（机械设计及理论专业论文）造纸机烘干部的参数化设计系统.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 烘干部的参数化设计系统 摘要 造纸业是我国较发达的一个产业链，但由于制造业设备更新速度较为缓慢， 而造纸设备体积尤为庞大，使其研制开发受到了时间、人力、物力等的限制。所 以本系统所研究的对象就是造纸机的参数化设计系统，使用户可以方便地重建模 型，并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型，生成系列产品，大大提 高了生产效率，缩短产品生命周期。 而烘干部是造纸机中最熏的一部分。其重量约为全机的6 0 ，造价约占5 0 。 造纸生产中用在烘干上的费用却占成本的5 1 5 ( 主要是蒸汽费用) 。所以对烘干 部进行有效的优化设计，将对于提高效率，降低费用，起到很大的作用。 本文是在掌握造纸机烘干部工作原理的基础上利用v i s u a lc + + 进行总工艺参 数计算。利用u g 专业绘图软件，建立了烘缸装配体的参数化模板，精确输出烘 缸中各个系列零件的三维模型和二维工程图。在二维工程图方面，系统率先引用 了基于尺寸参数化定位的方法。该系统以u g 软件为平台，设立了比较友好的系 统界面。该软件绘制出的烘缸的三维实体为其后继的有限元分析以及数控加工打 下了基础。 本文通过一些烘干部工艺参数的计算程序及烘缸装配体的参数化建模，实现 了对造纸机设备的一部分参数化建模，大大缩短了烘干部的设计周期，降低了造 纸机的研制成本，这对造纸设备的研制有积极帮助的作用。 关键词u g ；造纸机；烘干部；烘缸； 参数化设计 查! ! 垄堂塑主芏堡堡墨 些! ! ! ! ! ! 一 t h ep a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g ns y s t e mo fd r y i n gp a r ti n p a p e rm a c h i n e a b s 仃a c t t h ei n d u s t r yo fp a p e ri sap o p u l a rm a n u f a c t u r ec h a i ni n0 1 1 1 c o u n h , y b u tc a l l s et h e s p e e do ft h em e c h a n i c a le q u i p m e n tu p d a t i n gi ss l o w , e s p e c i a l l ya b o u tt h ev e r yh u g e p a p e rm a c h i n e ，t h er e s e a r c hi sl i m i t e db yt h et i m e ，m a n p o w e ra n dt h e r o c o w s e s t h e r e f o r et h ed i r e c t i o no ft h i ss y s t e mi st h ep a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g no fp a p e rm a c h i n e ， w h i c hm a k e su s e rs oc o n v e n i e n tt om a k em o d e l w i t hi tu s e rc a r le a s i l yd os o m ec h a n g e t ot h em o d e lw i t l lt h e i rd e s i g ni d e a i tc a l lp r o d u c es e v e r a ls e r i e so u t p u t ，g r e a t l y e n h a n c e dt h em a n u f a c t u r ee f f i c i e n c y a st h eb i g g e s ta n dh e a v i e s tp a r to fp a p e rm a c h i n e ，t h ew e i g h to fd r y i n gp a r ti s6 0 o f a l l a n dt h ep r i c ew i l lb e5 0 b u tt h ec o n s u m p t i o ni so n l y5 1 5 o f a u ，m a i n l yf o r t h es t e a me x p e n s e s od os o m ee f f e c t i v ea c t i o nw i l lb eu s e f u lf o rt h ei m p r o v i n g e f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ee x p e n s e s ot h a t , w i t hd e e p l yc o m p r e h e n do fd r y i n gp a r to fp a p e rm a c h i n e ，t h es y s t e mu s e d v i s u a lc + + f o rt h ec a l c u l a t i o no fg e n e r a lt e c h n i q u e sd a t a a n du s e su gs p e c i a l i z e d s o r w a r er e a l i z e st h ec o m p o n e n t so fd r y i n gp a r tp a r a m e t e rm o d e l i n g ，a n dm a k e sd e s i g n r e v i e w a sf o rt h ed r a f s n l n gp a r t ，t h es y s t e mu s e so fm e a s u r e m e n tp a r a m e t e r i z a t i o n b e y o n da l lo fo t h e rp a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g n o nt h eb a s eo fu g t h es y s t e mh a ss e ta f r i e n d l yf a c ef o r t h eu s e r i t 啪p r o d u c et h es e r i e so f c o m p o n e n t ss e m i - m o d e la n dp r i n t t h ed r a f h g w i t ht h e s es e m i - m o d e l i n gb a s e m e n t s ，w ec a nd ot h ew o r ko ff e ma n d c a mf o rd i g i t a lc o n t r o lm a c h i n et 0 0 1 w i t ht h ec o m p l e t e l y g e n e r a lc a l c u l a t i o no fd r y i n gp a r t , a n dp a r a m e t e f i z a t i o n m o d e l i n g , t h ep e r i o do f d e s i g nw i l lb eg r e a t l yr e d u c e d s ot h er e s e a r c hc o s ti s t h a tw i l l b eg r e a th e l p f u lf o rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t h ep a p e rm a c h i n e t h ek e yw o r d su g ；p a p e rm a c h i n e ；d r y i n gv a t ；p a r a m e t e rd e s i g n 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 、矿 学位论文作者签名： 罢颍 日期：伽罗，弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 造纸机烘干部概述 目前，造纸机大都是采用蒸汽加热旋转烘缸以热传导的方式提供热能，热能 通过烘缸缸体传给纸张。纸张通过烘干部时，湿度一般是从进入烘干部前的6 0 减少到输出时的5 ，然后进入压光机。 一般造纸机的烘干部都采用双列的烘缸排列形式( 图1 1 ) 。上下两层烘缸均配 置有干毯( 或帆布) 。于毯领引着纸幅绕烘缸运行，并将纸幅压紧在烘缸表面。 tf | x 对世沁驻，+ 颐一仑 蝉幽幽幽幽心鼎一函幽蚓一燃 朱懿躏寒鬣默警 6 汐罨 o | 氰 、鼙弱1 h 侧、骟 翮涮漱f 黻 y 、 l lil，l_ii l 。 沙。钦 9 图1 1 多烘缸造纸机的干燥部 f i g 1 1m a n yd r y i n gv a to f p a p e rm a c h i n e 1 - 机架2 - 下排烘缸3 上排烘缸4 烘毯缸5 导毯缸6 - 自动干毯校正器 7 一烘缸刮刀8 弓i 纸辊9 下捧烘缸干毯l 啦上捧烘缸干毯1 1 - 无干毯的烘缸 根据不同纸种在烘干过程中的收缩率不同，烘干部的烘缸对一般的纸种可分 2 4 组，并据此配用干毯的数量。每组烘缸有上下干毯备一张。每张干毯设置有相 东北大学硕士学位论文第一章绪论 应的导毯辊、校正辊和张紧辊。为降低干毯的水分含量，设有烘毯缸。中、低速 造纸机上，通常是每张干毯配置一个烘毯缸；高速造纸帆上则每张干毯配设有两 个烘毯缸，其中一个使干毯绕过本组半数烘缸之后能得蛩l 干燥。 在烘干部的末端，通常设置l 之个冷缸。冷缸内通入流动的冷却水，用来冷 却进入压光机之前的纸幅，以提高压光的效果。 生产单面光纸或使用游离浆生产薄型纸时，常采用只有一个大烘缸的烘干部； 或是一个大烘缸为主，其后再设置若干个普通结构形式的烘缸组成的烘干部终端。 大烘缸的直径通常为2 5 - - 4 5 米，不配用干毯。湿纸幅经过托辊时，被紧贴在光洁 的烘缸表面，传热良好，加上采用高效的通风罩，大烘缸蒸发速率很高，通常是 普通烘缸的扯5 倍。 国内常用的圆网造纸机的烘干部通常有两个烘缸组成( 如图1 2 ) 。上烘缸的 配置和大烘缸类似，没有干毯，有托辊和通风罩。纸幅烘干到适当的干度后引入 下烘缸，并用平滑压辊和干毯促使纸幅的另一面紧贴在下缸表面，继续烘干到成 纸的干度【l 】1 2 】 q = 图1 2 常用圆网造纸机娥干部示意图 f i g 1 2 g e n e r a lc h i l e n e t p a p e r m a c h i n e d r y i n g p a n s k e t c h m a p l - 下毛毯2 - 托辊3 一上毛毯4 通风罩5 导纸辊6 刮刀7 平滑压辊 8 - 纸幅9 一千毯1 0 - 压榨辊1 1 真空吸水箱1 2 - 导毽辊1 3 毯压榨 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 烘干部是造纸机中最重的一部分。其重量约占全机的6 0 ，造价约占5 0 。 造纸生产中用在烘干上的费用( 主要是蒸气费用) 占成本的5 1 5 。 1 2 机械c a d 参数化及专家系统 1 2 1 参数化设计 随着计算机软硬件技术的日益完善，c a d 技术得到迅猛的发展。最初的c a d 系统是简单的二维绘图，所构造的产品模型都是几何图素( 点、线、圆等) 的简单 堆叠，仅仅描述了设计产品的可视形状，不包含设计者的设计思想，因而难以对 模型进行改动，生成新的产品实例。 通常，参数化设计一般是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数约束该 几何图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予 不同的参数序列值时，就可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含有设 计信息的模型。参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手 段，使用户可以利用以前的模型方便的重建模型，并可以在遵循原设计意图的情 况下方便的改动模型，生成系列产品，大大提高了生产效率。参数化概念的引入 代表了设计思想上的一次变革，即从避免改动设计到鼓励使用参数化修改设计， 这些工作无疑进一步提高了产品的设计和生产效率，同时也成为研究的热点问题 【2 5 l 。 1 2 2 产品参数化设计 当前的c a d 建模软件都提供了参数化设计功能，通过参数驱动尺寸，甚至是 拓扑结构的变化来改变零件，可以便捷的生成一系列相似零件的三维模型与二维 图纸，避免重复设计与重复劳动，降低了产品的生命周期。三维几何造型和二维 工程绘图技术日趋完善，在产品设计中己经占有重要地位。但是，这些参数化能 力还主要体现于二维图纸、零件的三维造型方面。在支持系列化产品设计，变型 设计等方面，目前大多数c a d 系统都不具备应有的柔性。 建立产品参数化设计模型的目的在于：当给定产品一组设计参数、主要尺寸后， 根据产品的装配关系和零部件之间的约束关系，自动生成每个参数化零部件可变 参数的具体设计值，经过参数化图形的约束求解器生成实例化产品图形，构成整 个产品的一个设计实例，实现产品的快速变型设计。 同普通的零件参数化设计不同，产品的参数化设计是一个更加复杂的过程， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 它所要考虑的除了用参数驱动尺寸或拓扑结构外，更多的是产品的功能、规格、 材料、工艺等参数以及各个零部件之间的装配关系。不同种类的产品千差万别， 各个参数之间的驱动关系错综复杂，产品参数化模型的设计需要找到一种方法来 表示参数间的逻辑关系，并同时建立相应可行的求解机制。 参数化的产品模型本质上是一个约束模型，约束的表示及约束的满足问题是 模型的核心问题。约束满足问题，可以看成是一个带标记的有向图，节点代表问 题的变量，弧代表二元约束，通过对有向图进行求解，得到变量的可能值。不加 限制的约束满足问题具有指数阶的时间复杂性，不能满足实际应用的需求。 结合应用背景，对有向图加以限制，可以得到简化易解的图，从而大大降低 约束满足问题的复杂度，但太多的限制影响了对实际问题的表达能力，使得不能 描述足够复杂的问题。 产品参数化模型按建立的方式可以分为自下而上的实体建模方式，自上而下 的概念建模方式以及两种方式的结合。 大多数c a d 系统提供的产品建模方式是基于自下而上的。利用基本装配约束 将设计好的一组零件装配为部件，再将部件迸一步装配，最终形成产品。这种产 品建模方式的优点是建模过程直观，产品建立过程就是由已知装配体进行装配的 过程。但其缺点也是明显的，由于装配前缺乏整体的装配信息，零件间参数不匹 配而无法装配的现象经常发生，无法进行并行设计。并且，对于已经建立好的产 品模型，由于没有考虑产品的规格、材料、工艺等相关的参数信息，很难对模型 做出直接有效的改动。其缺陷决定了单纯利用该方式无法真正实现参数化的产品 设计。 在产品设计中，功能需求的改动直接影响整个产品模型的高层结构，进而影 响到产品配置中各个零部件的改变。针对这种情况，可以自上而下对产品按功能 进行分解，通过功能映射寻找可以实现这些子功能的零部件模型，并将其整合为 一个经济可用的产品嘲。 1 2 3 复杂产品的参数化设计 复杂产品的概念于2 0 世纪9 0 年代中期由英国萨克西斯大学的复杂产品系统 创新中心最先较为全面、系统地提出。一般是指研发成本高、规模大、技术含量 高、单件或小批量生产的大型产品，如航天器、飞机、汽车、复杂机电产品等。 对于复杂产品丽言，其设计过程中反复用到大量错综复杂的行业知识，这些 行业知识通过产品和技术的不断更新发展，蕴含于产品设计的各个环节，因此， 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 很难建立统一的产品参数化模型。然而，如果能将这些行业知识通过形式化描述 抽象提取出来，显然可以减少设计和建模过程中的大量重复性工作，从而提高效 率，缩短设计周期。另外，行业知识迫切需要形式化的保留下来，并随着技术的 改进、产品的升级而增加和更新，不应该随着人员的交动而消失。 目前参数化系统由于受到设计知识表达能力和设计参数类型的限制，难以全 面表达设计过程中遇到的各种设计知识，因此不能满足复杂产品设计的实际要求。 为了能够将各种设计知识用于设计建模过程中，已有大量的研究工作，如将基于 实例的推理以及专家系统和c a d 系统集成，借助专家系统的知识管理功能和推理 功能，对设计知识进行获取和推理求解，并将推理结果和模型中的尺寸参数关联， 达到设计知识驱动模型设计的目的。然而，由于专家系统的引入要解决知识获取、 知识冲突检测、知识库建立和维护以及专家系统和c a d 系统集成等诸多问题，使 系统的构建和实现变得庞大而复杂，而且据此构造的系统知识求解和建模过程是 分离的，失去了对最终结果的解释。 虽然加入知识融接内容的复杂产品参数化设计应用范围比较广，但就本设计 题目来说，仍然存在以下几个问题： 第一以几何建模为主，将几何形状作为主要设计目标，但产品模型忽略了 建模和计算之间的相互影响； 第二与产品的行业知识分离，虽然提供了一些如方程式、函数等附加约束， 但却是很有限： 第三通用性影响了适用性，在采用复杂产品参数化设计的方法时，必将对 设计系统限制过多的约束，当系统涉及部件较多时，其间会有干涉或 市郊的部分。所以该方法并不适用于造纸机这样的普通设备。 1 3 本课题研究的目的、意义和内容 1 3 1 问题来源 笨重的干燥部是造纸机在投资上最为昂贵的部分。由于高能耗，它的运行费用 也是最贵的，为了降低成本，努力减少烘缸数与减少用汽量是必要的。但是，干 燥作业目前似乎没有受到像其他工序那样多的关注，丧失了很多提高生产率的机 会。 目前，由于造纸机造纸的种类繁多，造纸机所采用的烘干部系统的设备也有 所不同。其中主要不同的机械设备就是烘缸( 个数、直径、幅宽和壁厚) ，所以在 垄苎苎茔塑茔壁垒塞苎二主堡堕 制造诸多类型纸张的同时就需要很多不同的烘缸，在设计这些机械设备时往往都 采用手工的方法进行重复性的工作，例如计算烘缸个数、确定烘缸直径、计算烘 缸强度等等，这样类似的重复劳动和设计对产品的生命周期是十分不利的。 1 3 2 本课题研究的目的和意义 当今世界发达国家的造纸工业，为了强化经济实力，增强竞争地位，其企业结 构正在发生巨大变化。造纸机行业由原先的较具有规模演变成为大规模机械设备， 所以对造纸机设备有一个纵向的，简易的设计将会是一个总体的趋势。造纸机的 设计由总体设计和零部件设计组成，总体设计包括指标参数计算、布置、结构尺 寸确定、评估等步骤；零部件设计所涉及的科学计算、绘图、有限元分析等一系 列数值处理问题，固然可以运用传统的人工计算加以解决，但实际设计中还存在 大量的假设、近似、选择等专家经验性问题，利用传统的方法一一进行计算太过 麻烦，为寻求一条解决上述问题的根本途径，我们选择了研制造纸机设计的专家 系统。 造纸机规模庞大，要研制每一个部件的设计型专家系统不仅复杂，而且没有必 要，但造纸机的设计主要由于辊筒、烘缸等参数和个数的不同，使设计者总是重 复相同的设计工作，为此在设计步骤基本相同而参数不同的情况下，我们设计一 个专门设计辊筒、烘缸、机架的结构尺寸的专家系统。 1 3 3 本课题的主要研究内容 由于我国对造纸设备的研究比较少，而且目前没有任何设计软件，大多采用 手工设计，所以设计的效率比较低。而且，就烘干部来讲，关键部件主要是烘缸、 烘毯缸、导毯缸、机架，也就是说只要对其中的关键部件进行工艺计算生成参数 化模型，然后利用不同的装配方法进行装配，就可以得到一套有效地造纸机烘干 部参数化设计系统了，如图1 3 所示，反映了总设计系统结构建立系统模型，从采 集用户接口数据开始到建立总设计平台，系统利用了机械设计知识建立在u g 软 件和v c + + 软件上，实现了良好的可操作性。 本课题所研究的系统主要能实现以下几个功能： 夺输入已知条件参数，选择、计算并记录其他参数，输出数据文件 夺输出烘干部烘缸的三维模型 夺对三维模型尺寸进行修改 夺输出二维c a d 图 6 东北大学硕士学住论文第一章绪论 豳1 3 烘干部总体设计系统结构 t a b l e1 3g e n e r a ld e s i g ns y s t e mo r g a n i z a t i o no f d r y i n g p a r t - - 东北大学硕士学位论文第二章造纸机烘干部工作原理 第二章造纸机烘干部的工作原理 2 。1 工作原理4 1 5 1 在普通圆网造纸机上，湿纸幅被托辊压贴在高温的烘缸表面上进行干燥( 图 2 1 ) ，可以看作是一个比较单纯的接触干燥过程。 图2 1 多烘缸烘干部的纸幅周期干燥过程的各区段示意图 f i g 2 1t h es e c t i o ns k e t c hm a po f d r y i n gp r o c e s s 在多烘缸造纸机上，湿纸幅的烘干过程是间歇的，是由一系列反复循环的周 期性干燥过程所组成的。在每一个周期里都发生有短暂的升温和蒸发的过程，其 时间只有十分之几到百分之几秒。如图2 1 所示，每一个干燥周期过程内可划分 为四个阶段：在第1 和第区段上，湿纸幅与烘缸表面接触但不被干毯包复； 区段是主要的干燥区域，湿纸幅被干毯紧压在高温和光滑的烘缸面上，迅速加热 和蒸发；第区段是纸幅自由行程段。 湿纸幅进入区段i 时，一部分滞留在纸幅表面附近的空气和水汽随纸幅的运 行被带入到缸面和纸幅之间，造成湿纸幅和缸砸接触不良，甚至有时候在纸幅和 烘缸面之间形成薄的气膜。湿纸副不和缸面接触。在这个区段上的热量传递不良， 区段也较短，一般估计此区段的水分蒸发量不超过总蒸发量的5 - 1 0 。当湿纸幅 进入第h 区段后，干毯的压力把纸幅下的空气层中大部分气体挤出，只留下很薄 的一层气体附着在烘缸表面上。区段可以设想分为两个小的区段。在区段a 上。 东北大学硕士学位论文 第二章造纸机烘干部工作原理 湿纸幅的温度迅速上升，蒸发处的水汽进入干毯或透出干毯排出，蒸发的速度随 着湿纸温度的升高而增加；在区段b 上，蒸发过程达到平衡状态，蒸发速度基本 保持不变。区段i i b 的大小，主要决定于造纸机的车速。在高速的造纸机上，也可 能不存在i i b 区段，因为干燥蒸气的时间太短，湿纸幅的升温过程还来不及达到平 衡状态便进入到区段m 上。在区段上，干毯离开了纸幅，不再妨碍水汽的蒸发 排除，使蒸发速度突然上升，但纸幅很快地进入自由行程区段。在区段上， 水分是依靠纸副中储积的热能蒸发的，因而纸幅温度下降。在区段上，水分的 蒸发是从纸幅的两表面上进行的，可以排除相当数量的水分。在高速造纸机上它 可以达到总蒸发水量的2 0 - - 3 0 。此后，湿纸幅进入另一个烘缸，开始一个新的干 燥周期，不同之处是水分降低主要是从纸幅的另一个表面上蒸发和排除的。 湿纸幅在造纸机的干燥过程是一个较复杂的过程，对其机理的研究还不是十 分成熟。为了有助于对它的了解，下面介绍较为简单的两个过程：纸幅的对流干 燥过程和纸幅的接触干燥过程。 2 1 1 物料的对流干燥 对流干燥( 气流干燥) 是用空气或烟道气作为热的载体并直接和物料接触进 行干燥的过程。在纤维和纸的干燥中，很少应用单纯的对流干燥方法，但对流干 燥的理论适用于纸幅干燥这一复杂过程中的某些现象，例如多烘缸干燥过程中纸 幅自由行程区间上的蒸汽现象，大烘缸的高速热风干燥过程等。 纯粹的对流干燥是不适合在纸幅干燥过程中使用的，这主要是因为纸幅在对 流干燥过程中不能保持其平直。此外，纸幅在对流干燥中的效率较低，其热流密 度远小于接触干燥。据资料介绍，后者的热流密度约为前者的1 3 倍。 2 1 2 纸幅的接触干燥过程 纸幅的接触干燥是将纸幅紧贴在被加热的烘缸表面上进行干燥的，在造纸机 上，由于纸幅干燥的周期性和多相性，对纸幅的接触干燥机理的研究仍然是不够 充分的。 纸幅接触干燥过程中最主要的因素是加热表面的温度和纸幅厚度。一般加热 表面温度低于8 0 c 时，各种厚度纸幅的干燥速度是逐渐地相互接近的；在8 0 , , - 1 0 0 的范围内，曲线有向下凸出的形状逐渐变成为向上凸出；当干燥温度高于1 0 0 时，所有曲线都逐渐变为直线，并且较薄的纸幅有较高的干燥速度。上述干燥 曲线的特点可以用纸幅中水分传递机理来解释。在较低的干燥温度下，湿纸幅中 水分的移动主要是通过扩散实现的( 和对流干燥中物料内水分扩散的情况相同) ， 并且主要是以水汽的形式扩散的，只有部分是以液体水分形式扩散。随着干燥温 东北大学硕士学位论文 第二幸造纸机烘干部工作原理 度增高，纸幅中水汽的移动开始借助于水汽的压力梯度来实现。当加热表面的温 度超过l o o c 以后，纸幅中水汽的压力梯度成为水分在纸幅内向表面移动的主要推 动力。 2 1 3 影响干燥能力的因素1 影响干燥能力的因素很多，例如烘缸直径，干毯张力，换气用空气的性质， 换气用空气的速度，烘缸袋内湿纸页自由运行的长度，纸机抄速，千毯的种类， 蒸汽压力，烘缸的设计布置等。 2 2 干燥能力的计算及影响因素和典型数据 2 2 1 干燥部单位成品纸的蒸发水量 1 单位成品纸蒸发水量的计算 ( 1 ) 纸张水分的表示方法及换算关系 每公斤绝干成品纸蒸发量： x ( 或y ) = 娶 i ) 式中w _ j 戏品纸中水的质量，k g s 一绝干成品纸的质量，k g 水分( 干基) ： i w x l o o 水分( f i l i 基) ： m ，或膨，= 丽w 1 0 0 固体物： 只或弓= 矿1 0 0 换算关系：m 。= 1 0 0 一只 ( 2 ) 单位成品纸蒸发水量的计算 a 计算公式 町= m w 一- 帆m r l 0 0 = 每吨 j m 。气 = 警圳。 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 东北大学硕士学位论文 第二章造纸机烘干部工作原理 式中 吖。一纸页进入干燥部时水分， m ，一纸页离开干燥部时水分，；等于成品纸水分， 只一纸页进入干燥部时绝千固体物， 只一纸页离开干燥部时绝干固体物， 矾一每公斤绝干固体物蒸发的水量，k g k g 肌一每公斤成品纸蒸发的水的水量，k g k g b 计算图表 计算每公斤成品纸蒸发的水分，可参考图2 2 这里计算用的成品纸的水分，即卷纸机处纸的水分，相当于纸页离开干燥部 时的水分。干燥部包括冷缸或压光机。 图2 2 每公斤成品纸与每公斤绝千固体物蒸发水分计算图 f i g 2 2v a p o r i n g , r a t e rc a l c u l a t i o nm a p 2 。2 2 烘干部有效干燥面积的计算 根据h 只艾德林资料b 1 鉴于多烘缸纸幅干燥过程的复杂性，造纸机所需的有效干燥面积f 是用单位 东北大学硕士学位论文 第二章造纸机烘干部工作原理 指标法进行计算，即 f ：堕( m ：) m ( 2 - 8 ) = 三邑= 三：h k g ( 水) k g ( 风干纸) ( 2 9 ) l h g = 0 0 6 b v g ( k g h ) ( 2 - 1 0 ) 式中卜干燥部烘缸有效干燥面积 g 一纸机的小时产量，k g h 卜毛纸幅宽，m v 一纸机抄速，m m i n w 一1 公斤纸蒸发的水量， k g ( 水) k g ( 风干纸) c f 一纸页进入干燥部的含水量， c 广- 纸页离开干燥部的含水量， t t r 烘干部单位有效干燥面积与小时的平均蒸发水量，采用相同类型造 纸机的实际测定数值( 公斤水米2 书小时) 在一般多烘缸长网造纸机上，烘干 部的单位面积蒸发水量为l1 - 2 0 公斤水米2 半小时。但在烘缸造纸机上，由于 纸幅和烘缸面接触良好，并常常采用较高的干燥温度，m 值可以达到4 0 6 0 公 斤水米2 半小时。如果，单烘缸的烘干部上再装置高速热风气罩，1 b 值可以达 1 0 0 公斤水米2 术小时或更多一些的数值( 如表2 - 2 ) 。 表2 1 几种典型纸张单位面积蒸发水量 t a b l e2 1w a t e rv a p o r i z ep e r8 r e af o rs e v e r a lk i n d so fp a p e r 单位：k g 水h * m 2 ( 有效面积) 电容器纸 防油纸 印刷纸和n o 1 书写纸 印刷纸和n o 2n 0 3 书写纸 新闻纸 水泥袋纸 2 5 8 9 - 1 0 1 3 - 1 4 1 5 一1 8 2 0 2 4 1 6 一1 9 每一个烘缸的有效干燥面积计算，即 e = 栅蠡( 2 ) 式中f f 一每一个烘缸的有效干燥面积，m 2 ( 2 - i 1 ) 东北太学硕士学位论文 第二章造纸机烘干部工作原理 d 烘缸直径，m b 纸幅宽度，i l l 口纸页包围烘缸的角度， 若烘缸直径为1 5 0 0 m ，则平均口= 2 3 0 2 4 0 。即烘缸有效面积烘缸全部侧表面 = 0 6 4 0 6 7 。 已知要求的有效干燥面积后，就可以估算烘干部的烘缸个数，即 疗：= f ：堕：w - o 0 6 v g - 3 6 0 ( 个) ( 2 1 2 ) 只 m f m z d a 表2 2 几种典型纸张烘缸单位面积蒸发水量经验计算式 t a b l e2 2w a t e rv a p o r i z ep e ra r e af o m u l af o rs e v e r a lk i n d so fp a p e r 编号纸种类m 经验计算式 1 牛皮纸 m = o 0 3 0 0 t 一5 2 6 2 薄纸 m = 0 0 2 0 5 t 一3 1 5 3 半透明玻璃纸 m = 0 0 3 4 0 t 一6 2 6 4 书写纸m = o 0 8 2 0 t 一17 8 5 厚纸、纸板 m = 0 0 1 4 7 t 一1 5 l 6 新闻纸 m = o 0 3 0 0 t 一4 8 2 7 纸浆 m = o 0 1 4 7 t - 2 1 3 注：m 烘缸单位面积单位时间蒸发水量，i b ( h * f t 2 ) t 蒸汽温度，。f 2 3 造纸机烘缸的典型结构及系统中的参数化建模 2 3 1 烘缸装配件的模板 ( 1 ) 铸铁烘缸 造纸机械中使用的烘缸通常为铸铁烘缸，其材质为h t l 5 0 - h t 3 0 0 的灰口铸铁。 灰口铸铁流动性较好，收缩也较小，适宜于烘缸铸造成形。灰口铸铁还具有吸震、 缺口敏感性小，价格便宜等优点，广泛用于纸机烘缸。但灰口铸铁的机械性能较 差，特别是抗拉强度低和塑性差。 ( 2 ) 碳索结构钢烘缸 优质碳素结构钢具有强度高、塑性好、易于焊接等优点，广泛使用于受压容 器。采用优质碳素结构钢制造的烘缸，壁厚可大大降低整体质量不到铸铁烘缸 东北大学硕士学位论文 第二章造纸机烘干部工作原理 的一半，制造成本可降低1 2 甚至2 3 。由于烘缸质量小，减少了传动负荷，降 低了能耗。钢制烘缸主要不足之处，是缸面硬度低于铸铁烘缸，耐磨性也较差， 而且由于碳钢晶粒致密，纸幅不易剥离，加工表面遇水也易生锈。这些因素制约 着钢制烘缸的使用和发展。然而，随着金属表面处理技术的提高碳钢缸体表面 经加工后，镀铬或镍磷合金，可大大改善其表面性能，表面硬度可达h v 4 3 5 以上( 相 当于h b 4 2 4 ) ，解决了表面腐蚀、生锈问题，耐磨性也有较大提高。经表面处理的 钢制烘缸已在板纸机中得到运用。 烘缸通常结构形式( 如图2 3 为烘缸得u g 模型) 由缸体( 柱简简体) 、缸盖( 较 多为无折边球形封头) 、轴头、人孔( 或手孔) 等部件组成。 图2 3 烘缸装配件 f i g 2 3t h ea s s e m b l i e so fd r y i n gv a t 缸体和缸盖材料可选用q 2 3 5 - b 、q 2 3 5 - c 等压力容器用钢。轴头尺寸主要根据 轴承结构尺寸和传动要求而定，材料可选用2 0 钢管或z g 2 0 0 4 0 0 、z g 2 3 0 4 5 0 铸 钢。缸盖结构也可采用类似铸铁烘缸的型式，由铸钢浇铸而成。 如图2 4 所示，烘缸装配体生成的工程图，在图的右下侧会自动生成零件明 细表，目前烘缸的装配体仅有5 个零件，详细如表2 3 。当添加上其它标准件及非 标准小零件时，装配工程图会更有使用价值。有利于设计者，在计算工艺参数之 后的设计，很快找到不合理之处。当设计者检查无误时，然后再对各个零件进行 部分尺寸设计，这样就有效地缩短了设计周期。 1 4 图2 4 烘缸装配件的工程图 f i g 2 4t h ed r a w i n go f a s s e m b l yd r y i n g v a t 表2 3 烘缸部分零件 t a b l e2 3t h ep a r to f d r y i n gv a t n o 名称材科数量 1 缸体 n _ 2 5 0 4 7 01 2 传动侧缸盖 r r 2 0 0 - 4 0 0 1 3 操作侧缸盖 l 玎r 2 0 0 - 4 0 01 4 保温板 2 2 3 2 烘缸中各零件的模板 烘缸是一个受压容器。因为其壁厚远小于直径，缸体中的应力可按内压薄壁 容器进行核算。其强度条件为： ：百pdcrl s【盯】(2-13) 2 西s m 式中仉轴向应力( 公斤厘米2 ) p 烘缸的工作压力( 公斤厘米2 ) d 缸体内径( 厘米) 东北大学硕士学位论文 第二章造纸机烘干部工作原理 s 一缸壁厚度( 厘米) 由此得到烘缸的壁厚为： s 丝( 2 一1 4 ) 2 p 】 实际生产中，根据铸造和加工的条件，直径1 5 0 0 毫米的烘缸最小的合理壁厚 是2 0 毫米左右( 对于幅宽不超过2 5 0 0 毫米时才能做到) 。 一般设计直径1 5 0 0 毫米钢制烘缸，采用有限元求取缸体变形曲线及烘缸整体 应力分布。该烘缸外径1 5 0 0 r n m ，缸体采用q 2 3 5 一b 材料，壁厚2 4 毫米，缸盖为无 折边球形封头，材料和厚度与缸体一样。 所以，通过上面经验值，得出以主要驱动尺寸烘缸直径d 和烘缸宽度b 驱动 的三维模型。烘缸传动侧缸盖( 即封头) 的建模过程就是利用总驱动尺寸烘缸直 径d 及烘缸半径r 为基准的。烘缸直径d 范围为从1 0 0 0 - 3 0 0 0 毫米，是利用了烘 缸的主要制造尺寸，通过保证封头的壁厚为4 5 毫米。 如图2 5 所示为参数化建模过程中，驱动侧缸盖中的一个草图。我们可以看 到该草图中，主要驱动尺寸是烘缸直径d ，封头结构中的圆弧半径p 6 和p 7 都是由 烘缸直径来驱动；图中所示r 为烘缸的半径，利用烘缸的半径来驱动的表达式，例 如： r = d 2( 烘缸半径) p o = r 一3 2 5 ( 缸盖外圆的最大半径) p 1 2 = r l o + 1 0 0( 缸盖驱动轴内侧半径) 这些尺寸都是随着烘缸直径的变化而变化的。当烘缸直径在1 0 0 0 3 0 0 0 m m 的范 围内变化时，其他尺寸也会在各自的范围内变化，而且每条曲线之间都有几何约 束，所以随着驱动尺寸的变化，会生成一系列的相似的零件模型。在进行草图约 束时要注意尺寸约束和几何约束，前者约束草图的尺寸，后者约束草图的几何尺 寸之间的关系。在施加约束时应在观察自由度符号的同时，交替进行几何约束和 尺寸约束。 但是在这张草图中，位置特别重要的尺寸就是p 7 - - 一4 5 ，而且该尺寸始终保持不 变，其他尺寸所限定的约束，都是为了该尺寸保持定值。因为尺寸p 7 是指烘缸缸 盖的壁厚，在机械设计时，要保证烘缸的极限强度，尽量避免压溃、疲劳破坏。 但是在这里由于没有烘缸工作压力的实际数据，也没有其他附机的实测数据，所 以要尽量保证所有在指定范围内的烘缸都能选用该值，即保证烘缸直径等于 3 0 0 0 m m 时的最大壁厚。当然该值，也可在日后的工作中，在4 2 3 章中介绍的用户 1 6 壅韭垄堂塑主堂焦熊叁苎三主堡垫垫鳖塑兰堡墨墨 参数编辑其中修改，也可以定制参数化。 图2 5 零件传动侧缸盖的草图 f i e f 2 5t h es k e t c ho f d r i v e nc o v e 烘缸的参数化设计零件模板中，类似这种草图有很多张，他们主要通过改变 驱动尺寸烘缸直径d 和纸幅宽度b 来进行驱动。利用对草图曲线施加约束( 尺寸约束 和几何约束) 和定位，从而精确地控制它们的尺寸、形状和位置，以满足设计要求。 而由草图经过拉伸、旋转等操作生成的三维实体模型是与草图相关的，修改草图 时，关联的实体模型会自动改变。所以，草图中大部分可变尺寸都是通过烘缸直 径d 的改变而改变的，而这些实际改变僮则是通过设计要求或是专家经验得来的， 系统在此仅仅作了一些尝试性的设定，用户可以通过系统零件模板中的用户界面 编辑器，修改尺寸公式进行设定，在4 2 2 章会有详细介绍。 第三章u g 参数化建模 u g 是u n i g r a p h i e ss o l u t i o n s 公司推出的集c a d c a f 巨c a m 为一体的全三维参 数化机械设计平台，也是当今世界广泛应用的计算机辅助设计、分析和制造软件 之一，广泛应用于航天、航空、汽车和造船等领域。 3 1u g 参数化设计概述 3 1 1 参数化设计步骤 u g 除了提供方便而强大的参数化建模方法外，还提供了可以提取特征参数的 数据表格，通过数据表格可以生成零件库，进行参数化设计的基本步骤如下： ( 1 ) 根据图纸和自由变化参数表确定建模方法。 ( 2 ) 创建参数化模型。 ( 3 ) 设置参数之间的关系，也可在创建模型里设置。 ( 4 ) 提取自由变化参数。 ( 5 ) 创建零件库，输入零件系列数据，创建零件模型。 ( 6 ) 调入生成的模型，检查模型创建是否有误。 3 1 2 参数化实体模型的建立 设计一个复杂的参数化零件，必须要对零件进行分析，确定该零件的各个特 征、参数及其它们之间的关系。各个特征主要根据装配约束关系与非装配约束关 系确定，将零件的特征分为两大类，第一类是反映该零件与其它零件装配约束关 系：第二类是反映零件自身结构形状。在这两类特征中又可以根据特征参数之间的 关系，将参数分为三类 ( 1 ) 主参数，决定零件装配约束或形状结构的参数。参数之间是相互独立， 由设计者或者应用程序计算确定。 ( 2 ) 次参数，其值由主参数决定。主参数确定以后，根据参数关系表达式确 定次参数。这类参数是不能人工进行改变的。 ( 3 ) 常数，这类参数是计算公式中要用到的一些常数，将它们作为一种固定 参数表达式列出。这种参数关系如图3 1 所示，清晰明确，参数的变化只局限于 零件的相应部分，变动范围小。 - l l - 东北大学硕士学位论文 第三章u 0 参数化建模 图3 1 零件参数关系 f i g 3 1t h ep a r a m e t e rr e l a t i o n s h i po f p a r t 对于具体的零件，在自行开发的应用程序界面上输入主参数和常数。用户通 过输入主参数确定零件的大小。为了避免人工向零件模板输入尺寸值，应用程序 最后要对各参数值进行处理，实现与u g 软件的数据交换，就可以自动生成符合要 求的零件实体。过程如下： ( 1 ) 输入所需零件的尺寸数据，以及计算方法，在v c 环境下将u g o p e na p i 程序编译连接生成 d l l 文件； ( 2 ) 打开设计零件的应用程序，在应用程序中输入主参数，生成数据文件， 并且在应用程序中调入用u g 软件生成的参数化零件模板； ( 3 ) 在u g 环境下执行 d l l 文件，生成符合尺寸要求的零件并将其保存； ( 4 ) 在u g 环境下，对已生成零件的模板文件，进行合理的尺寸修改。 3 1 。3u g 零件建库 零件建库是参数化设计十分重要的部分。u g 建零件库的方法重点并非是数据 库的设计与开发，而是如何将库的参数信息在u g 的模板零件中得到调用，并使零 件依此而更新，达到参数化设计的效果。喊供了许多可供用户建零件库的工具 以及二次开发工具，近两年这些工具的功能发生了一些变化。 1 使用电子表格方法建立零件族 电子表格法是运用u g 的p a r tf a m i l i e s 中的电子表格功能( 不是直接的s p e e d 查些查堂堡芏堡垒查 釜兰主竖查墼垡燮 一s h e e t ，因后者不能建立零件库，只能建立主零件模型的参数信息) 。具体建立方 法会在后续的章节中详细地阐述。 电子表格法的优点在于提供了一个用实体格式定义的标准件库系统，创建直 观容易，可以根据用户要求以多种方式调用零件或零件特征。是建立u g 标准件库 系统的通用方法，目前使用较多。电子表格法缺点是数据库存在于主模板零件 ( t e m p l a t ep a r t ) 的p r t 文件中，不利于数据库的单独管理与设计；能存储的参数 的种类有限，故参数化的驱动一般仅限于尺寸驱动、材料选择等，对于几何驱动 及变参数的零件库不如u d f 。 2 用户自定义特征法u b f 用户自定义特征是u g 实现参数化快速设计的一个重要模块。用户自定义特征 法的优点是创建零件库