蘇雄波 楊 軍 侯順利

(陜西科技大學(xué)陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021)

基于有限元法的紙機(jī)壓榨部機(jī)架機(jī)械性能分析

蘇雄波 楊 軍 侯順利

(陜西科技大學(xué)陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021)

利用有限元分析的方法，對(duì)壓榨部機(jī)架及加壓臂的機(jī)械性能進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)機(jī)架和加壓臂的靜力分析，得出在靜力載荷作用下機(jī)架及加壓臂的變形及應(yīng)力分布，校核了機(jī)架和加壓臂的靜力剛強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)機(jī)架的模態(tài)分析，得到機(jī)架的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，提出了模型機(jī)架的最適宜運(yùn)行車速為880 m/min，并通過(guò)對(duì)模態(tài)頻率分布的分析，提出在一階模態(tài)頻率后還有600 m/min的提速空間。

有限元分析;壓榨部機(jī)架;靜力分析;模態(tài)分析

造紙工業(yè)在國(guó)內(nèi)外都被列入國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要支柱產(chǎn)業(yè)之一。20世紀(jì)90年代后期，我國(guó)造紙工業(yè)步入高速發(fā)展時(shí)期，造紙工業(yè)技術(shù)裝備整體水平也不斷提高。寬幅、高車速、高效率，仍然是近10年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。壓榨部的主要作用是用機(jī)械擠壓的方法降低濕紙幅的含水量，以提高紙幅進(jìn)入干燥部的干度。壓榨部的脫水沿紙幅的幅寬上應(yīng)該是均勻的。紙幅有局部過(guò)干或過(guò)濕現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生紙幅局部的過(guò)于干燥和壓潰的現(xiàn)象［1］。壓榨部在工作過(guò)程中機(jī)架及加壓臂上作用了較大的工作載荷，對(duì)于大輥徑壓榨，其線壓力為100～400 kPa/m，而靴壓則更高達(dá)1000 kPa/m以上，且線壓力的增大隨著幅寬的增加尤其明顯。同時(shí)，車速的不斷提高使得壓榨輥轉(zhuǎn)速增加，壓榨輥由于加工或安裝精度產(chǎn)生的偏重構(gòu)成了對(duì)機(jī)架主體的高頻激振［2］。若激振頻率與機(jī)架自身頻率一致，則會(huì)產(chǎn)生共振導(dǎo)致劇烈的變形，使得壓榨輥兩端施壓不均，造成紙幅橫幅脫水不均，紙幅過(guò)于干燥或壓潰，并容易為后續(xù)的加工帶來(lái)斷紙等故障。本文利用大型有限元分析軟件ANSYS，對(duì)干燥部機(jī)架及加壓臂進(jìn)行三維有限元分析。通過(guò)分析得出機(jī)架和加壓臂在載荷作用下的應(yīng)力及變形分布情況。并利用動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析，研究機(jī)架的各階固有頻率及模態(tài)振型，探討壓榨部機(jī)架適宜的車速范圍和車速提高的可能性，為壓榨部的設(shè)計(jì)制造提供參考。

1 紙機(jī)壓榨部機(jī)架有限元建模

1.1 壓榨部機(jī)架及加壓臂三維CAD建模

紙機(jī)壓榨部主要由壓榨輥、壓榨網(wǎng)毯、導(dǎo)輥、校正張緊裝置、加壓臂、機(jī)架和加壓及傳動(dòng)裝置等組成。對(duì)于一般的壓榨，工作時(shí)由汽缸或加壓墊等通過(guò)加壓臂將載荷作用在上壓輥上，在上下壓輥間構(gòu)成橫幅均勻的壓區(qū)。下壓輥通過(guò)軸承座固定在機(jī)架上。本文以幅寬5500 mm的掛面箱紙板機(jī)干燥部為研究對(duì)象，壓榨形式為盲孔寬壓區(qū)壓榨。采用AutoCAD作為三維建模工具，建立機(jī)架的三維模型，如圖1所示。該紙機(jī)壓榨部采取門式機(jī)架，為了便于安裝及拆卸，機(jī)架分為上、下兩部分，中間采用螺栓連接。上下機(jī)架只在更換壓榨輥或者檢修時(shí)才拆分。加壓臂作為壓榨部重要的載荷施加元件，其靜強(qiáng)度和剛度對(duì)壓榨部的運(yùn)行性能有重大影響，因此本文對(duì)加壓臂進(jìn)行了分析。建立加壓臂的三維模型，如圖2所示。

1.2 壓榨部機(jī)架及加壓臂有限元建模

將AutoCAD建立的模型導(dǎo)入ANSYS中，考慮模型結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，直接采用實(shí)體單元，選擇單元類型為SOLID45，該單元是三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元［3］。根據(jù)機(jī)架的加工及工況，在建立有限元模型前，進(jìn)行以下假設(shè)。

(1)連續(xù)性假設(shè):機(jī)架各梁采取焊接連接，各梁焊接后可視作一個(gè)整體，受載后應(yīng)力變形符合連續(xù)性要求［4］。

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化:對(duì)于機(jī)架上的對(duì)整體力學(xué)效果作用不大的結(jié)構(gòu)，比如凸臺(tái)，倒角等皆進(jìn)行簡(jiǎn)化，以減少計(jì)算工作量［5］。

(3)固定約束假設(shè):機(jī)架底板與基礎(chǔ)之間采用螺栓連接固定，螺栓連接限制了x、y、z方向的自由度，即機(jī)架底板為剛性約束［6］。

設(shè)定材料屬性彈性模量EX=200 GPa，泊松比PRXY=0.3，材料密度Dens=7.8×103kg/m3。利用Mesh Tool，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用自由網(wǎng)格劃分Smart Mesh得到機(jī)架和加壓臂的網(wǎng)格化模型，如圖3和圖4所示。

1.3 邊界條件及載荷

機(jī)架的底板采用螺栓固定在紙機(jī)基礎(chǔ)上，同時(shí)由于壓榨部工作狀態(tài)下載荷極大且極易產(chǎn)生震動(dòng)，在壓榨部進(jìn)行安裝時(shí)，機(jī)架底部采取了高強(qiáng)度的固定方式。因此對(duì)于機(jī)架的底板施加約束時(shí)，采用零位移約束，即認(rèn)為機(jī)架底板是剛性固定在基礎(chǔ)上的，x、y、z 3個(gè)方向均無(wú)位移。對(duì)于機(jī)架其他部分，x、y、z 3個(gè)方向均不施加任何自由度約束。分析加壓臂工作時(shí)的路徑，由于前后鉸孔帶來(lái)的在z向自由度的約束。因此對(duì)于加壓臂，進(jìn)行分析時(shí)對(duì)它施加z向自由度和位移約束。分析壓榨部的受載情況，在上下壓榨輥的安裝位置上，壓榨輥通過(guò)軸承座固定。軸承座與安裝處接觸面較大，即載荷可視為壓力載荷作用。本文研究對(duì)象為幅寬5500 mm的掛面箱紙板機(jī)壓榨部機(jī)架，該紙機(jī)壓榨部配置為兩道寬壓區(qū)壓榨。壓榨輥直徑1500 mm，長(zhǎng)度6050 mm，壓輥及附屬件總重35 t。壓榨部設(shè)計(jì)線壓力為350 kN/m。加壓臂一端通過(guò)絞孔固定在機(jī)架上，另一段由加壓汽缸驅(qū)動(dòng)以完成加壓和釋壓動(dòng)作。壓榨部各部件受載情況如表1所示。

表1 壓榨部各部件受載情況

2 紙機(jī)壓榨部機(jī)架及加壓臂靜力學(xué)分析

2.1 壓榨部機(jī)架靜力分析

對(duì)機(jī)架的網(wǎng)格化模型施加約束和載荷后，利用ANSYS的靜力分析 (Static)模塊，得到在靜力載荷作用下的應(yīng)變分布情況，如圖5所示。同時(shí)，壓榨部工作時(shí)機(jī)架承受較大的載荷，因此對(duì)于機(jī)架的靜力學(xué)剛強(qiáng)度要求也很高。通過(guò)靜力分析，得出靜力作用下機(jī)架的應(yīng)力分布，如圖6所示。

根據(jù)靜力載荷作用下機(jī)架的應(yīng)變分布 (圖5)，可見(jiàn)在下壓輥軸承座安裝面上出現(xiàn)了較大的位移，即變形。這是由于上下壓輥的重量，以及壓榨時(shí)由加壓汽缸作用在上壓輥的壓力都最終作用在該安裝面，導(dǎo)致該處發(fā)生了下凹變形。在操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)的門式機(jī)架上，兩根立柱上應(yīng)變出現(xiàn)對(duì)稱分布的規(guī)律。具體應(yīng)變表現(xiàn)為由底部向頂部逐步減少，同時(shí)兩根立柱出現(xiàn)了一定程度的向內(nèi)側(cè)彎曲變形。這是由于在機(jī)架上部加壓臂及汽缸固定鉸孔處，都有較大的力作用，同時(shí)底部施加的是零位移約束，因此導(dǎo)致了立柱的內(nèi)彎變形。機(jī)架在靜力載荷作用下的應(yīng)變及應(yīng)力分布如表2所示。

表2 機(jī)架靜力載荷作用下應(yīng)變及應(yīng)力分布

由表2所示應(yīng)變及應(yīng)力數(shù)據(jù)可知，最大的應(yīng)變出現(xiàn)在門式機(jī)架底部下壓榨輥軸承座安裝面上，最大應(yīng)變值為0.2861 mm，而且應(yīng)變分布表現(xiàn)為由中間高峰向兩側(cè)均勻遞減的規(guī)律，如圖7所示。軸承座安裝面上出現(xiàn)的最大應(yīng)力為53.146 MPa，最小值為5.095 MPa，應(yīng)力分布與應(yīng)變分布具有相同的、由中間高峰向兩側(cè)均勻遞減的規(guī)律，如圖8所示。機(jī)架所有材料為碳鋼，其需用安全應(yīng)力為 ［σ］=200 MPa，遠(yuǎn)大于最大的應(yīng)力值，即該機(jī)架靜力強(qiáng)度滿足材料安全要求。同時(shí)最大應(yīng)變值為0.2861 mm，變形量極小，能夠滿足壓榨部對(duì)機(jī)械剛度的要求。

對(duì)于門式機(jī)架兩根立柱，在應(yīng)變及應(yīng)力分布上都表現(xiàn)出了較為一致的對(duì)稱性。最大的應(yīng)變和應(yīng)力都出現(xiàn)在立柱的中部，最大應(yīng)變?yōu)?.0954 mm，最大應(yīng)力值為29.526 MPa，在分布規(guī)律上應(yīng)變與應(yīng)力都是從底部向頂部首先經(jīng)歷一個(gè)小的增幅，然后呈線性地遞減，如圖9和圖10所示。

2.2 壓榨部加壓臂靜力分析

壓榨部工作時(shí)，汽缸驅(qū)動(dòng)加壓臂，通過(guò)上壓輥下壓使得上、下壓輥間的紙幅受到擠壓而實(shí)現(xiàn)紙幅脫水。因此，為了保證紙幅在橫幅方向的脫水均勻，要求在橫幅方向壓輥下壓壓力及下壓位移均勻一致。本案例壓榨部設(shè)計(jì)線壓力為350 kN/m，幅寬5500 mm，在如此大的作用力下，加壓臂的剛強(qiáng)度對(duì)于壓區(qū)的均勻性影響極大。因此分析加壓臂的靜力剛強(qiáng)度，有著重要的意義。對(duì)加壓臂施加約束及載荷后，得到其變形及應(yīng)力分布，如圖11和圖12所示。由圖11可知，加壓臂最大應(yīng)變位置為兩端鉸孔處，最大的應(yīng)變值為0.0474 mm，變形量極小。最大應(yīng)力位置為兩端鉸孔處，最大應(yīng)力值為7.431 MPa。由此可知，加壓臂的變形滿足壓榨部的運(yùn)行精度要求，且最大應(yīng)力值滿足機(jī)械安全要求。對(duì)于上壓輥軸承座安裝處，其應(yīng)變的一致性對(duì)于上下壓輥中線的平衡非常重要，由圖13所示應(yīng)變曲線可知，波峰波谷分布及數(shù)值變化相對(duì)對(duì)稱，即該面各處應(yīng)變較均勻。

3 紙機(jī)壓榨部機(jī)架動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析

現(xiàn)代紙機(jī)不斷向著高速寬幅的方向發(fā)展，壓榨部作為紙機(jī)中大載荷、高振動(dòng)、對(duì)成紙性能影響極大的關(guān)鍵部件，在高速運(yùn)行中表現(xiàn)出的動(dòng)力穩(wěn)定性是非常重要的。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每個(gè)模態(tài)具有固定的頻率、阻尼和模態(tài)振型。通過(guò)模態(tài)分析得出結(jié)構(gòu)物在某一受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)知結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或者內(nèi)部震源作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析及設(shè)備故障診斷的重要方法。通過(guò)對(duì)壓榨部機(jī)架的模態(tài)分析，可以得到其在不同頻段的振動(dòng)變形情況，即可得到對(duì)應(yīng)機(jī)架適宜的車速范圍。模態(tài)分析可以為紙機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。通過(guò)設(shè)定材料參數(shù)及對(duì)底板實(shí)施零自由度約束，得到前四階固有頻率及對(duì)應(yīng)模態(tài)振型最大變形量和最大應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型為圖14～圖17。各階模態(tài)的模態(tài)頻率、最大變形和應(yīng)力及對(duì)應(yīng)紙機(jī)車速參數(shù)見(jiàn)表3所列。

表3 壓榨部機(jī)架模態(tài)頻率及對(duì)應(yīng)參數(shù)

由表3所列壓榨部機(jī)架的前四階模態(tài)參數(shù)及對(duì)應(yīng)的運(yùn)行車速可知，本案例模型適宜運(yùn)行車速為低于1256 m/min的中低速紙機(jī)干燥部 (按照導(dǎo)輥直徑400 mm換算)［2］。理論上需要因?qū)л佫D(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的激振頻率小于一階模態(tài)頻率16.673 Hz時(shí)，機(jī)架不會(huì)發(fā)生共振。但實(shí)際操作時(shí)，運(yùn)行頻率一般控制在共振頻率的70%以下才安全，即對(duì)應(yīng)車速為880 m/min以下時(shí)機(jī)架不產(chǎn)生任何共振，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好。但是當(dāng)車速提高，導(dǎo)輥產(chǎn)生的激振頻率接近或達(dá)到16.673 Hz時(shí)，機(jī)架則發(fā)生共振。

由圖14所示一階模態(tài)振型，即共振下的變形應(yīng)變分布云圖可知，機(jī)架立柱上端發(fā)生強(qiáng)烈扭曲和擺動(dòng)，門式框架頂部變形較大。此時(shí)，機(jī)架的過(guò)量變形將嚴(yán)重影響上下壓輥間壓區(qū)的均勻和穩(wěn)定，影響成紙性能。此外，在高速下過(guò)量的變形也將影響壓榨輥及軸承的安裝精度，在高載荷和高車速運(yùn)轉(zhuǎn)下容易導(dǎo)致軸承發(fā)熱甚至過(guò)早損壞［7］。若繼續(xù)提升車速，則相應(yīng)的激振頻率也會(huì)提高。如以提升車速到2200 m/min為目標(biāo)，則壓榨部由開(kāi)機(jī)到達(dá)到目標(biāo)車速穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，需要經(jīng)歷4次共振，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型如圖14～圖17。這四階共振中，主要變形發(fā)生在機(jī)架上部，表現(xiàn)為橫向連接梁的扭曲與擺動(dòng)和門式框架立柱的擺動(dòng)。但是分析四階模態(tài)頻率分布，在第一階和第二階頻率間，存在600 m/min的速度差距，可以通過(guò)對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的調(diào)整使得壓榨部能平穩(wěn)快速地跨過(guò)一階共振，則車速還能有600 m/min的提升空間。

4 結(jié)論

利用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)壓榨部機(jī)架及加壓臂的靜力學(xué)性能及動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)機(jī)架和加壓臂的靜力分析，得出在靜力載荷作用下機(jī)架及加壓臂的變形及應(yīng)力分布，校核了機(jī)架和加壓臂的靜力剛強(qiáng)度，證明現(xiàn)有設(shè)計(jì)方式在靜態(tài)載荷作用下，能夠滿足壓榨部的工藝運(yùn)行精度和機(jī)械強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)機(jī)架的模態(tài)分析得到機(jī)架的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，并與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合提出模型機(jī)架的最優(yōu)化運(yùn)行車速為880 m/min。通過(guò)對(duì)模態(tài)頻率分布的分析，提出在一階頻率之后存在600 m/min的速度提升空間。研究結(jié)果可以為高速紙機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供理論依據(jù)，也可以為現(xiàn)有紙機(jī)的操作優(yōu)化和提速改造提供數(shù)值參考。

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Mechanical Analysis of the Frame of Press Section of Paper Machine Based on FEM

SU Xiong-bo*YANG Jun HOU Shun-li
(The Key Lab of Papermaking Technology and Specialty Paper Product Development in Shaanxi Province，Shaanxi University of Science＆ Technology，Xi'an，Shaanxi Province，710021)
(*E-mail:suxiongbo001@163．com)

Based on finite element method，mechanical property of the frame and the loading arm of press section was analyzed in this paper．The deformation and stress distribution of the frame and loading arm were obtained through the Static analysis，and the static loading stiffness was checked．Through modal analysis，the modal frequency and modal shape of the frame were obtained．The optimum operating speed(880 m/min)of the model fram was found．With the analysis of the modal frequency another speed-increasing space of 600 m/min was presented if the frame could run smoothly over the 1st sub step modal frequency．This research can not only provide a theoretical basis for the design and manufacture of high speed paper machine，but also offer numeric reference for optimizing the operation and speed increasing rebuilding of exist paper machine．

finite element analysis;frame of pressing section;static loading analysis;modal analysis

TS734+.4

B

0254-508X(2011)10-0042-05

蘇雄波先生，在讀碩士研究生;主要研究方向:制漿造紙裝備分析及研發(fā)。

2011-06-21(修改稿)

本課題得到陜西科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金的資助。

(責(zé)任編輯:馬 忻)