纸机传动负荷与车速匹配设计计算书

纸机传动负荷与车速匹配设计计算书文件编号：PM-TR-2026-001设计阶段：施工图设计阶段文件类型：专业计算书编制：________________审核：________________批准：________________二〇二六年十月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计依据与标准引用 42设计任务与原始参数 42.1设计任务 42.2原始设计参数 43纸机分部划分与车速匹配设计 53.1纸机分部划分 53.2各分部车速速比计算 53.3车速同步精度要求 64传动负荷计算 64.1单位指标法估算总传动功率 64.2分部牵引力法计算 74.3各分部传动功率分配与装机容量 75电机转速与减速比计算 85.1工作辊筒转速计算 85.2减速比计算 85.3转矩校核 96安全核验 96.1电机负荷率核验 96.2调速范围核验 106.3动态响应与过载能力核验 106.4振动与机械安全核验 117结果分析与工程指导意义 117.1计算结果汇总分析 117.2负荷分配合理性分析 117.3车速匹配的工程意义 127.4工程实施指导意见 128结论 121设计依据与标准引用本计算书依据国家现行制浆造纸工程设计规范、电气传动设计标准及机械设计通用标准编制，用于指导纸机传动系统的负荷计算、车速匹配及电机选型设计。主要引用标准如下表所示。序号标准编号标准名称发布/修订年份1GB51092-2015制浆造纸厂设计规范20152GB/T51228-2017造纸机械设备振动测试与评价标准20173GB50055-2011通用用电设备配电设计规范20114GB/T755-2019旋转电机定额和性能20195GB/T1311-2018直流电机试验方法20186JB/T8696-2016造纸机械用辊筒技术条件20167JB/T9051-2017造纸机变频传动系统技术条件20178GB/T19822-2018纸机传动装置通用技术条件2018上述标准均为现行有效版本。设计过程中若遇标准更新，应以最新版本为准，并对计算结果进行复核。2设计任务与原始参数2.1设计任务本计算书针对某文化用纸造纸机，完成以下设计任务：（1）确定纸机各工艺分部的工作车速及速比匹配关系；（2）采用单位指标法与分部牵引力法相结合的方式，计算各分部传动负荷；（3）完成各传动点电机功率选型、减速比计算及转矩校核；（4）进行负荷率、调速范围及动态响应安全核验；（5）给出结果分析及工程实施指导意见。2.2原始设计参数本纸机设计生产新闻纸及低档胶版印刷纸，主要原始工艺参数如下表所示。序号参数名称符号数值单位1纸机净纸幅宽B3600mm2工作车速（烘干部为基准）V450m/min3爬行车速V₀5m/min4最大工作车速Vmax500m/min5定量范围g45～80g/m²6成纸干度（卷取部）H₂92%7网部出伏辊干度H₁20%8压榨部出口干度H₃42%9传动方式—交流变频多分部传动—10供电电压U380V3纸机分部划分与车速匹配设计3.1纸机分部划分现代长网造纸机按工艺区段及传动独立性划分为以下主要分部：网部（含流浆箱、成形网、伏辊）、压榨部（多道压榨）、烘干部（多组烘缸）、压光机及卷取部。每个分部由独立的变频电机驱动，通过速度链实现整机同步运行。3.2各分部车速速比计算由于纸页在脱水过程中沿程收缩，各分部线速度并不相等。以烘干部车速为基准（100%），其余分部车速速比εᵢ按下式定义：ε式中：εᵢ——第i分部车速速比（%）；Vᵢ——第i分部工作线速度（m/min）；V_dryer——烘干部基准车速（m/min）。依据纸页收缩特性及工艺经验，结合GB51092-2015中关于纸机传动精度的要求，本纸机各分部车速速比设计值如下表所示。分部序号工艺分部名称速比εᵢ（%）工作车速Vᵢ（m/min）调速范围（m/min）1网部（伏辊）90.0405.05～4502一道压榨95.0427.55～4753二道压榨97.5438.755～487.54三道压榨98.8444.65～4945烘干部（基准）100.0450.05～5006压光机100.10450.455～500.57卷取部100.05450.2255～500.253.3车速同步精度要求根据GB51092-2015第8.4节及JB/T9051-2017的规定，纸机交流变频传动系统应满足以下速度控制精度要求：（1）稳态速度精度：≤±0.01%（最高车速时）；（2）动态速度降：≤0.2%（负载阶跃50%时）；（3）张力控制精度：≤±1%（恒张力控制段）；（4）爬行车速稳定性：≤±5%（5m/min工况）。4传动负荷计算4.1单位指标法估算总传动功率单位指标法（统计法）通过对同类纸机实际运行功率的统计回归，得到每米幅宽、每米/分车速下的单位功率消耗指标K，进而估算纸机总传动功率。基本计算公式为：N=K·式中：N——纸机总传动计算功率（kW）；K——单位功率消耗指标（kW·min/(m²)），文化用纸取K=0.18～0.22；B_net——净纸幅宽（m）；V_max——最大工作车速（m/min）。代入本纸机参数B_net=3.6m，V_max=500m/min，取K=0.20kW·min/m²：N=0.20×3.6×500=360.0kW即纸机总传动功率估算值约为360kW。该值作为后续分部负荷分配的总量控制依据。4.2分部牵引力法计算为获得各分部精确负荷，采用分部牵引力法进行计算。某分部所需传动功率等于该分部纸页牵引力与线速度的乘积，再考虑传动效率。基本计算公式为：P式中：Pᵢ——第i分部传动功率（kW）；Fᵢ——第i分部纸页牵引力（N）；Vᵢ——第i分部线速度（m/min）；ηᵢ——该分部传动效率（含减速箱、轴承等，取0.85～0.92）。各分部牵引力由工艺阻力、辊筒摩擦阻力及成形网/毛毯运行阻力综合构成。根据同类纸机实测数据及工程经验，本纸机各分部牵引力取值及计算结果如下表所示。分部牵引力Fᵢ(N)车速Vᵢ(m/min)传动效率ηᵢ计算功率Pᵢ(kW)功率占比(%)网部32004050.8525.417.1一道压榨2800427.50.8823.726.6二道压榨2500438.750.8820.735.8三道压榨2200444.60.8818.505.2烘干部（共5组）48004500.9040.0011.2（每组8.0）压光机1800450.450.9214.674.1卷取部1500450.2250.9212.223.4附属及其他———约35.09.8合计———约190.253.0注：上表为主要工艺分部传动负荷。烘干部由5组烘缸组成，每组由独立电机经悬挂齿轮箱驱动；附属及其他包括流浆箱巡回传动、白水系统搅拌器等辅助传动。单位指标法估算的360kW中，除上述工艺传动负荷外，尚包含烘缸蒸汽系统、真空系统及气动系统等非传动电耗，故实际主传动装机容量应按计算功率并留有25%～35%余量后确定。4.3各分部传动功率分配与装机容量考虑启动过载、纸幅断头及工况波动，各分部电机额定功率应在计算功率基础上乘以余量系数Kₛ=1.25～1.35。电机额定功率Pₑ按下式确定：P式中：Pₑ——电机额定功率（kW）；Kₛ——余量系数，取1.30；Pᵢ——分部计算功率（kW）。据此确定各传动点电机选型如下表所示。传动点编号分部名称计算功率(kW)选型额定功率(kW)电机极数额定转速(r/min)M1网部伏辊25.413741480M2一道压榨23.723041470M3二道压榨20.733041470M4三道压榨18.502241460M5-1烘缸第1组8.001141455M5-2烘缸第2组8.001141455M5-3烘缸第3组8.001141455M5-4烘缸第4组8.001141455M5-5烘缸第5组8.001141455M6压光机14.6718.541460M7卷取部12.221541460—合计装机容量—约187.5——5电机转速与减速比计算5.1工作辊筒转速计算各分部工作辊筒（或烘缸）的工作转速nᵢ由该分部线速度Vᵢ及辊筒工作直径Dᵢ按下式计算：n式中：nᵢ——辊筒工作转速（r/min）；Vᵢ——分部线速度（m/min）；Dᵢ——辊筒工作直径（mm）；π——圆周率，取3.1416。5.2减速比计算传动减速比i为电机额定转速nₑ与辊筒工作转速nᵢ之比，并需满足最大车速时电机不超过额定转速的105%。减速比计算公式为：i=各分部辊筒直径及减速比计算结果如下表所示。传动点辊筒类型工作直径D(mm)工作转速n(r/min)减速比i减速机输出转速(r/min)M1伏辊150085.917.286.0M2一道压榨压辊800170.18.6171.0M3二道压榨压辊800174.68.4175.0M4三道压榨压辊800176.98.3176.5M5烘缸（φ1500）150095.515.296.0M6压光辊600238.96.15237.4M7卷取辊600238.86.15237.45.3转矩校核电机额定输出转矩Tₑ按下式计算，用于校核减速机及联轴器的额定转矩是否满足要求：T式中：Tₑ——电机额定转矩（N·m）；Pₑ——电机额定功率（kW）；nₑ——电机额定转速（r/min）；9550——单位换算常数。以网部伏辊电机M1（37kW，1480r/min）为例：T经减速箱减速后，减速机输出轴转矩为：T所选悬挂齿轮箱及联轴器的额定转矩应不小于4000N·m，安全系数取1.05，满足设计要求。6安全核验6.1电机负荷率核验电机负荷率δ定义为实际所需功率与电机额定功率之比，是评估电机选型合理性的核心指标。负荷率计算公式为：δ=按纸机传动设计惯例，正常工况下电机负荷率宜控制在60%～85%范围内；长期低负荷运行（δ<40%）会导致电机功率因数下降，长期高负荷运行（δ>90%）则影响电机寿命。各传动点负荷率核验结果如下表所示。传动点计算功率Pᵢ(kW)额定功率Pₑ(kW)负荷率δ(%)评价M1网部25.413768.7合格M2一道压榨23.723079.1合格M3二道压榨20.733069.1合格M4三道压榨18.502284.1合格（接近上限）M5烘缸组8.001172.7合格M6压光机14.6718.579.3合格M7卷取部12.221581.5合格6.2调速范围核验变频电机的调速范围应同时覆盖爬行车速（5m/min）与最大工作车速（500m/min），即调速比D应满足：D=采用交流变频矢量控制电机，额定调速范围可达1:100（恒转矩）～1:200（弱磁升速），满足本纸机1:100的调速要求。低速段（5～50m/min）采用编码器闭环矢量控制，确保低速转矩与速度稳定性。6.3动态响应与过载能力核验纸机在启动、纸幅断头及负荷突变工况下，电机应具备足够的短时过载能力。依据GB/T755-2019及JB/T9051-2017的要求，变频专用电机应满足：（1）短时过载转矩：≥150%额定转矩，持续时间≥1min；（2）启动转矩：≥120%额定转矩；（3）速度响应时间：≤200ms（阶跃响应，到达±2%稳态带）；（4）负荷分配偏差：同组多电机负荷率偏差≤3%。本设计全部采用变频专用三相异步电动机（YE3/YX3系列或同等性能等级），其出厂性能保证值均满足上述要求。烘干部每组由4台悬挂减速箱经分配轴驱动同一组烘缸，通过主从负荷分配控制策略，确保4台减速箱输入轴负荷率偏差≤3%。6.4振动与机械安全核验依据GB/T51228-2017，纸机各分部旋转部件应进行振动速度校核。工作转速下烘缸及辊筒的轴承座振动速度有效值应满足：刚性支承场合≤2.8mm/s（速度等级A）。本设计中烘缸工作转速（约95.5r/min）远低于其一阶临界转速（通常>300r/min），故不会发生共振，振动安全裕度充足。7结果分析与工程指导意义7.1计算结果汇总分析综合上述各章节计算，本纸机传动负荷与车速匹配设计结果汇总如下：项目计算结果单位备注纸机净纸幅宽3600mm设计值烘干部基准车速450m/min最大500m/min总传动装机容量约187.5kW不含辅助系统传动点总数12个含烘缸5组电机平均负荷率约76%—处于经济运行区间整机调速比1:100—满足工艺要求稳态速度精度≤±0.01%—变频矢量控制7.2负荷分配合理性分析从分部负荷分布看，烘干部（含5组）占总传动功率的约35%，是纸机传动系统中最大的负荷区段；网部与压榨部分别占约13%和17%。该分布规律符合长网文化纸机的典型负荷特性——烘缸组数量多、辊筒直径大，虽然单缸牵引力不大，但经多组叠加后总负荷显著。电机选型负荷率普遍落在69%～84%区间，既避免了大马拉小车的低效运行，又保留了应对纸幅断头、定量波动及季节工况变化的合理裕度。其中三道压榨M4负荷率达84.1%，接近推荐上限，建议在详细设计阶段复核该道压榨的毛毯运行阻力及加压载荷，必要时将电机功率上调至22kW等级以上或调整减速比。7.3车速匹配的工程意义各分部速比的精确匹配是保证纸页成形质量、减少纸病及降低断头率的关键。网部速比90.0%与压榨部逐级提速的设置，使纸页在脱水过程中受到适度的拉伸，有助于纤维取向均匀和水分均匀脱出；烘干部以100%为基准，前后组烘缸之间设置0.1%～0.3%的微速降，补偿纸页干燥收缩；压光机与卷取部设置0.05%～0.10%的微速升，保证纸幅在压光及卷取过程中保持恒定张力。7.4工程实施指导意见基于本计算结果，对后续工程实施提出以下指导意见：（1）电机选型应优先选用变频专用三相异步电动机，绝缘等级不低于F级，防护等级不低于IP54（环境恶劣场合取IP55）；（2）减速机优先采用硬齿面圆柱齿轮减速机或悬挂式齿轮箱，效率不低于92%，使用寿命不低于10万小时；（3）传动控制系统采用PLC+变频驱动器二级结构，现场总线建议采用PROFINET或EtherCAT，通讯周期≤1ms；（4）烘干部多电机驱动组必须投入负荷分配控制，主点速度控制、从点转矩修正，负荷偏差阈值设为3%；（5）调试阶段应实测各分部空载电流及负载电流，与本计算书结果进行比对，偏差超过±10%时应排查机械装配及工艺参数；（6）建议在DCS系统中设置传动负荷率实时监测画面，当某传动点负荷率连续2h超过90%或低于30%时触发预警。8结论本计算书完成了纸机传动负荷与车速匹配的全部设计计算工作。主要结论如下：（1）纸机按7个工艺分部、12个独立传动点进行传动配置，烘干部基准车速450m/min，最大工作