进行振动曲线及振动加 速度曲线的监测。对比验证前述有限元分析结果和运行实验结果，为多列烘缸 干燥部的实施提供实验证明。 陕西科技大学硕士学位论文 2 多列烘缸干燥部实验装置参数化建模及实验装置设计 2 1 多列烘缸干燥部结构方案设计 2 1 1 中速造纸机的多列烘缸干燥部结构 在传统中速纸机干燥部中，采用上下两排烘缸结构，并各自被其干网包绕。 将其结构改造成多列烘缸结构，其方案图为图2 1 所示。通过将其所有烘缸分 成数个单元，再在每个单元中分为两个传动组，每组垂直列成两列，典型烘缸 数量4 - 6 个。左列烘缸由左干网缠绕，右侧则由右干网缠绕。干网承托纸幅迂 回通过每个烘缸。 ! 曼竭鼯芒巴一r ! 勇三内p 匿翌 、- 。_ ，、。- - - - - - - - - - - - 一、- - - - - - - - - - - - - _ ，、- - - - - - _ ， 12 2 3 图2 - 1 多列烘缸干燥装王 f i g 2 1m u i t i l a y e r e dd r y i n gs e c t i o n 相对传统干燥部，多列烘缸干燥部的基本结构，如烘缸，校正器，张紧器 等都不需要做太多改动，而只需要调整其排列即可，但需要重新设计机架。 比如，一个含有6 4 个巾l5 0 0 r a m 的直板机多列烘缸干燥部，每列排4 只烘 缸，共排1 6 列。整个干燥部设为4 个单元，包含入口单元，中间单元和出口 单元，如图2 1 所示。 由4 个烘缸组成每一个单元。左右两列烘缸各带传动，分别称为左右传动 组，也就是说每个单元包含两个传动组。每个烘缸组都有一左一右两条无端干 网，每条网上有一套校正器、张紧器和导辊等。电机和齿轮传动驱动烘缸旋转， 同列转向相同，每组的两列转向相反，或由电机和齿轮驱动最下两只烘缸，其 余干网拖动。其进口单元、中间单元和出口单元结构近似，只是进出口处纸幅 运行方式不一样。 下面，利用中间单元为例介绍