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z q s 8 型实验纸机的虚拟设计与制造 摘要 2 0 世纪9 0 年代以来，因为激烈的市场竞争，人们对产品研制开发的 时间和更新换代速度提出了越来越高的要求。运用新的设计制造技术来满足 市场需求已是大势所趋，采用虚拟设计制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 缩 短产品的研制时间在设计制造领域应用地比较广泛。 虚拟设计制造是虚拟现实设计和计算机仿真技术在制造领域的综合发 展及应用，是敏捷制造的关键技术之一。它通过计算机技术构造一个虚拟的 然而是逼真的设计制造环境，实现从设计技术( 如制图、有限元分析、原型制 作等) ，到制造技术( 如工艺计划、加工控制等) ，乃至车间布局、车间调度 以及服务培训等各个方面的模拟和仿真。利用v m 技术不仅可以减少新产 品开发的投资，而且可以大大缩短产品开发周期，从而对难以预测、持续变 化的市场需求作出快速响应。 本文以z q s 8 型试验纸机为例，借助p r o e 实现从纸机的三维模型的 建立到装配，用a n s y s 、c o s m o s w - o r k s 等分析软件完成关键部件的有限 元分析。 z q s 8 实验纸机是实验室用来演示，模拟纸张抄、造过程，检验纸浆抄、 造工艺性等的专用设备。z q s 8 实验纸机属于圆网纸机，纸浆由流浆箱流入网 槽，附在网笼上，随着毛毯的运动被带到压榨部，压辊及真空箱对其进行干燥， 然后人工引纸使其进入干燥部，烘缸及干毯对其进行进一步干燥，随后经施胶 部施胶，压光部压光后在卷取部卷成纸卷，从而完成纸张的生产过程。 计算机建模技术将机械设计的参数化应用于实验纸机的设计与研究， 以提高纸机产品的质量，加快纸机的更新换代。在传统机械设计的基础上， 使用功能强大的p r o e 工程建模软件建立实验纸机的实体模型，使设计者在 制造样机之前，及时发现设计过程中潜在的缺陷，为下一步的设计提供良好的 条件。 本文的小过桥齿轮为例利用s o l i 删r k s 软件进行渐开线直齿轮的精确 建模，实现了正确的啮合装配，对模型定义边界条件和加载转矩，在 c o s m o s w o r k s 环境下对齿轮进行接触性能分析，给出了啮合时轮齿的接触 状态、接触应力分布情况，并与理论计算结果对比，证明了运用有限元方法 解决齿轮接触性能分析的可靠性和精确性。 关键字：虚拟设计制造，p r o e ，a n s y s ，c o s m o s w o r k s ，有限元 i i z q s 8e x p e r i m e n t a lv i r t u a lm a c h i n ed e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g a b s t r a c t s i n c et h e19 9 0 s , b e c a u s eo ft h ef i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n ，t h et i m eo ft h e p r o d u c tr e s e a r c ha n dt h ec y c l eo ft h eg e n e r a t i o nh a v ei m p r o v e dv e r ym u c h i ti s t e n d e n c yt ou s en e wm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yt om e e tt h em a r k e tn e e d s i nt h e f i e l do ft h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，u s i n gv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gs h r i n k st h e t i m eo ft h ep r o d u c tr e s e a r c h v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gi so n ek e yt e c h n o l o g yo ft h ec e l e r i t ym a n u f a c t u r e ，i t i st h ec o l l i g a t i o nd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fd u m m yp r a x i sd e s i g na n d c o m p u t e re m l u a t o rt e c h n o l o g yi nm a n u f a c t m ef i e l d i tc o n s t r u c t sad u m m yb u tl i f e l i k ec o n d i t i o no fd e s i g na n dm a n u f a c t u r eb y c o m p u t e rt oc a r r yo u tt h es i m u l a t i o na n de m l u a t o ro fe a c ha s p e c tf r o md e s i g nt o m a n u f a c t u r e i tc a nn o to n l yr e d u c et h ei n v e s t m e n to fn e wp r o d u c te x p l o i t a t i o n b u ta l s os h o r t e ni t c y c l eb yv mt e c h n o l o g y ，s ow ec a nd e v i s es p e e d i n e s s r e s p o n s et ov a r i a t i o n a la g o r a e t h i sa r t i c l eg i v e sa ne x a m p l eb yz q s 8e x p e r i m e n t a lp a p e rm a c h i n e ，c a r r i e s o u ti t sf o u n d a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a ls c u l p ta n dm o v e m e n te m l u a t o rb yp r o e ， a c h i e v e si t sf e a a n a l y s i so fk e yp a r t sb ya n s y s 、c o s m o s w o r k s ，s i m u l a t e s i t sd u m m ym a c h i n i n go fk e yc o m p o n e n tb ym a s t e rc a m z q s 8e x p e r i m e n t a lp a p e rm a c h i n ei sas p e c i a l i z e de q u i p m e n tw h i c hi su s e d t od e m o n s t r a t et h el a b o r a t o r yt os i m u l a t et h ep a p e rc o p y i n g ，p r o c e s s i n g ，t e s t i n g p u l pc o p y ，m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y z q s 8e x p e r i m e n t a lp a p e rm a c h i n ei s r o t a r ys c r e e np a p e rm a c h i n e ，p u l pf r o mt h e h e a d b o xf l o wn e t w o r kc h u t e s a t t a c h e dt ot h en e tc a g e ，w i t hb l a n k e t st a k e nt ot h ep r e s ss e c t i o n ，t h ep r e s s u r er o l l a n di t sb o xv a c u u md r y i n g ，t h e na r t i f i c i a l l yt r a c t si ti n t ot h ed r y i n gs e c t i o n ，d r y e r a n d d r yb l a n k e t sc a l t yo u tf u r t h e rd r y i n g ，f o l l o w e db y t h es i z i n gs e c t i o n ，c o i l i n g s e c t i o na f t e rt h ec a l e n d a r i n gs e c t i o nc o i l i n gi n t or o l l so fp a p e r ，t h u sc o m p l e t i n g t h ep a p e rp r o d u c t i o np r o c e s s c o m p u t e rm o d e l i n gu s e sm e c h a n i c a ld e s i g np a r a m e t e r so ft h ee x p e r i m e n t a l i i i p a p e rm a c h i n ei nt h ed e s i g na n dr e s e a r c h ，i no r d e rt oi m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y a n di n c r e a s et h ep a p e rm a c h i n eu p d a t e s b a s e do nt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l d e s i g n ，u s et h ep o w e r f u lp r o | e n g i n e e r i n gm o d e l i n gs o f t w a r et oe s t a b l i s ht h e e n t i t y m o d e lo fe x p e r i m e n t a l p a p e rm a c h i n e ，e n a b l ed e s i g n e r s t oc r e a t e p r o t o t y p e sb e f o r et h ed e s i g np r o c e s si nat i m e l yf o u n dp o t e n t i a ld e f e c t s ，o f f e r g o o dc o n d i t i o n sf o rt h en e x tp h a s eo fd e s i g n ，n l i sa r t i c l eg i v e sa ne x a m p l eb ys m a l lb r i d g eg e a r , 1 1 1 ep r e c i s em o d e l so f s p u rg e a r sw e r eb u i l ta n da s s e m b l e dc o r r e c t l yi ns o l i d w o r k s w i t ht h eb o r d e r c o n d i t i o na n dl o a d e dm o m e n td e f i n e d ，t h ec o n t a c tc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sw a s d o n eu n d e rt h ec o s m o s w b r k se n v i r o n m e n t t h er e s u l to fc o n t a c tc o n d i t i o n a n dy o nr n i s e sc o n t a c ts t r e s sw e r ep l o t t e d ，w h i c hw e r ec o m p a r e dt ot h e t h e o r e t i c a lr e s u l ta n dp r o v e dt h ed e p e n d a b i l i t ya n da c c u r a c yo ff e am e t h o d k e yw o r d s ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，p r o e ，a n s y s ，c o s m o s w o r k s ，f e a i v z q s 8 型实验纸机的虚拟设计与制造 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：之犯 日 期：兰丛泣圭且 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学 位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蛐师签名扭日 z q s 8 型实验纸机的虚拟设计与制造 1 绪论 1 1 虚拟设计制造简介 随着科学技术的飞速发展和顾客需求的日益多样化，制造业面临全球范围的激烈竞 争，竞争的焦点在于如何更好更快地响应市场的需求，它可以概括为产品上市快( t t i m e ) 、质量好( q 一一q u a l i t y ) 、成本低( c 一一c o s t ) 和服务好( s - 一s e r v i c e ) 等四项指标。一 个产品从概念设计到投放市场，一般需经过以下五步( 称为产品的生命周期) ：概念设计、 详细设计( 包括与产品制造相关的工艺设计) 、加工制造( 包括装配) 、测试、培训和维护( 即 售后服务) 。为了达到t 、q 、c 、s 这四项指标，在制造业广泛采用了先进制造技术， 如：计算机辅助分析与设计、数控加工、自动化立体仓库、自动导引运输设备、制造资 源规划与管理、柔性制造及机器人装配等，它们或用于产品设计，或用于产品加工制造， 或用于生产计划的制定，而唯有计算机仿真技术以及更高层次的虚拟制造技术则在整个 生命周期中都获得了应用【l 删。 v r 技术是计算机技术、传感技术、人机接口技术和人工智能技术等多种高新技术 的结晶。作为它在制造领域的应用而出现的v m 技术，对科技界和企业界都有巨大的吸 引力和挑战性。随着计算机技术、微电子技术和信息技术的发展，虚拟制造技术将成为 探索新的制造技术和新的生产模式的重要支撑技术，发挥它愈来愈重要的作用。 虚拟设计制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v l v l ) 是虚拟现实设计和计算机仿真技术在制 造领域的综合发展及应用，是敏捷制造的关键技术之一。它通过计算机技术构造一个虚 拟的然而是逼真的制造环境，并在此环境中集成表1 中所有或大部分功能，实现从技术 ( 如制图、有限元分析、原型制作等) ，到制造技术( 如工艺计划、加工控制等，乃至车间 布局、车间调度以及服务培训等各个方面的模拟和仿真。依据敏捷制造的哲理，v m 能 把许多现有的和未来的制造技术全部集成在一起，可以并行地模拟产品整个生命周中的 所有功能。利用v m 技术不仅可以减少新产品开发的投资，而且可以大大缩短产品开发 周期，从而对难以预测、持续变化的市场需求作出快速响应【w 】。 1 1 1 虚拟制造系统的特征 虚拟制造系统不消耗资源和能量，也不生产产品，而只是模拟产品的设计、开发与 实现过程，它具有以下特征： ( 1 ) 功能一致性即虚拟制造系统的功能与相应现实制造系统功能一致，忠实地 反映制造过程本身的动态特性； ( 2 ) 结构相似性虚拟制造系统与现实系统在结构上是相似的； ( 3 ) 组织的灵活性虚拟制造系统是面向未来制造系统的，是面向市场、面向用 陕西科技大学硕士论文 户需求的，其组织与实现应具非常高的灵活性； ( 4 ) 集成化虚拟制造系统涉及的技术与工具很多，应综合运用系统工程、知识工 程、人机工程等多学科先进技术，实现信息集成、智能集成、串并行工作机制集成和人 机集成； ( 5 ) 智能化它着重实现虚拟环境下分布并行处理的智能协同求解和系统的全局 最优决策。 1 1 2 虚拟制造系统的分类 虚拟制造系统可分为以下几类： ( 1 ) 以设计为中心的v m ( 简称d v m ) 提供设计工程师设计产品的设计工具和环 境，如面向制造的设计( d f m ) ，面向装配的设计( d f a ) 等并行式设计工具； ( 2 ) 以制造为中心的v m ( 简称m v m ) 为工艺工程师提供虚拟的制造车间现场环 境和设备，使之可以分析、改进生产计划和生产工艺，验证n c 程序及物流控制； ( 3 ) 以控制为中心的v m ( 简称c v m ) 它提供从设计到制造一体化的虚拟环境，允 许评价产品的设计、生产计划和控制策略，并提供在模拟的控制过程中改进它们的手段。 综上所述，v m 提供了可将相互独立的制造技术集成在一起的虚拟环境，这一环境小到虚 拟的现代化加工设备，大到虚拟的现代化生产车间，甚至于虚拟的现代化工厂。在这个环 境中，工艺工程师或制造工程师通过观察零件在虚拟设备和车间的加工过程，在设计的 构思阶段就及时地将对设计的评价反馈给设计工程师，同时也设计出更加合理的工艺过 程，获得更科学的生产调度计划和管理的数据。从而大大减少新产品开发的投资，缩短 开发周期，提高设计和制造的质量，按照敏捷制造的要求，快速响应市场需求。 1 1 3 建立所需的技术 v m 是一项新兴的高新技术，还远没有达到成熟，为使v m 真正走向实用，以下 几个领域需要进一步研究开发：与软件有关技术包括：( 1 ) 可视化技术，即以一种易理解 的、有意义的虚拟方式向用户显示不同信息；( 2 ) 环境构造技术，开发象通用操作系统 那样的工作环境，以便方便视觉和其他v m 功能；( 3 ) 信息表达技术，可采用不同的方 法、不同的语义或语法表达不同的信息；( 4 ) 超越模型技术，即定义、开发和建立位于 模型交互基础之上的模型；( 5 ) 集成子结构，即建立硬件和软件子结构；( 6 ) 仿真技术， 它是在计算机里设计制作模拟真实系统的过程；( 7 ) 方法论，找出建立v m 系统的系统 化方法；( 8 ) 制造的特征化，获取、测量和分析影响制造过程中材料去除的变量；( 9 ) v m 系统的实施、测量和检验技术；( 1 0 ) 在v m 环境下的人机、人人等关于人机工程学 方面的评价和优化技术。与硬件有关技术包括：( 1 ) 输入及输出设备，如头盔式立体显 示器( h m d ) 、眼动跟踪装置、三维鼠标器、数据手套、数据服、触摸板，虚拟音响设备 等；( 2 ) 存、取与输入及输出有关的信息且能交互到计算机系统的设备；( 3 ) 能支持各种 z q s 8 型实验纸机的虚拟设计与制造 设备、数据存储和高速运算的计算机系统，该系统应具有按用户需求，实时提供高质量 逼真画面的能力；( 4 ) 网络体系结构设备和不同站点的硬件设备( 如小型机、图形工作站， p c 机等) 。以上技术仍处于发展完善之中，相比之下，软件的发展滞后于硬件。 1 2 国内外研究动态和水平 虽然v m 还远未达到成熟，但国外已有一些成功的应用，展示出十分诱人的前景。 下面仅简单介绍几个例子： ( 1 ) 虚拟飞机设计维护系统例如美国b o e i n g 飞机公司设计的一架vs - x 虚拟 飞机，它可用头盔式显示器和数据手套来进行观察与控制，当手指指向飞机时就可以看 到跑道上的飞机起飞；手指向下，飞机便停下来。通过其它手势，还可以进入座舱，起 动发动机，进行飞行试验或者打开应急门。这种虚拟飞机可以让设计人员身临其境似地 观察飞机设计的结果，并对其外形、内部结构及使用性能进行考察。 ( 2 ) 虚拟厨房设备制造系统例如日本m a t s u s h i t a 公司于1 9 9 4 年开发的基于虚拟空 间支持工具的快速响应用户和市场需求的厨房设备生产系统。该系统允许消费者在购买 商品之前，在此虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能，按自己的喜好评价、选择和重 新组合这些设备。他们的选择将被存储并通过网络发送到生产部门。 ( 3 ) 虚拟原型制作系统例如美国c o v e n t r ys c h o o lo f a r ta n dd e s i g n 开发的虚拟原型 制作系统，该系统会在设计的初始阶段在计算机里构造虚拟原型，允许设计者对这一虚 拟原型进行评价。如对汽车的虚拟原型，设计者可以走入这一虚拟原型，测试它在虚拟 公路上的行驶性能，坐在驾驶座上的感觉，视野是否开阔等等。这一v m 方法大大缩短 了从设计到制造的时间周期。此外，美国j o h nd e e r e 公司开发的虚拟弧焊设备安装系统，l a d j a r a 介绍的考察在复杂地面推土机履带平衡及运动效果的虚拟工作系统，机器人训练 学习系统等都是很有代表性的v m 系统 s - - 屹】。 1 3 课题研究的主要内容 本课题以z q s 8 型试验纸机为例，借助p r o e 实现从纸机的三维模型的建立到装配， 用a n s y s 等分析软件完成关键部件的有限元分析。 具体流程如下： ( 1 ) 首先完成各部位的计算过程，然后借助于p r o e 完成各部位的三维建模。 ( 2 ) 完成整机装配。 ( 3 ) 对主要传动构件完成有限元分析。 3 陕西科技大学硕士论文 2z q s 8 型纸机的计算、三维造型及装配 2 1 造纸机简介 2 1 1 造纸机的发展史 造纸术是我国劳动人民的创造。东汉时( 公元2 世纪初) 蔡伦总结整理了前人的经 验，发明了一套比较完整的手工抄纸术，为人类文明的发展作出了伟大的贡献。手工抄 纸术目前仍用于抄制高级的特种纸。 现代的机器造纸术是1 7 实际以来在西方各国发展起来的。1 7 9 9 年法国的罗贝尔特 发明了连续抄纸的机器，是由一条张紧在两个辊子之间的无端网带及一些附件所组成。 经脱水，压榨后的湿纸幅由卷纸辊卷起来。从卷纸辊退出的湿纸幅再经过若干压榨辊挤 压去水分后，挂起来干燥成纸页。 1 8 0 3 年，法国人达都和英国机师唐金完成了对罗贝尔特发明技术的改进，制成了世 界第一台工业生产用的造纸机，人们称为唐金纸机。唐金纸机已接近于现代纸机的工作 原理。保持搅拌状态的纸浆从浆槽型流浆箱通过斜槽流到无端网部上和定边装置之间。 湿纸页如罗贝尔特纸机那样通过挤水辊之间，由于唐金纸机具有移动的上毛毯，结构就 更为合理。该毛毯也改善了纸浆的稳定性。湿纸幅又向前行经压榨辊，最后卷绕在纸辊 上。 一 1 9 0 8 年，英国纸商福尔德黎尔兄弟购买了上述所有发明的权益，成为现存唯一成功 的抄纸机器专利的唯一法人。所以可以说，造纸机是由罗贝尔特发明，达都和唐金改进 设计的，而由福尔德黎尔兄弟所投资。 1 8 0 7 年，美国人金赛提出了圆网造纸机的专利，1 8 1 7 年第一台圆网造纸机在美国运 行投产。 1 8 1 6 年在造纸机上设置了烘缸，走出了湿抄纸的范围而达到在机上烘干制成纸幅成 品的目的。1 8 2 6 年，长网纸机应用了真空泵，在网下形成真空，由于真空脱水而在网上 形成纸页。1 8 2 7 年开始采用大直径烘缸。1 8 7 0 年造纸机已从横轴传动发展到纵轴传动方 式。在此以后直到2 0 世纪中叶约七八十年间，造纸机的不见基本没有什么重大改变，只 是引用了一些新的技术，例如高压流浆箱、真空辊、移出式网案、引纸辊和压缩空气吹 送引纸、圆筒卷纸机和多电机分部传动等。 1 9 5 0 年以后，造纸机又有了较快的发展，较广泛地采用了流体动力布浆器、真空吸 移装置、气垫压力流浆箱等，使造纸车速不断提高。特别在近3 0 年，对流送上浆部分的 流体动力学原理、纸幅成形机理、网部脱水原理、压榨脱水理论、干燥理论及压光理论 等基本理论有了进一步的研究和发展，从这些理论研究成果中又发展了不少新技术，使 造纸机的结构得到了改进，更加完善。 4 z q s 8 型实验纸机的虚拟设计与制造 2 1 2 造纸机的组成及分类 造纸机是把经过打浆、调制后符合抄纸要求的纸浆抄制成纸的机器。根据这一定义， 造纸机应该从流浆箱的进浆总管或其必须附带配置的进浆系统开始，直到卷出的纸卷的 卷纸机为为止，也就是说，造纸机主体分为有浆抄成湿纸的湿段和把湿纸烘干并成卷的 干段。前者包括流送部、形成部、压榨部三个部分，后者包括烘干部、压光部、卷纸部 三个部分。此外还有机械传动部分以及为这些主体部分运行所不可缺少的真空系统、气 压及液压系统、润滑系统、引纸系统、蒸汽系统、热风系统、汽罩及其排风系统等，也 属于造纸机的主体部分。 造纸机本体部分以及其附属和辅助系统均有不容的形式和规格。在工程设计中，主 要是以造纸用的纸浆种类、成纸品种、产量要求为依据来确定其个部分的形式和规格， 不同的形式其有不同的结构。造纸机的形式分类决定于其主要部分的结构形式，用主要 部分的结构形式来表达造纸机总的形式是国际上的通用习惯。目前为了适应造纸厂按其 自身的实际工艺条件来选用造纸机，造纸机的主要部分按其结构原理和技术特征有很多 种形式。 在工程实际中，通常是选取对造纸机产品产量和质量起决定性作用的成形部和烘干 部的形式结构特征来作为造纸机基本形式分类的基础。造纸机的分类情况见表2 1 。 表2 - 1 造纸机分类表 ! ! ! ：兰：! 垡堕! 堡垒! 宝2 11 坠p 望! ! 翌竺塾i 些 序号基本形式成形部特征烘干部特征 本课题研究的是z q s 8 型实验纸机的虚拟设计，通过p r 0 e 对其主要零部件进行三 维建模，利用p r o e 的装配功能，将这些零部件装配起来，得到图2 - l 。 使用c a d 软件对z q s 8 型实验纸机进行二维设计，得到总图2 2 。 5 陕西科技大学硕士论文 图21z q s 8 型实验纸机整机三维造型 f i 9 2 - 1 t h r e e i i m e n s i o n a s c u l p t o f t h e w h o l e z q s 8e x p e d m e n l a l p a p e r m a c h l 囤2 - 2z q s 8 型实验纸机二维设计总图 f l 口2p 1 叭盯d r a w i n g t , f t h e w h o l e z q s 8e x p e r i m e n t a lp a p e r m a c h i n e 213 造纸机主要技术参数介绍 f 1 ) 纸的幅宽 通过造纸机抄遣后经卷纸机及复卷机卷成纸卷的纸或纸板称为纸幅，纸幅的宽度尺 寸就是纸的幅宽。有关国家标准及部标准均规定了备种纸和纸板幅宽，它是设计造纸机 时决定其中幅宽方向上各个尺、j 的基础数据。本设计中纸幅宽为1 8 0 m m 。 ( 2 ) 造纸机的狰纸幅宽 造纸机卷纸机上卷成的纸卷幅宽切去合理的纸边后，纸幅的宽度就是造纸机的净纸 幅宽。净纸幅宽通常是成品纸种的标准幅宽的整数倍数。 ( 3 ) 造纸机的毛纸幅宽 毛纸幅宽是造纸机的圆筒卷纸机上的纸卷幅宽，即纵切前的纸幅宽度。毛纸幅度为 净纸幅宽与所有干纸切边宽度之和。 z q s 8 型实验纸机的虚拟设计与制造 ( 4 ) 湿纸幅宽 湿纸幅宽是指在成形部分经过冲边后引入压榨部分的湿纸幅的宽度，可由下式计算 ( 5 ) 工作车速 造纸机的车速是指造纸机的卷取部车速，即圆筒卷纸机卷纸缸的表面线速度或轴式 卷纸机上的纸幅速度，那么，造纸机的工作车速就是造纸机在正常运行时的车速。对一 台特定的造纸机，若适应若干种纸浆、纸品和生产工艺条件，就相应地有若干个不同的 工作车速。因此，作为造纸机技术特征提出的工作车速往往是对于其中的某种纸浆、纸 品和生产工艺条件而言的。造纸机的工作车速是一个车速范围，车速范围的上下限值之 比，就称为调速比。 ( 6 ) 设计车速 造纸机的设计车速是造纸机设计时的一个主要参数，一般等于或略高于造纸机工作 车速范围的最大工作车速。造纸机中的各个部分的设计车速不一顶全都是相同的值，考 虑到今后的发展或可能的技术改造，造纸机个别部分可能会取较高的设计车速。 ( 7 ) 引纸车速或爬行车速 造纸机在引纸时和检查成形网、毛毯、干毯时都用很低的车速，在烘缸通气加热， 烘缸空运转、清洗毛毯和成形网时，通常用很低的车速，这种特殊的低车速就被成为引 纸车速或称爬行车速。 ( 8 ) 结构车速 结构车速是造纸机的某些主要部件或机件在设计计算、技术质量检测等工作中的车 速，一般情况下，结构车速都高于设计车速。在造纸机的技术说明文件中常列述了造纸 机主要部件的结构车速，表明在结构车速以下运行时，该部件在该项受校核的具体性能 上是安全可靠的。各个不同部件的结构车速都不尽相同。 ( 9 ) 速差 由于纸幅由网部至压榨部并通过各道压榨时被伸长，而在烘干部中，纸幅在被干燥 时存在被收缩的现象。因此，为了保证正常的工艺操作，造纸机湿段的各个分部都是后 面的分部较前面的分部有稍高的车速。在烘干部，要把烘缸分成若干个传动组，后面的 传动组较前面的传动组有较慢的速度。可以看出造纸机各部件在工作中存在速度的差异， 由于造纸机的车速是以卷取部的车速为准的，因此造纸机各部分的车速与卷取部的车速 比较所存在的速度差异就是速差。 速差以百分率表示。例如，造纸机卷取部的车速为5 0 0 m m i n ，其伏辊的车速为 4 8 0 m m i n ，第一压榨的车速为4 8 5 m m i n ，第一组烘干的车速为5 0 4 m m i n ，则其速差就分 别为4 ，3 及0 8 。 7 陕西科技大学硕士论文 2 1 4 造纸机产量方面的名词术语及计算 ( 1 ) 日生产时数 日生产时数为扣掉各种辅助时间之后造纸机平均每日可以运行生产的小时数，一般 为2 2 5 2 3 h d 。造纸机的辅助时间主要用于计划维修、换网、换毛毯等所用的时间。辅 助时间的多少也反映了造纸机结构及管理的先进程度，对于结构和管理都较先进的造纸 机，辅助时间很少。 ( 2 ) 抄造率 抄造率是在日生产时数内扣去由于断纸而损失的生产时间后生产运行时数所占的百 分率。抄造率的大小反映了造纸机工艺生产条件及生产稳定性的优劣和操作水平的高低。 ( 3 ) 成品率 造纸机生产的纸中的合格品所占的百分率就是成品率，成品率反映了造纸机在装配、 操作等方面达到产品质量要求所表现的性能和水平，并显示造纸机工艺生产条件的壮况。 ( 4 ) 纸机的理论产量 造纸机的理论产量妒为： q l = 丁w v b a q ( k g m i n ) ( 2 - 1 ) = 学( ) 式中： 矿一产品的定量，g m 2本设计中 形= 5 0 9 m 2 v 呲一最大工作车速，r e r a i n本设计中，一= 8m m i n 髓一净纸幅宽，m m本设计中 b j = 1 7 0 m m 由式( i - i ) 可计算出 a lm - 6 0 0 x 可5 0 厂8 一x 1 7 0 = 4 0 8 ( k g h ) ( 5 ) 造纸机的计算产量 造纸机的计算产量蟛2 为： q 2 = 6 0 w v b j t k l k 2 x l o 曲t d 【1 】 ( 2 2 ) 式中 y 工作车速本设计中矿= 5 m m i n 丁平均每日有效生产时数 k 一抄造率，以小数表示 k z 一成品率，以小数表示 由式( 2 - 2 ) 可计算出 本设计中t = 2 3h d 本设计中k - = 2 3 2 4 = 0 9 5 8 本设计中k 2 = 0 9 8 q 2 = 6 0 x 5 0 x 5 x 1 7 0 x 2 3 x o 9 5 8 x 0 9 8 x 1 0 。9 = o 0 5 5 i t d 8 z q s 8 型实验纸机的虚拟设计与制造 2 1 5 造纸机设计参数选取及纸机选型原则 1 ) 造纸机设计参数选取 设计造纸机时要用许多设计参数，这些设计参数主要由下列几方面的基础数据来决 定。 ( 1 ) 表达造纸机生产能力和适应范围的基础数据 表达造纸机生产能力和适应范围的数据有净纸幅宽、最大工作车速、调整范围、成 形部、压榨部及红感部的主要技术特征。 ( 2 ) 表达造纸机各部分的性能结构的基本数据 为了提高造纸机设计制造中的标准化、系列化、通用化的程度也要把造纸机各部分 的主要结构数据列人造纸机的设计参数，这些结构数据包括各种辊筒的尺寸与表面层的 技术特征，面板的尺寸及数量，烘缸的尺寸及个数，各部分的轨距、轴承距等。 ( 3 ) 表示造纸机概貌的数据 表示造纸机概貌的数据，如全机长度、总质量、自轨面算起的最大高度、底层高度、 传动系统总装机功率等，显示了造纸机的占地面积、空间体积、单位生产能力机体质量 和动力消耗等技术经济指标，因此也是不可忽视的数据。 ( 4 ) 与工艺技术指标有关的基本数据 与造纸机设计计算有关的工艺技术指标如纸浆打浆度、所生产的纸品定量、造纸机 各处的纸浆浓度和纸幅干度等。 在决定造纸机身机参数时，还必须考虑所设计造纸机保持较先进的总体技术书、以 适应日益提高的产品质量要求。目前国产造纸机最明显的技术发展或急待发展的技术是 机电仪表的一体化。因此不断增设生产参数和质量参数的在机在线检测仪表以及控制系 统是当前国内造纸机设计中的首要考虑的。在造纸机的设计中，降低生产消耗、延长其 机构与器材的使用寿命、提高运行效率、降低生产成本等仍然是设计所追求的目标。因 此，要仔细选择以上几方面的基础数据，综合分析，达到最优化设计的目的。 2 ) 造纸机的选型原则 用户如何选造纸机，一般是按照纸浆的特性、要求生产的纸品特性、质量指标和产 量来选择造纸机，首先从产量要求来确定造纸机幅度方面的尺寸，即由净纸幅宽来确定 网宽以及车速范围。 从原料纸浆和所生产纸品的要求出发，结合车速范围就可选择造纸机各部分的形式。 在选择造纸机各部分形式时，依照以下原则： ( 1 ) 车速2 0 0m m i n 以下时方可考虑用圆网成形器，1 0 0m m i n 以上的车速应选用真 空圆网成形器，长网成形器目前己发展到了车速达1 0 0 0 m m i n 或以上，因此在较高车速 范围内可选用长网成形器，但必须配备静止泄水元件( 如脱水板) 和真空元件( 如真空 9 陕两科技大学硕士论文 脱水板和真空脱水箱) ；在3 0 0 m 或以下车速时，长网才可以配用案辊等转动泄水元件； 5 0 0 m m i n 以上生产各类纸板时可选用有底网夹网成形器。 ( 2 ) 造纸机的传动方面，应选择配置各种类型的分部传动，并根据车速的高低选择整 离子控制系统和数字式控制系统。 ( 3 ) 在选择纸幅从成形网到压榨部的移送形式时，应注意中、高速造纸机适宜采用吸 移方式，舔移方式只适用于定量很低的薄型纸品和不高的车速。根据纸品要求在压榨部 选配压纹装置、反压榨、平滑压榨等。在烘干部选配施胶压榨、半干压光机、涂布站， 大直径烘缸等。在烘干部以后选配适当的压光机、湿润机、纵切机、切纸机或者卷纸机， 而且随着造纸技术的发展，造纸机各部分形式的选择也会不断发展和更新。 2 1 6 设计内容 查找制浆造纸机械相关书籍，通过相关计算设计出实验纸机各主要部件相关参数， 在p r o e 的零件模块下，完成纸机的主要部件的建模过程。再利用p r o e 进行装配，对 较难理解的装置进行运动仿真。对辊筒及选用的轴承进行校核计算，根据实验纸机的车 速及相关辊筒的轴径选用电动机及联轴器。用平面总图表示纸幅的运动路线。 2 2 纸浆流送设备与流浆箱 2 2 1 纸机前纸浆的流送系统 1 ) 流浆箱 流浆箱是造纸机的心脏，它的独特用途是将圆管内的浆流转变为薄而均一的布满造 纸机全宽的浆流，而且要求这些纤维悬浮液不产生絮聚和浆道( 条痕) 。流浆箱虽然不形 成纸页，但对纸页匀度的影响很大。如果从流浆箱出来的浆流不正常或不十分正常，到 网案上再来改正就要付出大量的精力，如果来自流浆箱的浆流很正确，那么网案就只用 于纸页的成形和脱水即可。流浆箱能否很好的达到此目的，关键在于流送系统和流浆箱 的设计。 2 ) 流送系统要求 造纸机前纸浆流送系统的流程和设备的选择对造纸机的产品质量和造纸机运行的连 续性、稳定性有很大的影响。流送系统应该满足下面的要求： ( 1 ) 在一定的造纸机车速下，送上造纸机的纤维量应保持稳定，其偏差应不超过造纸机 产品的定量的允许偏差值。 ( 2 ) 保证纸浆中的各种组成的配比稳定。 ( 3 ) 保证送上的造纸机的纸浆的浓度、温度、酸碱度等工艺条件稳定。 ( 4 ) 供浆纤维量可按早市机车速的变动或产品纸种定量要求进行调节。 ( 5 ) 保证纸浆的精选质量。 3 ) 流送系统分类 1 0 z q s 8 型实验纸机的虚拟设计与制造 流送系统可分为：开启式、半封闭式和上寸闭式j 种。前两种流送系统只用丁低速造 纸机封闭式流送系统自成浆池的输浆泵起直到把纸浆送上造纸机成形网，全系统都是 不与空气接触。 2 3 造纸机圆网成形装置 2 3 1 圆网成形装置的组成及特点 网网造纸机的网部常称为圆网，主要由网槽，网笼，伏辊组成。圆网侵放到网槽中。 随着网笼的回转，由于网内外液位的差，浆料中的纤维等物料因过滤作用不断沉淀到网 笼的网面上，当纤维层通过网笼上方的伏棍时，就自网转移到包住伏辊的无端毛毯上 从而形成连续的湿纸幅。 长网与圆网相比，各有其优缺点，长刚u 丁以高速抄造各种类别的纸张，圆c 【= 4 结构简 单，占地面积小，投资小，多用于抄造要求较低的薄纸。多圆网的网部可以使用几个不 同浆料的网槽，抄造面层和里层有小同质量的卡片及板纸。 z q s 8 犁实验纸机网部= 维造型见图2 3 图2 - 3z q s 8 型实验纸机网部 f i g2 - 3 f o r m i n gs e c t i o no f z q s 8e x p e r i m e n t a l p a p e r m a c h i n e 陕两科技大学硕士论文 1 ) 圆网的纸页成形过程 圆网的纸幅成形过程基本上是一个过滤过程。在圆网造纸机上，网笼内的白水不断拌出， 并与网笼外的浆位形成一定的压差，由此差生的过滤现象使纤维附者到网面上，随着网 笼的回转而不断的形成纸幅。随着网上纤维的增厚，过滤阻力迅速增大，过滤速度逐渐 减慢，纤维也越来越少的沉积到网面上。过滤的压差在抄造薄纸纸张时，影响是明显的。 而抄造较厚的纸张或纸板时，增加水位差对过滤速度不起作用，通常只能用于多个圆网， 即用增加过滤面积的方法来达到所需的纤维层厚度。在圆网上的纸幅成形过程中，无论 是在何种形式的网槽上，都不同程度地纤维的定向，选分和洗脱现象。纤维的定向主要 是由于纸浆与网笼之间的速度差异，纤维受到网笼回转的牵引作用而造成的，纤维选分 现象是由于细小纤维有较大的表面积和将强的吸附力，较易于沉积和附着在网面的纤维 层上造成的。纤维被洗脱的现象主要是由于网笼上的已经沉积的纤维，由于受到网槽内 纸浆的冲洗作用，部分重新回到纤维悬浮液中的现象，这种状况使部分已经沉积纤维的 外层被冲涮掉，冲涮量随着纸页形成而逐渐增加。纸幅最大的沉积速率发生在成形过程 刚开始很短的距离内，虽然在其余的浸没成型长度内，脱水继续进行，但由于频繁的冲 涮效应，很少形成额外的纤维沉积。纸幅在圆网上的成形过程十分复杂，作用于成形过 程的力很多，如重力，离心力，水位差引起的压力，水的表面张力，湿纸幅与纸辊之间 的附着力，与浆液之间的摩擦力，以及白水与浆流的冲击力等等。 2 ) 影响纸幅成形的因素 影响纸幅成形的因素很多，其中主要有：浆料的打浆度，浓度，网槽的形式，上浆 压力，形成弧长，抄造等。 2 3 2 网笼 圆网造纸机的圆网部主要包括网槽，网笼和伏辊。网笼安装在网槽内，其含有网子 的外圆周浸没到网槽的纸料中。纸页成形依靠网笼内外的水位差形成的过滤作用。网笼 应具有足够的刚度与准确的几何尺寸，应该水平安装，并且要求它滤水均匀，转动时不 在网槽中产生很大的搅动。由于网笼外部浆位高于内部水位。当圆网转入网槽液面内， 纸料悬浮液在向网笼内滤过时，纤维被吸附在圆网辊处被包绕伏辊的毛毯吸附，脱离圆 网转移到毛毯上，形成湿纸页。再经过真空箱。压榨脱水后，以一定的干度进入干燥部 干燥。 圆网笼的中心是一个钢制通轴，表面包铜以防锈蚀。在这个通轴上，每间隔一定距 离装上一个铜制的辅轮，辅轮间距根据网笼大小确定，一般在1 2 0 1 5 0 m m ，两端的辅 轮是环状轮，有4 0 5 0 m m 宽的台颈与圆网内壁的环形带相适应，以使用绷带绷住，使 网笼内外隔离，在每个辅轮上每个都有小圆坑，用8 l o m m 的钢棒嵌入其中，这样在轮 架周围的轴向上形成了一圈钢棒组成的网笼，在每个钢棒上有间隔一定的距离开有小沟， 1 2 z q s 8 型实验纸机的虚拟设计与制造 在小沟内沿着圆周方向绕以25 r n m 左右的钢丝，铜丝外在包上两层网f ，里面的一层叫 里网，一般使用的嘲甘为1 0 1 4 目，外网使用聚酯网，采用铜网的药用银铜锌含金进行 焊接，不但要对正焊牢，还要求焊缝均匀，甲整，不许有毛刺，采用聚酯网都是套装后 加热紧固的。z q s 8 型实验纸机喇笼三维造型