FM1900三辊压光机设计
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摘 要塑料成型机械制造业是一个新兴工业,随着世界塑料工业的迅速发展,塑料成型机械的制造已成为现代工业中的一个重要行业。近年来,塑料制品的应用领域不断扩展,塑料加工设备已渗透到国民经济的各个行业,成为我国机械工业的重要组成部分,在国民经济中起着越来越重要的作用。压光机作为塑料成型机械中的重要一员,主要用于制品修饰,其设计方案的优劣直接关系到制品的表面质量和使用性能。本次设计的课题是武汉塑料机械总厂所研发的产品。该厂从事塑料机械设计与制造多年,经验丰富。本人是在该厂玩成这个课题的,所以很多参数的选取都是根据该厂多年来的设计经验来的。设计在第一章主要介绍了压光机的用途、分类、组成、特点和发展趋势;第二章主要介绍了压光机的压延系统,辊筒、机架、轴承以及调节装置;第三章介绍了压光机辊筒补偿措施以及最新的挠度控制技术;第四章主要介绍了压光机设计的核心理论,包括其工作机理、影响其效果的主要因素、以及正常工作的条件;第五章主要介绍了压光机工作部分的设计,包括辊筒的加热系统、辊筒的动力系统以及辊筒各部分的尺寸。其他部分的设计可根据辊筒尺寸和塑料机械总厂的设计经验进行设计。关键词:扰度;辊筒;控制;传动;温度AbstractThe plastic molding processing manufacturing industry is an emerging industry. With the rapid development of the plastic industry, plastic molding machinery manufacturing has become an important industry in modern industry . In recent years, the application fields of the plastic products have continuously expanded . And plastic processing equipment has penetrated into every industry of the national economy and become the important component of mechanical industry in the national economy, and plays a more and more important role.Press polishing machine which plays as an important member in plastic molding machinerys, is used mainly for decorating the products,The rationality of the design scheme is directly related to the products surface quality and performance.This design is the subject which the Wuhan Plastic Machinery Factory have developed product.This factory is engaged in designs and manufactures the plastic machinery for many years,and has rich experience on it .I has complete this topic in the factory , so many parameters are selected according to the design experience of this factory .In the first chapter introduces the purpose , composition , characteristics and development trend of the press polishing machine , mainly;The second chapter mainly introduces the calendering system, rollers, frame, bearings and adjustment of the press polishing machine;The third chapter mainly talks about the compensating of the press polishing machine and the latest technology which is used to measures and control the deflection;The fourth chapter introduces the core theory of designing press polishing machine, including the working mechanism, the main factors which affect its effect, and the conditions of normal working ; The fifth chapter introduces the design working parts of the machines, including the heating system and the power system of rolls , the size of every parts of the rollers ; The design of other parts can complete based on rollers size and experience of the Wuhan Plastic Machinery Factory .Keywords:Deflection;Roller;Control;Transmission;Temperature目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 文献综述11.1 压光机的基本概念11.1.1压光机的用途11.1.2压光机的分类11.1.3压光机的组成21.2各种压光机的特点31.3压光机的发展4第二章 压光机的结构52.1压光机的压延系统52.1.1辊筒52.1.2辊筒的结构72.1.3机架体92.1.4辊筒轴承102.1.5滚筒间距的调整装置11第三章 辊筒挠度的补偿措施及可控挠度技术123.1常用的辊筒补偿措施133.1.1中高度补偿法133.1.2辊面相对挠度的计算143.1.3压光辊抗弯刚度EI 和EI的确定153.1.4中高量的确定163.1.5计算结果的探讨163.1.6 结论183.1.7缺点分析183.2 轴交叉补偿法193.3 预负荷力补偿法213.3可控挠度技术223.3.1可控挠度技术简介223.3.2分区控制热风装置233.3.3 浮动辊的工作原理233.3.4结构233.3.5工作原理233.3.6工作保护243.3.7油位保护243.3.8油温控制253.3.9 浮动辊的液压控制263.3.10浮动辊挠度的比例控制26第四章 压光机设计的核心理论284.1压光机整饰机理284.2影响压光效果的重要因素284.3压光机正常工作的条件294.4压光机设计的核心理论294.4.1保证压光机工作时,辊间间隙满足要求294.4.2防止辊面直接接触304.4.3保证同一辊面温度一致304.4.4保证相邻辊速度一致31第五章 设计过程325.1压光机辊筒的加热系统325.1.1辊筒的蒸汽加热325.1.2辊筒的过热水循环加热325.2压光机动力系统的设计345.2.1多台直流电动机独立传动345.2.2计算345.3压力辊的设计及各部分尺寸确定35致 谢39参考文献4040第一章 文献综述1.1 压光机的基本概念1.1.1压光机的用途压光机主要用于整饰产品,提高产品的平滑度、光泽度、消除两面差,同时改善产品厚度一致性,提高紧度,降低表面粗糙度。压光机生产薄而宽,其长度可无限延长的薄膜和片材类制品,用压光机生产的塑料制品产量约占塑料制品总产量的1/5左右。1.1.2压光机的分类压光机的分类方法很多,主要分类方法有:按所使用压光辊表面材料的性质区分为硬压光机和软压光机两大类,前者有纸机压光机、半干压光机等;后者包括超级压光机、光泽压光机、软辊压光机和超级软压光机等;按压区分为刚性压取(普通压光机)和弹性压取(超级压光机、软辊压光机);按布置形式分机内压光(普通压光机、软辊压光机)和机外压光(超级压光机);根据辊数的不同, 可分为双辊压光机和多辊压光机; 也可分为冷压光和热压光, 硬压光和软压光。普通压光机又称硬压光机,因其辊面材料为硬铸铁而得名,又因使用历史最长故又名为普通压光机。软压光机因采用柔性包覆层传递被加工材料压区作用力而得名,其加工过程相应被称为软压区压光。超级压光机用纸粕辊代替软辊且压辊很多,压区很多的压光机,一般有12根压辊。超级软压光机是使用软压光技术,并揉合软压光机和超级压光机的优点,开发出的新型多压区压光机,一般有8根压辊。压光机的结构形式有多种:既有辊筒数量不同的压光机,又有辊筒排列形式不同的压光机;另外,还有在一台压光机上,组成压光机的辊筒直径不同形式的压光机。塑料制品行业一般都按这三种类型来划分压光机。按辊筒数量的分类辊筒是压光机设备上的主要零件。如果按组成压光机的辊筒数量可分为两辊压光机、三辊压光机、四辊压光机和五辊压光机。三辊压光机是国内20世纪50年代开始应用;四辊压光机是20世纪70年代开始应用;五辊压光机现已有生产。目前,国内应用最多的还是四辊压光机。 图1.1 辊筒直径不同时排列形式示意图按辊筒排列形式分类压光机设备上辊筒的排列形式类型很多。按标准GB/T1357892规定可分为形、形、L形和S形。在标准规定之外,辊筒的排列还有Z形和由5个辊筒组成的S形和L形。前面介绍的几种类型压光机都是在一台压光机上由几根直径相同的辊筒组成。还是我们见到比较多的一种类型压光机。另外,还有一种比较特殊的压光机,它是由几根直径不相同的辊筒组成,结构分布形式见图15。1.1.3压光机的组成不同种类的压光机,结构一般不同甚至相差很大,但一般由如下几个部分组成:辊组、辊组动力系统、加压提升机构、加热/冷却系统、控制系统。1.2各种压光机的特点I形压光机主要用于两辊和三辊组成的压光机。这种辊筒排列结构形式的压光机是应用比较早的结构形式,设备结构简单,制造容易,生产制造费用也较低。但是,这种压光机应用是不方便,需要用手工上料,上料量不均匀,还比较困难。成型薄膜制品质量欠佳,主要薄膜厚度的均匀性及误差较大。现在,主要用于较厚的薄膜和片材制品的生产。形压光机就是在“I”形排列的三辊压光机的上辊侧面加一个辊筒。这种形式的工作特点如下。(1) 生产聚氯乙烯薄膜制品时,质量比较稳定,制品的厚度均匀,误差值小;由于、辊筒间和、辊筒间的受力状况趋于一致,则号辊筒的受力形式是处于平衡状态,这对于制品的成型质量的稳定性会有一定作用。(2) 上料的位置比较高,生产比较安全。工具类异物不容易掉在加料部位的两辊筒之间。(3) 制品不会受增塑剂等挥发气体作用,影响质量的可能性小,表面无痕迹。L形压光机比较适合不含增塑剂制品的生产如硬片生产,不然会因有增塑剂等挥发性气体作用而影响制品的表观质量。这种结构形式上料的部位在较低位置处;生产工作时,容易在两辊间落入工具等异物,造成辊筒辊面损伤。Z形和S形应用比较广泛,它适合于成型软、硬薄膜和片材的生产。对于人造革的双面贴合生产也比较理想。辊筒排列成Z形或S形压光机的工作特点如下。(1) 压光机生产制品时,、辊筒间和、辊筒间受力情况比较均匀,力的大小趋于一致,没有辊筒的浮动现象。(2) 、号辊筒间的间隙均匀稳定,工作中变化较小,这对制品生产质量有利:使制品的厚度均匀,误差变化小,产品质量稳定。(3) 熔料在4根辊筒上的运行距离接近相等(约占辊面周长的1/4),则熔料在辊面上运行中,温度变化小,这对告诉生产软质薄膜时的产品质量稳定有利。(4) 这种结构形式的薄膜成型脱辊,引离装置离辊筒较近,使薄膜脱辊的收缩变小。(5) 熔料的供料容易,操作也要方便些;观察辊筒间的工作情况也比较方便。1.3压光机的发展压光机的历史不长,第一台压光机为普通压光机,并用于造纸行业,但其加工效果不好,使用并不广泛。随着市场的需要新一代的压光机快速推出超级压光机。超级压光机推出后迅速得到推广,加工质量受到广泛的称赞,但因设备易损坏,抄纸率不高,加工费用高等因素让人们既爱又痛。故必须研制一种新型机种才能解决矛盾,软辊压光机的研制成功解决了这个矛盾。软辊压光机的研究30年前,但直到80年代才真正开发成功,并应用于纸厂的生产实践中。由于其具有性能优越、操作简单、纸张压光断头少、压后纸张印刷性好等优势而得到迅速发展。世界上目前可提供软辊压光机的厂家有Voith Sulzer-Hunt&Moscrop,Valmet,Allibert及Beloit-Kusters。世界上第一家用软辊压光整饰LWC的是加拿大B.C.省Port Alberni纸厂。软辊压光机优点固然很多,但也有其致命的缺点:其压区数量少,最多能有四个压区,如果在增加压区,则制造成本太高,不经济,所以其加工质量上限低于超级压光机,因此不能用于加工高质量的产品。随着技术的发展,使开发新一代的压光机成为可能。德国Voith Sulzer Finishing 公司(原名Kleinew efers) , 有鉴于传统压光机及软压光机的缺点, 因而致力于发展一种新观念的压光技术, 已于1995 年夏季推出了被命名为Janus Concept 的新式超级压光机。所谓Janus 源出自罗马神话, 是一个有前后两个面孔的神祗, 一个脸看过去, 一个脸看未来。Janus Concept 一词即表达了Voith Sulzer Finishing 公司对这种新型超级压光机的雄心: 一方面要求包含过去传统超级压光机及软压光机的技术, 同时放眼未来所需的压光技术。这种新型研制成功后,好评如潮,并且在市场上也获得极大的成功。第二章 压光机的结构2.1压光机的压延系统压光机的压延系统是压延成塑料制品中的部位,压延系统中的组成各零部件,加工制造精度及工作效果如何,将直接影响塑料压延成型制品质量。要想保证压延成型制品质量,使压延成型制品生产工作顺利进行,要求压光机的压延系统应具备下列条件。(1) 压延系统组成零部件的联合工作应具备成型塑料制品有一定厚度时的足够工作强度。在压延时大的负荷作用下,辊筒的挠曲变形应最小,机架稳定,振动小。(2) 压延系统中的辊筒应有压延成型塑料制品时工艺温度、速度和各辊筒间的速度查。(3) 为能适应不同塑料成型制品的厚度要求,各辊筒间的间隙能调整。(4) 压延工作应是速度稳定,工作噪声较小。(5) 压光机上的主要零件辊筒应具备有较高的几何形状精度,表面粗糙度R不大于0.2,工作面有足够的硬度,抗腐蚀,耐磨和有足够的刚性。(6) 压延系统要尽量结构简单、紧凑、方便维修,造价低。2.1.1辊筒 辊筒是压光机上最重要零件,他的集合形状精度和工作效果如何,将直接影响塑料制品的质量。塑料制品的成型是通过各辊筒的配合工作辊压而成,使成型薄膜有均匀的厚度和一定的宽度。所以,只有制造精度很高的辊筒才能成型出质量好的塑料制品。辊筒的制造加工精度和工作质量也直接说明这台压光机的制造精度质量。因此,无论是设备制造厂,还是生产塑料制品的使用单位,对辊筒的质量和加工精度要求都非常重视。辊筒的技术要求如下。(1) 辊筒是在重负荷条件下的工作,它应有足够的刚性,长期在高温条件环境中不变形;辊筒的工作面在压延制品时,其挠曲变形应最小。(2) 辊筒的制造材料 采用普通冷硬铸铁(代号LTGP)或合金冷硬铸铁(代号LTGH)。铸造毛坯时,用离心浇铸法铸造成型,即能保证辊筒的内孔与外圆工作面有较好的同心度;同时,壁厚也较均匀,气孔的出现也会减少许多。目前,国外也有用合金钢锻造或铸钢成型辊体毛坯,这对提高辊筒的刚性,减轻辊体质量有利,但是,这种辊筒造价高,在压延含有增塑剂塑料制品时,熔料容易附在辊上、操作难度较大。(3) 辊筒的机械加工 应分粗加工和精细加工工序。粗加工时各部加工余量按表2-1规定。辊筒轴颈与不加工内表面同轴度允差按表2-2规定。精加工后辊筒工作面的集合形状精度尺寸应严格要求。工作表面的粗糙度R应不大于0.2,表面不许有气孔、裂纹及压痕等现象。辊面应耐磨、耐腐蚀。白口深及表面硬度应符合GB970988标准规定(见表2-3)。表2-1 辊筒机加工(粗加工)后的精度余量 单位:部位余量偏差长度余量长度公差工作面310轴颈510表2-2 辊筒轴颈与不加工内表面同轴度允差 单位:辊筒工作面直径250250500允差值581012表2-3 辊筒机加工后工作面白口深度及表面硬度 辊筒直径/250白口深/工作表面硬度普通冷硬铸铁(HS)合金冷硬铸铁(HS)轴颈表面硬度普通冷硬铸铁(HS)合金冷硬铸铁(HS) 机械加工后,辊筒工作面的冷硬层应不大于辊筒壁厚的1/2;外径对应达到GB180179、GB180279、GB180379等公差为1T13以上。要尽量按上述偏差值加工,以备使用中的修磨。(4) 辊筒的工作面壁厚应均匀一致,工作时不允许有较大的偏重现象。(5) 辊筒工作时,工作面的温度应均匀,各点温差应不超过(辊筒结构形式为空腔时)。(6) 辊筒的轴颈部位安装轴承处,可用钢套结构。(7) 为避免应力集中,各轴径过渡处应采用圆弧过渡。(8) 辊筒结构应尽量简单,容易加工,造价低。(9) 辊筒的机械性能 铸造辊筒体的灰口部分抗拉强度不低于180MP,抗湾强度不低于360M P。铸造辊体用冷硬铸铁的熔炼化学成分应符合GB970988标准规定。(10) 对于辊筒缺陷的规定如下。 不许存在裂纹。 辊筒的非工作表面允许有直径2以下气孔、砂眼,数量不超过3个。 辊筒工作表面不允许有气孔、砂眼和缩松等现象。2.1.2辊筒的结构 辊筒的结构形式,从外表看形体都是一样,基本上是一种形式。如果从辊体的加热空腔形状可分为空腔式辊筒和多孔式辊筒。(1)空腔式辊筒 辊筒的结构采用空腔式,他是最早应用的一种结构形式。空腔的内径一般是辊筒工作面外径尺寸的倍。这种结构形式辊筒,主要适合于用蒸汽加热辊筒,在辊筒的一端,开有轴孔与辊筒体内腔相通,有蒸汽管通入加热辊;同时,还有冷凝水、蒸汽的排出管;辊筒的另一端通孔用盲板封住。由于载热体蒸汽是从辊筒的一端输入和排出,所以,辊筒的工作面温度总要有些温差。由于受蒸汽压力的限制,一般辊筒的加热温度不超过190。 为了保证辊筒的压延工作强度和刚性,辊筒的壁厚要保证有一定尺寸,使辊筒的加热空腔直径变小,则辊筒的加热面积变小,增加辊筒升温加热时间。由于辊筒的壁较厚,要想降低辊筒的温度,速度也应较慢。辊筒工作面上的温度差也比较大。综合上述条件,我们可以想象:对这种辊筒的工艺温度控制,难度比较大。 空腔式结构辊筒一般多用于对聚氯乙烯薄膜和人造革等塑料制品精度要求不高的产品。 为了提高辊筒的工作面温度和缩小工作面各部位的温度差,把蒸汽加热辊筒的方式改为用耐高温的导热油作为导热介质,再用绝缘电热管加热导热介质油再用泵循环载热介质油加热辊筒,这种加热传导方式使辊筒的加热升温速度快,各部位的温度差也缩小许多,基本趋于温度均匀,使辊筒的工作面温度可达200。这种用导热介质油给辊筒加热升温的方法与蒸汽加热辊筒比较,既改善了工作环境又降低了塑料制品的加工成本。(2) 工作面圆周钻孔式辊筒 在辊筒的工作面圆周,灰口铁部位均匀等分排列钻孔,如图2.1(下)形式, 图2.1 辊筒的结构形式(上)空腔式 (下)多孔式 孔的直径一般在30左右。这种结构形式的辊筒增加传热面积,而导热介质流经的孔径截面小、流速快、热损失小,使传热速率提高,辊筒的工作面 升温快。由于导热孔分布均匀,使辊筒的受热升温也均匀,则各部位的温度差也小。这样,保证塑料制品成型工艺对温度要求均匀的条件,这也就保证产品质量的稳定性。圆周钻孔式辊筒的加热介质,可用导热油作为加热介质,也可用热水加热辊筒,辊筒的加热温度可达220以上。通常情况下,当生产软质塑料薄膜时,多采用过热水加热辊筒;而生产硬质的聚氯乙烯透明片时,多采用导热体用导热油作为导热介质方式加热辊筒。圆周钻孔式辊筒的工作面温度操作控制调整都比较灵活、方便,升温和降温速度比较快。这种形式辊筒的工作强度和刚性都比空腔式辊筒高许多。但是,这种多孔式辊筒的直径小,而长的孔径加工非常困难,提高了辊筒的制造费用。2.1.3机架体压光机的机架体是支撑和固定压光机组成零件的一个框架,像压光机中的辊筒、辊筒轴承、调距装置、轴交叉装置等各主要零件都固定在机架体上或在机架体内滑动及转动。机架体是压光机的组成关键零件:它由机架、机座和连接横梁等主要零件组合在一起,由螺钉连接固定,形成机架体。它有足够的强度及刚性以保证辊筒及各零件在机架体上正常工作。机架体的结构形式,按组成压光机的辊筒数量和辊筒的排列方式的不同,其结构形式也各不相同。机架体中各零件为了减轻质量,多数都设计成为空心结构,内有加强筋来提高其支撑强度和刚性。组合连接固定平面经机械加工,边面粗糙度R不大于2.5。机架上的轴承窗孔是为安装辊筒轴承座而设计,宽度尺寸要大于辊筒直径的,用来安装辊筒时通过辊筒安装的辊筒轴承。窗孔的两侧平面在机加工时,其平行度和与底平面的垂直度一定要严格保证。精细加工后,其表面粗糙度R不大于2.0。机架体中各零件一般多用HT350灰铸铁铸造成型。特殊情况也有用铸钢或球墨铸铁铸造成型。2.1.4辊筒轴承辊筒轴承与辊筒两端轴颈采用滑配合或用滚动轴承配合,用来支撑辊筒的转动工作。辊筒轴承装配在机架体的轴承窗框内,在压延系统中,它是支撑辊筒转动工作的重要零件。目前,国内压光机生产厂制造的压光机,辊筒轴承都是采用滑动轴承。进口的压光机辊筒轴承多数采用滚动轴承。辊筒轴承的工作环境非常差:即要承受辊筒很大的转动工作负荷,又要在很高的温度环境下长期工作。为了能保证辊筒轴承的长期工作,对辊筒轴承的设计提出以下几点要求。(1) 要有足够的强度和刚性,承受辊筒的工作负荷,使其有较长的工作寿命。(2) 在高温条件下工作要求传热性能要,受热膨胀系数小;保证工作时轴承的散热与辊筒轴颈的配合间隙。(3) 轴衬与辊筒轴颈间的摩擦系数要小,使其工作时的功率消耗较小,注意选择轴衬用较好的减摩材料制造。(4) 为了保证辊筒轴颈与轴承衬间有较好的润滑,轴颈与轴承衬的配合间隙及润滑注入油孔的位置选择非常重要。在开油孔和装配轴衬时要特别注意这一点。滑动轴承中的压盖、挡油环和密封圈主要是用来防止有一定的循环润滑油在轴衬部位外流。装配时密封压盖的压力和密封圈的压力要适当,以循环油的最少泄漏为准,不要以为压力越大越好,那样会加快密封件的磨损。密封件是易损件,压光机生产后要有足够的备件,漏油严重是要及时更换。辊筒的轴颈部分采用滚动轴承支撑转动,用于高速运转时的要求精密度较高的压光机中,应用越来越广泛。目前,国内引进的压光机基本上都在应用。其工作优点是:滚动轴承支撑辊筒轴颈转动,由于辊筒轴颈与支撑体没有相对运动,而使轴颈没有磨损现象出现。从而减小轴颈转动的摩擦阻力,降低动力消耗,使滚动轴承的工作寿命延长。因此,减少维修次数,也降低维修费用,对制品的质量保证有利;同时。也提高制品的质量,产品的厚度最小可达0.03。但是,高精度的滚动轴承制造精度要求高,造价高,设备投资比较大。2.1.5滚筒间距的调整装置为了能适应不同压延制品厚度要求的需要,压光机的辊筒间之间距离应能进行移动调整。在三辊压光机中,号辊固定,号、号辊筒能上下移动调整距离。在四辊压光机中,号辊筒固定不动,而其他3个辊筒可以移动调整距离。对于辊筒调整距离用装置的条件要求如下。1.调整装置的传动结构应紧凑,占地小。2.轴承体的调整移动应平稳,为节省调整时间,应分快、慢速移动轴承体。3.为避免调距时两工作辊面接触,擦伤辊面,应设有辊筒移动限位开关。4.辊筒的调距工作可两端同时进行,也能单独一端运行调整。第三章 辊筒挠度的补偿措施及可控挠度技术从压光机成型塑料制品过程中我们知道,辊筒压延物料使其伸展成薄形制品,主要是辊筒对物料的压延力作用的结果。工作时,辊筒要受到物料企图把对它的碾压力分开的反力作用,这个分开力对辊筒而言,就是辊筒对物料的横压力。由于物料在整个辊筒工作面上受压,所以,这个横压力也就分布在整个辊筒工作面上。辊筒横压力大小受多种因素影响:如工作时两相邻辊距的大小、被碾压物料的性能、辊筒直径与工作面长度的变化、运转速度、加料方式及辊筒的排列形式等,对辊筒的工作横压力都有影响。辊筒产生横压力的计算对上述影响的参数选择比较复杂,其计算结果的准确性、误差也比较大,故我们不详细介绍。但是,我们从生产实践中知道,辊筒工作横压力受到物料的反压力作用,会使辊筒沿整个工作面产生微小的变形。这个变形量在辊筒工作面中点部最大。我们称这个变形量为辊筒的挠度。辊筒压延制品成型工作中产生的挠度对制品的质量影响很大,如图3.1的示意图,使制品呈中间厚两边薄的现象。为了改进制品质量,补偿辊筒产生挠度对制品质量影响,技术人员设计出辊筒的中高度补偿法、轴交叉补偿法和预负荷补偿法。图3.1 辊筒挠度对制品质量影响示意图()无横压力作用时,两相邻辊筒的理论间隙;()在横压力作用下,两相邻辊筒的实际工作间隙3.1常用的辊筒补偿措施3.1.1中高度补偿法根据辊筒工作时,受物料反压力作用的挠度变形状态如图3.1。我们把辊筒的工作面加工出其变形量的补加值:即中间略高,两侧逐渐缩小的腰鼓形工作面。在图3.1中,这个腰鼓形工作面的最大直径与最小直径之差即是这个辊筒的中高度。一般这个中高度值在0.020.06mm之间。 图3.2 理论想象出的辊筒中高度形状示意图在20实际50年代的三辊压光机中,我们只用这种方法补偿辊筒的挠度变形量。一般是把三辊中的第3号辊筒(即底辊)磨成有0.030.05mm中高度。目前,中高度在辊筒中的应用已不是唯一的辊筒挠度变形补偿方法,现在一般中高度与辊筒的轴交叉调整配合应用。在四辊压光机中,号、号、号辊筒都采用有中高度的辊筒。号、号辊筒的中高度值在0.040.06mm间,号辊筒的中高度略低些,在0.02mm左右。关于辊筒中高度的磨削加工、成型比较准确的挠度曲线加工是非常困难的,一般只是加工成近似的圆弧形。由于压光机底辊承受全部辊重和附加压力构成的工作载荷, 底辊将会发生弯曲变形即产生挠度; 而由于附加压力的存在, 顶辊也将会产生挠度。由此看来, 尽管设计压光辊时各辊均满足强度和刚度条件,但还不能满足造纸生产工艺的要求。因为任何弯曲变形都将带来辊子之间不同程度的缝隙, 从而造成辊子沿轴向在接触面上压力不均匀, 严重影响产品的质量。因此设法准确计算出底辊和顶辊在工作载荷的作用下辊面产生的弯曲变形(即相对挠度) 至关重要。3.1.2辊面相对挠度的计算压光机底辊工作时的受力分析如图1 (a) : 由于轴颈与工作辊面的截面惯性矩不同, 因此可把底辊看做变截面梁来研究, 辊面的相对挠度即变截面梁上C、D 两点与E 点的挠度差。由变形的对称性看出, 跨度中点截面E 的转角为零, 挠曲线在E 点的切线是水平的, 因此可以把辊面ED 部分看作截面E 固定的悬臂梁, 用截面法可求得截面D 的内力为剪力qb/2 和弯矩qb( l - b)/4 , 此时它们成了悬臂梁自由端的集中力和集中力偶。受力情况如图1 (b) 。用叠加法可求得悬臂梁自由端D 的挠度, 查表计算得:(1) 在均布载荷q 的作用下D 点的挠度f 1 = - qb4/128EI(2) 在集中力qb/2 的作用下D 点的挠度f 2 = qb4/ 48EI(3)在集中力偶qb(l - b)/ 4的作用下D 点的挠度f 3 = qb3(l-b)/ 32EI所以辊面上D 点与E 点的相对挠度f = f 1 + f 2 + f 3 = qb3(12l - 7b)/ 384EI式中l 压光辊两端轴承中心距, mb 工作辊面宽度, mE 辊面金属材料的弹性模量, PaI 辊面截面惯性矩, m4q 底辊辊面承受的均布载荷, N/mq = ( G1 + Gn + p)G 底辊辊体的重力, NGn 除底辊外各辊辊体与轴承座及附装在轴承座上刮刀等的重力之和, Np/ 2 作用在顶辊轴承座上的附加压力, N同理可计算出顶辊辊面的相对挠度:f= qb3(12l - 7b) / 384EI式中 E顶辊金属材料的弹性模量, PaI顶辊截面惯性矩, m4q顶辊辊面承受的均布载荷, q= p/ b ,N/ m3.1.3压光辊抗弯刚度EI 和EI的确定由于各压光辊的配料成分和铸造条件有差异, 辊面冷硬层的厚度也不一致, 各辊体的弹性模量不可能完全一样; 而公称的辊体截面惯性矩与实际值之间也存在一定误差, 因此按理论方法计算压光辊的抗弯刚度时, 其结果将会产生10 %左右的误差。压光辊的抗弯刚度可由测取其在集中载荷作用下产生的挠度来计算。如图1 (c) , 在已装配好的底辊的中心横截面及两端面处装设3 个千分表, 测头自下向上地在铅直平面内顶在辊面上并调整到读数为零。在底辊和第二辊间正中部位垫一块木板, 使作用在底辊上各辊的重力和附加压力变为集中载荷施加于底辊的中心横截面上, 木块的宽度应不小于150200mm, 以免损伤辊面,木块还应表面光滑、厚度均匀。在顶辊轴承座上每侧分别施加附加压力p/ 2 , 此时作用在底辊正中间的集中载荷Q = Gn + p 。底辊在Q 的作用下产生的挠度可由3 个千分表上读数来求得, 正中千分表上的读数减去两端千分表读数和的1/ 2 (即其平均值) 所得之差就是底辊在集中载荷下的挠度f 表。在集中载荷作用下底辊的受力分析如图1 ( d) 。为便于计算, 可将其简化成图1 (e) 所示的悬臂梁并用叠加法求得其自由端的挠度:f 集= Qb3/ 48EI + Qb2( l - b)/ 32EI= Qb2 (3l - b)/ 96EIf 表= f 集底辊的抗弯刚度EI = Qb2 (3l - b) / 96f 表同理把3 个千分表装到顶辊的上方, 在顶辊两侧轴承上同时施加p/ 2 的附加压力, 读取各表的数值并计算出顶辊在集中载荷下产生的相对挠度f表。于是顶辊的抗弯刚度:EI= pb2 (3l - b) / 96f表3.1.4中高量的确定在实际生产中, 为弥补工作载荷作用下产生的弯曲变形, 将压光机底辊和顶辊做成中间直径稍大, 两端直径略小, 并由中间向两端过渡呈现腰鼓形的辊面, 这种辊称为中高辊, 以保证各辊间的压区产生均匀的线压。因此压光机底辊的中高量K = 2 f ; 顶辊的中高量K= 2 f。3.1.5计算结果的探讨根据上述研究, 影响压光辊中高量计算结果的因素有:1) 工作载荷1) 计算载荷q 和Q 时, 除各辊辊体的重力外还应加上轴承座和刮刀等的重力。(2) 由图纸或说明书提供的各辊重力的理论值与实际辊重存在误差, 因此在计算底辊的挠度f 时应准确称量各辊体、轴承座和刮刀等的重力。2) 抗弯刚度(1) 压光辊的挠度仅与工作辊面的抗弯刚度有关, 而与轴颈的抗弯刚度无关。(2) 因为客观因素复杂,用千分表测量压光辊在集中载荷的作用下产生的挠度时不可避免地产生误差。为了获得更准确的抗弯刚度EI 和EI,可采用多次加载读取挠度,或将压光辊转90然后加载读取挠度,计算出每次加载的EI 值和EI值。根据统计理论:多次测量同一物量时,所得各次数据的算术平均值为最优值。3.1.6 结论1)在选定的工作载荷作用下, 压光机底辊和顶辊分别对应产生一个挠度, 因此根据计算挠度研磨出的中高辊应该在这个选定的工作载荷下运行, 才能保证压光机各压区产生均匀的线压。2) 压光机底辊是否在设计中高下工作可以采用装千分表的方法来检查, 用安装好的上辊对底辊施加工作载荷, 此时底辊千分表读出的挠度应为(Gn +p) b2(12l - 7b) / 384EI。3)当底辊中高量不适应生产的要求时, 可通过调整工作载荷的方法加以补救, 即当中高量过低时减轻工作载荷, 而当中高量过大时增加工作载荷。4) 将压光机底辊装在轴承座上, 然后直接用安装的千分表读取其在工作载荷作用下产生的挠度, 并据此作为确定底辊的中高量的方法是不准确的。因为在工作载荷的作用下底辊发生了弯曲变形, 辊面的受力状况较复杂(既不是均布载荷, 也不是集中载荷) 。所以也就不能以此作为计算其挠度和刚度的依据。3.1.7缺点分析由于上述分析计算是在固定载荷下分析计算的,且以次为依据加工后的压光机辊面具有固定的中高和挠度曲线。而在生产实践中载荷大小取决于产品,是变化的。因此一旦载荷发生变化,加工好的压光机辊面便不在适应新的生产需要,辊面便需要重新研磨,这样不经济也不实际。所以此磨中高的方法有很大的局限性。此外,即使设计的压光机只在特定的载荷下工作,磨中高的方法依然存在不足。原因如下:1) 由于计算公式的简化、辊体材料的不均和截面尺寸的变化等造成的中高量计算误差(约数十微米) ,中高曲线和挠度曲线间的误差(最大可达1020m) ,以及中高曲线的实际加工误差(约1040m) ,叠加后,总误差可能接近、甚至超过被压光材料的厚度。2) 辊面加工形位误差。压光辊属大型加工部件,辊面精磨后,其母线不直度误差可达到1040m ,径向跳动量可达到1020m ,与被压光材料的厚度相比,占有较大的份额。3) 辊面温度变形误差。压光辊在工作时,因发热、散热不均,辊面的温度在横向上会产生一定的变化,当辊面横向温差为10 时,辊面半径的温度变形误差就可达到17. 045. 0m ,对材料压光整饰的效果也有较大的影响。4) 接触表面局部挤压变形误差和不均匀磨损。由于辊面的硬度不均,可造成压光辊接触表面局部挤压变形误差,使辊间压强发生变化,经过一段时间的工作后,也可产生辊面局部不均匀磨损,影响材料横向压光整饰的均匀性。上述各项误差在压光机上是同时存在的。它们联合作用所造成的综合误差将大大接近甚至超过被加工材料本身的厚度,导致辊间线压力横向分布的极大差异,部分区域甚至加不到压。综上所述磨中高的方法一般用于对加工精度不高且被材料本身厚度较大的场合。 3.2 轴交叉补偿法用辊筒的轴交叉法补偿挠度变形量,就是把两相邻辊筒,以其工作面的中心为轴心,旋转一个角度(一般在1以内)使两辊筒的轴心线成空间交叉状态如图3.3形式。调整辊筒轴心线交叉后的间隙,如图3.3中点部位间隙为原两相邻辊筒的间隙值,沿辊筒工作面向两端的间隙,是逐渐增大。图3.3 相邻辊筒的轴交叉几间隙变化示意图图3.33 辊筒调整轴交叉后的间隙放大值示意图从图3.33中我们看到,相邻两辊筒交叉后的间隙分配正好与辊筒的挠度变形曲线相反。辊筒轴交叉法的应用,就是把这两个变形值叠加起来,使辊筒挠度变形对制品产生中间厚、两边逐渐变薄的横截面状态并变成中部和两端略厚,而靠近中部的两侧稍薄些,侧制品的横截面厚度偏差值小于没有轴交叉时的制品厚度偏差,起到了补偿或改善辊筒挠度变形对制品的影响。由于辊筒的轴交叉法和中高法的结合应用,对压延制品的质量,即横截面厚度偏差的改进效果明显,所以,目前这种方法应用较多。对轴交叉的应用,提出以下几点注意事项:1.轴交叉装置设在辊筒的轴颈两端,要同时调整使用;2.轴交叉调整前,两相邻辊筒的工作面间距要相等,轴交叉移动与辊筒调距移动方向垂直;3.调整移动两端轴交叉时,是以辊筒的工作面中点为轴心转动,调整两端的轴线交角相等;4.辊筒处于工作状态时(即压延物料时),不允许只一端进行轴交叉调整,避免损伤零件;5.调整轴交叉角度行程部位,要设置限位行程开关,控制行程量,保证机件安全。轴交叉装置的结构形式较多:有球形偏心轮式、斜块式、液压式和弹簧式等,虽然它们的结构形式各有也点,但功能作用相同。通过不同的传动方式,使两相邻辊筒间形成一个交叉角度,以改善由于辊筒的挠度变形对制品质量的影响。3.3 预负荷力补偿法预负荷力补偿法,由其名称中可以想象到就是在辊筒没有开始对塑料实行压延工作时,即没有产生挠度变形前,预先给辊筒一个与其工作压延时的负荷相反的力,使其预先变形方向正好与辊筒压延制品时引起的挠度变形方向相反;这样,两个作用相反的力可以抵消一部分,起到补偿辊筒工作时的挠度变形量的作用。用预负荷力来补偿辊筒的工作挠度变形量,不能无限制的增大。经验数据是:以辊筒在预负荷力作用下,挠度变形以下不超过0.07mm为准。因为过大的预负荷力,使辊筒轴颈的受力状况影响极坏。通常对辊筒施加的预负荷力,以使辊筒轴颈实现“零间隙”为止。辊筒轴颈与轴衬的间隙是为了保证两零件间相互摩擦运动时的润滑条件。正常工作时,轴颈在轴衬内呈浮动状态,这种状态对制品的质量有一定的影响。为了提高或改善制品的质量,把辊筒轴颈固定在某一位置,即称其为“零间隙”。能实现这项工作的装置,我们叫它为拉回装置。辊筒挠度变形补偿方法目前以用中高度法和轴交叉法相结合方式最多。对于用预负荷来补偿辊筒的挠度变形量应用比较少些。我们认为,在生产压延较薄的塑料制品时,应用拉回装置,其作用对薄形制品的质量保证有利。3.3可控挠度技术在上文中,我们详细探讨了如何计算中高以及磨中高的缺点,理论和实践都证明磨中高这种原始的方法已经不能满足现代需求了,开发和研究新的理论和方法是时代的要求与需要。为保证压光设备的良好工作,必须在压光机内设置能在工作中在全部幅宽上能大范围精密调节辊间线压的装置(调节精度达到110m) ,用以抵消各项误差和应力变形的作用。目前在压光机上成功使用的这种辊间线压调控装置有可控挠度底辊、顶辊和加热辊面用的分区控制热风装置两类。3.3.1可控挠度技术简介材料横幅厚度控制技术既可控 技术技术在过去10年中有了长足的进展。如Kuesters BELOIT 公司生产的可控中高浮动辊( Swimming Roll ) 、分区可控中高辊( HYDRO VARIO Roll) 及单元件可控中高辊(MUL TI HVRoll) 均可控制辊子的挠曲变形。浮动辊,其液压装置不但可调整辊子中高度,使其与匹配辊始终密切吻合, 而且还能润滑轴承, 保持油温恒定, 即保持中高辊温度恒定, 消除了温度变化的不良影响。浮动辊外壳仅需磨光而无需磨成中高, 磨削量在0.11mm 以内即可, 简化了辊子研磨工艺, 降低加工成本, 压光辊由原来每3 个月研究磨一次延长至每半年研磨一次, 延长了辊子使用寿命。新研制的单元件可控中高辊(MUL TI HV- Roll) 可使用户在不增加设备的前提下对宽幅和窄幅压光机的横幅厚度进行校正。这种辊子的设计是根据技术成熟的分区可控中高辊(HV - Roll) 的原理,不同的是每个加压元件单独控制。线性全幅调节量的大小不受平均线压影响,可在任意所需位置包括辊边对压区压力进行增大或减少的修正。可控挠度辊应用为压光设备建立了辊间间隙和线压力横向分布的调控手段。这些装置除各自配有液压、电气控制系统(分区可控挠度辊和全幅可控度辊还配有计算机系统,可仿真显示辊间间隙和线压力的横向分布图形,并进行自动控制) 外,还可与在线巡回检测仪表和计算机自控系统连接,实现压光整饰指标(如厚度等) 的闭环自控。3.3.2分区控制热风装置在硬压光机上装设分区控制热风装置可实现压光辊间间隙和线压力的细分区、高精度调节。如美国英沛公司( Impact ) 生产的这一种装置分区宽度有3( 76.2mm) 和1. 5(38. 1mm) 两种,控制精度可达到1m ,加热装置的容量为4666kW/ m。我国某造纸厂使用该装置后,纸张的横向厚度误差从10 %12 %下降到2 %3 % ,效果显著。分区控制热风装置和可控挠度辊一样各自配有液压、电气控制系统外,还可与在线巡回检测仪表和计算机自控系统连接,实现压光整饰指标(如厚度等) 的闭环自控。3.3.3 浮动辊的工作原理浮动辊适用于任何在变更负载条件下需要获得稳定均匀压区压力的场合,而且效果较好也比较经济实用。因此在现阶段应用比较广泛,有必要在此作详细探讨。3.3.4结构浮动辊由固定不转的芯轴以及绕它旋转的中空外壳(无中高) 组成, 在外壳内部和芯轴之间还装有轴向密封和端面密封, 与匹配辊相接触的内室为工作压区压力室(简称压力室) , 而相对应的内室为回油室。3.3.5工作原理如图3.4 所示, 油泵1 通过过滤器13 将油箱中的油吸入, 并压送到浮动辊系统。沿途流经液压止回阀2、粘度阀3、节流短管E、溢流阀4、冷却器5、流量开关6、油过滤器7, 进入浮动辊压力室, 由压差调节阀8 控制流入回油室到油箱。油在压力作用下进入浮动辊压力室时,在芯轴和外壳之间形成作用力, 其大小与油压成比例, 使外壳产生挠曲, 直至与匹配辊表面相吻合, 而油压又随压光机外加负载的变化而变化。溢流阀4 的压力根据负载的大小来调节,浮动辊的挠曲状态则由压差调节阀8 来完成。图3.4 (a) (b) (c) 为辊子挠曲的夸张状态, 为了正确调整匹配辊, 使其靠近浮动辊压力室的中心线, 浮动辊压力室应朝上。当压差调节阀未加压时, 浮动辊压力室无油压, 匹配辊端部(纸边以外) 受外力作用(端部效应) , 其外壳和芯轴都向和匹配辊相反的方向挠曲(负挠曲) , 致使纸幅横向压区压力不等(中间厚)(见图3.4a)。当通过压差调节阀向压力室加压时, 芯轴和外壳之间的作用力使外壳变平而芯轴挠度增大(见图3.4b) , 虽然压区压力分布比图1a 有所改善, 但由于匹配辊的挠曲, 压区压力分布仍不相等。如进一步提高压力室压力, 浮动辊外壳将出现正向挠曲。继续增加油压直至外壳挠曲与匹配辊的挠曲相吻合, 此时便获得了均匀的压区压力(见图3.4c)。在这种情况下,当仅有匹配辊自重线压时压区压力是匹配辊及其轴承(包括安装在轴承上的其它附件, 如刮刀) 的重量的函数, 如有外加负载, 其压区压力除了上述重量外, 还需加上附加负载。3.3.6工作保护超压保护当浮动辊油压超压, 浮动辊挠曲状态超过工作范围时, 安装在机架上的滚子操作弹簧复位方向阀(简称复位阀) 18 的顶杆离开匹配辊轴承壳接触点, 复位阀处于断气状况, 压差调节阀全部开启从而卸压。相反, 若顶杆接触时,复位阀通气, 通过压差调节阀向浮动辊加压。低流量保护通过与压光机传动系统相联锁的流量开关6 来实现低流量保护。当油的流量低于额定工作范围时, 流量开关6 动作, 操作台指示灯亮显示故障, 一旦故障过程超过时间继电器的延迟时间, 因它与压光机联锁而停止传动马达, 起到保护设备的作用。3.3.7油位保护当油箱液位低于报警点时, 油位开关10 动作, 操作台指示灯显示故障, 同时, 与之联锁的继电器断开电加热器11 和冷却水电磁阀9的电源, 防止油过热或过冷或断油而出现危险。3.3.8油温控制浮动辊系统油流量的变化主要受油粘度的影响, 而影响油粘度变化的主要因是温度。由于该系统对油流量的稳定要求高, 因此控制油温很重要。操作人员过温控器12 将油温调节在工作范围之内。油温过高, 温控器12 接通与电磁阀相联的继电器, 电磁阀动作, 开启冷却水冷却, 同时断开与加热器11 相联的电器, 切断加热器电源。相反, 则切断电磁阀9 电源, 关闭冷却水; 接通加热电源加热液压油。图3.4浮动辊液压控制及其工作原理132L/min 油泵+ 3kW 电机; 2液压止回阀; 3粘度阀;4溢流阀; 5冷却器; 6流量开关; 7、13油过滤器;8压差调节伐; 9常闭二通电磁阀; 10油位开关;11加热器; 12温控器; 14气源; 15分水过滤器;16、17减压阀; 18滚子操作弹簧复位方向阀;19、20压力计; E节流短管3.3.9 浮动辊的液压控制浮动辊的挠度受液压系统控制单元控制,压力室内稳定均匀的压区压力主要由溢流阀4、粘度阀3、压差调节阀8 这三大元件来实现(见图3.4) , 而压差调节阀的动作又由气压控制来完成。3.3.10浮动辊挠度的比例控制工程中虽然经常要限制弯曲变形, 但在另外一些情况下, 常常又利用弯曲变形达到某种目的。压光机正是通过使各辊吻合密切的浮动辊的中高(最大挠度) 来实现材料的压光效果。作用在浮动辊上的压力可以认为是匹配辊的自重(含轴承及刮刀重量) 外加负载叠加作用新形成的均布负载q (线压力) , 其大小与压力室内压区压力P 成比例关系。浮动辊外壳可简化为固定在二支点上的梁(下图所示) , 其正向挠曲轴线方程为: 当时,辊壳的最大挠度(中高)为 (3.1)式中: P 浮动辊内压区压力(kgf/cm2) ;d 浮动辊外壳内径(cm ) ;q 匹配辊自重及外加负载在辊面幅宽上的均匀线压力(kgf/ cm2) ;L浮动辊外壳长度;E浮动辊外壳弹性模量;I浮动辊外壳惯性矩。从式(3.1) 可以看出, 适当选用液体介质的压力, 很容易补偿匹配辊的负荷, 使之与作用在辊壳母线上的线压力成线性比例关系,从而使各辊壳母线间的挠曲吻合密切(见图3.4c)。用这种状态的辊壳作压光机的底辊、超级压光机的顶
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