Текст
                    

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ” Посвящается 75-летию СПбГТУРП ТЕОРИЯ И КОНСТРУКЦИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ОТРАСЛИ БУМАГО- И КАРТОНОДЕЛАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области лесного дела в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 150405 (170400) аМашины и оборудование лесного комплекса” (специализации 170404 'Машины и аппараты целлюлозно-бумажной промышленности” и 170405 "Бумагоделательное машиностроение”) по направлению подготовки дипломированного специалиста 651600 “Технологические машины и оборудование ” Санкт- Петербург Издательство Политехнического университета 2006
УДК 676.056(075.8) ББК 35.77я73 Т338 Рецензенты: Заведующий кафедрой машин и оборудования целлюлозно-бумажного производства Уральского государственного лесотехнического университета, профессор, доктор технических наук А.А. Санников Директор ЦНИИбуммаш В.И. Макаров Авторы: И.Д. Кугу шее, О,А. Терентьев, В.С. Куров, Н.Н. Кокушин,А.П. Бельский, Г.А. Кондрашкова, А.Б. Коновалов, В.И. Королев, НЕ. Новиков, А.И. Подковырни, А. С. Смолин, Ю.Н. Швецов, Г.З. Шульман Теория и конструкция машин и оборудования отрасли. Бумаго- и картоноделатель- ные машины: Учеб, пособие / Под ред. В.С. Курова, Н.Н. Кокушина. СПб.: Изд-во Поли- техн. ун-та, 2006. 588 с. Пособие соответствует государственному образовательному стандарту по направле- нию 651600 “Технологические машины и оборудование”, на основе дисциплины “Тео- рия и конструкция машин и оборудования отрасли. Бумаго- и картоноделательные ма- шины” для подготовки дипломированных специалистов, специальность 150405 (170400) “Машины и оборудование лесного комплекса” (специализации 170404 “Машины и ап- параты ЦБП” и 170405 “Бумагоделательное машиностроение”). Рассмотрены вопросы теории и расчета технологических процессов и конструкций бумаго-, картоноделательных и сушильных машин. Дано описание основных элементов конструкций и основных частей этих машин. Значительное внимание уделено систематизации конструкций машин, истории и перспективам их развития. Предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности “Машины и оборудование лесного комплекса”. Табл. 63. Ил. 249. ISBN 5-7422-1477-4 © СПбГТУРП, 2006 © Куров В.С., Коку шин Н.Н., научное редактирование, 2006 © Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2006
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие.................................................................7 Введение....................................................................8 Раздел 1. Общие положения .................................................11 1.1. Краткое описание бумаге-, картоноделательных и сушильных машин....11 1.2. Материалы, применяемые при изготовлении БКСМ и производимой на них продукции. Трансформация состояния бумажной массы на машине.....20 1.2.1. Материалы, применяемые для изготовления бумаги и картона...20 1.2.2. Материалы, применяемые для изготовления бумаге-, картонодела- тельных и сушильных машин........................................26 1.2.3. Трансформация и реологические свойства водно-волокнистой бумажной массы и бумажного полотна на БКДМ (по данным проф. И.Д. Кугушева, акад, О.А. Терентьева, проф. В. С. Курова)..29 1.3. Систематизация технологий бумаги, бумаге- и картоноделательных машин (по данным проф. И.Д. Кугушева).......................................44 1.3.1. Технологические методы производства бумаги, картона и других изделий..........................................................47 1.3.2. Способы производства бумаги, картона, древесно-волокнистых плит, других изделий и машины для их производства................49 1.4. История развития и перспективы совершенствования бумаго- и картоноделательных машин............................................58 1.4.1. Общие принципы становления БКДМ в автоматическую линию.....58 1.4.2. Бумагоделательные машины первого поколения................58 1.4.3. Бумагоделательные машины второго поколения................61 1.4.4. Бумагоделательные машины третьего поколения...............62 1.4.5. Бумагоделательные машины четвертого поколения.............66 1.4.6. Тенденции развития бумагоделательных машин................66 1.4.7. Развитие формующих устройств для производства картона.....68 1.5. Валы бумагоделательных машин.....................................69 1.5.1. Основные типы валов.......................................69 1.5.2. Покрытия валов............................................78 1.5.3. Расчет валов..............................................81 1.5.4. Прогиб валов..............................................92 1.5.5. Критическая угловая скорость валов.......................108
1.5.6. Подшипниковые опоры валов..............................109 1.5.7. Уравновешивание валов бумагоделательных машин...........111 1.5.8. Бомбировка валов.......................................130 1.5.9. Возможные сочетания валов различных типов..............141 1 5.10. Учет прогиба от поперечной силы при сочетании валов разной конструкции...................................................146 1 5.11. Определение жесткости и величины бомбировки валов опытным путем.................................................149 1 5 12. Дополнительный прогиб валов силами, приложенными по концам .. 155 1.5.13. Замена бомбировки валов их перекосом..................156 1.5.14. Шлифование и бомбировка валов.........................158 Раздел 2. Основные части и системы БКСМ, проектирование машин 163 2.1. Проектная документация........................................163 2.2. Технологическая схема бумагоделательной машины. Оборудование для подготовки бумажной массы......................................166 2.2.1. Составление композиции бумажной массы..................170 2.2.2. Система оборудования для подготовки бумажной массы.....170 2.2.3. Машинный бассейн.......................................172 2.2.4. Насосы.................................................173 2.2.5. Мельницы...............................................177 2.2.6. Магнитный сепаратор....................................177 2.2.7. Вихревые очистители....................................178 2.2.8. Декулатор..............................................178 2.2.9. Машинные сортировки....................................181 2.2.10. Пульсации в системе подготовки бумажной массы (по данным проф. В.С. Курова)............................................183 2.2.11. Технологическая схема бумагоделательной машины........190 2.3. Напорный ящик.................................................192 2.3.1. Функции массонапускных устройств.......................192 2.3.2. Напорные ящики открытого типа..........................198 2.3.3. Напорные ящики закрытого типа..........................199 2.3.4. Напорные ящики гидродинамического типа.................203 2.3.5. Напускные устройства для многослойного отлива..........209 2.3.6. Напускные устройства для бумажной массы повышенной концентрации..................................................210 2.3.7. Гидродинамический расчет напорного ящика (по данным акад. О.А. Терентьева)........................................211 2.4. Сеточная часть................................................219 2.4.1. Обезвоживание бумажной массы и формование бумажного полотна (по данным профессоров И.Д. Кугушева и Н.Н. Кокушина).........219 2.4.2. Обезвоживание мокрого бумажного полотна под вакуумом (по данным профессоров И.Д. Кугушева и Ю.Н. Швецова)..........224 2.4.3. Сетки — основной элемент для обезвоживания массы и формования бумажного полотна................................232 2.4.4. Сеточный стол..........................................235 2.4.5. Обезвоживание в закрытых зонах формования. Особенности много- слойного формования бумаги и картона..........................274 2.4.6. Сеточные части, работающие по методу НРВО..............279 2.4.7. Формующие устройства, работающие по другим методам......293 2.4.8. Вспомогательные механизмы сеточной части...............296 4
2.5. Прессовая часть................................................297 2.5.1. Назначение и требования к прессовой части бумаго- и картоно- делательных машин...............................................297 2.5.2. Классификация прессов бумаго- и картоноделательных машин.299 2.5.3. Прессование бумажного полотна...........................299 2.5.4. Основные факторы, определяющие эффективность прессования.... 302 2.5.5. Типы прессов............................................309 2.5.6. Передача бумажного полотна из сеточной части в прессовую.330 2.5.7. Бомбировка прессовых валов. Валы с регулируемым прогибом.334 2.5.8. Покрытия прессовых валов................................340 2.5.9. Прессовые сукна.........................................344 2.5.10. Кондиционирование прессовых сукон......................347 2.5.11. Прессовые части бумаго- и картоноделательных машин.....357 2.5.12. Расчет обезвоживающей способности прессов (по данным проф. Н.Е. Новикова и доц. А. Б. Коновалова)...................364 2.6. Сушильная часть...............................................374 2.6.1. Сушка полотна бумаги (картона, товарной целлюлозы) (по данным проф. А.П. Бельского)................................374 2.6.2. Устройство многоцилиндровых сушильных частей (по данным проф. А.П. Бельского)..........................................391 2.6.3. Отделка бумажного полотна в сушильной части.............435 2.6.4. Интенсификация сушки....................................448 2.6.5. Вентиляция сушильных частей бумаго-, картоноделательных и сушильных машин..............................................459 2.6.6. Автоматизация...........................................479 2.7. Каландр.......................................................484 2.7.1. Виды, устройство и работа машинных каландров............484 2.7.2. Влияние каландрирования на свойства бумаги..............488 2.7.3. Встроенные в машину высокоинтенсивные каландры..........489 2.7.4. Мягкие каландры.........................................490 2.8. Накат.........................................................496 2.8.1. Накаты..................................................496 2.8.2. Саморезки...............................................501 2.9. Электропривод.................................................502 2.9.1. Назначение и классификация..............................502 2.9.2. Основные требования к электроприводу БКСМ...............504 2.9.3. Определение потребляемой мощности.......................508 2.9.4. Автоматическое регулирование скорости, натяжения бумаги, соотношения нагрузок между приводными валами...................523 2.10. Вспомогательные системы и узлы машины........................524 2.10.1. Система водопользования и коммуникаций воды............524 2.10.2. Запорно-регулирующая арматура..........................526 2.10.3. Вакуумные системы......................................527 2.10.4. Автоматизация управления вакуумной системой............529 2.10.5. Вентиляция сеточной части..............................529 2.10.6. Подшипниковые опоры валов и цилиндров..................530 2.10.7. Система смазки.........................................531 2.10.8. Система приема, переработки и удаления брака...........535 2.10.9. Система автоматического аварийного пожаротушения.......537 2.10.10. Корпус машины.........................................537 2.10.11. Автоматическая заправка бумажного полотна.............538 5
2.10.12. Спрыски..................................................539 2.10.13. Шаберы...................................................540 2.10.14. Расправочные дуги и разгонные валы.......................542 2.11. Автоматизированная система управления технологическим процессом БКСМ.........................................................544 2.12. Машины для выработки массовых видов продукции....................548 2.12.1. Бумагоделательные машины для выработки газетной бумаги..548 2.12.2. Бумагоделательные машины для выработки печатных и писчих видов бумаги.............................................550 2.12.3. Бумагоделательные машины для выработки санитарно- гигиенических видов бумаги........................................552 2.12.4. Картоноделательные машины для выработки тарного и коро- бочного картонов..................................................554 2.12.5. Сушильные машины..........................................560 2.13. Шум, колебания и диагностика состояния машины....................562 2.13.1. Шум, генерируемый БКСМ (по данным проф, И.Д. Кугушева)..562 2.13.2. Колебания элементов конструкций БКСМ......................564 2.13.3. Диагностика технического состояния БКСМ...................567 2.14. Оценка эффективности бумаго-, картоноделательных и сушильных машин (по данным проф. И.Д. Кугушева)..................................569 2.14.1. Трансформация качества продукции в процессе изготовления .570 2.14.2. Рейтинг бумаго- и картоноделательных машин................571 2.14.3. Надежность БКСМ (по данным профессоров ИД. Кугушева u Н.Н. Кокушина)..................................................576 2.14.4. Унификация элементов конструкции БКСМ.....................578 2.14.5. Оценка экономической эффективности машины.................584 2.15. Правила техники безопасности при эксплуатации БКСМ...............585
ПРЕДИСЛОВИЕ Необходимость в написании учебного пособия вызвана значительным пе- риодом времени, прошедшим с издания последнего учебника по курсу (Эйд- лин И.Я. Бумагоделательные и отделочные машины. М., 1970). Признавая большой вклад, внесенный автором указанного учебника в под- готовку отечественных специалистов начиная с 50-х гг. XX в., следует отметить, что в настоящее время по большинству вопросов учебник уже не соответствует современному уровню науки и техники. Вместе с тем одна глава этой книги, посвященная обзорной характеристике валов бумагоделательных машин, не по- теряла своей научной новизны и поэтому полностью включена в данное учеб- ное пособие (глава 1.5. Валы бумагоделательных машин). Поскольку существует большое разнообразие конструкций и рабочих про- цессов бумагоделательных, картоноделательных и подобных им сушильных ма- шин, а также наблюдается их быстрое совершенствование, к работе над учеб- ным пособием была привлечена группа авторов — ведущих специалистов Санкт-Петербургского государственного технологического университета рас- тительных полимеров (СПбГТУРП). Первоначальный замысел принадлежал проф. И.Д. Кугушеву и акад. О.А. Терентьеву. Ввиду их безвременной кончины работа была продолжена и завершена под руководством других ученых — проф. В.С. Курова и проф. Н.Н. Кокушина. Авторы выражают благодарность доц. Ю.К. Калугину и канд. техн, наук А.Е. Слуцкому за помощь в работе над отдельными разделами книги. Данная книга написана с использованием передового опыта по разработке и эксплуатации рассматриваемых машин в мире и России. В частности, использованы результаты научно-исследовательских работ СПбГТУРП по изучению основных тех- нологических процессов машин, разработке методов расчета процессов и основных элементов конструкции. Отмечены оригинальные результаты ряда авторов. Данное учебное пособие предназначено для студентов, изучающих дис- циплину “Теория и конструкция бумаго- и картоноделательных машин”, спе- циальность 170400 “Машины и оборудование лесного комплекса” (специализа- 7
170404 “Машины и аппараты целлюлозно-бумажной промышленности” и П0405 “Бумагоделательное машиностроение”), а также для всех тех, кто рабо- тает в целлюлозно-бумажной промышленности и на предприятиях отраслевого машиностроения. Авторский коллектив выражает глубокую благодарность рецензентам за помощь в работе и ценные замечания. Все предложения по содержанию книги, которые обязательно будут учте- ны, следует направлять по адресу: 198095, Санкт-Петербург, ул. И. Черных, 4, СПбГТУРП, кафедра машин автоматизированных систем. ВВЕДЕНИЕ Целлюлозно-бумажная промышленность является составной частью народ- ного хозяйства России. Производимая ею продукция используется в культур- ных, технических, медицинских и многих других целях. Основным сырьем для целлюлозно-бумажного производства является дре- весина. Основные виды продукции ЦБП — бумага, картон, товарная целлюлоза — сложные композиционные материалы, обладающие самыми разнообразными свойствами. Изделия из бумаги и картона находят свое применение еще и потому, что их стоимость невелика и они успешно конкурируют с другими материалами. Низкая стоимость бумаги и картона обусловлена отличительными особеннос- тями данной отрасли по сравнению с другими промышленными производства- ми. Рассмотрим основные отличительные особенности целлюлозно-бумажных производств. 1. Обилие видов производимых товаров при ограниченной номенклатуре сырья. 2. Высокий уровень механизации и автоматизации производства. Основные процессы производства целлюлозы и бумаги полностью механизированы и осу- ществляются при автоматизированном управлении. 3. Малая численность работающих. Стоимость рабочей силы по отношению к общей стоимости производимого товара (бумаги или картона) составляет от 8 до 12 %, сырья —- примерно 50 %. Остальные затраты связаны с оплатой элек- троэнергии, тепла, воды. 4. Высокая энергоемкость. Прежде всего это вызвано высокой степенью измельчения исходного древесного сырья для получения конечного продукта, степень измельчения достигает 1012—1014 раз. Поскольку предприятия по произ- водству целлюлозы и бумаги полностью механизированы, они могут перераба- тывать большие объемы сырья и полуфабрикатов, что требует больших энерге- тических затрат, как электрических, так и тепловых. По энергоемкости, а именно по удельным расходам энергии на выработку 1 т продукции, целлюлоз- но умажная промышленность уступает первое место лишь производству фер- росплавов (табл. В.1). 8
Таблица B.l Удельный расход энергии на 1 т продукции Продукция Электроэнергия, кВтч Тепло, Гкал Общий расход энергии, гДж Ферросплавы 9950 — 35,8 Бумага 550 2,6 12,9 Картон 480 2,3 п,з Целлюлоза 330 2,1 9,3 Цемент 111 1,6 8,3 Древесная масса 1150 — 4,0 Первая машина для производства бумаги была изобретена во Франции в 1799 г. Н.-Л. Робером, но французские машиностроители не смогли освоить ее производство, и патент приобрели англичане. В настоящее время в результате двухвекового развития конструкции, совер- шенствования режимов работы бумагоделательные и подобные им картоноде- лательные и сушильные машины превратились в уникальные средства произ- водства. Рассмотрим отличительные особенности этих машин, характеризующие их на сегодняшний день. Во-первых, осуществление непрерывного физического превращения ис- ходного полуфабриката (бумажной массы) из жидкого состояния в твердое упругое тело (полотно бумаги, картона, товарной целлюлозы) при одновре- менной непрерывной и последовательной транспортировке их по технологи - ческим операциям. Эта особенность предопределяет совершенство организации и технического уровня изготовления продукта с высокой удельной производи- тельностью, которой трудно добиться при дискретном процессе. Такой процесс позволяет механизировать и автоматизировать производство и использовать вре- мя работы бумагоделательной машины по максимуму. Несмотря на большие габаритные размеры (длина БДМ— до 150 м, КДМ — до 200 м), массу (до 10000 т), высокую скорость работы машин (до 2000 м/мин), ими управляет бригада, состоящая всего из пяти-семи человек. Рассмотрим степень автоматизации отечественной бумагоделательной ма- шины Б-15 для выработки газетной бумаги: Показатель Уровень информации Степень механизации Степень автоматизации Отношение числа управляемых операций к их общему числу в рабочем режиме (%) 200/230 (87) 170/230 (74) 150/230 (65) Машина марки Б-15 имеет высокую степень автоматизации (65 %) и меха- низации (74 %). Данная отечественная машина является ординарной среди ис- пользуемых в ЦБП России в настоящее время, что свидетельствует о высокой степени автоматизации современных бумагоделательных машин. 9
Высокий уровень механизации и автоматизации технологических процес- сов, интенсификации операций обезвоживания, прессования, сушки, отделки полотна бумаги (картона, товарной целлюлозы) обусловливает вторую особен- ность бумаго-, картоноделательных и сушильных машин — их высокую энерго- емкость. В настоящее время такие машины стоят в одном ряду с самым энерго- емким и автоматизированным оборудованием. Третьей отличительной особенностью данных машин являются высокие точ- ность изготовления основных сборочных единиц и деталей и чистота поверх- ности инструментов машин, соприкасающихся с полуфабрикатом и готовой продукцией. Большая масса вращающихся частей (5-15 т) с линейной скорос- тью движения до 2000 м/мин, габаритные размеры до 10 м по ширине обраба- тываемого полотна, невысокая прочность мокрой бумаги, проходящей по ма- шине, требуют высокой синхронизации линейных и угловых скоростей вращающихся деталей (с точностью рассогласования по скорости до 0,02 %). Это обусловливает соответствующие требования к изготовлению деталей ма- шин по первому-второму квалитету. Бумагоделательная машина осуществляет высокоорганизованный техноло- гический процесс, обладает способностью действовать с наивысшей произво- дительностью без потерь времени на холостые движения рабочих органов. Вы- сокая эффективность использования ее в народном хозяйстве обусловлена также надежной работой в течение запланированного времени. Все это может быть реализовано только при создании и использовании функционально пригодных бумагоделательных машин, которым и посвящено настоящее учебное пособие.
РАЗДЕЛ 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ БУМАГО-, КАРТОНОДЕЛАТЕЛЬНЫХ И СУШИЛЬНЫХ МАШИН В технологических линиях производства бумаги и картона бумаго- и карто- ноделательные машины (БиКДМ) являются основными и наиболее сложными агрегатами, работающими автоматически в непрерывном режиме. С их помо- щью осуществляют: подготовку и напуск на сетку бумажной массы, формова- ние мокрого бумажного (картонного) полотна, его обезвоживание под вакуу- мом, прессование, сушку и предварительную (а иногда и окончательную) отделку полотна бумаги (картона). Аналогичные задачи при производстве товарной целлюлозы (за исключе- нием отделки) решают с помощью подобных БиКДМ сушильных машин (СМ, или пресспаты), являющихся также основными заключительными агрегатами в соответствующих потоках целлюлозных производств. В настоящее время по конструктивному оформлению ведущего на этих ма- шинах процесса формования полотна бумаги (картона, товарной целлюлозы), происходящего в сеточной части машины, различают следующие основные виды машин: плоскосеточные, с двухсеточным формованием, круглосеточные, с наклонной сеткой и с комбинированными сеточными частями (рис. 1.1.1). Та- кие машины с некоторыми изменениями могут применяться в производстве различных видов продукции. Наиболее распространенными являются плоскосеточные машины, приме- няемые в производстве однослойных бумаг, картонов и товарной целлюлозы. Они также используются при выработке двухслойного тарного картона — ма- шины с вторичным напорным ящиком в сеточной части. Плоскосеточные машины имеют наиболее длительную историю разви- тия — их изобретение относится к 1799 г. Они лидируют и по количеству но- вых машин. Следующими по распространенности в парке установленного оборудова- ния являются круглосеточные машины, применяемые для производства мно- гослойных картонов и бумаг и товарной целлюлозы. Изобретение круглосеточ- 11
3 Рис. 1.1.1. Основные виды сеточных частей бумаго-, картоноделательных и сушильных машин: а _ плоскосеточный стол: 1 — напорный ящик; 2 — сетка; 3 — гауч-вал; 4 — вакуум-пересасываюшес устройство; 5 — пакеты гидропланок; 6 — “мокрые” отсасывающие ящики; 7— регистровый валик; 8 — ровнитель; 9 — отсасывающие ящики; б — двухсеточное формующее устройство (типа Бел-Бэй формер): 1 — напорный ящик; 2 — сетки; 3 — гауч-вал; 4 — вакуум- пересасывающее устройство; 5 — формующий башмак; в — формующая часть многоцилиндровой картоноделателыюй машины: 1 — съемное сукно; 2 — предварительные прессы; 3 — гауч-пресс; 4 — сукно предварительных прессов; 5 — формующие круглосеточные цилиндры с ваннами; г — сеточная часть с наклонной сеткой: 1 — массонапускное устройство; 2 — сетка; 3 — отсасывающие ящики
ного цилиндра относится к 1805 г. Следует, однако, отметить, что доля таких машин среди вновь выпускаемых сейчас сильно снижается. В настоящее время сравнительно новыми видами БиКДМ являются маши- ны с двухсеточным формованием и наклонной сеткой. Так, первая машина с двухсеточным формованием была установлена в 50-х гг. XX в. в Англии. В насто- ящее время на машинах этого вида вырабатывается большая часть всей газетной бумаги в мире. Они широко применяются также в производстве санитарно- бытовых бумаг, имеются многочисленные примеры использования двухсеточ- ного формования в производстве ряда других бумаг и картонов. Машины с наклонной сеткой, применяемые для выпуска бумаг и картонов с использованием синтетических и минеральных волокон и частиц (концентра- ция массы при напуске — десятые и сотые доли процента), как уже установ- ленные, так и вновь выпускаемые, мало распространены. Наконец, машины с комбинированными сеточными частями, применяе- мые в производстве многослойных картонов и бумаг, имеют по нескольку фор- мующих устройств разных типов, предназначенных каждый для формования своего слоя полотна (например, плоская сетка + круглосеточные цилиндры + + двухсеточное формующее устройство и др.). Такие машины велики по габари- там и мало распространены. При одинаковых формующих устройствах для всех слоев это машины мно- госеточные (все сетки плоские), многоцилиндровые круглосеточные (все сетки круглые), с несколькими ДФУ и т. д. Как отмечалось, развитие рассматриваемых машин началось с изобретения Робером в 1799 г. БДМ с плоской сеткой, механизировавшей процессы ручного черпания, формования и прессования бумаги с переводом их на непрерывный режим работы. Для дальнейшего развития этих машин было характерно стрем- ление расширить количество выполняемых на машине операций, повысить ее производительность (за счет увеличения рабочей скорости и ширины), макси- мально учесть требования, предъявляемые к конструкции и режимам работы при производстве различных видов продукции. Последнее привело к созданию почти всех основных видов машин и к все более узкой специализации машин по отдельным видам продукции. Полуфабрикатом, подаваемым на все перечисленные виды машин, являет- ся бумажная масса, различающаяся по композиции (составу) и другим пара- метрам в зависимости от вида продукции. Готовая продукция, снимаемая с машины, получается в виде рулонов или кип листов бумаги, картона, товар- ной целлюлозы. Разрезание рулонов на листы может производиться за предела- ми машины на ротационных саморезках. Основными параметрами, характеризующими БКДМ и СМ, являются их скорость и ширина полотна вырабатываемой продукции, видом которой оба параметра и обусловлены. Производительность машины определяется ее рабо- чей скоростью, шириной, массой 1 м2 вырабатываемой продукции и активно используемым для выпуска продукции временем эксплуатации. Среди БДМ наибольшую производительность (320 тыс. т/год и более) име- ют машины с двухсеточным формованием для производства газетной бумаги. Их рабочая скорость достигает 1700—1900 м/мин, ширина полотна бумаги — до 13
10000 мм. В настоящее время наиболее высокоскоростными среди БКСМ явля- ются БДМ с двухсеточным формованием для производства санитарно-гигие- нических бумаг: рабочие скорости таких машин достигают 2000 м/мин и более. Рабочие скорости плоскосеточных БДМ не превышают 1000 м/мин из-за ограничений по качеству продукции. Уступая БДМ по рабочим скоростям и ширине, КДМ опережают их по производительности (360 тыс. г/год и более) за счет большей массы 1 м2 про- дукции. Эти машины имеют большую длину (до 200 м) вследствие больших габаритов сушильной и сеточной частей, большую общую массу машины (до 10000 т), масса отдельных узлов машины достигает 100 т. Общая мощность электропривода машины составляет до 10000 кВт. Несмотря на размеры и массу БКДМ и СМ, они выполняют операции высокого класса точности при почти полной автоматизации их технологиче- ских процессов. Выпускаемые в последнее время БКДМ и СМ, как правило, обеспечиваются автоматическими системами управления технологическими процессами (АСУ ТП). Современные БКСМ являются уникальными техническими сооружениями. Они включают в себя последовательно соединенные в единую технологиче- скую линию различные по техническим характеристикам машины (части БКДМ и СМ), которые за короткое время осуществляют непрерывные процессы пере- работки сложного полуфабриката из жидкого состояния (бумажной массы) в твердое упругое тело (бумагу и т. д.). В их конструкциях использованы многие технические достижения смежных отраслей техники. Основные части конструкции рассматриваемых машин (рис. 1.1.2) — на- порный ящик (массонапускное устройство), сеточная, прессовая, сушильная части, каландр, накат и привод. В состав каждой машины входит также вспомо- гательное оборудование: для подготовки массы, переработки брака, смазки подшипников, зубчатых передач, насосы для подачи воды, массы, вакуум- насосы, компрессоры, различные магистрали и т. д. Подаваемая на машину бумажная масса представляет собой водно-волок- нистую суспензию, в состав твердой фазы которой помимо волокнистых мате- риалов (целлюлоза, древесная масса, макулатура и др.) могут входить напол- нители, проклеивающие вещества, красители и др. Готовая по композиции бумажная масса концентрацией 2,5—3,5 % из раз- мольно-подготовительного отдела бумажной (картонной) фабрики поступает в машинный бассейн, с которого начинается входящая в состав машины система подготовки массы. Затем, после разбавления (в смесительном насосе) и регу- лирования концентрации, масса направляется на подмол, очистку и сортиро- вание. Полностью готовая масса подается в массонапускное устройство, откуда напускается на движущуюся сетку (сетки) со скоростью, близкой к скорости их движения. Концентрация массы при напуске обычно находится в пределах ,1 1,5 % (в зависимости от вида и массы 1 м2 продукции). На плоскосеточных машинах массонапускные устройства представляют со- ои напорные ящики следующих типов: открытые, закрытые с воздушной по- душкой и с узкими длинными каналами. 14
Сеточная часть Прессовая часть Сушильная часть Рис. 1.1.2. Бумагоделательная машина с двухссточным формованием для производства газетной бумаги (фирма “Фойт-Зульцер”: В ~ 10000 мм, Ира6 = 1800 м/мин): 7— напорный ящик; 2 — сетка; 3 — грудной вал; 4— формующий башмак; 5 — отсасывающий ящик; 6 — гауч-вал; 7— пересасывающее устройство; 8 — сетконатяжной вал; 9 — сеткоправильный вал; 10 — сетковедущий вал; 77-- четы рехвал ьный пресс; 72— сукно; 13 — сукноправильный вал; 14— натяжной вал; 75— сукномойки; 16— сушильный цилиндр; 77— вакуумный перфорированный вал; 18— сетка; 19— натяжной вал; 20— сеткоправильный вал; 27— каландр; 22— цилиндр наката; 23— наматываемый рулон бумаги На круглосеточных машинах и машинах с наклонной сеткой напуск произ- водится в ванну или с помощью “вынесенного” массонапускного устройства, вытянутая верхняя губа которого расположена вдоль сетки, образуя совместно с ней закрытую зону формования. Режим течения бумажной массы в массонапускном устройстве должен обес- печивать надлежащую подготовку массы к формованию из нее качественного полотна (например, по просвету бумаги, постоянству массы 1 м2 полотна в продольном и поперечном направлениях и т. д.). 15
На сеточной части машины в ходе обезвоживания (фильтрования) бумаж- ной массы на сетке формируется мокрое полотно и затем происходит его началь- ное обезвоживание под вакуумом с прососом воздуха. В конце зоны формования концентрация массы составляет 5-7 %, после всей сеточной части — 12-22 %. На машинах плоскосеточных, с двухсеточным формованием и наклонной сеткой (длинносеточные машины) бесконечные сетки проходят по ряду валов, часть из которых приводные. При этом сетки являются своеобразными техноло- гическими транспортерами, на рабочих участках которых происходят процессы формования и обезвоживания полотна бумаги, картона, товарной целлюлозы. На данных машинах зоны формования начинаются после грудных валов (сюда, обычно на грудную доску, производится напуск массы). После напуска начинается процесс фильтрования, в ходе которого вода из слоя массы с частью волокон проходит через сетку, основная часть волокон задерживается на сетке в виде растущего по толщине осевшего слоя. По оконча- нии образования осевшего слоя получается мокрое полотно бумаги. Отвод воды под сетку ускоряется с помощью различных обезвоживающих элементов, со- здающих под сеткой вакуум (гидропланок, “мокрых” отсасывающих ящиков, регистровых валиков). Далее обезвоживание сформованного полотна с прососом воздуха проис- ходит под вакуумом, создаваемым под сеткой с помощью отсасывающих ящи- ков и гауч-вала. В таких сеточных частях приводным является гауч-вал, а зачастую и другие валы (например, сеткоповоротный, грудной). На круглосеточных машинах сетки натянуты на круглосеточные перфори- рованные цилиндры. Наслоение волокон на сетку происходит под действием перепада давления, создаваемого за счет гидростатического напора или с по- мощью вакуума внутри цилиндра. При выработке однослойных бумаг и картонов в сеточной части формуется один волокнистый слой, при многослойных видах продукции — несколько во- локнистых слоев, обычно каждый на своем формующем устройстве. Затем дан- ные слои соединяются в один, например, с помощью съемного сукна на мно- гоцилиндровых круглосеточных машинах (здесь приводными являются все круглосеточные цилиндры сеточной части). Бумажное (картонное) полотно, сформированное в сеточной части, по- ступает в прессовую часть, обычно состоящую из нескольких (два-четыре и более) прессов. Обезвоживание мокрого полотна здесь осуществляется более экономичным способом (по сравнению с обезвоживанием на сетке под вакуу- мом) — механическим отжимом полотна между прессовыми валами. В послед- нее время при выработке некоторых видов картона и бумаги применяют баш- мачные пресса, где один из валов заменен на неподвижный башмак с подвижной лентой в зоне прессования (подвижная лента может быть выполне- на в виде рубашки прессового вала). Это расширяет зону прессования и увели- чивает обезвоживающую способность пресса. Для предотвращения раздавлива- ния непрочного мокрого полотна, для уноса отпрессованной воды из зоны прессования и для транспортировки мокрого полотна на прессовой части при- меняются прессовые сукна, проходящие с полотном по прессам. 16
В результате последовательного обезвоживания на всех прессах сухость бу- мажного (картонного) полотна повышается до 27—50 % (в зависимости от вида продукции и других факторов). В многоцилиндровых КДМ основной прессовой части предшествует фор- прессовая часть, объединенная в единое целое с сеточной частью съемным сукном. Современные конструкции комбинированных многовальных прессов обес- печивают прохождение полотна без участков свободного хода, на которых по- лотно не под держивается сукном. Это снижает обрывность полотна в прессовой части, что позволяет повышать рабочие скорости машин. В двухвальных прессах приводными являются нижние валы, в многоваль- ных — обычно все прессовые валы. Сеточную и прессовую части вместе называют мокрой частью машины. Из общего количества воды, удаляемой из бумажной массы на машине, на сеточ- ную часть приходится 94—96 %, на прессовую — 3—4 %. Дальнейшее обезвожи- вание (сушка) полотна происходит в сушильной части машины. Как правило, сушильная часть БКСМ состоит из расположенных в два яруса в шахматном порядке сушильных пустотелых цилиндров 0 1,5 или 1,8 м, обогре- ваемых изнутри паром. При этом бумажное (картонное) полотно проходит по сушильной части, поочередно охватывая цилиндры верхнего и нижнего ярусов. Оно касается нагретых цилиндров то одной, то другой своей поверхностью. Для лучшего контакта между цилиндрами и полотном и облегчения за- правки применяют сушильные сетки (сукна), охватывающие сушильные ци- линдры примерно на 180°. На старых и тихоходных машинах цилиндры верхнего и нижнего ярусов каждой приводной группы охватываются собственными верх- ней и нижней сетками (сукнами). На современных высокоскоростных машинах в целях ликвидации промежутков свободного хода бумаги сетки вместе с по- лотном бумаги (картона) поочередно охватывают верхние и нижние цилиндры данной группы. Это предотвращает обрывность бумаги в сушильной части, что также по- зволяет повышать рабочие скорости машин. Такую безобрывную проводку обес- печивают прежде всего в первых по ходу машины приводных группах цилинд- ров, где влажное полотно наименее прочно. Наконец, в современных высокоскоростных БДМ нижние цилиндры, на которых интенсивность сушки в таких условиях невелика, заменяются на пер- форированные вакуумные валы меньшего диаметра. Таким образом, располо- жение сушильных цилиндров становится однорядным на протяжении всей су- шильной части, а проводка полотна — все более безобрывной (см. рис. 1.1.2). На КДМ, где большая масса 1 м2 картонного полотна позволяет поддержи- вать большее его натяжение, имеющее место при этом хорошее касание полот- на с цилиндрами часто позволяет отказываться от применения одежды, напри- мер, в верхнем ярусе сушки. На сушильных машинах также возможна проводка полотна товарной целлю- лозы по сушильным цилиндрам без применения сукон. Поэтому иногда сушиль- ные части СМ компонуются так: несколько цилиндров (группами до пяти-шести) располагают вертикально, что сокращает занимаемую производственную площадь,
На БКДМ и СМ возможно расположение цилиндров в один или три гори- зонтальных яруса. Кроме многоцилиндровой сушки существует сушка на одном сушильном цилиндре большого диаметра (до 6 м) — так называемом янки-цилиндре. Янки- цилиндры входят в состав машин, на которых полотно бумаги (например, сани- тарно-бытовой) снимается сукном с гауч-вала сетки и проводится им по всем зонам прессования. Указанные зоны прессования могут быть все (одна-две) рас- положены на янки-цилиндре (на котором затем происходит сушка) или перед янки-цилиндром — один-два предварительных двухвальных пресса, а затем один- два пресса на янки-цилиндре. В верхней части янки-цилиндр снабжен колпаком скоростной сушки. Янки-цилиндр (как лощильный цилиндр) может применять- ся и в сочетании с предварительной сушкой полотна на обычных цилиндрах. Наконец, наряду с контактной сушкой полотна на сушильных цилиндрах производится конвективная сушка — обдув полотна потоками горячего воздуха в конвективном шкафу. Полотно проходит по поддерживающим валикам в несколь- ко горизонтальных рядов сверху вниз. Такая сушильная часть может быть выполне- на в виде только конвективных шкафов (например, на СМ), либо конвективному шкафу предшествует предварительная сушка на сушильных цилиндрах (на КДМ). После сушильной части сухость полотна бумаги (картона) составляет 92— 95 %, а температура — 70—90 °C. Для обеспечения качественного каландрирова- ния и хорошей намотки полотна в конце сушильной части устанавливают один- два холодильных цилиндра, охлаждаясь на которых полотно впитывает в себя сконденсировавшуюся на цилиндрах влагу и увлажняется на 1—2 %. Для организованного отвода испаряющейся при сушке влаги и улучшения условий работы в бумзале сушильная часть укрывается колпаком, который мо- жет быть закрытым (укрывает всю сушильную часть) или открытым (укрывает верхнюю часть цилиндровой сушки). После сушки бумажное (картонное) полотно в целях уплотнения и повы- шения гладкости проходит через машинный каландр, включающий в себя вер- тикальные батареи (одну-две), состоящие из свободно лежащих друг на друге тщательно отшлифованных чугунных валов, а полотно, огибая поочередно валы каландра, движется сверху вниз при возрастающем давлении. Приводным явля- ется нижний вал каландра либо второй снизу, остальные валы приводятся за счет силы трения. Пройдя каландр, полотно бумаги при выработке рулонной продукции не- прерывно наматывается на тамбурный вал наката в рулоны требуемого диамет- ра. Приводным здесь обычно является цилиндр наката. Перезаправка с одного тамбурного вала на другой осуществляется на ходу машины. Намотанные руло- ны бумаги снимаются с наката подъемным краном. При выработке листовой продукции в конце машины вместо наката может устанавливаться саморезка (что наиболее характерно для СМ). При этом после машины расположена транспортно-упаковочная линия для прессования кип листов, их упаковки, обвязки и транспортировки на склад готовой продукции. При наличии наката в составе машины снятые с нее рулоны для получения листовой продукции могут подаваться на отдельно стоящую саморезку с транс- портно-упаковочной линией. 18
Привод БКСМ располагается с одной (приводной) стороны машины. Глав- ной его задачей является поддержание постоянства скорости машины в целом и соотношения скоростей приводных секций между собой, соответствующих вытяжке или усадке транспортируемого полотна. Для привода машины исполь- зуются двигатели постоянного тока, которые в современных многодвигатель- ных приводах БКСМ получают питание от индивидуальных преобразователей. С развитием БКСМ все более широко используются системы автомати- ческого регулирования и управления процессами и параметрами машин. На новых высокопроизводительных машинах устанавливаются автоматические си- стемы управления технологическими процессами выработки продукции, вклю- чающие в себя компьютеры, измерительные устройства, исполнительные ме- ханизмы, преобразователи и вспомогательное оборудование. Технологическая бригада обслуживания БКСМ состоит из пяти-семи чело- век во главе с машинистом (сеточником). Кроме того, машину обслуживает персонал отделов главного механика, главного энергетика, КИПиА. Характеризуя БКДМ и СМ в целом, необходимо отметить, что большое разнообразие конструкций частей машин и отдельных узлов в зависимости от вырабатываемой продукции, быстрые темпы развития этих конструкций, а так- же единичный характер выпуска машин и их постоянная модернизация после установки приводят к тому, что в российском парке машин (около 500 машин) и мировом (примерно 10000 машин) вряд ли найдутся какие-либо две полнос- тью совпадающих друг с другом по конструкции и параметрам режима работы. Однако это не исключает близости между собой по конструкции и режи- мам работы машин, предназначенных для выпуска одинаковой или близкой продукции. При выработке характерной для БиКДМ рулонной продукции снятые с машины рулоны подаются на продольно-резательный станок, где бумага (кар- тон) разрезается на рулоны заданных размеров, которые затем подаются на упаковочную машину и далее на склад готовой продукции. Для получения более высоких показателей плотности, гладкости и лоска большинство видов бумаги для печати, писчей и технических бумаг пропуска- ют через суперкаландр, а для нанесения мелованных покрытий — через мело- вальную установку (меловальная установка, так же как и клеильный пресс для поверхностной проклейки, может входить в состав сушильной части машины). Бумаго-, картоноделательные и сушильные машины, как правило, имеют двухэтажное расположение. Их устанавливают в отдельных зданиях часто по две машины: одну — с правым приводом, другую — с левым. Основные узлы ма- шины, где происходят напуск, формование, обезвоживание, сушка, каланд- рирование и намотка (резка) полотна, размещаются на втором этаже, а вспо- могательное оборудование и технологические коммуникации — на первом. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Каковы назначение и роль бумаго-, картоноделательных и сушильных машин на бумажных, картонных фабриках и целлюлозных заводах? 2. Какие существуют основные типы БиКДМ, СМ? По какому признаку произво- дится их систематизация?
3. Когда и кем изобретена первая БДМ? Чем вызывалось дальнейшее развитие ма- шин этого вида? 4 Что является полуфабрикатом для БКДМ и СМ? В каком виде снимается с машин готовая продукция? 5 Перечислите основные параметры БКСМ. 6 Какие машины в настоящее время имеют наибольшие рабочие скорости, шири- ну, производительность: БДМ, КДМ и СМ? 7 Куда поступает бумажная масса из размольно-подготовительного отдела? 8^ Как осуществляется напуск на сетку бумажной массы? 9 Какие технологические процессы происходят на сеточных частях БКДМ и СМ? Перечислите виды конструкций сеточных частей. 10 Какой технологический процесс происходит в прессовой части? Расскажите о конструкции прессовой части. Что такое мокрая часть машины? 11 Что собой представляет технологический процесс, происходящий в сушильной части машины? Перечислите основные варианты конструкций сушильной части. 12. Расскажите о назначении и устройстве каландра. 13. Расскажите о назначении и устройстве наката. 14. Что собой представляет отделочное и упаковочное оборудование для бумаги и картона? 15. Что собой представляет привод БКДМ и СМ? 16. В чем заключается автоматизация БКДМ и СМ? 17. В чем заключается обслуживание БКДМ и СМ? 1.2. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ БКСМ И ПРОИЗВОДИМОЙ НА НИХ ПРОДУКЦИИ. ТРАНСФОРМАЦИЯ СОСТОЯНИЯ БУМАЖНОЙ МАССЫ НА МАШИНЕ 1.2.1. Материалы, применяемые для изготовления бумаги и картона Бумага и картон — искусственные материалы, которые в зависи- мости от основных компонентов (волокна, главным образом растительного происхождения), характера их обработки, сопутствующих веществ (наполни- тели, красители, проклеивающие и вспомогательные реагенты), а также не- желательных примесей (органического и неорганического происхождения) приобретают определенные потребительские свойства. Бумага и картон изго- тавливаются из волокнистых материалов принципиально тождественными способами и отличаются массой квадратного метра, а также целевым назна- чением. Бумага — волокнистый гибкий материал с определенными печатными и другими свойствами. Картон — плоский волокнистый материал, предназначен- ный для тары, упаковки, технических целей и т. д. В настоящее время вырабатывается около 800 различных видов бумаги и картона. Следует отметить, что разделение терминов “бумага” и “картон” ус- ловно. Обычно принято считать, что масса 1 м2 бумаги колеблется от 6 до 250 г, толщина — от 4 до 400 мкм, разрывная длина — от 1200 до 16000 м. Нижние пределы массы 1 м2для картона составляют 125—140 г. 20
Таблица 1. 2. 1 Распределение групп бумаги и картона по их назначению (бумага — группы I—XII, картон — группы XII—XIV) Номер группы Группы бумаги и картона Масса 1 м2, г I Особо тонкие (конденсаторные) 6-23 II Тонкие (основа для парафинирования, специальные упаковоч- ные) 14-20 III Тонкие впитывающие (сигаретные, чайные, санитарно-гигиениче- ские) 12-30 IV Впитывающие (фильтровальные, основа для фибры) 30-120 ~ V Жиростойкие (подпергамент, пергамин, упаковочная жиро- стойкая) 40-55 VI Писче-печатные целлюлозные (офсетная, офисная, для ксе- рокса, реклам, буклетов, основа для мелования, картографиче- ская и т. д.) 40-120 VII Писче-печатные с древесной массой, макулатурой (газетная, тетрадная, писчая, печатная, легкомелованная печатная и т. д.) 45-100 VIII Технические (светооснова, основа для покрытий, регистрирующая, диаграммная и т. д.) 60-100 IX Упаковочные (мешочная, для пакетов, пачечная, антикоррози- онная, оберточная и т. д.) 70-120 X Документные (банкнотная, для ценных бумаг, узорная, бланочная, специальная печатная и т. д.) 70-120 XI Электроизоляционные (кабельная, изоляционная, пропиточная и т. д.) 60-120 XII Материалы для гофрокартона (крафт-лайнер, тест-лайнер, бу- мага для гофрирования, картон с белым слоем, влагопрочный и т. д.) 100-250 XIII Картоны упаковочные (коробочный, мелованный, хром-эрзац, обувной и т. д.) 150-500 XIV Картоны технические (электроизоляционный, строительный, облицовочный, фильтровальный и т. д.) 150-300 Примечание. При проектировании БКСМ в ЦНИИбуммаше наряду с другими видами систематизации этих машин (например, плоскосеточные, с двухсеточным формо- ванием и др.) используется систематизация машин по видам выпускаемой продукции. Вырабатываемые в России бумагу и картон можно разделить на группы (табл. 1.2.1). Исходным сырьем для производства бумаги и картона служит древесина хвойных и лиственных пород: ель, сосна, тополь, береза, бук, лиственница и ДР- Поскольку хвойная древесина имеет волокна длиной до 3—4 мм, она являет- ся лучшим и основным сырьем для производства. Однако из-за общего дефици- та волокнистого сырья использование лиственной древесины приобретает все большее значение, несмотря на короткое (< 1,2 мм) волокно. Иногда использу- 21
ются однолетние растения: солома, тростник, хлопок и лен. Из последних мож- но изготавливать бумагу высокой долговечности. Для изготовления бумаги и картона также применяются бумажная и тряпичная макулатура и волокнистые материалы животного (шерсть, кожевенные отходы), органического (вискоза, полиамид, полиэфир, винол и др.) и неорганического (асбест, стеклянные и базальтовые волокна, слюда) происхождения. Сами древесные волокна непри- годны для производства из-за лигниновой оболочки, предохраняющей древес- ную сердцевину от природных воздействий. Поэтому древесина перерабатыва- ется в полуфабрикаты: древесную и термомеханическую массу, полуцеллюлозу и целлюлозу, комбинации которых служат основой для производства бумаги и картона. Среди целлюлозных полуфабрикатов наибольшее распространение получи- ли сульфатная хвойная беленая и небеленая целлюлоза, сульфатная лиственная беленая, сульфитная хвойная беленая целлюлозы. Полуцеллюлозные полуфабри- каты представлены нейтрально-сульфитной, моносульфитной, бисульфитной полуцеллюлозой, механические массы — химико-термомеханической, термоме- ханической, древесной дефибрерной массой из хвойных и лиственных пород древесины. Для изготовления бумаги и картона, как отмечалось ранее, широко ис- пользуется макулатура. В общем балансе волокнистых полуфабрикатов целлюло- за и макулатура составляют приблизительно равные доли (40—45 %), осталь- ное — различные виды механических масс. Бумага и картон — листовые или рулонные сложные композитные матери- алы с капиллярно-пористой структурой, состоящие в основном из волокон растительного происхождения, связанных межволоконными связями, а также из основных и вспомогательных химических веществ-наполнителей, проклеи- вающих, красителей и отбеливателей, связующих, фиксирующих и других ре- агентов. Наполнители — минеральные пигменты белого цвета, которые располага- ются в бумаге и картоне между волокнами. В качестве наполнителей выступают каолин, карбонат кальция (мел), тальк, гипс, сульфат бария, диоксид титана и другие материалы для придания бумаге определенных свойств: непрозрачно- сти, улучшения восприятия краски, гладкости, белизны, мягкости и бесшум- ности, плотности и т. д. Проклеивающие вещества — клеи на основе канифоли, карбомидоформаль- дегидная смола, димеры алкилкетена, алкилянтарный ангидрид, полиамида- минные смолы, латексы и т. д. Они улучшают водонепроницаемость, влаго- прочность и другие свойства бумаги. Красители — прямые, основные, кислотные, пигментные окрашивающие вещества, отбеливатели и отбеливающие системы — применяются в целях ок- рашивания бумаги и картона и для придания им высоких значений белизны. Химические вспомогательные вещества — крахмалы катионные и окислен- ные, катионный полиакриламид, полиимины, сульфат алюминия и квасцы, кар оксиметилцеллюлоза, биоциды, антипирены, пеногасители и многие дру- гие — служат для повышения удерживаемости, ускорения обезвоживания, уве- личения прочности, снижения биообрастаний, придания специальных свойств. 22
Вода — природный продукт, обладающий следующими особенностями: расширение при замерзании с уменьшением плотности, высокие поверхност- ное натяжение, теплоемкость, диэлектрическая постоянная и выраженный полярный эффект. Значения указанных свойств воды зависят от ее температуры. С изменением температуры у воды меняются электропроводность, теплоем- кость, плотность, удельный объем, вязкость, поверхностное натяжение, коли- чество растворенного воздуха и др. Природная вода никогда не бывает чистой. Из молекул воды образуется большое число различных ассоциатов: линейные, циклические и разветвленные. Аномальность воды проявляется в ее особенных физических свойствах, приведенных выше. Природная вода всегда содержит органические и неорганические соединения, микроорганизмы и газы. В воде содержатся взвешенные вещества, которые состоят из частиц песка, глины, металла, плодородных почв. По содержанию взвешенных веществ оце- ниваются прозрачность и мутность воды. В природной воде источником взвешенных веществ органического проис- хождения является планктон (живые организмы и водоросли). При благоприят- ных условиях (определенных температуре и количестве растворимых соедине- ний) на стенках бумагоделательной машины образуется слизь, которая по мере роста попадает в бумагу и портит ее качество. В воде растворенные минеральные вещества присутствуют в виде ионов: ка- тионы натрия, калия, кальция, магния, цинка, железа, марганца, меди, алю- миния и др., анионы ОН, НСО3, СО3, Cl, SO4 и пр. Природные воды с высокой жесткостью, как правило, нестабильны, и выпадающие соли отлагаются на стенках сосудов, в ячейках сетки и отверстиях отсасывающих валов. Мягкие воды с низкими значениями щелочности отличаются повышенной коррозионной агрессивностью, что требует создания проточных частей маши- ны в антикоррозийном исполнении. Вода обладает свойствами самоочищения от взвешенных частиц и органи- ческих примесей. Последние окисляются растворенным в воде кислородом. Твердые взвешенные частицы выпадают в осадок со скоростью, зависящей от их размера (табл. 1.2.2). Таблица 1. 2. 2 Скорость осаждения частиц в спокойной воде при 10 °C Взвешенное вещество Диаметр частиц, мм Скорость осаждения, мм/с Песок: крупный средний мелкий 1,0 0,5 0,1 100 53 0,9-8,0 Ил: крупный мелкий 0,01-0,05 0,005-0,010 0,15-1,70 0,017-0,070 Глина В том числе тонкая 0,0017-0,0270 0,0001-0,0017 0,0015-0,0050 0,00001-0,00010 Коллоидные частицы 0,00001-0,00010 0,0000001-0,0000070 23
При фильтрации воды через волокнистые осадки последние способны удер- живать мелкие взвешенные частицы и адсорбировать многие коллоиды вслед- ствие большой поверхности (например, 1 г неразмолотой целлюлозы имеет поверхность около 106 см2). Поэтому содержание взвешенных частиц в воде нор- мируется в зависимости от качества вырабатываемой продукции. При производстве бумаги и картона твердые и металлические включения, содержащиеся в волокнистых полуфабрикатах и попадающие в бумажную мас- су, причиняют большой вред узлам трения. В подвижной водно-волокнистой суспензии они могут свободно транспортироваться на значительные расстоя- ния по трубопроводам без выпадения в осадок. Б.М. Заморуев предлагает следующую градацию для воды, используемой при производстве бумаги и картонов. По допустимому содержанию веществ вода разделяется на семь основных групп (табл. 1.2.3). Таблица 1. 2. 3 Допустимое содержание веществ Показатели качества воды Группы воды 1 2 3 4 5 6 7 Крупные взвешенные вещества Не допускаются Мелкие взвешенные вещества, мг/л 70 40 10 3 — — — Прозрачность (мутность по SiC>2), мг/л 100 50 40 10 50 — — Цвет по платиново-кобальтовой шкале, 100 30 50 5 — — — град pH — 8,0 8,0 8,0 5,5 — — Общее солесодержание, мг/л 500 500 300 200 400 25 — Жесткость общая, мг-экв/л 7,0 7,0 2,0 5,3 0,1 — — Жесткость карбонатная, мг-экв/л — — — 1,00 0,02 0,02 — Щелочность, мг-экв/л 3,0 3,0 1,5 1,5 2,5 — — Хлориды (единица С12), мг/л 200,0 200,0 200,0 7,5 15,0 1,0 — Сульфаты (единица S2O4), мг/л — — — — 100 20 — Кремний (единица SiO2), мг/л 100,0 50,0 50,0 20,0 20,0 5,0 — Натрий + калий (единица Na + К), мг/л — — — — 1,0 — — Кальций (единица Са), мг/л — — — 1,0 — — — Магний (единица Mg), мг/л — — — 1,0 — — — Железо (единица Fe), мг/л 2,5 1,0 0,3 0,1 0,1 0,1 — Марганец (единица Мп), мг/л 0,50 0,10 0,10 0,05 0,05 0,05 — Медь (единица Си), мг/л — — — — 0,05 0,01 — Алюминий (единица А1), мг/л — — — — 2,5 1,0 — Свободная углекислота (единица 10 10 10 10 10 10 СО2), мг/л Активный хлор (единица С12), мг/л — — — 2 — — — 24
К первой группе относится вода, применяемая для изготовления бумаги мешочной, упаковочной, для шлифовальных шкурок; для битумирования, гоф- рирования и для картонов: крафт-лайнера, тест-лайнера, переплетного, коро- бочного и т. п.; для охлаждения теплообменников, подшипников, холодиль- ных цилиндров, уплотнения сальников вакуумных насосов, пожаротушения и санитарных нужд. Вторая группа воды используется для изготовления бумаги: газетной, обой- ной, обложечной и др. (содержащей древесную массу). Третья группа воды применяется для производства бумаги и картона из беленых полуфабрикатов и белой древесной массы: писчих, печатных, чертеж- ной, этикеточной, папиросной, светочувствительной, санитарно-гигиениче- ской, жиронепроницаемой, для расфасовки пищевых продуктов, покровных слоев картона из беленых полуфабрикатов. Четвертая группа воды используется для изготовления высокобеленых ви- дов бумаги: документной, банкнотной, основы для фотобумаги и т. п. Пятая группа воды применяется для изготовления кабельной бумаги. Шестая группа воды используется для изготовления технических видов бу- маги, для которых требуется строго ограниченная зольность: фильтровальная беззольная, высокосортные кабельные и среднесортные конденсаторные. Седьмая группа воды не должна содержать растворенных веществ и по сво- ему составу приближается к химически чистой. Она применяется при изготов- лении высокосортных конденсаторных видов бумаги. В водно-волокнистой суспензии вода содержится в трех видах: свободная, капиллярная, связанная. Свободная вода может быть замкнутой (заполняющей закрытые поры и полости) и гравитационной (свободнотекущей под действием сил тяжести или приложенного давления в сквозных полостях между твердыми телами и зани- мающей основной объем в жидкой суспензии). Вязкость воды зависит от темпе- ратуры. С увеличением температуры она снижается, и вода становится более текучей. Капиллярная вода. Свойства воды в капиллярном объеме существенно от- личаются от свойств воды в тонких пленках, которые образуются на поверхно- сти твердых тел, в порах внутри твердых тел. Установлено, что в капиллярах, диаметр которых меньше 0,1 мкм, вязкость воды на поверхности кварца увели- чивается в 1,4 раза по сравнению с ее вязкостью в капиллярах диаметром 2 мкм Существует мнение, что в узких порах вода не способна кристаллизовываться, так как ее молекулы дезориентированы значительными поверхностными сила- ми. Для смачиваемых поверхностей тонкие пленки воды создают расклиниваю- щее давление. В системе целлюлозные волокна — вода расклинивающее давле- ние положительно. Отрицательное расклинивающее давление возникает при медленном удалении воды (механический сдвиг или медленное испарение). Капиллярная вода делится на три вида: микрокапиллярная (гидравличе- ский радиус пор 0,001—0,100 мкм); капиллярно-конденсированная из паров, или мезокапиллярная (гидравлический радиус пор 0,1—10,0 мкм), обладающая наибольшим капиллярным поднятием; макрокапиллярная (гидравлический ра- диус 10—103 мкм) с незначительным капиллярным поднятием.
Связанная вода образуется в результате взаимодействия воды с целлюлозой за счет водородных связей. Связанная вода не удаляется сушкой при температу- 105 °C в сушильном шкафу при обычном атмосферном давлении, не участву- ет в растворении солей, растворимых в обычной воде, не замерзает до темпера- туры —13 °C. Воздух. В бумажной массе воздух находится в трех видах: 1) растворенный в воде' 2) мелкие пузырьки, связанные силами поверхностного натяжения с во- локнами; 3) более крупные пузырьки, свободно движущиеся в массе между волокнами под действием, например, архимедовой силы (при этом пузырьки воздуха могут выходить на свободную поверхность массы, образуя пену). Количество растворенного газа Q жидкостью зависит от его парциального давления Р по закону Генри Q = ЮиР, где т — масса жидкости; К — коэффициент пропорциональности. Количество растворенного газа зависит также от температуры. Присутствие растворенного и пузырькового воздуха в водно-волокнистой суспензии приводит к определенным технологическим трудностям при отливе полотна. При вакуумировании полотна на отсасывающих ящиках и в сбегаю- щем водяном клине гидропланки (регистрового вала) растворенный воздух выделяется в виде пузырьков, нарушая сплошность водно-волокнистой среды. Поэтому воздух стремятся из суспензии удалить — путем предварительного ва- куумирования в специальных аппаратах. Наличие различных материалов, применяемых для изготовления бумаги и картона, свидетельствует о сложной композиции конструкции изделий, в ко- торую каждый компонент привносит свои специфические особенности. В заключение, рассматривая Периодическую систему элементов Менделее- ва, можно указать, что примерно 60 % элементов находят применение в цел- люлозно-бумажной промышленности. 1.2.2. Материалы, применяемые для изготовления бумаго-, картоноделательных и сушильных машин Чу1уны. Чугун марки СЧ-18 применяется для изготовления станин, шин и сушильных цилиндров, работающих при давлении пара не более 3 кг/см2 (0,3 МПа), чугун высококачественный, модифицированный, со сфероидаль- ным графитом — для изготовления сушильных цилиндров, работающих при давлении пара более 0,3 МПа, чугуны, легированные хромом и никелем (с пластинчатым графитом) и легированные никелем и марганцем (с шаровид- ным графитом), — для прессовых и каландровых валов. Стали. Сталь Ст2 используется для изготовления кожухов и стяжек, сталь т варочных котлов, баков, крюков, крепежа, сталь ВСтЗсп — для свар- ных деталей, фланцев, колпаков, стали Ст5 и Ст5сп — для цапф грудных и прессовых валов, втулок, шкивов, сталь Стб — для деталей с большими стати- ческими нагрузками, сталь 08X13 — для маслопроводов и трубопроводов све- 26
жей и оборотной воды, крепежа, сталь 12X13 — для напорных блоков, масло- проводов, крепежа, сталь Х18Н9Т и другие легированные и высоколегирован- ные стали — для валов, шестерен, цапф, пружин, шнеков, рубашек отсасыва- ющих валов, сварных деталей и т. п. Приведенная номенклатура сталей может быть изменена на другие марки, если их механические и коррозионные свой- ства не ниже рекомендуемых. . Цветные металлы. Медь и медные сплавы, никель, хром применяются для покрытия поверхности валов и других изделий, например медь — для борьбы со слизеобразованием. Бронза марки БрОЦ10-2 используется для изготовления рубашек отсасывающих валов, головок ровнителя, бронза БрОФ6,5-0,4 и ла- тунь МнЖМц — для изготовления сеток. Сплавы алюминия применяются для изготовления кожухов, раздвижных шкафов сушильной части и т. п. Пластические массы и другие композитные материалы находят широкое при- менение, когда ими можно заменить металлы, например, полиэфирное моново- локно применяется для изготовления сеток, полиэтилен высокомолекулярный - для изготовления крышек отсасывающих ящиков, гидропланок и т. д. Текстолит марок ПТК, ПТ, ПТ-1, ПТ-2, ПТ-2Б, ПТ-3 используется как подшипниковый материал, для изготовления планок отсасывающих ящиков и грудных досок, шестерен, шаберов и др. Древесно-слоистые пластики марок ДСП-Б, ДСП-Б-м, ДСП-В, ДСП-В-м, ДСП-Г применяются для изготовления вкладышей подшипников, узлоловите- лей, мешальных устройств, зубчатых колес, шаберов мокрой части машин. Стеклопластики используются для облицовки трубчатых валов бумагодела- тельных машин, изготовления колпаков, расположенных над сушильной час- тью, для изготовления корпусов отсасывающих ящиков, водоотделителей к вакуумным насосам. Винипласты применяются для облицовки лотков и ванн, напорных ящи- ков, шаберов сетковедущих и грудных валов. Капрон используется для изготовления вкладышей подшипников, шесте- рен, втулок, эксцентриков и т. п., заправочных канатиков сушильной части, антикоррозионного и антифрикционного покрытия деталей. Фаолит марки А с асбестовым наполнителем применяется для изготовле- ния трубопроводов и арматуры к машинам для выработки фибры, облицовки ванн, бумаговедущих валиков. Мипора — изоляционный материал для колпаков сушильной части. Графит марок АО-1500, АО-600, АГ-150, АГ-600 применяют для изготов- ления уплотнений отсасывающих валов, колец сальниковых уплотнений су- шильных цилиндров. Лучшим заменителем графита является состав из 63 % хри- зотиласбестового волокна, 5 % графита, 32 % бакелитового лака СБС-1. Фторопласт применяют, например, для изготовления втулок опор перфо- рированных валиков напускных устройств, сальниковых уплотнений сушиль- ных цилиндров. Асбовинил используется для футеровки емкостей, покрытия внутренней поверхности ванн. Эпоксидные смолы имеют различный состав и применяются для исправле- ния дефектов на поверхности гранитных и стонитовых валов и металлических отливок из черных и цветных металлов.
Свойства облицовочных резин для валов БКСМ Вал Твердость по ТШМ-2 Удельное линейное давление, кг/см Срок службы, годы Грудной 2-5±1 — 10 Регистровый 2—5±1 — 10 Сетковедущий 2-5±1 — 4 Нижний гауч-пресса 25—30±2 20 8 Верхний гауч-пресса 50—75±2 5 4 Уплотнитель гауч-пресса 180—200±3 5 4 Обрезиненный: I пресса 50—75±1 80 6 II пресса 40-65±1 80 6 III пресса 35-60±1 80 6 Прессовый отсасывающий 20—35±1 80 6 Прессовый сглаживающий 35—40±1 25 8 Нижний сукномойки 45-75±1 40 6 Верхний сукномойки 40—45±1 40 6 Бумаговедущий 2—5±2 — 10 Сукноведущий 2-5±2 — 10 Лощильный 20—25±1 100 4 Прессовый горячий 60-65±2 80 4 Прижимной круглосеточных машин 200—220±3 10 10 Нижний предварительного пресса 30—55±1 20 8 Верхний предварительного пресса 40-65±1 20 8 Гауч-вал картоноделательной машины 50—55±1 25 6 I экстракторного пресса 80—90±1 15 8 II экстракторного пресса 70—80±1 20 8 Гауч-пресса пресспата 180—200±3 25 6 Нижний пресспата I пресса 35—40±1 80 4 Нижний пресспата II пресса 25—30±1 100 4 Нижний пресспата III пресса 20-25±1 150 4 Пресса высокого давления пресспата 10—15±1 300 2 Герметизирующий эластомер используется как антикоррозионное покры- тие деталей узлоловителей, напускных устройств, сеточных столов и др. Жидкий наирит— это герметизирующий и антикоррозионный материал, применяемый для покрытия ванн и станин, деталей узлоловителей, лопастей Циркуляционных насосов. Резина и эбонит используются для эластичных буферов, подвесок, аморти- заторов, приводных ремней, транспортерных лент, шлангов, уплотнений, про- кладок. Из эбонита изготовляют шаберы мокрой части машин. Он используется 28
как облицовочный материал валов и емкостей. В зависимости от назначения облицовочная резина имеет различные свойства (табл. 1.2.4). Керамика. Алюмооксидная керамика, имеющая высокую твердость (до 2-104 по Виккерсу), гладкость поверхности до 0,2 мкм, износостойкость и др., нахо- дит применение в узлах трения, где желателен минимальный износ поверхно- сти. Например, из нее изготавливают гидропланки, крышки отсасывающих ящиков, башмаки двухсеточных машин, как целые изделия, так и износостой- кие планки в комбинации с другими материалами (высокомолекулярный по- лиэтилен), заменяя ими стальные планки. Вместо алюмооксидной керамики могут применяться алюмокремниевые, алюмоциркониевые, алюмомагниевые керамики и др. Полиуретан используется для покрытий прессовых валов (вместо обрези- новки), поскольку имеет меньшее внутреннее трение, чем резина. Стонит — кварц-резиновая композиция. Он применяется для облицовки прессовых валов вместо гранита. Гранит используется для изготовления прессовых валов, соприкасающихся с мокрым бумажным полотном. При производстве больших валов, где требует- ся заготовка диаметром до 2 м и длиной до 10 м и более, рекомендуется гранит Сибирского месторождения. Для меньших размеров применяют граниты из Ка- менногорского и Ярцевского карьеров. Лакокрасочные покрытия. Для покраски оборудования и предохранения от коррозии используют битумную краску АЛ-177 в смеси с алюминиевой пудрой марки ПАК-4, перхлорвиниловые эмали ПХВ и ХСЭ. 1.2.3. Трансформация и реологические свойства водно-волокнистой бумажной массы и бумажного полотна на БКДМ (по данным проф. И.Д. Кугушева, акад. О.А. Терентьева, проф. В. С. Курова) Бумажная масса — это волокнистый полуфабрикат растительного (иногда минерального или искусственного) происхождения, разбавленный водой, с добавками наполнителей и проклеивающих веществ, красителей и других компонентов для улучшения отлива и придания готовому изделию спе- цифических свойств. Бумажная масса в процессе ее превращения в бумагу (картон) с точки зрения реологии последовательно проходит несколько состояний: вязкое (В), вязкопластическое (ВП), вязкопластическое упругое (ВПУ), пластически вяз- кое упругое (ПВУ), пластически упругое вязкое (ПУВ), пластически упругое (ПУ), упругопластическое (УП). Каждое состояние определяется относитель- ной величиной содержащейся в бумажной массе воды (табл. 1.2.5). На всех стадиях обезвоживания необходимо учитывать определенное изме- нение состояния перерабатываемого полуфабриката, так как в нем происходят Деформации. Значения последних зависят от предельных нагрузок, допустимых Для данного состояния бумажной массы, включая конечное изделие. Бумага образуется из компонентов бумажной массы в основном на сеточ- ном столе бумагоделательной машины, где в результате удаления воды из вод- 29
UJ о Таблица 1. 2. 5 Трансформация водно-волокнистой бумажной массы Стадии обезвожива- ния Фазовое состояние Вид свойств Концен- трация, % Способ обезвоживания Части машины Удельный рас- ход удаляемой воды, л/кг бумаги Удельный рас-1 ход энергии, 1 Дж/(кг бума- ги-10”3) Водно- волокнистая суспензия Жидкость в <1 Г идростатическое давление и слабое разрежение Напорный ящик и регистровая часть 150,000 4,9 Сгущенная бумажная мас- са (осевший слой) Переходные состояния от жидкого к твердому телу ВП 1-7 Разрежение Регистровая часть и отсасывающие ящики 35,600 101,0 ВПУ 7-20 Разрежение, механическое давление Отсасывающий вал и прессовая часть 9,400 264,0 Влажное бу- мажное по- лотно ПВУ 20-45 Механическое давление Прессовая часть 2,500 867,0 ПУВ 45-65 Нагрев и испаре- ние Сушильная часть 1,265 3764,0 ПУ 65-80 1,265 3764,0 Бумага Твердое тело УП 80-93 Давление, нагрев, испарение Каландр, накат 0,100 94,0
но-волокнистой суспензии происходит сближение волокон и образуется влаж- ное бумажное полотно. Качество готовой бумаги во многом зависит от структуры и текстуры ее полотна. Структура — это строение, определенное сочетание составных частей целого. Суспензия бумажной массы — полидисперсная система, в зависимости от состояния она имеет различные структуры. Например, в состоянии покоя или медленного движения бумажная масса содержит крупные или мелкие скопле- ния твердой фазы глобулярной формы (флокулы), а также отдельные участки воды и воздуха в виде пузырьков, как правило образующих пену. Осуществляе- мые на машине технологические операции меняют структуру суспензии бу- мажной массы, например в процессе придания ей равномерности распределе- ния компонентов, при удалении воды и воздуха и др. Качество вырабатываемой на машине продукции зависит от вида и интен- сивности проводимых операций. Так, при интенсивном удалении воды проис- ходит вымывание мелких включений, приводящее к изменению структуры в отдельных слоях бумажного полотна. В конечном продукте желательно получить равномерное распределение компонентов в объеме листа. Поэтому одной из основных задач всех производимых операций на машине является обеспечение соответствующей структуры бумажного листа. Текстура — соединение, или связь, основных частей материала, обус- ловленное их взаиморасположением. Текстура бумаги в первую очередь опреде- ляется ориентацией волокон в плоскости листа. Текстура суспензии зависит от пространственной ориентации волокон. Од- ной из целей технологических операций на машине является придание волок- нистому материалу слоистого расположения волокон в плоскости листа для обеспечения лучшего контакта между ними, что позволяет получить качествен- ную текстуру. При выполнении некоторых операций в процессе изготовления бумаги на машине интенсификация удаления воды меняет ориентацию волокон, что от- ражается на качестве продукции. Поэтому при превращении водно-волокнис- той суспензии бумажной массы в бумажное полотно необходимо строго регла- ментировать режимы обработки и по возможности создавать или сохранять слоистое строение полотна. Создавать стратифицированное (слоистое) расположение волокон наибо- лее удобно при напуске на сетку сильно разбавленной суспензии, когда образу- ется диспергированный поток. Все последующие операции по удалению воды и формированию бумажного полотна по возможности не должны нарушать пер- воначальное слоистое расположение волокон. Большинство вырабатываемых бумаг обладают анизотропией прочности в плоскости листа. Для некоторых видов бумаг анизотропия прочности недопус- тима, и поэтому при формировании листа применяют специальные меры воз- действия (тряска, давление струями пара и др.). 31
Механическая прочность бумажной массы и бумаги определяется величи- ной межволоконных связей нескольких видов: водородных, молекулярных (силы Ван дер Ваальса), химических и сил трения. Главная роль в механизме прочности бумаги из целлюлозных волокон от- водится водородным связям, возникающим между волокнами при удалении воды. Водные сольватные оболочки на волокнах активизируют водородные свя- зи, при удалении воды эти связи образуют прочные соединения между волок- нами. Поэтому чем больше площадь соприкосновения волокон, тем прочнее конечные изделия (бумага, картон). Согласно опытам В. Брехта и X. Эрфурта прочность бумажного листа в ходе производимых операций по изготовлению бумаги увеличивается с ростом сухо- сти полотна (рис. 1.2.1). Возрастание прочности в зависимости от применяемого процесса обезвожи- вания имеет свои особенности в связи с изменением состояния полуфабриката: активный прирост прочности на отсасывающем гауч-валу; снижение интенсивности прироста прочности при прессовании; резкое повышение прироста прочности в первом периоде сушки, когда убыль влаги с поверхности компенсируется диффузией воды из внутренних слоев и сушка осуществляется с постоянной скоростью; снижение интенсивности прироста прочности во втором периоде сушки; повышение прочности за счет эффекта каландрирования. На рис. 1.2.1 представлена опосредованная связь между прочностью листа и его влажностью. Отметим, что в действительности прочность бумажного полотна на разных стадиях его получения определяется величиной межволоконных связей (см. выше). Теоретический анализ физических явлений, обусловливающих увеличение прочности бумажного полотна и зависящих от большого количества различных межволоконных связей, имеет определенные трудности. Поэтому прибегают к некоторой абстракции и применительно к конкретным условиям рассматрива- ют явления упрощенно с сохранением некоторых наиболее существенных свойств в зависимости от постановки задачи. В данном случае используются методы реологии. Реология — наука о текучести и деформациях различных веществ. Для упрощения представлений и в учебных целях в реологии обычно применяют метод механических аналогий, которые характеризуют общие свойства тел: те- кучесть, пластичность, упругость и их комбинации, позволяющие иллюстри- ровать реологические свойства ползучести, релаксации, последействия и дру- гих специфических явлений. Текучесть — свойство тела непрерывно деформироваться при неизмен- ном напряжении. Она имеет размерность, обратную коэффициенту вязкости, геологическое уравнение текучего вязкого тела определяется линейной связью между касательным напряжением т и градиентом скорости деформации у: т = цу, (1.2.1) где ц — коэффициент динамической вязкости, Па с. 32
Разрывное усилие, кг/см Рис. 1.2.1. Возрастание прочности бумажного полотна на бумагоделательной машине в зависимости от сухости полотна (по данным Брехта и Эрфурта) 33
лл/w Рис. 1.2.2. Механические реологические аналогии: а — вязкость; б — пластичность; в — упругость При т - const для скорости течения у — ау + Ь, где у — координата, перпен- дикулярная потоку. Рассматривая течение в ограниченном стенкой сосуде, где при у = 0, у = 0 б = О, получаем линейную зависимость между скоростью течения и координатой. Это послужило основанием для И. Ньютона высказать гипотезу о линейном изменении скорости в воде. Поэтому жидкости, описыва- емые уравнением (1.2.1), называются ньютоновскими. В графическом изображении реологическая аналогия ньютоновской жид- кости представляет собой пористый поршень, перемещению которого в ци- линдре препятствует постоянное сопротивление перетекающей жидкости (рис. 1.2.2, а). Пластичность — свойство тела изменять форму без нарушения сплошности и сохранять остаточные деформации при устранении действующих сил. Для пластичности характерно неограниченное возрастание деформации при посто- янном напряжении (о > о,). Если напряжение в теле меньше, чем о, (о < о,), то деформация отсутствует. Реологическая аналогия идеального пластического тела носит имя Треска- Сен-Венана и изображается в виде площадки с постоянным по величине трени- ем, не зависящим от нормальной силы (рис. 1.2.2, б). Например, при прессова- нии, чтобы избежать раздавливания полотна, необходимо учитывать влияние пластичности. В конструкциях машин, в которых присутствует открытая передача мокрого бумажного полотна, происходит его необратимая вытяжка (пластиче- ское течение) за счет разности скоростей между отдельными частями машины. В сушильной части машины наблюдается усадка полотна. Поэтому, чтобы возрастающие напряжения не превышали предела пластического течения, не- обходимо регулировать силу натяжения сукон. Упругость — свойство тела подчиняться закону Гука, когда напряжение о пропорционально относительной деформации: о = Ег, где е — относительная деформация; Е — модуль упругости. При снятии нагрузки упругое тело восстанавливает свою форму. Реологическая аналогия упругости изображается в виде пружины с посто- янной или переменной жесткостью (рис. 1.2.2, в). Упругие (обратимые) деформации бумажного полотна наряду с пластиче- скими (необратимыми) также имеют место на открытых участках хода бумаж- ного полотна на БДМ при его вытяжке. При этом обычно присутствуют обе составляющие деформации полотна — упругая и пластическая. 34
1.2.3.1. Первичное состояние — вязкая водно-волокнистая суспензия Изготовление бумаги мокрым способом начинается с создания водно-во- локнистой суспензии, имеющей концентрацию сухого вещества обычно не| более 1 % и содержащей все виды воды с подавляющим составом свободной. Для первого (исходного) состояния суспензии характерна текучесть с очень слабыми свойствами пластичности, которые проявляются сильнее при повы- шении концентрации твердого вещества. Водно-волокнистая суспензия необходима для выполнения операций сортирования и очистки волокнистых масс, транспортных операций между машинами. Она также хранится в емкостях и регулирующих бассейнах, пода- ется для отлива листа на регистровой части сеточного стола (или для образо- вания волокнистого бумажного полотна на двухсеточных формующих уст- ройствах и в ванне круглосеточной машины). Переход водно-волокнистой суспензии в сгущенную бумажную массу, обладающую вязкопластическими свойствами, для разных бумажных масс отмечается при различном содержа- нии воды. Так, для бумаг с высокой степенью помола переходная концент- рация меньше 1 %. Однопроцентная переходная концентрация принята как среднее значение, наиболее характерное для массовых видов бумаг: газет- ной, печатной и др. Экспериментально доказано существование физических связей между во- локнами даже при концентрации 0,1 %, при которой образуется структура по- добно твердому веществу. Но эти связи очень слабы и легко разрушаются при небольших напряжениях сдвига. Поэтому уравнение (1.2.1) будет справедливо, если имеет место динамический режим течения, а коэффициент вязкости со- ответствует цэ — эффективному коэффициенту вязкости по Эйнштейну. Водно-волокнистая суспензия имеет особенности, связанные с количе- ственным содержанием твердых тел (волокон и наполнителей), образующих пространственные сетчатые структуры (стержень при течении в трубе при не- больших скоростях, флокулы и т. д.), которые придают суспензии своеобразное реологическое состояние, описываемое следующим уравнением (см. также рис. 1.2.3): т = А^ + A2e~a^ + А3е~а^ + цэу , (1.2.2) где Л] — напряжение трения покоя волокнистой структуры о стенки сосуда; ^2 ~ напряжение, возникающее внутри стержня при движении; Л3 — напряже- ние, характеризующее первоначальную прочность флокул; а,—а3 — функции времени существования соответствующих напряжений в потоке; цэ — коэффи- циент приведенной динамической вязкости; у — градиент скорости. Согласно рис. 1.2.3 вид течения бумажной массы меняется в зависимости от концентрации в ней твердых веществ. Для небольших концентраций течение начинается сразу после приложения нагрузки, при более высоких концентра- циях (примерно 1 %) наблюдается начальное напряжение сдвига т0, что сви- детельствует о трансформации бумажной массы из вязкого состояния в вязко- пластическое. 35
Рис. 1.2.3. Реологические характеристики водно-волокнистой суспензии при различных концентрациях (С. < С2 < С} < С4) Вид кривых течения показыва- ет, что при малых градиентах линей- ная связь по уравнению (1.2.1) не соблюдается. Это можно объяснить тем, что водно-волокнистая суспен- зия имеет тенденцию к флокуля- ции — к образованию сгустков во- локон (естественный процесс, происходящий в водно-волокнис- той суспензии). Флокуляция возни- кает как в спокойном, так и в дина- мических состояниях суспензии. При небольших градиентах движения суспензии наблюдается разность скоростей между отдельными во- локнами и флокулами, в результате чего происходят их столкновение и аккумуляция. Наряду с увеличени- ем флокул имеет место и их размыв. При малых градиентах процесс смы- ва волокон менее эффективен, чем аккумуляция. Поэтому причина аномалии вязкости водно-волокнистой суспензии заключается в увеличении флокул при небольших градиентах (см. рис. 1.2.3), после достижения максимальных разме- ров происходит разрушение флокул при последующем увеличении градиен- тов течения. С флокулообразованием связана величина релаксационных спектров Я(0), которые также характеризуют аномалию касательных напряжений в движущей- ся водно-волокнистой суспензии: Я(0) = -t(y)[(J Igz/ d 1g у) -1], (1.2.3) где 0 — время релаксации; т — касательное напряжение; у — градиент скорости. Можно выделить три режима течения водно-волокнистой суспензии бу- мажной массы. Первый режим имеет место, когда меняющаяся флокуляция массы создает сопротивление течению, далее возрастающий градиент скорости обусловливает диспергирование флокул. Второй режим течения диспергирован- ный (после достижения критического значения скорости сдвига укр). Третий режим турбулентный. Значения полных касательных напряжений трения для турбулентного по- тока можно найти по формуле Хху = (н + Ajdu/dy, где ц — динамический коэффициент вязкости ламинарного течения; А — ди- намический коэффициент турбулентной вязкости; du/dy = у — скорость сдвига Для осредненного движения. 36
Поскольку для реологической характеристики, представленной на рис. 1.2.3, разработано реологическое уравнение в общем виде, на основании выражения (1.2.3) уравнение реологической характеристики с учетом турбулентного участ- ка записывается в следующем виде: где Ак, ак — коэффициенты реологического уравнения; цэ — коэффициент ди- намической вязкости диспергированного течения; p.T— динамический коэф- фициент турбулентной вязкости в диспергированном потоке. По значению турбулентной вязкости определяется величина пути смеше- ния L (масштаб турбулентности): где р — плотность суспензии. Феноменологическую аналогию движения вязкой водно-волокнистой сус- пензии представим в виде поршня в цилиндре переменного сечения (табл. 1.2.6, состояние 1). Такая феноменологическая аналогия в некоторой степени вос- производит течение по уравнению (1.2.2). Водно-волокнистая суспензия в первом состоянии легко отдает воду при незначительных давлениях (слабый гидростатический напор под действием соб- ственного столба жидкости). Для интенсификации обезвоживания (если это несильно влияет на оседающий слой волокон) применяется небольшое разре- жение, создаваемое снизу сетки. Поэтому скорость фильтрации ограничивает- ся, чтобы в процессе удаления воды получался слой волокон на сетке необхо- димого качества. С учетом отмеченных реологических особенностей акад. Терентьевым и проф. Куровым предложено уравнение течения бумажной массы при концен- трациях менее 1,0 %: р— = pF - grad Р + div £ Ake~ati,i + (цэ + цт)уд. (1.2.4) Уравнение (1.2.4) может быть использовано для описания движения бу- мажной массы перед напуском на БКСМ, в напорных ящиках, в зонах формо- вания сеточных частей и др. 1.2.З.2. Второе состояние — вязкопластическая бумажная масса Флокуляция бумажной массы с уменьшением содержания воды увеличива- ется, сопротивление движению возрастает, и возникает явление начального сдвига, для которого характерна величина т0. При напряжениях меньших т0 мас- са не движется. При т > т0 начинается вязкопластическое течение, состоящее из 37
Таблица 1.2.6 Механические реологические модели бумажной массы и бумажного полотна при их различных состояниях на бумагоделательной машине Номер состоя- ния Состояние Аналог Диаграмма 1 Вязкое ЧГ_Г' т 2 Вязкопластическое р—> = * Р То # У 3 Вязкопластическое упругое ^'ЛЛМг р -= о <7| 0X7 х е Л\ / / 1 V V е f t • 4 Пластически вязкое упругое i С —° 7 Go г >8 ео — 5 Пластически упругое вязкое р » р i о оо к 6 Пластически упругое Р+ Ра- С,2 р о L бо 7 Упругопластическое Z ►б Со 38
перемещения флокул и течения вязкой жидкости. Пластическое течение квази- твердых флокул обусловливается их трением друг о друга. Силы трения меняют- ся в зависимости от градиента течения и размера флокул. Отсюда следует, что общее сопротивление слагается из двух составляющих сил трения, а именно трения в свободной жидкости и меняющейся силы трения между флокулами. Аналог пластического движения можно представить в виде двух пластин, кон- такт между которыми определяется силами трения. Полагаем, что касательные усилия при трении меняются в зависимости от скорости сдвига (см. рис. 1.2.2, б, табл. 1.2.6, состояние 2): где к — постоянный коэффициент, с. При параллельном соединении пластического и вязкого элементов общее усилие сдвига т = т„ +ть +т0, где т4 — касательное усилие при вязком течении, или цу т = ---г + цу + то- 1 + ку Движение начинается только после достижения значения т0. Диаграмма течения аналогична графику, представленному в табл. 1.2.6, состояние 2. Вязкопластическому состоянию бумажной массы соответству- ет ее концентрация в пределах от 1 до 7 %. Верхний предел концентрации определяется так называемой сухой линией на отсасывающих ящиках се- точного стола, когда свободная вода удаляется с поверхности отливаемого полотна. 1.2.З.З. Третье состояние — вязкопластическая упругая бумажная масса Вязкопластическому упругому состоянию бумажной массы соответствует ее концентрация в пределах от 7 до 20 %. В этом состоянии жидкость из бумаж- ной массы под действием гравитационных сил практически не выделяется, для этого необходимо приложение внешних сжимающих сил (в отличие от первых двух состояний). При указанных концентрациях возрастает контакт между волокнами. Они сближаются, образуя скелет, в котором при приложении нагрузки начинают проявляться силы упругости. Это явление наблюдается на отсасывающих ящи- ках сеточного стола. При снятии давления сжатый волокнистый скелет рас- прямляется и происходит впитывание ранее отжатой воды, если не принима- ются меры для ее удаления. Аналогом данного состояния может быть комбинация из параллельного соединения вязкого и упругого элементов, последовательно соединенных с 39
пластическим (см. табл. 1.2.6, состояние 3). Такой аналог описывает нерелакси- пуюшее тело Фойта—Кельвина. Первоначально при небольших напряжениях (о < ctJ происходит удаление свободной и капиллярной воды из пор в результате сжатия скелета. По дости- жении о = Gj начинается пластическое течение волокнистого скелета, которое вызывает нарушение структуры листа и поэтому недопустимо. Для решения задачи составим уравнения оу + стА = о при ст < ст5; Еу=е4 = е, где оу = Ее — напряжение в упругом элементе; оь = цу — напряжение в вяз- ком элементе. Тогда ст = £е + цу- (1.2.5) Уравнение (1.2.5) может использоваться для описания затухающей ползу- чести рассматриваемого тела. При ст = const решение относительно деформации будет таким: £ = (ст/£)(1-е(-£/и)'). Отсюда следует, что при t = 0 деформация е также равна нулю. При t > 0 и о < os деформация возрастает, асимптотически приближаясь к величине о/Е. При этом Е— модуль длительного сопротивления, а Е/\к — ско- рость затухания деформации. При линейном увеличении напряжения во времени, т. е. при ст = vt, получим е = vt/E - (pv/£2)(l - e(-£/,l)'). Если при t = Г] снять нагрузку (Ст] = 0), то уравнение (1.2.5) примет вид еЕ + цу = 0 или у/е = -£/ц. После интегрирования получим lne= (—E/\k)t, так как у = ё, или е = Се(_£/и)/. При t = /, деформация е = Ео, следовательно, е0 = Се(~Е/ц)/. 40
Определим величину постоянной интегрирования: С= Ед. Тогда е = Еое(_£/м>'. То есть при снятии нагрузки деформация уменьшается, асимптотически при- ближаясь к нулю. Согласно приведенным рассуждениям постепенное нарастание деформа- ций при постоянной нагрузке или последовательное их уменьшение после ее снятия является последействием. В табл. 1.2.6, состояние 3, представлены гра- фики деформаций при о < о, и о > о, (где о5— напряжение пластического течения) и соответствующие последействия. При о < конечная деформация сводится к нулю. При о > о, последействие завершается остаточной деформаци- ей вследствие пластического течения материала. 1.2.3.4. Четвертое состояние — пластически вязкая упругая бумажная масса Влажное бумажное полотно концентрацией от 20 до 45 % приобретает пла- стически вязкие упругие свойства. В этом состоянии свободная вода почти пол- ностью удалена, и в полотне проявляются значительные пластические и упру- гие свойства. Дальнейшее удаление свободной воды возможно только благодаря созданию высокого давления механическим путем. Это состояние можно пред- ставить в виде аналога последовательного соединения пластического, вязкого и упругого элементов (см. табл. 1.2.6, состояние 4). Первоначально с увеличением нагрузки в пределах 0 < о < о5 происходит упругая деформация волокнистого скелета и выжимание воды. При достижении величины пластического напряжения начинается недопустимая неограничен- ная деформация бумажного полотна. Итак, при о < о5 о = = о4, где <зу = ЕуЕ, аь = ру. Общая скорость деформации Ё = Су + С/,, где Ёу = d/E; tb = у = о/ц. Следовательно, ё = д/Е + о/р или о + (ц/£)б = цё. При о = const (постоянная нагрузка) а = 0, ё = а/ц = const, т. е. наблюда- ется течение вязкой жидкости. При о = vt, где v — скорость нагружения, е = е0 + (y/e)t + (v/2p)/2. 41
При t = 0 и мгновенно приложенной нагрузке о0 е = 0. Тогда ео = °о/^ Если при £о = const закрепим концы системы, то ё = 0 или (<?/£) + (о/ц) = = 0. Отсюда d/а = _£/Н- После интегрирования получим In о - 1пС= (~E/\t)t или о = Се^ Е/^‘ • При t = 0 а = о0, следовательно, С = а0. Тогда о = о0 ехр(-£/ц)А Это уравне- ние релаксации напряжений, где р/£— время релаксации. Такой аналог представляет собой релаксирующее тело Максвелла. Падение напряжения в теле происходит не сразу после снятия внешних сил. В табл. 1.2.6, состояние 4, представлена релаксация напряжений во времени. 1.2.3.5. Пятое состояние — влажное бумажное полотно с пластически упругими вязкими свойствами С увеличением концентрации бумажного полотна с 45 до 65 % оно перехо- дит в пластически упругое вязкое состояние. Практически свободная вода пол- ностью удаляется еще в четвертом состоянии, тогда как с капиллярной водой в мелких капиллярах это сделать невозможно вследствие недостаточной энергии механического воздействия. Чтобы удалить капиллярную воду, необходимо боль- шее количество энергии передавать в бумажное полотно. Таким воздействием может быть тепловая энергия, передаваемая от контакта с нагретым телом, электромагнитным высокочастотным полем или инфракрасным излучением. В настоящее время наиболее экономичным является первый способ. Аналог пластически упругого вязкого тела можно представить в виде па- раллельного соединения пластического, упругого и вязкого элементов (см. табл. 1.2.6, состояние 5). При о < о, движения не наблюдается, при о > os наступает состояние пластического и вязкого течения. При снятии нагрузки деформация возвращается к нулю под действием уп- ругости. 1.2.3.6. Шестое состояние — влажное бумажное полотно с пластически упругими свойствами Влажное бумажное полотно с пластически упругими свойствами имеет кон- центрацию от 65 до 85 % и находится во втором периоде сушки — периоде пада- ющей скорости сушильного процесса, когда прекращается внутренняя диффу- зия влаги к наружной поверхности листа и убыль влаги из полотна замедляется. Аналог пластически упругого состояния может быть представлен в виде параллельного соединения пластического элемента с начальным напряжением упругого элемента с переменной жесткостью и далее с последовательно 42
присоединенным к ним пластическим элементом с начальным напряжением стй (см. табл. 1.2.6, состояние 6). Причем стя « ст,2. При приложении нагрузки ст (ст < стя) деформации не происходит. При о > стя начинается пластически упругое течение. По достижении нагрузки о = as2 проис- ходит деформация второго пластического элемента. При снятии нагрузки дефор- мация восстанавливается до остаточной величины е0. Соответственно, при растя- жении полотна его вытяжка не должна превосходить нагрузки ст > стй. В бумажной массе и влажном бумажном полотне активно проявляются пластические свой- ства материала. Например, бумажное полотно под действием прилагаемых сил и при открытой передаче от одной части машины к другой подвергается вытяжке, которая положительно влияет на продольную прочность до определенного пре- дела деформаций. Выше этого предела, по-видимому, нарушаются связи между волокнами и прочность в продольном направлении снижается. 1.2.3.7. Седьмое состояние: бумага — твердое тело с упругопластическими свойствами Бумажное полотно с упругопластическими свойствами имеет концентра- цию от 85 до 93 % и подвергается первичной отделке методом каландрирова- ния, которое улучшает поверхностную гладкость и повышает плотность листа. Аналог состояния можно представить в виде последовательного соедине- ния упругого (с переменной жесткостью) и пластического элементов. При при- ложении нагрузки начинается упругая деформация, переходящая в пластиче- скую по достижении предельного напряжения ст,. После снятия нагрузки полного восстановления не происходит. В табл. 1.2.6, состояние 7, представлен график усилие—деформация образца бумаги при чередовании нагрузки и разгрузки. Бумагу вследствие незначительного количества содержащейся в ней влаги в первом приближении можно рассматривать (в ограниченных пределах) как упругое тело, подчиняющееся закону Гука. При этом принимается, что дефор- мация возникает сразу после приложения нагрузки, поэтому модуль упругости может быть назван модулем мгновенной деформации. Следует отметить, что условие принятия бумаги как упругого тела можно рассматривать только схема- тично. В действительности график деформации бумаги иллюстрирует явления упругости и пластичности тела. В табл. 1.2.6, состояние 7, представлены не только свойства упругости и пластичности, наблюдаемые в бумаге при ее деформации, но и явления после- действия. Попытки некоторых авторов представить все свойства бумаги механиче- ской аналогией не имеют практического воплощения вследствие их сложности. В механической аналогии не учитывается влияние температуры, влажности, сил поверхностных связей волокон, структуры волокнистого слоя и др. Из табл. 1.2.5 и рис. 1.2.1 следует, что постепенное удаление воды из бумажной массы меняет ее свойства от текучести через пластичность к упругости. Поэтому с изменением свойств материала применяют разные способы обезвоживания: от гидростатического давления слоя волокнистой суспензии на сетке до разрежения на отсасывающих ящиках и механического давления в прессах и на каландре. 43
Возможности прессования ограничены, и для удаления капиллярной воды ц химически связанной воды необходима тепловая энергия от сушильной части пашины. По окончании процесса изготовления бумаги производится отделка полотна путем обработки на каландрах, в результате чего повышается плот- ность бумажного полотна и улучшается гладкость его поверхности. В последних графах табл. 1.2.5 представлены удельные расходы воды и затра- ты энергии, приходящиеся на 1 кг бумаги, по отдельным частям машины в соответствии с изменением свойств бумажной массы. По ходу машины количе- ство удаляемой воды уменьшается, а затраты энергии непропорционально воз- растают. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Из каких видов твердых материалов как сырья изготавливаются бумага и картон? 2. Расскажите о воде как основном жидком веществе, используемом в производ- стве бумаги и картона. 3. Перечислите основные материалы, используемые при изготовлении БКСМ. 4. Что собой представляет реология как наука? Перечислите реологические модели тел и сред. 5. Как возрастает прочность бумажного листа на бумагоделательной машине? 6. Перечислите реологические состояния бумажной массы на БКДМ. 7. Перечислите реологические состояния бумажного полотна на БКДМ. 1.3. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ БУМАГИ, БУМАГО- И КАРТОНОДЕЛАТЕЛЬНЫХ МАШИН (по данным проф. И.Д. Кугушева) Раньше многие специалисты рассматривали процесс производства бумаги не только как науку, но и как искусство, передаваемое от одного мастера друго- му. В настоящее время в развитии целлюлозно-бумажного производства наступил качественно новый этап. В первую очередь были поставлены задачи совершен- ствования автоматизированных систем, в частности систем машин по производ- ству бумаги и картона, сокращенно называемых “бумаго- и картоноделательные машины”, механизации и автоматизации технологических процессов. Во многих странах мира интенсивно проводятся научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по совершенствованию процессов и обо- рудования производства бумаги и картона. Результаты этих работ настолько быстро изменяют конструкции машин, что они после установки морально ус- таревают уже через 7—10 лет. Моральный износ бумагоделательных машин обыч- но происходит быстрее физического. Хотя до недавнего времени считалось, что машина должна быть рассчитана на моральное долголетие 25—30 лет, однако на практике она эксплуатируется почти полвека и более. Для снижения темпов морального износа машины, в частности, подвергаются непрерывной модер- низации. Известно, что хорошо проведенная модернизация на 10—12 лет ото- 44
двигает срок наступления морального износа. Сроки эксплуатации БКДМ про- длеваются также рациональной сменой ассортимента вырабатываемой на них продукции. Появляются новые схемы автоматических систем, технологических пото- ков, методы формования бумажного полотна с максимальным использованием существующего оборудования, минимальным расходом волокна, свежей воды, химикатов, снижающие до минимума загрязнение окружающей среды. • Значительные затраты на научно-исследовательские и проектно-конструк- торские разработки привели к кооперированию фирм. В этих условиях резко возросло значение научно-технической информации и ее методологического отбора. Быстрыми темпами развивается и видоизменяется мокрая часть машины. Так, широко внедряются двухсеточные формующие устройства (ДФУ), комби- нированные прессы с трех- и четырехкратным отжимом, с удлиненными зона- ми прессования и с доведением полотна до максимально возможного предела сухости. Значительные успехи достигнуты также в интенсификации сушки бумаж- ного полотна. Однако пока наиболее экономичной остается комбинированная контактно-конвективная сушка на цилиндрах, обогреваемых паром. В настоя- щее время разработка новых синтетических сушильных сеток, безобрывной проводки бумажного полотна и однорядного расположения сушильных цилин- дров — основные этапы в развитии сушильной части БДМ. Совершенствуется сушка бумаги на перфорированных сушильных цилинд- рах, обтянутых сетками, с продувкой горячего воздуха через бумажное полотно при температуре до 450 °C. Внутри цилиндра создается вакуум до 8 м вод. ст., и просасываемый через бумагу горячий воздух уносит влагу. Это позволяет сокра- тить габариты сушильной части. Применяются колпаки скоростной сушки, изу- чаются процессы сушки на отдельных участках с помощью токов высокой час- тоты, а также инфракрасных лучей. Для повышения качества бумаги, главным образом для улучшения ее пе- чатных свойств, на каландрах машин увеличивают давление между валами и температуру каландрирования до 160—250 °C, применяют “плавающие” валы с регулируемой бомбировкой. Предполагается, что в ближайшем будущем бумагоделательные машины по общей длине будут в два-три раза короче традиционных, а их производи- тельность возрастет. Крупные машины имеют существенные недостатки — их размеры нельзя увеличивать бесконечно. Известно, что в природе гигантизм, как правило, сопутствует вырождению вида. Для того чтобы оценить успехи современного мирового бумагоделательно- го машиностроения, его масштабы и динамику, необходимо знать историю развития БКСМ. По стоимости, циклу проектирования и изготовления бумагоделательные машины имеют государственное значение. Если первые машины создавались руками и смекалкой мастеров-умельцев, то современные машины представляют собой обобщение достижений в техноло- гии, механике, электронике, гидравлике, электротехнике и т. д. Они создаются 45
большими коллективами ученых, инженеров, конструкторов, технологов, рабо- чих Машина представляет собой сложную динамическую систему. Поэтому кон- структивная и технологическая компоновка машины и разработка принципов надежности должны осуществляться по динамическим характеристикам. Проблемы конструирования машин и изучение их работы в реальных усло- виях требуют от специалистов широкого междисциплинарного кругозора знаний о свойствах конструкционных ;латериалов в различных условиях эксплуатации, теории упругости и колебаний. Необходимо глубокое знание технологии бумаги, свойств волокон при движении суспензий, формовании, обезвоживании, прес- совании, сушке, каландрировании, намотке и резке бумажного полотна. В настоящее время во всех странах мира находятся в эксплуатации около 10 тыс. бумаго- и картоноделательных машин. Ежегодно десятки машин демон- тируются и вводятся в эксплуатацию новые крупногабаритные машины. Несмотря на значительные нововведения, бумагоделательная машина со- хранила первоначальную технологическую компоновку и в настоящее время представляет собой большой технологический конвейер — автоматическую си- стему машин. Технологический принцип бумагоделательной машины в течение двух сто- летий практически не изменился. Как отмечалось ранее, по конструкции и ра- бочим процессам бумагоделательные машины схожи с картоноделательными и сушильными машинами (пресспатами). Они состоят из тех же частей, что и бумагоделательные машины. При постоянной тенденции снижения массы 1 м2 полотна картона и увели- чении скорости современные картоноделательные машины по конструкции все больше напоминают бумагоделательные машины. Характерным примером это- го сходства является установка на них, как и на быстроходных БДМ, вакуум- пересасывающих устройств. Прессовая часть картоноделательной машины проектируется аналогично бумагоделательным машинам. Основной принцип непрерывного отлива сплош- ного листа с последующим прессованием и сушкой, применяемый при произ- водстве бумаги и картона из растительного волокнистого материала, использу- ется также при изготовлении листовых материалов минерального (асбест, слюда) и искусственного (полимерные волокна) происхождения. Для повыше- ния производительности и технике-экономической эффективности бумагоде- лательных машин активно проводятся научно-исследовательские и проектно- конструкторские работы по следующим основным направлениям: 1. Конструктивное и технологическое построение машины по агрегатному принципу (агрегатирование ускоряет освоение новых опытных образцов, об- легчает использование на новых машинах проверенных в эксплуатации конст- рукций, упрощает монтаж). 2. Узкая специализация по виду вырабатываемой бумаги и стабильность технологии. 3. Интенсификация отлива, обезвоживания и сушки бумаги. 4. Снижение удельных затрат металла и энергии. 5. Оптимальная взаимосвязь технологических процессов по их параметрам и скорости. 46
6. Высокая надежность, простота управления, обслуживания и возможность визуального наблюдения за ходом технологического процесса. 7. Максимальная технологичность машины, включая монтаж и демонтаж новых узлов. 8. Повышенная жесткость и динамическая уравновешенность вращающих- ся узлов и деталей. 9. Оптимальная автоматизация управления машиной и технологическими процессами. 10. Реализация принципов эргономики и технической эстетики. 1.3.1. Технологические методы производства бумаги, картона и других изделий Бумагоделательная машина — это непрерывно действующая поточная ли- ния, включающая в себя многие десятки агрегатов, выполняющих последова- тельные операции превращения жидкой (иногда воздушной) суспензии в не- прерывное полотно бумаги или картона. В целях ориентации во всем многообразии машин для производства бума- ги, картона и товарной целлюлозы как средств реализации технологических процессов необходимо произвести систематизацию производства этой продук- ции, используя применяемую в машиностроении терминологию. Схема систематизации включает в себя технологию, машины и продукты производства. Технология определяет систему действий в процессе производ- ства, охватывающего период между двумя полярными объектами: сырьем и конечным продуктом. Анализируя систему таких действий относительно произ- водства бумаги (картона), можно последовательно все технологические про- цессы систематизировать по видам, классам, типам и методам (рис. 1.3.1). Вид технологии характеризует решение технологической задачи по прин- ципу движения сырья и продуктов в процессе производства. Существует два основных вида такого движения — непрерывный (Н) и дискретный (Д). Они образуют четыре комбинации (табл. 1.3.1). Для систематизации технологий производства бумаги (картона, товарной целлюлозы) принимаем два первых случая, разделяя их по виду движения про- дукта. В первом варианте изделие изготавливается в виде бесконечного полотна, сматываемого в рулоны непрерывно, во втором варианте — в виде отдельных дискретных конечных изделий (например, листы). Таблица 1. 3. 1 Сочетания видов движения сырья и продукта Комбинация Движение сырья Движение продукта 1 Непрерывное Непрерывное 2 » Дискретное 3 Дискретное Непрерывное 4 » Дискретное 47
оо Технология Бумага, картон и бумизы Обозначения Н — непрерывная Д — дискретная р— растительное А — - асбест С- - слюда П- - полимер ПП - - полимерная пленка К- -кожа В- -вода А — - воздух 0- - осаждение Н- - напыление Б — бумификация К- - кардочесание Рис. 1.3.1. Систематизация технологических методов производства бумаги, картона и других изделий (бумизы — бумажные изделия (изделия из бумажной массы — папье-маше), например диффузоры громкоговорителей, прокладки для яиц и др.)
Класс технологии определяется видом сырья или полуфабрикатов. Сырьем для производства бумаги и картона в основном служит разнообраз- ный волокнистый материал растительного происхождения, а иногда и мине- ральные волокна (асбест), минеральный тонкослоистый материал естествен- ного происхождения (слюда), искусственные материалы (полимерные волокна и пленки) и даже кожа, точнее, отходы кожевенного производства — для изго- товления искусственных кож. Методы и способы изготовления искусственных кож аналогичны методам и способам производства картона. Тип технологии определяется использованием технологической среды при движении сырья (вода, воздух). Метод технологии — сущность технологических процессов превращения сырья в изделие с учетом вида, класса и типа технологии. Промышленная реализация технологии определяет конструктивное оформ- ление машины как средства для выполнения заданного метода технологическо- го процесса. В соответствии с рис. 1.3.1 рассмотрим более подробно систематизацию тех- нологии производства бумаги (а также картона и товарной целлюлозы). Технология бумаги всегда базировалась на двух видах технологических про- цессов: дискретном и непрерывном. Последний сформировался на базе первого и в настоящее время широко распространен. Виды технологического процесса делятся на классы, которые определяются типом сырьевого материала. Для непрерывного производства используются рас- тительные волокна (HP), асбестовые волокна (НА), чешуйки слюды (НС), по- лимерные волокна (НП), полимерная пленка (НПП), для дискретного произ- водства — растительные волокна (ДР) и отходы кожевенного производства (ДК). Классы подразделяются на типы, которые определяются условиями техноло- гической среды, содержащей материал того или иного класса. Такой средой может быть жидкость (вода, В) или, реже, воздух (А). Класс HP имеет два типа — НРВ и НРА, а другие классы — по одному типу: НАВ, НСВ, НПВ, НППВ, ДРВ, ДКВ. Типы подразделяются на методы, которые определяются главным процес- сом изготовления изделия, в нашем случае — процессом образования бумаж- ного полотна. В основном применяют четыре метода: осаждение (НРВО, НРАО, НАВО, НСВО, НПВО, ДРВО, ДКВО); напыление (НРВН, ИРАН, НАВН, НСВН, НПВН, ДРВН, ДКВН); кардочесание (ИРАК) и бумификация (НППВБ), т. е. придание полимерной пленке свойств бумаги. Эти 16 методов технологии используют для однородных материалов, определя- емых технологическим классом и типом. Но данный перечень не заканчивается ука- занными методами, так как можно менять класс путем комбинации материалов, например смешивать растительные волокна с полимерами, асбестом, слюдой и т. п. 1.3.2. Способы производства бумаги, картона, древесно-волокнистых плит, других изделий и машины для их производства Систематизация технологии производства бумаги (картона, товарной цел- люлозы) позволяет охватить все многообразие конструкций существующих Машин (БКСМ) с учетом дальнейших новых решений. 49
Технологический метод состоит из нескольких процессов, а последние скла- дываются из технологических операций. В автоматизированной системе машин для производства бумаги, картона или других изделий имеет место большое количество процессов: подача сус- пензии необходимого качества, образование полотна, обезвоживание его ваку- умом, прессование, сушка, охлаждение, уплотнение, намотка, транспортиро- вание и др. Наиболее ответственным процессом является образование бумажного по- лотна. Он включает в себя операции обезвоживания массы и формования по- лотна от которых в основном зависят качество и количество производимой продукции. Поэтому считается, что технологический процесс образования по- лотна и входящие в него операции самые важные — они принимаются за осно- ву систематизации машин. Главная операция определяет основной механизм, с помощью которого она осуществляется. Главный технологический процесс определяет основную машину в автомати- зированной системе машин, выполняющую основную и ряд необходимых вспо- могательных операций при помощи соответствующих механизмов. Следует отметить, что существует несколько названий автоматизирован- ных систем машин (БКСМ): конструктивное, определяемое по основной машине (сеточной части) — плоскосеточная, двухсеточная, с наклонной сеткой (все это длинносеточные машины), круглосеточная, комбинированная; фирменное — по заявленным патентам или номерная система (Б-15, К-09, 827); по производимой продукции — газетная, конденсаторная, картоноделатель- ная и т. п. За основу данной систематизации приняты конструктивные особенности основной машины (рис. 1.3.2). Рассмотрим систематизацию конструкций бума- годелательных машин, работающих по основному применяемому на практике методу НРВО (см. рис. 1.3.2а). Главная технологическая операция — обезвоживание массы фильтровани- ем (О) определяет основной принцип образования бумажного полотна. В мето- де НРВО он осуществляется по принципу осаждения волокна. Основной меха- низм может включать в себя бесконечное сетчатое полотно-сетку (МБСП), сетчатый цилиндр (МСЦ) и др. Главный технологический процесс — образование влажного бумажного по- лотна. В зависимости от конструкции основной машины, обеспечивающей обез- воживание массы и формование бумажного полотна (ОФП), бумагоделатель- ные машины подразделяются на односеточные (плоскосеточные, ОМ), цилиндровые (ЦМ), двухсеточные (ДМ), комбинированные (ЦОМ и др.), ци- линдровые вакуумформующие (ЦВФМ). В односеточных и цилиндровых маши- нах формование и обезвоживание осуществляются совместно при отводе филь- трата в одну сторону при помощи простейших обезвоживающих элементов: гидростатического напора (цилиндровые), гидропланок, регистровых валиков, отсасывающих ящиков и др., создающих гидростатическое давление и гидроди- намическое разрежение (вакуум) под сеткой. 50
Т ехнологический метод Главная технологическая операция Основной механизм Главный технологический процесс Основная машина Способ производства Автоматическая система машин Рис. 1.3.2а. Систематизация конструкций бумагоделательных машин (метод НРВО)
Технологический метод Главная технологическая операция н Основной механизм о S МБСП О н К О S к с о нсво о S О н МБСП МБСП 0 О н мсц МБСП МБСП о МСЦ о S о н С о W S Главный технологический процесс Основная машина ФП ФП ДМ шом ФП ДМ Способ производства Картон, бумага Автоматическая к система машин Отсутств Картон, бумага Шахтная односеточная Картон, бумага двухсеточная Кроеформер Юльхяформер Дмитриев и Бондаренко ЛТИ ЦБП-А § X >х о ч § X 6 X <5 V ФП ОМ ОФП цм ОФП ом ФП дм [ 5 г 5 [ 1 г ОФП цм ОФП ом ФП ДМ ОФП цм ОФП ом ФП дм £ 3 § 8 СЗ X ю № >х 2 о & л Картон односеточный Картон Гидроформер Отсутствует 2 ч S х & л S СЗ X в S 2 § £ § £ § £ 2 б й 2 л £ и Бумага, наклонная сетка Бумага Брудерхауз Отсутствует Рис. 1.3.26. Систематизация конструкций бумагоделательных машин (непрерывный метод)
Для получения многослойного продукта (картонов и др.) применяются комбинации односеточных, цилиндровых и двухсеточных устройств, имеющих простейшие обезвоживающие элементы. В двухсеточных конструкциях формование происходит между двумя сетка- ми с обезвоживанием в обе стороны под действием давления в клине массы, создаваемого одной из сеток и центробежными силами. Для осуществления заданного технологического метода бумагоделательные ма- шины могут иметь различное конструктивное исполнение, т. е. задавать способ про- изводства, включающий в себя все операции и процессы, необходимые для получе- ния готового продукта с нужными свойствами. Так, для выработки картонов используются, например, цилиндровые машины. В зависимости от направления по- тока волокнистой массы и движения сетчатого цилиндра они разделяются на пря- моточные и противоточные. Полусухая и сухая ванны предназначены д ля интенси- фикации скорости отлива листа путем увеличения фильтрационного напора. Кроме указанных способов существуют системы вакуум-формующих машин с патентными названиями: Рото-, Стивенс-, Гидро-, Манчестермультиформер и др. Комбинированные конструкции цилиндра и бесконечной сетчатой ленты также обозначаются по патентным названиям, например Вакуум-формер. Систе- мы машин с двухсеточным обезвоживающим устройством для отлива полотна бумаги и картона имеют названия только по патентам, а плоскосеточные (одно- сеточные) — по видам производимой продукции. Необходимые конечные свойства бумаги обусловлены, прежде всего, каче- ством и композицией бумажной массы, которые в сочетании с требованиями к качеству готовой продукции определяют технологическую компоновку маши- ны, ее конструктивные особенности, технологические и конструктивные пара- метры, например скорость и ширину машины, длину сеточной части, номер сетки, величину применяемого вакуума, количество прессов, линейные давле- ния между прессовыми валами, количество сушильных цилиндров, температу- ру их поверхности, соотношение скоростей между отдельными секциями ма- шины (в зависимости от вытяжки или усадки бумажного полотна), пределы регулирования скорости и т. д. При выработке определенного вида бумаги применяют свой способ отлива и обезвоживания, прессования и сушки, каландрирования, а в отдельных слу- чаях — дополнительную обработку. В целях унификации плоскосеточных бумагоделательных машин использу- ется типизация по технологическим особенностям бумаги. В зависимости от груп- пы и вида бумаги плоскосеточные машины делятся на 14 типов (табл. 1.3.2). Односеточные БКСМ разделяются также на машины для производства мас- совой, немассовой и специальной продукции (табл. 1.3.3). В целом в разных методах (кроме НРВО) основные механизмы включают в себя: бесконечное сетчатое полотно (методы НРВН, НРАО, НАВО, НАВН, НОВО, НПВО, ДРВО, ДКВО, ДКВН); два бесконечных сетчатых полотна (методы НРАН, НСВН); сетчатый цилиндр (методы НАВО, НСВО, НПВО, ДРВО); кардочесальный барабан МКБ (метод ИРАК); 53
Таблица 1.3.2 Типизация плоскосеточных БДМ (ЦНИИбуммаш) Тип машины Группы бумаги Масса 1 м2, г I Особо тонкие 6-23 II Тонкие 14-20 III Тонкие средней прочности 21-45 IV Впитывающие 32-115 V Жиронепроницаемые 40-55 VI Писчие и печатные № 1 35-120 VII Технические 65-130 VIII Писчие и печатные № 2 и 3 45-100 IX Технические упаковочные 60-250 X Газетная и мешочная 40-90 XI Писчая и печатная № 0 70-300 XII Двухслойные технические 38-185 XIII Односторонней гладкости 20-50 XIV Односторонней гладкости, оберточная 40-160 устройство для нанесения бумифицирующего слоя МНС (метод НППВБ); сетчатая форма МСФ (методы ДРВО, ДРВН). Основным способом производства является метод осаждения твердых час- тиц из водной суспензии. При этом возможны варианты сырья и технологии. Так, на круглосеточных машинах наряду с картонами из растительных волокон производятся асбестовый картон, слюдопласты, товарная целлюлоза и др. Производство бумаги из полимерных волокон может осуществляться на круглосеточных машинах, что пока не нашло широкого применения. На длинносеточных машинах с наклонной сеткой производятся, напри- мер, слюдяная бумага, а также бумага из полимерных волокон (фирма “Бру- дерхауз”). Следует отметить, что асбестовый картон может производиться и на длинносеточных машинах, но такие конструкции еще не созданы. Технологический метод напыления воздушной суспензии на машинах с механизмом бесконечного сетчатого полотна используется в производстве дре- весно-волокнистых плит (ВНИИдрев) и бумаги (ЛТИ ЦБП-А). Он требует более высоких скоростей движения материала, что обусловливает, соответ- ственно, более высокую производительность оборудования. Опыты, прове- денные в ЛТИ ЦБП на моделях и опытно-промышленных образцах машины типа ‘Кивач”, показали возможность изготовления древесно-волокнистых плит и бумаги для обоев лучшего качества, чем при изготовлении по методу осаждения, а также санитарно-гигиенических бумаг, асбестовых и слюдяных бумаг, тонкой искусственной кожи. Это дает основание считать, что метод напыления можно рассматривать как одно из направлений развития способов производства в будущем. 54
Таблица 1. 3. 3 Систематизация односеточных БКСМ (ЦНИИбуммаш) Вид маши- ны Вид продукции Название продукции Для массовой продукции Для бумаги Газетная Типографская, типографская тонкая Офсетная, иллюстрационная, основа для мелования Для глубокой печати Писчая, писчая цветная, тетрадная Мешочная, оберточная (машинной гладкости) Для гофрирования Оберточная (односторонней гладкости) Для изделий бытового и санитарно-гигиенического назначения Для картона Для гладких слоев гофрированного картона Коробочный Коробочный типа хром-эрзац Кровельный Для целлю- лоз Предназначенная для переработки в бумагу и картон Предназначенная для химпереработки / Для немассовой 1 продукции Для бумаги Конденсаторная Для электрических машин Кабельная Электроизоляционная, телефонная, патронная Основа для абразивной и др. Сигаретная, папиросная Чертежная, картографическая Перфокарточная, основа для диаграммной Д1 Для обоев, мануфактурная Подпергамент, пергамин упаковочный Чертежная прозрачная, основа диаграммной ДЗ Основа для парафинирования, машинописная для копий Для упаковки и расфасовки продуктов на автоматах Основа для клеевой ленты, основа для водонепроницаемой Основа для облицовочных материалов, основа текстурной Светонепроницаемая для кинофотоматериалов и др. Для фильтрования масел, жидкого топлива и воздуха Фотоподложка-основа Основа для пергамента и других впитывающих видов 55
Окончание табл. 1.3.3 Вид маши- ны Вид продукции Название продукции Для немассовой продукции Для картона Электроизоляционный толщиной до 0,4 мм Переплетный марки В, прессшпан толщиной до 0,6 мм Фильтровальный технический и др. Для целлю- лоз Хлопковая и др. Для специальной продукции Для бумаги, получаемой из водных суспензий Электроизоляционная термостойкая Электроизоляционная химически стойкая Фильтрующая химически стойкая Картографическая, документная, биостойкая Щелочестойкая Обложечная Искусственная кожа Стелечный целлюлозный материал Электроизоляционная асбестовая Электроизоляционная из стекловолокна Электроизоляционная из слюды Теплоизоляционная асбестовая Теплоизоляционная из стекловолокна Теплоизоляционная из базальтового волокна Для бумаги, получаемой сухим СПО- собом Фильтрующая Электроизоляционная Полиграфическая Реставрационная Санитарно-гигиеническая Метод производства изделий осаждением из воздушно-сухой суспензии применяется в системах, впервые предложенных Дмитриевым и Бондаренко для производства специальных бумаг из длинноволокнистого сырья (хлопок и полимерные волокна) и усовершенствованных в системах для производства древесно-волокнистых плит (Кроерформер) и специальных бумаг санитарно- гигиенического назначения, по своим свойствам занимающих промежуточное положение между бумагами из растительных волокон и пластмассами (Юльхя- формер). Указанные способы производства не получили широкого распростра- нения вследствие их невысокой производительности (из-за небольшой скорос- ти перемещения материала в шахтах). Способ производства по методу ИРАК 56
заимствован из метода кардочесания, применяемого в текстильной промыш- ленности. Кардочесальные машины расчесывают хлопковый коврик в виде тон- кого полотна в основном с продольным направлением волокон хлопка. После снятия полотна с машины его закрепляют пропиточным материалом, в резуль- тате чего получают бумагу. Кардочесальные машины малопроизводительны и поэтому применяются только для производства специальных бумаг. Бумифицированные бумаги производятся на машинах, позволяющих при- давать полимерным пленкам свойства бумаги (восприятие красок и каранда- шей, непрозрачность, водостойкость и др.). Благодаря бумификации лавсано- вой пленки создают очень прочный материал, несравнимый с обычной бумагой. По способам производства, реализующим метод ДРВО, изготавливаются дре- весно-волокнистые плиты, товарную целлюлозу, картон для внутренней от- делки автомобилей, диффузоры для громкоговорителей, яичные прокладки и другие изделия. Поскольку основные механизмы так же разнообразны, как и основные машины, существует обширная номенклатура изделий. В заключение следует отметить численное несоответствие между методами и способами их машинного осуществления. Например, одним методом НРВО может осуществляться примерно 50 способов, методом ДРВО — около десятка и т. д. Это свидетельствует о непрерывном совершенствовании и развитии ав- томатических систем машин, поэтому приведенную систематизацию нельзя считать окончательной. Новые методы и способы будут дополнять принятую схему. Она показывает поле деятельности инженеров-механиков по разработке и осуществлению новых способов. По-видимому, следует обратить внимание на разработку конструкций для методов напыления и аэродинамического формо- вания как более производительных по сравнению с методами осаждения. В приведенной систематизации указаны основные машины, нашедшие прак- тическое применение. В целом при образовании бумажного полотна используют четыре главные технологические операции: обезвоживание фильтрованием, на- пыление, расчес и полив. Они осуществляются при помощи пяти основных меха- низмов, которые образуют восемь основных машин и входят в большое число автоматических систем машин для производства разнообразных видов продукции. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Почему бумагоделательную машину можно считать непрерывно действующей по- точной линией? 2. Для чего предназначена систематизация производства бумаго-картонной продукции? З.Что такое вид, класс, тип и метод технологии? 4. Какие существуют виды, классы, типы и методы технологии производства бума- ги и картона? 5. Какие технологические процессы имеют место в автоматизированной системе машин для производства бумаги (БДМ)? 6. Какой технологический процесс на БДМ главный и почему? 7. Какие операции составляют процесс образования бумажного полотна? 8. Какая машина (часть БДМ) основная в составе БДМ как поточной технологиче- ской линии? 9. Какие виды бумагоделательных машин (и по каким способам) работают по мето- ду НРВО? 10. Какие виды БКСМ работают по другим, кроме метода НРВО, методам произ- водства бумаги, картона, бумизов и др.?
1.4. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ БУМАГО- и картоноделательных МАШИН 1.4.1. Общие принципы становления БКДМ в автоматическую линию Как указывалось выше, для обеспечения непрерывного производства бума- ги (картона) необходимо совмещение нескольких машин, осуществляющих раз- личные процессы (равномерная подача и распределение суспензии волокнис- той массы на сетке, удаление свободной воды с образованием мокрого бумажного полотна, удаление связанной воды методом ее испарения, уплотне- ние и сглаживание поверхности полотна, намотка готовой продукции в рулон). Для осуществления указанных процессов необходимо соблюдать следую- щие условия: предмет производства должен находиться в относительном покое по отно- шению к воздействующим инструментам и совершать равномерное движение, а действующие на материал силы — выводить его из этого состояния; равнодействующая сил, прикладываемых к материалу, должна быть пер- пендикулярна плоскости движения обрабатываемого продукта; реактивные напряжения в материале не должны превышать критических (разрушающих) величин. Первая бумажная фабрика по машинному производству бумаги в России была запущена в г. Петергофе в 1816 г. Поставленные из Англии две бумагоделательные машины были далее усо- вершенствованы инженерами Сестрорецкого оружейного завода, так что на них сушка бумаги (впервые в мире) осуществлялась с помощью сушильных цилиндров, подогреваемых паром. По мере развития производства совершенствование конструкций бумаго- делательных машин наблюдалось одновременно в разных странах, главным об- разом в целях механизации и автоматизации процессов, их интенсификации и учета особенностей технологии различных видов продукции, в результате чего бумагоделательные машины преобразовались в механизированные линии, со- стоящие из нескольких машин (частей БДМ). Создание таких линий требует соблюдения следующих условий: механизация передачи продукта от машины к машине; соответствие динамических характеристик этих машин; промежуточное резервирование подачи между машинами; высокая надежность оборудования и устойчивость движения материала. 1.4.2. Бумагоделательные машины первого поколения В качестве примера законченной линии по производству бумаги может слу- жить бумагоделательная машина с гауч-валом Славутской бумажной фабрики, См.: Развитие параметров бумагоделательных машин / А.Ф. Каменев, И.Д. Куту- шев, Н.Н. Кушков, О.К. Федоров. М.: Лесн. пром-сть, 1981. 58
,3 Рис. 1.4.1. Схема бумагоделательной машины Славутской бумажной фабрики (год изготовления 1864-й): 1 — сеточная часть; 2 — прессовая часть; 3 — сушильная часть; 4— янки-цилиндр; 5— накат изготовленная в 1864 г. и работавшая до конца XX в. (рис. 1.4.1). Ее считают машиной первого поколения. Рассмотрим производительность бумаго- и картоноделательных машин за все время их существования (рис. 1.4.2). Начальные темпы прироста производи- тельности были невысоки и к концу первого столетия своего существования для газетной бумаги достигли примерно 400 м2/мин. За этот период в конструк- ции машин (БДМ и КДМ) были внедрены различные устройства: 1799 г. — плоскосеточная бумагоделательная машина Робера; 1801 г. — каландр; 1803 г. — бумагоделательная машина Донкина—Фурдринье; 1805 г. — круглосеточная машина Брагмая; 1807 г. — отсасывающие ящики; 1807 г. — плоскоременный привод; 1809 г. — круглосеточная машина Динкинсона; 1811 г. — бумагодела- тельная машина Дидата; 1811 г. — мотовило для намотки мокрой бумаги; 1811 г. — гауч-пресс; 1812 г. — маншон Кобба для гауч-пресса; 1817 г. — обрат- ный пресс Динкинсона; 1820 г. — сушильные цилиндры, обогреваемые углем; 1820 г. — паровые сушильные цилиндры; 1826 г. — ровнитель Маршалла; 1827 г. — самосъемочная машина (янки-цилиндр); 1829 г. — плоский узлолови- тель; 1829 г. — узлоловитель Франка; 1830 г. — регистровые валики; 1838 г. — песочница; 1856 г. — узлоловитель Ванделя; 1858 г. — суперкаландры; 1859 г. — осевой накат; 1870 г. — шестеренчатый привод; 1883 г. — многоцилиндровая круглосеточная машина; 1886 г. — центробежная сортировка; 1886 г. — регуля- тор концентрации; 1890 г. — пресс с беспрогибным валом; 1900 г. — лощиль- ный пресс. Машины первого столетия относят к бумаго- и картоноделательным маши- нам первого поколения. В целом для первого поколения машин характерны следующие особенности: поточная механизированная линия из машин и агрегатов; широкий ассортимент продукции, вырабатываемой на одной машине; невысокая интенсивность процессов, протекающих на машине; простота конструкций и высокая надежность их работы; низкие удельные параметры (съем воды, объем вырабатываемой бумаги, потребление энергии); медленное повышение скорости; 59
a) Рис. 1.4.2. Динамика производительности БДМ и КДМ: а — газетная бумага; б — картон ручное управление; ремонтные работы после отказов непосредственно на машине. Схематически структуру машины первого поколения можно представить как исполнительную часть, состоящую из механизмов двигателей, передаточ- ных и собственно рабочих, включая механизмы для привода инструментов и транспортирования материала. Для привода системы подается внешняя энергия. Исполнительная часть сама по себе производить работу не может. Поэтому нужен человек, который соби- рает и перерабатывает информацию о состоянии всех частей машины и управ- ляет ими согласно полученному распоряжению (наряд, заказ и т. п.). В такой системе имеют место прямые (информация от механизмов к человеку) и об- ратные связи, составляющие замкнутые контуры, позволяющие производить Длительную и непрерывную работу по изготовлению продукции. В таких замк- нутых контурах человек как звено неразрывно связан с машиной, и, чтобы система работала непрерывно и бесперебойно, участие человека обязательно. 60
1.4.3. Бумагоделательные машины второго поколения Бумаго- и картоноделательные машины первого поколения со временем достигли предела производительности. Их развитие сдерживали в основном не- удачная конструкция гауч-пресса и недостатки привода (централизованного от паровой машины). В результате применения отсасывающего гауч-вала, изобре- тенного инженером Мильспо, и электропривода стало возможным интенсифи- цировать процесс производства. За этот период были созданы машины второго поколения, включающие в себя различные усовершенствования: 1905 г. — мно- гомоторный электропривод; 1908 г. — отсасывающий вал Мильспо; 1910 г. — составитель композиции; 1913 г. — канатиковая заправка полотна Шихена; 1914 г. — выдвижные сеточные столы; 1915 г. — отсасывающий вал на I прессе; 1916 г. — регулятор концентрации Тримбея; 1918 г. — периферический накат; 1919 г. — автоматическая система регулирования электропривода; 1925 г. — воз- душная заправка полотна с сетки; 1931 г. — автоматизация измерения темпера- тур сушильной части; 1932 г. — гидроразбиватель; 1938 г. — гидродинамическая сортировка; 1950 г. — дифференциальный привод машины. Развитие конструкции БДМ второго поколения происходило во многом экстенсивно: удлинялся сеточный стол, увеличивались габариты и усложнялись конструкции напорных ящиков, увеличивалось количество прессов, удлиня- лась сушильная часть. Однако к 50-м гг. XX в. темпы роста производительности значительно снизились вследствие ряда причин: регистровые валики на высо- ких скоростях (более 400—500 м/мин) настолько быстро обезвоживали бумаж- ную массу на сетке, что это приводило к понижению качества полотна; напор- ные ящики существующей конструкции приобретали значительные размеры и не обеспечивали дефлокуляции массы; открытая передача мокрого полотна с сетки в прессовую часть на высоких скоростях приводила к частым обрывам; сушильная часть приобретала значительные размеры при переходе на более высокие скорости производства. Следует также отметить необходимость повы- шения квалификации рабочего персонала. В целом для развития второго поколения характерно: создание машин на основе новых конструкций с сохранением основных принципов построения машин первого поколения; резкое повышение интенсивности процессов; значительное усложнение конструкций, увеличение их массы, рост габа- ритов, повышение требований к обеспечению надежности; высокие темпы роста удельных параметров: съем воды и бумаги с 1 м2 сеточного стола, сушильной поверхности, потребление энергии, удельной ме- таллоемкости; повышение скорости машин и увеличение ширины бумажного полотна; система автоматического сбора информации; специализация машин по виду бумаги; система специализированного обслуживания и ремонта. За 50 лет производительность БДМ второго поколения достигла 4500 м2/ мин. При этом ручное регулирование частей машины и ее инструментов стало более трудоемким. Поэтому для машин второго поколения необходимо было разработать и внедрить системы автоматизации, состоящие из контролирую- щих и регулирующих частей. 61
Как отмечалось, конструкция машины усложнилась, поэтому необходи- мая квалификация рабочего стала более высокой, применение регуляторов бла- годаря наличию контролирующей части позволило автоматизировать управле- ние стабильностью движений и самого процесса воздействия на обрабатываемый материал. Информация подавалась в рабочую часть регуляторов, которые в за- висимости от величины воспринимаемого сигнала автоматически управляют всеми элементами исполнительной части по двум каналам. При этом функции рабочего резко меняются. Заданный режим работы поддерживается автомати- чески и необходим только соответствующий настрой регуляторов, производи- мый оператором для перехода, в случае необходимости, на новые режимы в соответствии с полученным заданием или отклонениями в качестве сырья. Та- кая система образует замкнутый контур без участия человека. Теперь, с одной стороны, рабочий может управлять несколькими машинами, в основном лишь наблюдая за их работой и принимая необходимые меры при отказах. С другой стороны, исполнительная система машин благодаря включению в ее схему та- ких устройств, как контролирующие и регулирующие, превращается в автома- тическую систему машин. 1.4.4. Бумагоделательные машины третьего поколения Дальнейшему повышению производительности БДМ второго поколения за счет увеличения скорости машин препятствовало в основном снижение каче- ства продукции и высокая обрывность на машине. Поэтому после 50-х гг. XX в. продолжилось совершенствование машин: появились закрытые напорные ящи- ки с воздушной подушкой, гидродинамические планки (гидропланки) вместо регистровых валиков, пересасывающие устройства для передачи мокрого листа с сетки в прессовую часть, трехвальные прессы, обеспечивающие безобрыв- ность проводки полотна, закрытые колпаками сушильные части с повышен- ным давлением пара и рекуперацией тепла, сушильные сетки для безобрывной проводки влажного бумажного полотна и т. п. За этот период были введены различные усовершенствования: 1952 г. — пересасывающий вал; 1953 г. — напорный закрытый ящик с воздушной подуш- кой; 1953 г. — сушка полотна обдувом горячим воздухом; 1954 г. — переверну- тый отсасывающий пресс; 1955 г. — гидропланки; 1956 г. — плавающий вал каландра; 1957 г. — пресс с подкладной сеткой; 1957 г. — иглопробивные сук- на; 1959 г. — перфорированные сушильные цилиндры; 1960 г. — вал каландра с регулируемой бомбировкой; 1961 г. — сетки для сушильной части; 1962 г. — желобчатый пресс Вента-нип; 1963 г. — Шринк-пресс; 1964 г. — напорный ящик с замороженным потоком; 1968 г. — напорный ящик Конверфлоу; 1968 г. — закрытый вентилируемый колпак сушильной части. Указанные усовершенствования изменили архитектурный облик машины и ее габариты. Машины стали длиннее и выше (рис. 1.4.3). Автоматическое регу- лирование второго поколения гарантировало только постоянство потребляе- мых энергии, материалов, осуществляемых движений, температур и т. п. При переходе на новые режимы требовалась перенастройка регуляторов. Эта задача вследствие сложной системы связей не всегда могла быть быстро решена, 62
а) Производительность 2,6 т/сут (1864) б) Производительность 92 т/сут (1927) 72000 Рис. 1.4.3. Изменение габаритов бумагоделательных машин: 1— сеточная часть; 2— прессовая часть; 3 — сушильная часть; 4— каландр, накат что вызывало длительные холостые ходы и, следовательно, потерю производи- тельности. Для настройки регуляторов операторы-программисты разрабатывали соответствующие программы настройки, закладываемые в дополнительно вво- димую программирующую часть, которая по получении информации от контро- лирующей части БДМ автоматически производит перенастройку регуляторов без вмешательства человека. Новое оборудование, автоматические регулирование и управление создали условия для дальнейшей интенсификации производства, вследствие чего про- изводительность машин достигла примерно 1 га/мин. На таких бумагоделатель- ных машинах автоматически контролируются: давление бумажной массы в на- порном ящике Н, скорость машины s, величина открытия заслонки пара ЗП, Давление пара Р, масса 1 м2 бумаги q и влажность бумажного полотна М (рис. 1.4.4). Информационные связи отмечены штриховыми линиями, а уп- 63
Части автоматиче- ской системы Исполни- тельная Контроли- рующая Регули- рующая Програм- мирующая Рис. 1.4.4. Схема автоматизации бумагоделательной машины
равняющие — сплошными. Регулирующая система состоит из блоков вычисле- ния среднего значения массы 1 м2 q и среднего квадратического отклонения aq, среднего значения влажности полотна т и среднего квадратического отклоне- ния аМ, регулирования массы 1 м2 полотна Rq, влажности бумаги на накате R„ задания оптимальной скорости 50ПТ, номинальной влажности М„ом и номиналь- ной массы 1 м2 бумаги <?ком, устройств, регулирующих положение массной за- движки ЗМ, заслонки пара ЗП, величину скорости машины s, давление в на- порном ящике Н. Программирующая система образуется из блоков программного регулиро- вания: давления массы в напорном ящике в зависимости от скорости движения сетки Н = f(s), давления пара в зависимости от массы 1 м2 и скорости машины р = f(^; $), изменения скорости в зависимости от времени подачи сигнала 5 = = f(Af) — программы поправок на влажность q = f(M) и массу 1 м2 М = f(<y), дискриминаторов массы 1 м2 в зависимости от влажности, влажности в зависи- мости от массы 1 м2, избытка массы Л</, избытка влаги Д/и. Информация посту- пает об изменениях восьми параметров: Н, s, ЗП, Р, q, aq, М, at. При отклонении массы 1 м2 от номинала оценка которого автомати- чески регистрируется блоком сравнения в регулирующей части Де/, передача только управляющего сигнала через регулятор массы 1 м2 на задвижку ЗМ не- достаточна. Произойдут ошибки в регулировании, потому что сигнал может быть ложным вследствие изменения влажности бумаги; вместе с изменением количества массы нужно изменить количество поступающего пара. Поэтому сигнал согласуется с блоком программы влажности как функции массы М = = f(q), и только после этого выдается управляющая команда изменения поступ- ления массы через ЗМ и пара через ЗП. Аналогичные операции производятся при изменении влажности. Управляющий сигнал согласуется с программой q = f(M). Программы М = f(<?) и q = f(A/) являются блоками программирующей части, позволяющими решать и другие задачи. Например, рассмотрим случай, когда задвижка пара открыта и регулирования влажности не происходит. В этом случае необходим подбор нужной скорости. Сигнал о закрытии задвижки ЗП через блок 50ПТ включает в себя линии т—ЗМ, q —> s. Недостаток пара вынуждает систему регулирования массы 1 м2 воздействовать на скорость машины, а систему регули- рования влажности — на массную задвижку. Изменение скорости, задаваемое извне, связано с управлением массной задвижкой, поскольку необходимо поддерживать постоянство массы 1 м2. Этот же сигнал воспринимается блоком выдержки времени т = var и передается для управления задвижкой пара Р = f(q, s), изменения напора в напорном ящике через число оборотов массного насоса Н = f(s) и для изменения скорости ма- шины. Указанные усовершенствования содействовали увеличению производитель- ности. Для третьего поколения машин характерно: новые способы производства в результате совершенствования конструкций; узкая специализация машин; интенсификация процессов; 65
закрытая проводка полотна; оптимизация технологических процессов в результате внедрения средств АСУ ТП; повышение требовании к надежности и качеству изготовления машин; научное обоснование методов системы обслуживания и ремонта. 1.4.5. Бумагоделательные машины четвертого поколения Темпы роста производительности БДМ к 80-м гг. XX в. стали снова замед- ляться. плоскосеточная конструкция сеточной части и несовершенство сушиль- ной части явились сдерживающими факторами. Поэтому творческая мысль раз- работчиков была направлена на поиски новых способов производства бумаги. Еще с 50-х гг. XX в. начали создавать новые конструкции сеточных частей, отлич- ные от существующих, — появились патенты на двухсеточное формование и кон- струкции двухсеточных формующих устройств: 1952 г. — Инверформ; 1959 г. — Вертиформа; 1960 г. — Паприформер и др. Разработка этих конструкций заняла около 30 лет, и к 1980 г. машины с двухсеточными формующими устройствами образовали четвертое поколение, конкурентоспособное по отношению к третьему. Несмотря на увеличение производительности, четвертое поколение машин отличается уменьшением габаритов в результате совершенствования оборудования. Для четвертого поколения машин характерны: новый способ производства бумаги на базе двухсеточного формования и автоматической безобрывной проводки бумажного полотна; узкая специализация машин; автоматическое управление всеми рабочими процессами; унификация узловых частей машины; сокращение холостых ходов и ремонтных простоев машины. 1.4.6. Тенденции развития бумагоделательных машин Производительность бумагоделательной машины определяется в основном массой 1 м бумажного полотна, его шириной и скоростью движения полотна. Ретроспективный анализ технологии и конструкций машин позволяет воспроиз- вести хронологическую картину роста ширины и скорости бумагоделательных машин для производства газетной бумаги, имеющих наиболее совершенную кон- струкцию (рис. 1.4.5). За основу анализа приняты средние значения параметров машин, освоенных несколькими фирмами в различных странах. Рекордные пока- затели, достигнутые на отдельных машинах, исключались. Ширина машин уве- личивалась с переходом из одного поколения в другое постепенно и достигла своего предела в настоящее время, так как ограничением служат технические и экономические причины. Для развития скорости на ближайшее время ограниче- ний не наблюдается. Указанные графики можно описать функциями общего за- кона развития ширины, скорости и производительности: Q = L.J\a. + ехр[/>ехр(-р/)]}, (1.4.1) 66
Ширина, м Скорость, м/мин Рис. 1.4.5. Динамика скорости и ширины машин для производства газетной бумаги: --------скорость машин;------ширина машин где t — время в десятилетиях с начала активного периода; L., а., Ьр р. — посто- янные коэффициенты (табл. 1.4.1). Время активного периода определяем с начала конкурентоспособности поколения. Для первого поколения это 1799 г., для второго— 1890 г., для третьего — 1950 г., для четвертого — 1980 г. Время активного периода первого поколения— 90 лет, второго— 60, третьего— 30, четвертою— не более 30 лет (предположительно). Реализуемый на существующих бумагоделательных машинах метод произ- водства бумаги с потреблением большого количества воды, по-видимому, подходит к пределу своих возможностей по скорости об 'звоживания и по экологическим соображениям. Вода и пар при удалении с высокой скоростью начинают разрушать структуру полотна бумаги. Поэтому можно ожидать, что следующее поколение машин будет реализовывать новый способ. Ретроспек- тивный анализ показывает, что обычно элементы нового поколения появля- ются до начала его активного периода, но сейчас пока еще трудно судить о пятом поколении машин. Возможно, основой этого поколения будет способ, базирующийся на аэродинамическом методе формирования бумажного по- лотна и разработанный Санкт-Петербургским государственным университе- том растительных полимеров. 67
Коэффициенты уравнения (1.4.1) Таблица 1. 4. 1 Поколение машин д Л/ ₽/ Первое Скс 100 рость, м/мин 0,20 2,287 0,0192 Второе 800 0,20 2,755 0,0455 Третье 1200 0,20 1,000 0,0500 Четвертое 2000 0,02 2,100 0,0500 Первое 1 2,5 Ширина, м 0,085 1,34 0,0048 Второе 8,7 0,063 1,69 0,0044 Третье 11,5 0,078 0,46 0,0370 Первое Производ1 3000 тельность, м2/с 0,074 ут 1,81 0,049 Второе 5200 0,038 3,04 0,053 Третье 12000 0,061 1,05 0,046 1.4.7. Развитие формующих устройств для производства картона Применяемые с XIX в. формующие устройства круглосеточного типа — пря- моточные и противоточные ванны — имеют следующие недостатки: невысокая рабочая скорость; значительные колебания массы 1 м2 полотна картона по ширине; высокая анизотропия показателей прочности картона в продольном и по- перечном направлениях. С середины XX в. начались интенсивные разработки новых формующих ус- тройств: появились многочисленные варианты модернизации ванн круглосеточных машин: полусухие и сухие ванны; установка вентиляторов низкого давления для создания вакуума в цилиндре, установка на цилиндр напускного устрой- ства и др., но все эти нововведения не устранили радикально недостатки круг- лосеточных ванн; сделана попытка применения вакуум-формующих цилиндров вместо круг- лосеточных ванн. Конструкции вакуум-формующих цилиндров имеют два вари- анта расположения цилиндра: 1) под сукном; 2) над сукном. По второму вари- анту цилиндры имеют более высокую производительность, чем по первому, однако вакуум-формующие цилиндры под сукном эффективны при модерни- зации обычных круглосеточных ванн, так как сохраняется существующая кон- струкция форпрессовых частей. К таким машинам относятся Ротоформер, Сти- венсформер, Гидроформер и др. Дальнейшее развитие вакуум-формующих цилиндровых машин выразилось в появлении двухсеточных формующих установок на основе отсасывающего 68
вала по принципу расположения цилиндра над сеткой (сукном). Пример таких конструкций — Аркуформер. Эти конструкции можно рассматривать как за- ключительный этап развития вакуум-формующих устройств, берущих начало от обычных круглосеточных машин. Другим направлением развития конструкций для формования многослойно- го картона является создание сеточных частей с общим нижним плоскосеточным столом и с расположенными над ним несколькими плоскосеточными столами или двухсеточными формующими устройствами, например типа Бел-Бонд. Ранее рассмотренные конструкции имеют в своей основе раздельное фор- мование слоев на формующих устройствах. Еще одним направлением развития конструкций для изготовления многослойного картона служит принцип совме- стного формования всех слоев картона (Мультиформер). Однако эта машина не получила широкого распространения. За 1970-1980 гг. все вышеперечисленные конструкции для многослойного формования картона активно внедрялись в производство. Многие фирмы раз- работали разные варианты. В период 1978—1990 гг. произошел отбор конструк- ций для многослойного картона. Основой служило качество вырабатываемого картона. Изготовление машин с вакуум-формующими цилиндрами практически за- кончилось в 1980 г. На смену им пришли картоноделательные машины с конст- рукцией вакуум-формующих устройств на базе цилиндра над сеткой, и в том числе типа Аркуформер. Их развитие закончилось к 1985 г., а с 1975-1978 гг. началось развитие коротких плоскосеточных столов над длинным нижним сто- лом и устройств Бел-Бонд, пришедших на смену Инверформ. В настоящее вре- мя плоскосеточные столы и различные двухсеточные формующие устройства удовлетворяют потребителей как по качеству картона, так и по производитель- ности, особенно при высоких скоростях. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что собой представляет первое поколение БДМ? 2. Что собой представляет второе поколение БДМ? 3. Что собой представляет третье поколение БДМ? 4. Что собой представляет четвертое поколение БДМ? 5. Расскажите о тенденциях развития БДМ. 6. В чем заключается развитие формующих устройств КДМ? 1.5. ВАЛЫ БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНЫХ МАШИН 1.5.1. Основные типы валов Современная высокоскоростная бумагоделательная машина содержит в себе До 250—300 валов и валиков (не считая сушильных цилиндров) различного на- значения. К валам предъявляются очень жесткие специфические требования, главными из которых являются высокая динамическая уравновешенность и по 69
возможности минимальный прогиб. При этом следует учитывать, что масса от- дельных валов достигает 50—90 т при расстоянии между центрами подшипни- ковых опор до Ю000 мм. В данном разделе в основном описаны конструкции валов, характерные для парка БКСМ России. В зависимости от технологического назначения валы можно подразделить на следующие группы: поддерживающие (направляющие), подающие (тяго- вые), несущие и специального технологического назначения. К группе поддерживающих, или направляющих, валов бумагоделательных машин относятся: грудной, регистровые и сетковедущие (для поддержания и направления сетки), сукно- и бумаговедущие (для поддержания сукон и бу- мажного полотна в прессовой и сушильной частях), а также валы отделочных узлов: бумаговедущие (для поддержания и направления бумажного полотна), транспортерные (для поддержания транспортерных лент на бумагорезательных устройствах). Группу подающих (тяговых) валов составляют на бумагоделательных ма- шинах — прессовые (для подачи бумажного полотна из пресса) и на отделоч- ных (бумагорезательных) узлах — тяговые (для подачи бумажного полотна в механизм продольной резки). К группе несущих валов относятся тамбурные, а к группе валов бумагоде- лательных машин специального технологического назначения — валы гауча и прессов (для обезвоживания бумаги на сеточной и прессовой частях), ровни- тельные (для выравнивания и уплотнения бумаги на сеточной части), сукномо- ечные (для промывки сукон прессовой части), пересасывающие (для передачи бумажного полотна с сеточной на прессовую часть), валы каландра (для уплот- нения и повышения гладкости бумаги) и др., а также валы отделочных узлов: ножевые (для резки бумаги на продольно-резательных станках и саморезках), металлические и набивные на суперкаландрах (для уплотнения, повышения лоска и гладкости бумаги) и др. На практике одни и те же валы могут одновременно выполнять различные функции. Так, например, регистровые валы наряду с поддержанием сетки спо- собствуют обезвоживанию бумажного полотна, а также осуществляют подачу его на следующий участок; валы каландров и суперкаландров одновременно являются подающими и т. д. Общие требования к валам. Существуют специфические и общие требова- ния к валам. Специфические требования, прежде всего, определяются технологическим назначением вала, а также скоростью, шириной и общей компоновкой маши- ны. Эти специфические требования изложены в соответствующих главах книги. Рассмотрим общие требования, предъявляемые к валам. Как правило, конструкция и геометрические размеры валов бумагоделатель- ных машин должны обеспечить максимальную жесткость (минимальный прогиб) при наименьшем весе. Чем меньше прогиб валов, тем равномернее формование бумажного полотна на регистровой части бумагоделательной машины, обезвожи- вание его на прессовой части и отделка на каландре и суперкаландре. С уменьше- нием прогиба вала увеличивается его критическая угловая скорость, а вместе с ней 70
и допустимая рабочая скорость. Это существенно для валов небольшого диаметра (сетко-, сукно- и бумаговедущих), угловые скорости которых при одной и той же линейной скорости выше, чем у валов большего диаметра. При одном и том же весе жесткость пустотелых валов выше жесткости сплошных. Этим и объясняется широкое применение пустотелых валов на бу- маго- и картоноделательных машинах. При неизменном весе жесткость вала повышается по мере уменьшения толщины стенки и увеличения наружного диаметра. Кроме экономии металла при применении пустотелых валов умень- шается потребляемая мощность, значительная часть ее расходуется на преодо- ление трения в подшипниках валов. Чем меньше момент трения в этих подшип- никах, тем меньше необходимое натяжение сетки и сукна, а также скольжение между валами и сеткой или сукном, приводящими валы во вращение. Небольшая часть валов бумаго- и картоноделательных машин (нижние валы гауча, прессов, каландра, суперкаландра, тяговых прессов бумагорезательных машин, несущие валы продольно-резательных станков) приводится во враще- ние непосредственно от привода машины. Такие валы назовем приводными. Большая часть валов приводится во вращение сеткой, сукнами, бумагой или нижележащим валом. Эти валы назовем неприводными. Пренебрегая весьма небольшим скольжением, можно считать окружную скорость неприводных валов равной скорости сетки или сукна независимо от диаметра вала. Окружные скорости приводных валов регулируются изменением числа оборотов привода. Поэтому допуски по наружному диаметру валов, как приводных, так и неприводных, составляют 1—3 мм и более. Жесткие требования предъявляются к правильной геометрической форме валов: конусность и овальность не должны превосходить десятых и даже сотых долей миллиметра (для каландра). Для уменьшения динамической нагрузки на опоры и динамического про- гиба валы уравновешивают. Статическое уравновешивание применяют лишь для узких машин (шириной не более 2520 мм) и окружной скорости до 120— 150 м/мин, при большей скорости валы уравновешивают динамически. Основные конструкции валов. Валы бумаго- и картоноделательных машин, конструктивные особенности которых в основном зависят от их назначения, подразделяют на следующие основные виды: трубчатые, литые (пустотелые и сплошные), трубчатые перфорированные, гранитные, сетчатые и набивные. Трубчатый вал (рис. 1.5.1, а) представляет собой тонкостенную трубу из стали, латуни, алюминия или иного металла. По концам ее обычно запрессова- ны чугунные патроны, а в них — стальные цапфы. Вместо чугунных патронов применяются также стальные диски (рис. 1.5.1, б), привариваемые к трубе, что уменьшает вес и облегчает уравновешивание валов. В зависимости от назначения и длины вала диаметр трубчатых валов нахо- дится в пределах 80—500 мм (диаметр грудного вала — до 1000 мм). Валы бумаго- и картоноделательных машин (сетко-, сукно-, бумаговеду- *Дие, тамбурные, несущие валы продольно-резательных станков, тяговые валы Умагорезательных машин и др.), в основном трубчатые. Литой пустотелый вал (рис. 1.5.2) состоит из чугунной (реже стальной) отливки, в которую по концам запрессованы стальные цапфы. Диаметр валов 71
Рис. 1.5.1. Трубчатый вал: а — с чугунным патроном; б — со сварным патроном (дисками); 1 — труба; 2 — патрон; 3 — цапфа; 4 — щиток; 5 — корпус подшипника качения; б— подшипник качения; 7 — гайка; 8 — крышка подшипника; 9 — войлочное уплотнение; 10 — диск сварного патрона 5 4 1 Рис. 1.5.2. Литой пустотелый вал: 1 — цилиндр; 2 и 3 — лицевая и приводная цапфы; 4, 5 — роговая и мягкая резина; 6 — корпус подшипника; 7 — лабиринтовая крышка; 8 — лабиринтовое кольцо; 9 — подшипник качения; 10 — распорная втулка; 11 — торцевая шайба; 12 — болты для закрепления подшипника
Рис. 1.5.3. Вал литой сплошной: 1 — вал; 2, 3— корпус и крышка подшипника; 4 — подшипник качения на закрепительной втулке; 5 — манжетное уплотнение такого типа — от 400 до 1000 мм, а толщина стенки 30-150 мм. Литые пустоте- лые валы по сравнению с трубчатыми обладают более высокими жесткостью и прочностью, но их вес, естественно, значительно больше. Литыми пустотелы- ми являются нижние, а иногда и верхние валы обычных прессов бумагодела- тельных машин. В литых сплошных валах (рис. 1.5.3) чугунные (реже стальные) цилиндры отлиты вместе с цапфами. Для нагрева в таких валах имеется просверленное насквозь отверстие диаметром 50—60 мм. Для машин шириной более 5000 мм в целях уменьшения размеров подшипников применяют чугунные валы с за- прессованными стальными цапфами. За рубежом используют и двухслойные валы с внутренним стальным сердечником и отбеленным наружным слоем из чугуна. Диаметр литых сплошных валов находится в пределах 350—1100 мм. Литые сплошные валы устанавливаются на каландрах бумагоделательных машин и суперкаландрах. Поскольку при работе валов возникают значительные контактные напряжения, их рабочая часть должна иметь износоустойчивую поверхность (твердость не менее 70—80 единиц по Шору). Такие валы отливают из чугуна специального состава (3,25—3,75 % С, 0,5—0,6 % Si, 0,6—0,7 % Мп, 0,1 % S, 0,2—0,3 % Р). По механическим свойствам такой чугун близок к чугуну СЧ 24-44. Для получения твердого износоустойчивого слоя (толщиной после обработки не менее 18—25 мм) рабочую поверхность валов отливают в метал- лическую форму (кокиль). Вследствие интенсивного охлаждения на поверхнос- ти рабочей части вала образуется слой отбеленного чугуна. Цапфы валов не отбеливают, чтобы не повысить их хрупкости. Твердый износоустойчивый слой на стальных валах получают, производя поверхностную закалку (обычно тока- ми высокой частоты). Трубчатый перфорированный вал (рис. 1.5.4) состоит из бронзового (реже стального) цилиндра диаметром 400—1200 мм (иногда 1500 мм) и толщиной стенки 20—50 мм. В стенке цилиндра имеется большое количество отверстий Диаметром 4—8 мм. Перфорированные валы (отсасывающие, пересасывающие и сукномоечные) устанавливаются на сеточной и прессовой частях машины*. * Конструкция этих валов описана в главе 2.4. 73
Рис. 1.5.4. Отсасывающий камерный вал: 1 — цилиндр; 2 — удлиненная приводная цапфа; 3 — болты для крепления цапфы к цилиндру; 4, 6 — подшипники качения цилиндра с приводной и лицевой сторон; 5 — лицевая крышка; 7 — отсасывающая камера; 8, 10 — хвостовики отсасывающей камеры с приводной и лицевой сторон; 9 — подшипник отсасывающей камеры с приводной стороны; И — лицевая станина отсасывающего вала; 12 — механизм для поворота камеры; 13 — ролики для выкатывания камеры; 14— шланг пневматического прижима уплотнений; 75 — труба для подачи воздуха в шланг; 16,17 — поперечные и продольные уплотнения камеры; 18 — винт для перемещения поперечных уплотнений; 19 — спрыск; 20 — труба для подачи воды в спрыск; 21— подставка (при смене сетки ее вынимают)
Рис. 15.5. Гпаиитный вал: / - стальной сердечник; 2- гранитный цилиндр; 3, 4- левая и правая гайки: 5- втулка; 6- лабиринтовое кольцо: 7, 9— крышки подшипника; 8 корпус подшипника; 10— распорная втулка; 11 — торцевая шайба; 12 — полшиг нк качения: 13 — цементная заливка
Рис. 1.5.6. Ровнитель: 1 — спрыск; 2 — лоток; 3 — стойка; 4, 5 — винтовой механизм; 6 — проволочный барабан; 7 — штуцер; 8 — паровой спрыск; 9 — сетка; 10, 11 — камеры отсасывающего ящика Гранитный вал (рис. 1.5.5) представляет собой гранитный цилиндр, за- крепленный на сквозном стальном сердечнике. Диаметр вала равен 400—1200 мм. На стальном сердечнике гранитный цилиндр можно закрепить при помощи шайб, надетых на сердечник и прижатых гайками к торцевым поверхностям гранитного цилиндра, цементной заливки или одновременно используя пер- вый и второй способы. Комбинированное закрепление целесообразнее, так как оно обеспечивает высокую надежность и позволяет уменьшить растягивающие напряжения в гранитном цилиндре. Гранитные валы используют в качестве верх- них валов на обычных и отсасывающих прессах бумагоделательных машин. Сетчатый вал безосного типа изготовляют в виде проволочного спирального каркаса (остова), на который надевают предварительно сшитую сетку. С торцов вала устанав- ливают два кольца, которыми вал опирается на опорные ролики, один из которых приводится во вращение. Диаметр таких валов 400—800 мм. Сетчатый вал используют в качестве ровнительного вала (рис. 1.5.6) на сеточной части бумагоделательной машины. Набивной вал (обычный) супер- каландра состоит из стального сер- дечника, на котором между двумя шайбами под высоким давлением (до 700 кгс/см2) запрессована специаль- ная набивка. Шайбы надеты на сер- дечник и удерживаются разъемными кольцами. Диаметр набивных валов равен 350—500 мм. Набивные валы устанавливают на суперкаландрах (см. главу 2.7). Типы валов. В настоящее время широко распространены валы, у ко- торых цилиндр скреплен с цапфами по концам (трубчатые, литые пустотелые, трубчатые перфорированные), или цапфы составляют одно целое с цилиндром (литые сплошные), или цилиндр закреплен на сердечнике по всей своей длине (гранитные и набивные валы). По прогибу и бомбировке такие валы можно объединить в один тип валов, кото- рые назовем валами обычной конструкции. Существует и другой тип валов (предложен еще в начале XX в.), цилиндр (чугунный или из иного материала) которых закреплен на сквозном стальном сердечнике только посередине, на участке длиной около нескольких сот мил- лиметров. Такие валы назовем валами, закрепленными посередине (рис. 1.5.7). Их сердечник может быть сплошным (см. рис. 1.5.7, а) или пустотелым с за- 76
a) Рис. 1.5.7. Вал, закрепленный посередине, с сердечниками: а — сплошной; б — пустотелый; 7 — цилиндр; 2 — сердечник; 3 — стонитовое покрытие; 4 — эластичная прокладка; 5 — подшипник; 6 — внутренний цилиндр; 7 — цапфа
?W///^zz2z7Z^7z7;777777-Z/Z///ZZ/ZZZZZZZ? Рис. 1.5.8. Вал, вращающийся на оси, с подшипниками: а — по середине цилиндра; б— по его концам; 1— цилиндр; 2— ось; 3— стонитовое покрытие; 4— подшипник; 5— эластичная подкладка прессованными по концам цапфами (см. рис. 1.5.7, б). Чтобы вода и бумажная масса не попадали в зазор между цилиндром и сердечником, по концам цилин- дра располагают высокоэластичные резиновые прокладки. В виде валов, закрепленных посередине, могут быть изготовлены трубча- тые, литые пустотелые валы, но трубчатые перфорированные валы (отсасыва- ющие камерные) по такому типу изготовить очень трудно, так как внутри них необходимо разместить отсасывающую камеру. Валами, закрепленными посе- редине, можно изготовить сетчатые и набивные валы, но при этом значитель- но усложняется конструкция и увеличивается вес валов. Существует еще один, третий тип валов (рис. 1.5.8), у которых на сквозном неподвижном сердечнике (оси) на подшипниках вращается цилиндр. Сердечник может быть пустотелым с запрессованными в него по концам цапфами. Подшип- ники устанавливают по концам цилиндра (см. рис. 1.5.8, б) или по его середине (см. рис. 1.5.8, а). Третий тип валов назовем валами, вращающимися на оси. Обычно валы, которые закрепляются посередине, можно изготовить вра- щающимися на оси. 1.5.2. Покрытия валов „ Покрытия валов бумагоделательных машин (особенно сеточной и прессо- вой частей) не только являются средством защиты от коррозии, но и выполня- ют важные технологические функции. В целях антикоррозионной защиты наружной поверхности рабочей части валов вначале применяли обтяжку медной рубашкой, омеднение и хромирова- ние. Толщина медной рубашки, натягиваемой на стальную трубу (а иногда и на чугунную отливку), после ее обточки и шлифовки составляла 1,5—3,0 мм для 78
валов диаметром до 300 мм и 4—5 мм для валов диаметром более 300 мм. Обтяж- ка медной рубашкой вполне надежна. По мере износа рабочей поверхности рубашку можно периодически шлифовать. Однако расход цветного металла для такого покрытия значителен. Была сделана попытка уменьшить этот расход пу- тем электрохимического покрытия стальных труб медью или хромом. Качество такого покрытия все же оказалось неудовлетворительным: плотность и износо- устойчивость осажденного слоя были невысоки, а слой хрома даже при нали- чии медного подслоя недостаточно прочно сцеплялся с трубой. В настоящее время в качестве антикоррозионного покрытия применяют резину специального состава, различные пластмассы и стеклотекстолит. Следу- ет отметить, что обрезинивание некоторых валов (нижних прессовых и сукно- моечных, верхнего прижимного над отсасывающим гаучем, тяговых валов са- морезки и др.) широко применялось в целях обеспечения необходимых технологических условий изготовления бумаги. Такое покрытие в отличие от антикоррозионного можно назвать технологическим: оно предназначено для увеличения ширины площадки деформации (контакта) между валами. При этом уменьшается удельное давление на полотно бумаги, устраняется его раздавли- вание и увеличивается срок службы сукон. При технологическом обрезинивании отсасывающих валов применяются двухслойные покрытия. Внутренний слой толщиной до 10 мм состоит из твер- дой роговой резины (эбонит, содержащий до 30—37 % серы). Поверх рогового слоя наносится более толстый слой (20—40 мм) мягкой резины, что позволяет несколько раз шлифовать вал по мере износа его поверхности до последующего обрезинивания. Двухслойное покрытие обусловлено недостаточно прочным сцеплением мягкой резины с металлом. Для лучшего сцепления эбонита с ме- таллом на поверхности валов делается “рваная” резьба или протачиваются вдоль образующей вала канавки (глубиной 5—8 мм, шириной 20—25 мм). Однако прак- тика показала, что в первом случае не обеспечивается хорошее сцепление рези- ны с металлом, так как перфорированный резиновый слой, помимо усилий на сжатие, должен воспринимать значительные окружные усилия для привода гра- нитного вала и системы сукноведущих валиков. Во втором случае значительно снижается жесткость вала и увеличивается его прогиб. В последнее время наруж- ную поверхность валов, изготовленных из фосфористой бронзы, перед обрези- ниванием подвергают дробеструйной обработке (внутренняя поверхность шли- фуется). После такой обработки рубашку обдувают сжатым воздухом, а отверстия в ней прочищают с внутренней стороны. Для хорошей связи резины с поверх- ностью металла рубашку смазывают двумя специальными клеями. Теперь рассмотрим технологию покрытия валов, изготовленных из нержа- веющей стали. Перед обрезиниванием их поверхность нарезают грубой резьбой глубиной 2,5—3,0 мм, а затем смазывают специальным клеем. Валы обрезинивают двумя способами: без сверления отверстий и со сверле- нием отверстий в резине. Первый способ проще и легче, но применяется толь- ко для отсасывающих рубашек, отверстия в которых просверливают на много- шпиндельных сверлильных станках (со 120—160 шпинделями). На этих станках после обрезинивания сверлят и отверстия в резине рубашек (для чего делитель- ное устройство настраивают по одному отверстию, просверленному изнутри). 79
Данный способ обеспечивает наиболее плотное соединение резины с металлом. По второму способу после обкладки валов сырой резиной и обмотки ее холще- вой лентой сверлят отверстия в резине. В отверстия отсасывающей рубашки с внутренней стороны заколачивают стальные штифты. Каждый из них характе- ризуется двумя диаметрами: один соответствует диаметру отверстия в рубашке, а другой — в резиновом покрытии. После повторной обмотки холщовой лентой производят вулканизацию резины и затем удаляют штифты. Отверстия в рези- не полученные по этому способу, оказываются более гладкими, чем при свер- ловке. Принято считать, что применение обрезиненных отсасывающих валов из нержавеющей стали особенно выгодно при высоком линейном давлении (бо- лее 60 кгс/см). Для давления до 35-45 кгс/см целесообразнее применять валы из фосфористой или никелевой бронзы. По сравнению с бронзой нержавеющая сталь имеет более высокую адгезию по отношению к резине, однако она хуже переносит действие длительного цикла переменных напряжений. Валы обрези- нивают на заводах резинотехнических изделий. Валы обкладывают сырой рези- ной, которую затем вулканизируют для придания ей необходимой прочности и упругости. Вулканизацию производят в котлах, используя в качестве теплоно- сителя пар. Для однородности вулканизации при толщине слоя резины более 10 мм нагревают также внутреннюю полость вала паром, подаваемым через отверстие в цапфе или в цилиндре вала. Качество резиновой обкладки определяется ее твердостью: чем она выше, тем меньше ширина площадки деформации и износоустойчивее резина. Твер- дость резины характеризуется глубиной погружения (в сотых долях миллимет- ра) стального шарика диаметром 1/8” (3,2 мм) или 5 мм при действии на него 1 кгс в течение 1 мин. Чем больше глубина погружения шарика, тем меньше твердость обкладки. На крупных предприятиях в отделе главного механика имеются альбомы с чертежами покрытий всех валов с указанием необходимой твердости покрытий (табл. 1.5.1) и допусков на твердость. Объемный вес резинового покрытия равен 1,4—1,6 кг/дм3. У обычных вали- ков общая толщина двухслойного покрытия (при толщине слоя эбонита 4— 6 мм и мягкой резины 5—6 мм) превышает толщину стенки металлической трубы валика. Покрытие значительно (иногда до 50 % и более) увеличивает вес валика. Уменьшить толщину антикоррозионного покрытия можно, применяя однослойное покрытие гибким эбонитом (толщина слоя 3—8 мм). Валы, покрытые мягкой резиной, следует шлифовать незадолго до уста- новки их на машине во избежание затвердевания наружного слоя вследствие его окисления при хранении вала. Во время хранения на складах и при транс- портировке валы должны опираться на цапфы, а не на рабочую поверхность вала. Следует учитывать, что смазочное масло и керосин разрушают резиновую облицовку. Нельзя допускать воздействия на обрезиненные валы при их хране- нии низких температур (менее 0°) и прямого солнечного света, так как при этом ухудшается эластичность резины. Цапфы сетковедущих валиков быстроходных бумагоделательных машин изготовляют из нержавеющей стали. К цапфам из обычной углеродистой стали, 80
Таблица 1. 5. 1 Твердость резинового покрытия валов бумагоделательных и отделочных машин Вал Глубина погружения, сотые доли миллиметра, шарика диаметром 1/8" 5 мм Регистровый 5-7 — Прижимной над отсасывающим гаучем 150-200 120-155 Шаберный над верхним валом обычного гауча 90-95 72-75 Нижний I пресса 70-75 56-60 II пресса 60-65 48-52 III пресса 50-55 40-44 Верхний сглаживающего пресса 40-45 32-36 Отсасывающий прессовый 30-35 24-28 Прижимной сушильных цилиндров для машин 20-25 17-20 односторонней гладкости 12-17 9-14 С антикоррозионным покрытием 5-10 4-7 0-2 — Верхний тягового пресса ротационной саморезки 20-25 17-20 подверженным коррозии, легко прилипает бумажная масса. Накопившаяся масса периодически отрывается от цапфы и попадает на сетку бумагоделательной машины, что вызывает обрыв бумажного полотна. 1.5.3. Расчет валов Валы бумаго- и картоноделательных машин рассчитывают на прочность, жесткость и критическую скорость. При расчете валов на прочность учитывают следующие силовые факторы: собственный вес, равнодействующую сил натяжения сетки, сукна или бумаги, а в некоторых случаях — давление вышележащего вала и величину вакуума. Собственный вес вала, пренебрегая наличием патронов и цапф, можно считать нагрузкой, равномерно распределенной по длине вала (при этом ошиб- ка не превышает 2-5 %). Разность натяжения обеих ветвей сетки (сукна, бумаги), равная усилию, необходимому для преодоления трения в опорах вала и шабера о вал, незначи- тельна, и ею также можно пренебречь. Лишь для нижнего вала гауча, приводя- щего в движение сетку, линейные натяжения ведущей и ведомой ветвей сетки отличаются друг от друга примерно на 2 кгс/см, что обусловлено значительной силой трения между сеткой и отсасывающими ящиками. При этом равнодей- вующая натяжения сетки вычисляется как геометрическая сумма сил отдель- ных составляющих. 81
ОС-АО cos(S0°- 7) = =A0sin ^ = ^5 sin Рис. 1.5.9. Расчетные схемы определения равнодействующей натяжения сетки (сукна, бумаги) (а), общей нагрузки на вал (б), распределения нагрузки по длине вала (в) При равенстве натяжения ветвей соответ- ствующая геометрической сумме составляющих равнодействующая сил натяжения (рис. 1.5.9, а) Qz = 20 sin j = 2qb sin у, кгс, где q— линейное натяжение сетки (сукна, бу- маги), кгс/см; b — ширина сетки (сукна, бума- ги), см (обычно принимают равной длине рабо- чей части вала); Q— натяжение каждой ветви, кгс; а — угол охвата вала сеткой, град. Необходимая величина натяжения главным образом определяется технологическими требо- ваниями изготовления бумаги. Верхнюю часть сетки следует натянуть так, чтобы между обез- воживающими элементами не было заметного ее провисания, ухудшающего формование бу- мажного полотна. При повышении скорости ма- шины увеличивается гидравлическое давление на сетку, обусловленное отсасывающим дей- ствием гидропланок, поэтому следует повысить натяжение сетки. Водопропускная способность прессовых сукон зависит от их натяжения. Ве- личина натяжения сушильных сукон определя- ет интенсивность контакта между бумагой и сушильными цилиндрами, суще- ственно влияющую на скорость сушки бумаги. От натяжения бумаги (картона) на накате бумаго- или картоноделательной машины зависят качество и плот- ность намотки рулонов. Следует учитывать, что значительная часть валов приводится во вращение сеткой, сукнами и бумагой. Окружное (тяговое) усилие Т, которое может быть передано сеткой (сукном, бумагой), без учета центробежной силы выражается уравнением Эйлера Т<02(е*-1), (1.5.1) где 02 — натяжение ведомой ветви; е— основание натуральных логарифмов;/— коэффициент трения между валом и сеткой; а — угол охвата вала сеткой, рад. Иногда, при недостаточном натяжении 02 ведомой ветви, усилие Т может оказаться меньше усилия То, необходимого для преодоления всех сил сопро- тивления вращению вала. При этом следует увеличить натяжение Q2 или угол охвата вала. Согласно уравнению (1.5.1) минимальная величина необходимого натяжения ведомой ветви О = 0 «2мин efa _ । 82
Приведем средние значения линейных натяжений, кгс/см: Сетка.................................................................2,5—8,0 Прессовое сукно.......................................................... Сушильное шерстяное сукно (при отсутствии автоматической натяжки сукна).........................2 0—2 5* Сушильное хлопчатобумажное сукно (при наличии автоматической натяжки сукна)............................0 25—0 80 Сухая бумага (в конце бумагоделательной машины и на отделочных станках)..........................................0,05—0,60’* ♦ При обрыве бумажного полотна и в отсутствие бумаги между сукном и цилиндрами влаж- ность шерстяных сукон уменьшается, а сукна укорачиваются. Если натяжной валик при этом не будет перемещен, то натяжение сукон возрастет примерно на 50-80 %. ♦♦ Натяжение бумаги зависит от ее прочности и веса, конструкции и назначения отделочной машины. Общая нагрузка (?0 на вал от собственного веса GMC и равнодействующей натяжения Qz ветвей сетки (сукна, бумаги) равна геометрической сумме сил: + ^вес + 20г(?Вес cos Y > где у — угол между равнодействующей натяжения ветвей и вертикалью (рис. 1.5.9, б). Ввиду симметрии нагружения вала (рис. 1.5.9, в) реакции опор RA и RB одинаковы: R=R=Ql = ^ А в 2 2 ’ бо где q0 - — — интенсивность равномерно распределенной нагрузки. Максимальный изгибающий момент, независимо от типа вала, будет по середине его длины Ь: I доьь 2 2 4 кгс-см, (1.5.2) где I— расстояние между опорами вала, см. Наибольшие напряжения в этом сечении таковы: о = М, W ’ где W— момент сопротивления поперечного сечения вала. Для упрощения вычислений момент сопротивления пустотелого вала с не- обходимой точностью (до 2—4 %) можно выразить следующим образом: 83
i л d^!_ . 0,1^1. . 0.8Ч51 см>> 32 й D D ср > (1.5.3) ~ D + d где D, d и -----соответственно наружный, внутренний и средник с D-d диаметры вала, см; 5 = —--толщина стенки вала, см. Момент инерции поперечного сечения пустотелого вала I = 2L(D4 - d4) = 0,05(Z>4 - d4) = 0,42)1,5, см4. (1.5.4) 64 Для стальных труб допускаемое напряжение изгиба не должно превышать 700-1000 кгс/см2, а для чугунных валов — 150-200 кгс/см2. Для валов, закрепленных посередине (см. рис. 1.5.7), в опасном сечении I— I (см. рис. 1.5.9, в) следует учитывать совместную работу чугунного цилиндра и стального сердечника. Считая напряжения в этих элементах пропорциональны- ми жесткости, получим, что максимальное напряжение в наружном чугунном цилиндре М,E4D °ч 2(БЧ7Ч+£„/„)’ (L55) а в стальном сердечнике где D,d— наружные диаметры цилиндра и сердечника; Еч, Еп— модули упру- гости чугунного цилиндра и стального сердечника; /ч, /ст — моменты инерции чугунного цилиндра и стального сердечника. Обычно наибольшее напряжение в наружном чугунном цилиндре вала, закрепленного посередине, наблюдается в сечении II—II (см. рис. 1.5.9, в). В этом сечении изгибающий момент м _ -с)(Ь- с) д0(Ь - с)2 Q)(b-c) 2 2 4 8 85 ’ где с — длина участка закрепления. Для вала, вращающегося на оси, если подшипники установлены по кон- цам цилиндра на расстоянии b друг от друга, в опасном сечении (по середине вала) максимальный изгибающий момент = (1.5.7) 84
Если подшипники установлены друг от друга на расстоянии с < 0,586£, то в сечении под опорой (в месте установки подшипников) наибольший изгиба- ющий момент М!=^ = ш^ (158) Для цапф валов обычной конструкции наиболее опасным является сечение HI—Шу конца рабочей части вала. Здесь М, = ^— =Q> — . (1.5.9) Для сердечника вала, закрепленного посередине (рис. 1.5.10), и для оси вращающегося вала опасным является сечение Я—Я (см. рис. 1.5.9, в). Здесь М4 = (2ь[^], (1.5.10) где с — длина участка закрепления, или расстояние между опорами. В стальных цапфах наибольшие напряжения не должны превышать 600— 800 кгс/см2. Обычно наружный диаметр и толщину стенки пустотелых валов определя- ют не по прочности вала (по допускаемым напряжениям изгиба), а по его жесткости, т. е. по предельно допустимой деформации — относительному про- гибу вала (отношение прогиба рабочей части к ее длине). Окончательно приня- тая величина диаметра вала должна удовлетворять технологическому назначе- нию вала и общей компоновке машины. ШИНИИШШИШ1 Рис. 1.5.10. Участок запрессовки вала, закрепленного посередине Рис. 1.5.11. Участок запрессовки и распределение момента на нем 85
Для трубчатых, литых пустотелых и закрепленных посередине валов патрон с трубой, цапфа с патроном или цилиндром вала, а также сердечник с цилин- дром соединяются в результате посадки с гарантированным натягом. Давление р поверхности сопрягаемых деталей (рис. 1.5.11) , кгс/см2, (1.5.11) где /_ натяг, см; Е{, Ег — модули упругости материалов охватываемой и охва- тывающей деталей, кгс/см2; ц,, ц2 — коэффициенты поперечной деформации (Пуассона) для материалов охватываемой и охватывающей деталей; d, dp d2 — соответственно диаметр посадки, внутренний диаметр охватываемой детали (если она пустотелая) и наружный диаметр охватывающей детали, см. Обычно опасным является максимальное растягивающее напряжение на внутренней поверхности охватывающей детали: ^3 =Р d2 + d2 dl-d2 (1.5.12) Поскольку напряжение ст3 статическое, то значения допускаемых напряже- ний могут быть повышенными. Наибольший крутящий момент, который можно передать при помощи посадки с натягом: М = С, кгс-см, (1.5.13) к 2 где/— коэффициент трения между соприкасающимися поверхностями (обыч- но с запасом/= 0,08); с — длина участка запрессовки, см. При определении давления между деталями, соединенными при помощи посадки с натягом, следует учитывать наибольший натяг, а при определении наибольшего крутящего момента — наименьший натяг. При расчете посадки цапф в патрон пренебрегают наличием в нем ребер, а учитывают лишь толщи- ну ступицы патрона. При расчете посадки патрона в трубу пренебрегают нали- чием в нем ребер, а внутренним диаметром охватываемого патрона считают внутренний диаметр его обода. Кроме напряжений, обусловленных натягом, на участке запрессовки воз- никают напряжения изгиба. В сечении по середине участка запрессовки (см. рис. 1-5.11) изгибающий момент М, можно принять таким: М, =7?Л, где Ra = 01 _ опорная реакция; / — расстояние от опоры до середины участка 2 * запрессовки. 86
Момент М, уравновешивается реактивным моментом М2 на участке за- прессовки. Если считать, что нагрузка на этом участке распределена по закону треугольника, то М, = q|c = . 2 3 223 6 Учитывая равенство моментов и М2, получим ?тах = 2 ' (1.5.14) С Примем, что по длине с запрессовки сила RA распределена равномерно с интенсивностью RA Тогда в конце участка запрессовки, где обе составляющие направлены в одну сторону и суммируются алгебраически, общая величина погонной нагрузки 6RAlx Ra_Ra(61x Л „ ?об “ ?max + 2 + г ~ г • (1.5.15) с с с с ; В конце участка запрессовки, на внутренней поверхности охватывающей детали, для кольца единичной ширины растягивающее напряжение а=9об^±^_ (1.5.16) d d%-d2 Для валов, закрепленных посередине, нормальное напряжение изгиба на участке запрессовки намного меньше, чем для валов обычной конструкции. При одних и тех же величинах опорных реакций вала с лицевой и приводной сторон машины реактивные моменты на участке запрессовки одинаковы, но направлены в разные стороны (см. рис. 1.5.10). Поэтому напряжения, обуслов- ленные действием реактивных моментов, взаимно уравновешиваются. Расчет прессовых валов. При расчете прессовых валов можно пренебречь натяжением сукна, нагружающего нижний вал и разгружающего верхний (в обычных прессах), давлением шабера на верхний вал, а также окружным уси- лием, передаваемым с нижнего вала на верхний для его вращения. Необходимое линейное давление между прессовыми валами создается соб- ственным весом верхнего вала и усилием дополнительного прижима, передава- емого на подшипники верхнего вала. Вначале рассмотрим случай, когда продольные оси валов расположены в днои вертикальной плоскости (рис. 1.5.12, о). Если бомбировка валов* соот- av ^ом®иР°вк°й называют придание валам выпуклой формы для обеспечения меж- и равномерного линейного давления по длине. 87
Рис. 1.5.12. Схема нагрузки на валы пресса: а — валы в одной вертикальной плоскости; б — валы в двух вертикальных плоскостях; в — общая нагрузка на подшипники нижнего вала ветствует их прогибу и усилия дополнительного прижима с лицевой и привод- ной сторон одинаковы, линейное давление q будет равномерным по всей длине рабочей части вала: GB + P , q = —, кгс/см, Ъ где GB — вес верхнего вала (с подшипниками), кгс; Р суммарное усилие дополнительного прижима с лицевой и приводной сторон, кгс; b длина ра бочей части вала, см. Нагрузка на оба подшипника нижнего вала <2Н„ =GH+GB + P = GH+qb, кгс, (1.5.17) где GH — вес нижнего вала. Нагрузка на оба подшипника верхнего вала, опирающегося на нижнии, равна усилию дополнительного прижима: QB<> = Р = qb-GB. (1.5.18) 88
Обычно валы прессов расположены в двух вертикальных плоскостях (рис. 1.5.12, б). Можно принять, что рычаги, на которых закреплен верхний вал, расположены горизонтально. Тогда результирующую веса G„ верхнего вала и усилия Р дополнительного прижима раскладывают на две составляющие: Qu — давление между валами, направленное по линии соединения центров нижнего и верхнего валов, и Qrop — нагрузка в горизонтальной плоскости вдоль рычагов: n L + Р qb «м • (L5”> Crop = (GB + P) tg Y = Сц Sin Y, (1.5.20) где у _ угол между вертикалью и линией, соединяющей центры валов. Из треугольника АОВ (см. рис. 1.5.12, б) где т — величина смещения между валами по горизонтали; Z>H, Dt — диаметры нижнего и верхнего валов. Из уравнения (1.5.19) следует, что при смещенном расположении валов давление Qu между ними увеличивается незначительно. Нагрузка на оба подшипника нижнего вала (рис. 1.5.12, в) Сн0 = № + Сц - 2СнСц cosp = +2ц + 2(?н0цСО5у , (1.5.21) а нагрузка на оба подшипника верхнего вала СВо =-Jp2+Q™p- d-5.22) Дальнейший расчет валов и цапф производится по формулам (1.5.2)—(1.5.16). Расчет гранитного вала. Гранит является анизотропным материалом, харак- теризующимся различными пределами прочности на растяжение (опч = 100— 400 кгс/см2) и сжатие (опч= 1400—2500 кгс/см2). Модуль продольной упругости гранита Е = (5—8)105 кгс/см2. Гранит, применяемый для валов, должен быть мелкозернистым, без трещин и песчаных прослоек. Ввиду анизотропности гра- нита при конструировании этих валов необходимо обеспечить снижение растя- гивающих напряжений за счет увеличения сжимающих. Комбинированный спо- соб закрепления гранитного цилиндра на стальном сердечнике позволяет уменьшить растягивающие напряжения в цилиндре. При расчете таких валов пренебрегают наличием цементной заливки, в результате увеличивается запас прочности Гранитный вал рассчитывают, исходя из двух условий: 1) сила тре- ния между шайбами и гранитным цилиндром должна быть больше силы, сме- щающей сердечник относительно цилиндра; 2) по плоскости соприкоснове- ния с цилиндром шайба не должна отходить от него под действием момента (Условие нерасходимости шва). 89
Сила трения между двумя шайбами и цилиндром Лр=утр где у_ коэффициент трения между шайбой и гранитом (обычно принимают у_ о, 15); Т, — сила прижима между шайбой и гранитом. Согласно первому условию сила трения между шайбой и гранитным ци- линдром должна быть больше усилия дополнительного прижима: Ртр>Р или 2/Т,>Р. р Отсюда Т, > — Согласно второму условию напряжения сжатия по плоскости соприкосно- вения шайбы с гранитным цилиндром должны быть больше напряжения изги- ба (ОСж > Оиз). L(L± Ъ СТСЖ =--У1 д И °из = — = ~2 * 2 ' , n(D2-d2) W 2L(n4-d4) 32' 7 где D, d — наружный и внутренний диаметры гранитного цилиндра (при этом пренебрегают тем, что диаметр шайбы меньше наружного диаметра цилиндра); = ^^(Z)4 -rf4) — осевой момент сопротивления вала. -Г— 4Т 2 2 Тогда ——. 1 . >------. Отсюда Я(Р2-^) "(/)2_£/2)(р2+</2) 2P(l-b)D * D2+d2 • Обычно для большинства осуществленных конструкций гранитных валов Р 2P(l-b)D If D2 + d2 Для надежности полученное значение Т, увеличивают на 30—50 % и окон- чательно принимают То = (1,3—l,5)Tt. Для создания силы То необходимо приложить к гайке крутящий момент И MK = T()tg(X + p)-^+T0/1Prp, 90
кой и опорной поверхностью; л™ = где X — угол подъема винтовой линии, град; р — угол трения винтовой переда- чи, град; — средний диаметр резьбы; — коэффициент трения между гай- 2 R3 - г3 -------5- — радиус трения, зависящий от 3 R - г наружного и внутреннего радиусов опорной поверхности гайки. Сила То вызывает сжимающее напряжение в гранитном цилиндре и растя- гивающее — в стальном сердечнике (на участке между шайбами). Пренебрегая тем, что диаметр шайбы меньше диаметра цилиндра, прини- маем: сжимающие напряжения в гранитном цилиндре таковы: о = 4Т» сж л(/)2-</2)’ Кроме напряжения сжатия в цилиндре возникают напряжения изгиба (ра- стяжение одних и сжатие других волокон). По середине вала изгибающий момент Считая, что такой момент воспринимается только гранитным цилиндром, и пренебрегая стальным сердечником (при этом ошибка не превысит нескольких процентов), получим следующие напряжения изгиба в гранитном цилиндре: _ М Стиз w • Если осж > стиз, то по всему сечению гранитного цилиндра будут только сжи- мающие напряжения. Их максимальное значение (по абсолютной величине) ®сж max ~ ®сж *" ®изф (1.5.23) Если > осж, то наряду с напряжениями сжатия, максимальная величина которых также определяется уравнением (1.5.23), в гранитном цилиндре воз- никнут растягивающие напряжения: = стиз ~ ^сж- Увеличивая усилие прижима шайб, а следовательно, и осж, можно добить- ся того, что в гранитном цилиндре растягивающее напряжение не превысит 20—30 кгс/см2. Необходимую силу прижима То создают, нагревая сердечник до температу- ры выше окружающей на Г. На нагретый сердечник надевают цилиндр, и шай- бы легко затягиваются. После охлаждения сердечника до температуры окружа- ющей среды возникнет сжимающая сила Т2, которая в пределе должна быть равна То. С учетом растяжения стального сердечника и сжатия гранитного ци- линдра 91
Отсюда Т = а? ^ст^ст I + ^CT-^CT ^гр^гр Т 1 . I 4 ®^ст^ст где а — коэффициент линейного расширения стального сердечника (а = = 12-10"6); Е , Е — модули упругости стали и гранита; F^, F^ — площади сечений стального сердечника (на участке между шайбами) и гранитного ци- линдра. 1.5.4. Прогиб валов Валы бумаго- и картоноделательных машин прогибаются под действием собственного веса и приложенных сил. Различают прогиб статический и динамический. Первый обусловлен дей- ствием собственного веса вала, а также усилиями дополнительного прижима и натяжения сетки или сукна. Динамический прогиб возникает под действием центробежных неуравновешенных сил. При этом происходят поперечные и про- дольные колебания валов, а в отдельных случаях могут возникнуть недопусти- мые ударные нагрузки. На процесс изготовления бумаги, а следовательно, и на ее качество значи- тельное влияние оказывает прогиб рабочей части вала, с которой непосредствен- но соприкасаются бумажное полотно, сетка или сукно. При уменьшении относи- тельного прогиба рабочей части валов улучшаются условия работы бумаго- и картоноделательных машин: на прессовой части повышается равномерность обез- воживания бумаги, на каландре и суперкаландре улучшается отделка бумаги. Для различных валов нормы допустимых значений относительного прогиба еще не разработаны. При проектировании новых машин пользуются соответ- ствующими данными о прогибе валов действующих машин аналогичного типа. Приведем значения относительного прогиба валов современных бумаго- и кар- тоноделательных машин: Вал Грудной Относительный прогиб 1 1 15000 20000 Регистровый, сетко-, сукно- и бумаговедущий 1______1 3000 4000 Гауч-вал 1 1 14000 15000 92
1 1 Нижний прессовый 7000 1 Верхний прессовый 12000 " 1 14000 1 Нижний каландровый 1 8000 1 Тамбурный эддо 1 6000 1 Нижний суперкаландра 1 8000 1 Несущий продольно-резательного станка 10000 - 1 12000 Нижний ножевой продольной резки 1 6000 1 Нижний тягового пресса саморезки - oUUU 1 10000 Обычно относительный прогиб валов узких бумагоделательных машин не- много меньше, чем у валов широких машин. При увеличении ширины машины для сохранения определенного относительного прогиба необходимо значитель- но повысить жесткость валов. Прогиб вала обычной конструкции Прогиб от изгибающего момента. Для валов бумаго- и картоноделательных ма- шин применяются самоустанавливающиеся подшипники, и при выводе уравнения прогиба валов их можно рассматривать как балку на двух шарнирных опорах. Определим прогиб f рабочей части вала обычной конструкции при усло- вии, что жесткость EI поперечных сечений рабочей части вала постоянна по всей ее длине. При выбранной системе координат (рис. 1.5.13, а) изгибающий момент от равномерно распределенной нагрузки (включая нагрузку от собственного веса вала) интенсивностью q в сечении с координатой х имеет вид f b _ J х 2 I 2 2 4 4 8 2 4 7 \ / С учетом действия только изгибающего момента дифференциальное урав- ение изогнутой оси в рассматриваемом случае примет следующий вид: 93
BI&- dx2 х2 TJ' (1.5.24) Рис. 1.5.13. Расчетные схемы прогиба вала обычной конструкции: а — постоянная жесткость; б — разная жесткость Дважды интегрируя уравнение (1.5.24) и учитывая, согласно рис. 1.5.13, а, что постоянные интег- рирования равны нулю, получим уравнение прогиба ft (blx2 b2x2 x4 “16“ 24J Отсюда _r2 у = ^-—(f>bl-3b2 -2x2). rr b При x = — максимальный про- гиб рабочей части вала 2 / 2 \ 3 V = / = —— 6W-362-— =-^—(12/-76). (1.5.25) max J 4-48£/[ 2J 384 ЕГ Жесткость поперечных сечений рабочей части прессовых валов неодинако- ва по ее длине, она больше по концам — равна суммарной жесткости попереч- ных сечений цилиндра и цапфы. Определим прогиб f рабочей части вала с учетом разной жесткости попе- речных сечений по ее длине (рис. 1.5.13, б). Обозначим: EJx — жесткость среднего участка рабочей части вала; — суммарная жесткость цилиндра и цапфы (по концам рабочей части вала); а ~ с т — коэффициент приведения жесткости; £'2/2 с — длина среднего участка жесткостью Е^; Ь-с 2 — длина каждого из двух участков по концам вала жесткостью Д,/2. На первом участке (0 < Х] < с/2) в сечении с координатой х, изгибающий момент 94
ЯЬ(1 МХ1 = - - Xj 1 2 I 2 (b f 2 (bl b2 хП 9 2 8 2 На этом участке цилиндра дифференциальное уравнение изогнутой оси будет иметь вид г т й2У\ (Ы Ь2 х.2 4 На втором участке (с/2<х2 ^Ь/2) в сечении с координатой х2изгибаю- щий момент На этом участке дифференциальное уравнение изогнутой оси будет таким: (1.5.27) Дважды проинтегрировав каждое дифференциальное уравнение изогнутой оси (1.5.26) и (1.5.27) и определив постоянные интегрирования из конкретных условий деформаций, окончательно получим следующие уравнения прогибов: на первом участке *=I^(6Z,/“3*2-2xi2); 4OJD] 11 на втором участке У1 = Гя/f t [ах2 (486/ - 2462 - 16х22) + + с(1 - а)(2462/ -1263 - 46с2 + 662с - \2bcl + Зе3)]. При х2 = максимальный прогиб Утах = fl = [а63(12/ - 76) + С (1 - а)х X(2462/ -1263 - 46с2 + 662с - 126/с + Зс3)]. (1.5.28) 95
при обычных соотношениях в прессовых валах (а = 0,8; с = 0,8b и I - 1,2b) прогиб вала, вычисленный по уравнению f = /ппи 128jEZ V ₽ — см. уравне- ние (1.5.34) — с учетом разной жесткости поперечных сечений на отдельных участках, всего лишь на 0,3 % отличается от прогиба, вычисленного по уравне- нию (1.5.28) при одинаковой жесткости рабочей части вала. Следовательно, уравнение (1.5.25) обеспечивает необходимую точность при определении про- гиба вала, имеющего разную жесткость по длине. Прогиб от поперечных сил. Для валов небольшой длины кроме прогиба от изгибающего момента необходимо учитывать прогиб от поперечных (перерезы- вающих) сил. Поперечные силы вызывают касательные напряжения в сечени- ях, параллельных и перпендикулярных продольной оси вала (по правилу пар- ности касательных напряжений). С учетом только поперечной силы Qx дифференциальное уравнение изог- нутой оси имеет вид GF^ = QQx> (1-5.29) где G—модуль упругости при сдвиге; F— площадь поперечного сечения вала; 6 — коэффициент, зависящий от формы сечения вала (для круглого сечения 0 = —). В сечении с координатой х (см. рис. 1.5.13, а) л Яь (b ) Qx =у2~x\ = qx- Следовательно, GF^- = 0qx. dx После интегрирования, учитывая, согласно рис. 1.5.13, а, что постоянная интегрирования равна нулю, получим уравнение прогиба у = ^Х1 2GF ' При х = у максимальный прогиб = 36GF ' (1.5.30) При совместном действии изгибающего момента и поперечной силы мак- симальный прогиб рабочей части вала равен алгебраической сумме соответ- ствующих прогибов: 96
fo - f + /п • f Определим отношение -у- для наиболее часто встречающегося случая, " /п когда I = 1,2b. Примем Е = 2,2G с учетом, что для пустотелых валов наружным диаметром D и внутренним d / = и /’ = 77<р2-</2>- 64 64 Тогда f = qb3(l2l-lb) ' 5qb2 = /п 384£/ ‘ 36GF ________qb3 (14,4b-7Ь) . 5дЬ2 g Ь2 (1.5.31) 3M-2,2G^-(D2+d2)(D2-d2) 36^(D2-d2) 1)2+d2 64 4 Аналогично для сплошных валов (1.5.32) Л D2 Из уравнений (1.5.31) и (1.5.32) следует, что чем меньше отношение дли- ны к диаметру вала, тем больше удельное значение прогиба от поперечной силы. При одной и той же длине b рабочей части вала и одном и том же наруж- ном диаметре D отношение прогиба от поперечной силы к прогибу от изгиба- ющего момента для сплошных валов больше, чем для пустотелых. Обычно про- гибом от поперечных сил пренебрегают, если он составляет не более 2—3 % прогиба от изгибающего момента. Прогиб валов, закрепленных посередине Прогиб от изгибающего момента. Пусть жесткость EI поперечных сечений цилиндра вала будет постоянна по всей его длине и цилиндр закреплен на сердечнике только в одном сечении. Предположим, что валом, закрепленным посередине, является верхний вал пресса (как будет показано далее, такое со- четание наиболее целесообразно). Момент от сил , расположенных на расстоянии от середины вала (рис. 1.5.14), не передается цилиндру. В сечении с координатой х изгибающий момент ~---—_____________ Подробный расчет таких валов представлен в книге И.Я. Эйдлина “Валы бумагоде- ительных и отделочных машин”. 97
Рис. 1.5.14. Расчетные схемы прогиба валов, закрепленных посередине в одном сечении (а) и на длине с (б) Дифференциальное уравнение изогнутой оси цилиндра имеет вид (1.5.33) Дважды интегрируя уравнение (1.5.33) и учитывая, что в рассмат- риваемом случае (см. рис. 1.5.14, а) постоянные интегрирования равны нулю, получим следующее уравне- ние прогиба: 2 у = (2х2 - 4Ьх + ЗЬ2). Л 4Ш' ' (1.5.34) В уравнении (1.5.34) не учитывается фактическое закрепление цилиндра на сердечнике (на длине с), и суммарная жесткость поперечных сечений на участ- ке закрепления более высокая, чем на остальной части цилиндра (при х = — У ~ .Утах ) Обозначим: £]/| — суммарная жесткость цилиндра и сердечника на участке закрепления; Е212 — жесткость цилиндра на остальной его части; _Е21г а Е\1 ~ коэФФиЦиент приведения жесткости; с — длина участка закрепления. При составлении уравнений изгибающих моментов учтем, что момент от qb I сил —, расположенных от середины цилиндра на расстоянии —, действует только на первом участке длиной с и жесткостью ЕХ1Х. На первом участке f 0 < х, < —1. 2 1 момент 4 7 в сечении с координатой хь изгибающий (ь V Я 2~xi м, = -«*(' *' 2 2 х2 Ы Ь2 —!------+ 2 4 8 98
Дифференциальное уравнение изогнутой оси на первом участке цилиндра имеет вид Е1/1^- = МХ|=9 xf Ы Ь2 —------+ — 2 4 8 (1.5.35) На втором участке момент в сечении с координатой хг, изгибающий (b f 9 ?-Х2 МХг= ^2- Z =g xj 6х2 2 2 + ~8 На этом участке дифференциальное уравнение изогнутой оси будет таким: £ 8 • El d2y2 xf bx-L ~9 ~2 Г (1.5.36) Дважды проинтегрировав каждое дифференциальное уравнение изогнутой оси (1.5.35) и (1.5.36) и определив постоянные интегрирования, окончательно получим следующие уравнения прогибов: на первом участке на втором участке Уг - [16х4 ~ 326x2 + 2462xj + 246сх2 - 8(1 - а) х Зо4£2*2 х (с3 + 362с)х2 - 48а6/сх2 - 86с3 + (1 - а)(3с4 + 66 2с2) +12аЫс2]. (1.5.37) При х2 = — максимальный npoi иб А = т Ь*4 ~(1 -а)С263с -6b2c2 + 46с3 - Зс4)+ jo4/12<2 ' +1262с2 - 8Ас3 -12а6/с(26 - с)]. (1.5.38) Уравнения (1.5.37) и (1.5.38) можно упростить, если ввести обозначения с - mb и l = nb. Тогда 99
ьз I У2 = 384£2Z2 16*2 ~ 32&c2 + 24*2x* + 8wZ?3%2 x X [3m - (1 - a)(m2 + 3) - бал] - m2Z>4[8m - (1 - a)(3m2 + 6) - 12ал]} и /1 = змЬ^-(1-“,(12"-6'”2 + 4m3 - Зт4 )+ + 12т2 - 8т3 - 12атп(2 - /и)]. Определим влияние протяженности участка закрепления и суммарной же- сткости £,/1 на величину и направление прогиба цилиндра. Для этого сопоста- вим максимальный прогиб цилиндра с учетом длины закрепления и разной жесткости поперечных сечений по его длине с максимальным прогибом f ци- линдра, закрепленного в одном сечении. f Соотношение прогибов обозначим Р: Р = . Отсюда /1=Р/ = 12817 (1.5.39) На основании уравнений (1.5.38) и (1.5.39), учитывая, что 1^/2 = EI, получим „ = 1 _ (1 - a)(12Z>3c + 6Ь2с2 + 4Ьс3 - Зе4) -12b2c2 + 8bc3 + 12aZ>/c(26 - с) = 364 _ । _ (1 - a)(12m - 6m2 + 4m3 - 3m4) - 12m2 + 8m3 + 12amn(2 - m) 5 40) Прогиб концов цилиндра относительно его середины под действием рав- номерно распределенной нагрузки направлен в сторону ее действия, а прогиб qb концов цилиндра от сосредоточенных сил —, расположенных на расстоянии / 2 ’ ~ в противоположную сторону. При прочих равных условиях величина прогиба от сил — зависит от отношения длины с участка закрепления к длине b цилиндра и от коэффици- ента приведения жесткости а. Суммарный прогиб концов цилиндра относительно его середины от равно- мерно распределенной нагрузки и сосредоточенных сил равен разности состав- ляющих прогибов и направлен в сторону большего прогиба. 100
Из уравнений (1.5.38) и (1.5.40) сле- дует, что в зависимости от соотношения £ и величины а возможны три варианта прогиба цилиндра: 0 > 0; 0 < 0; 0 = 0. При Р > 0 направление прогиба кон- цов цилиндра относительно его середины совпадает с направлением действия рав- номерно распределенной нагрузки (рис. 1.5.15, ось а). При этом прогиб от равномерно распределенной нагрузки больше прогиба от сосредоточенных сил . Данному направлению прогиба соот- ветствует, например, а — 0,5 и — 0,1. Такое же направление прогиба имеет ци- линдр, закрепленный посередине в одном Рис. 1.5.15. Схемы прогиба валов, закрепленных посередине, от действия изгибающего момента: ось а — прогиб вала направлен в сторону равномерно распределенной нагрузки (Р >0); ось б — прогиб противоположен направлению равномерно распределенной нагрузки (Р < 0); ось в — концы цилиндра относительно его середины не прогибаются (Р = 0) сечении. При 0 < 0 направление прогиба кон- цов цилиндра относительно его середины противоположно направлению равномер- но распределенной нагрузки (см. рис. 1.5.15, ось б). При этом прогиб от со- средоточенных сил — больше прогиба от равномерно распределенной нагрузки. Данному направлению прогиба соответ- ствует, например, а = 0,5 и 7 = 0,3. Такое о направление прогиба имеет вал обычной конструкции. При 0 = 0 концы цилиндра не прогибаются относительно его середины (см. рис. 1.5.15, ось в). Поскольку величина 0 может быть положительной и отрица- тельной, должно соблюдаться такое сочетание значений а и с, при котором 0 = = 0. При этом на концах цилиндра прогиб от равномерно распределенной на- грузки численно равен прогибу от сосредоточенных сил Из уравнения (1.5.40) при 0 = 0 получаем qb 2 ' (1 - a)(12Z>3c - 6b2c2 + 4bc3 - Зс4) - V2b2c2 + 8Z>c3 + + I2ablc(2b-c) = 3b4. Поскольку c = mb и I = nb, to 101
(1 — а)(12/и - 6т2 + 4m3 — 3m4) — 12m2 + 8m3 + + 12атл(2 — т) = 3. (1.5.42) Ввиду того что показатели степени величин с и т в уравнениях (1.5.41) и (1.5.42) выше второй, решение этих уравнений сложно и громоздко. Поэтому зададимся частными значениями с или т и определим соответствующие им значения а. Конструктивно может быть осуществлено такое соотношение жест- костей, при котором а = 0,2—0,7. Тогда соответствующие значениям а (при со- блюдении условия Р = 0) значения с находятся в узких пределах — (0,17— 0,3)/». Рассмотрим влияние изменения величин а и с на величину и направление суммарного прогиба. При прочих равных условиях уменьшение значения а (чему соответствует увеличение жесткости на участке закрепления) приводит и к уменьшению прогиба от сосредоточенных сил. Тогда при Р > 0 (когда прогиб от равномерно распределенной нагрузки больше прогиба от сосредоточенных сил —) общий прогиб, равный разности составляющих его прогибов, будет уве- личиваться. Так, при постоянных значениях с = 0,1/> и I = 1,2b, но при разных значениях а из уравнения (1.5.40) найдем следующие значения: а 0,900 0,500 0,300 Р 0,169 0,391 0,497 При Р < 0 (когда прогиб от сосредоточенных сил больше прогиба от равно- мерно распределенной нагрузки) и при уменьшении величины а уменьшается и прогиб от сосредоточенных сил, а следовательно, значение р. Например, при с = 0,3/» и I = 1,2b, но при разных значениях а получим следующие значения: а 0,90 0,500 0,300 Р -1,02 -0,459 -0,179 Из уравнений (1.5.38) и (1.5.40) следует, что наибольшее влияние на вели- чину прогиба и его направление оказывает протяженность участка закрепления (величина с). При-прочих неизменных условиях увеличение длины с приводит и к увеличению прогиба от сосредоточенных сил Qb 2 ‘ При этом, как уже указыва- лось, в зависимости от величины с значение р может быть больше, равно и меньше нуля. Так, при постоянных значениях /= 1,2/> и а = 0,5, но при разных величинах с найдем следующие значения: с 0,100 0,200 0,30 0,90 ₽ 0,391 0,098 -0,46 -1,53 Ио отношения прогибов в отдельных сечениях к максимальному прогибу (уравнения (1.5.39) и (1.5.40)) получим, что при р > 0 (см. рис. 1.5.15, ось а) изогнутая ось имеет точку перегиба в сечении, отстоящем от середины на рас- стоянии примерно 0,1/». От середины вала до сечения, отстоящего от него на 102
расстоянии около 0,176, направление прогиба противоположно направлению прогиба концов цилиндра относительно его середины, так как в указанном - #6 интервале сечении величина прогиба от сил — больше прогиба от равномерно распределённой нагрузки. При Р < 0 (см. рис. 1.5.15, ось б) изогнутая ось не имеет точки перегиба и цилиндр прогибается так же, как вал обычной конструкции. Однако значения прогибов сечений цилиндра будут примерно в четыре-шесть раз меньше значе- ний прогибов вала обычной конструкции той же жесткости. Наконец, при Р = 0 (см. рис 1.5.15, ось в) все сечения по длине цилиндра, за исключением концевых, прогибаются относительно середины (хотя и незна- чительно) в сторону, противоположную направлению действия равномерно распределенной нагрузки. При этом максимальная величина прогиба будет в сечении, отстоящем от середины на расстоянии (0,15—0,2)6. При I = 1,26 и а = 0,41 максимальный прогиб будет соответствовать х = 0,26 и составит: ’ f _ 0,29?64 7 384Г2Л ’ Прогиб от поперечных сил. Предположим, что цилиндр вала закреплен посередине только в одном сечении и жесткость поперечных сечений цилиндра постоянна по всей его длине. Примем, что валом, закрепленным посередине, является верхний вал пресса. Согласно уравнению (1.5.29) GF^- = QQ dx В соответствии с характером нагрузки (см. рис. 1.5.14, а) Тогда GF^ = 0Qx=e^|-xy (1.5.43) Проинтегрировав уравнение (1.5.43) и учитывая, что при а (см. рис. 1.5.14) постоянные интегрирования равны нулю, получим следующее уравнение про- ГИ^Лв- При х = - максимальный прогиб 103
f - 9gz>2 n 8GF ’ что совпадает с прогибом вала обычной конструкции. „ п 10 При 0 = — 5 qb2 36~GF' (1.5.44) Теперь учтем, что фактически цилиндр закреплен на сердечнике на участ- ке длиной с и что суммарная жесткость поперечных сечений GXFX на участке закрепления больше жесткости <?2Г2 на остальной части цилиндра. При опреде- лении прогиба от поперечной силы будем иметь в виду, что сосредоточенная qb сила —, расположенная от середины на расстояние —, передается только 2 первому участку длиной с и жесткостью GXFX. На первом участке в сечении с координатой xt Qx На этом участке дифференциальное уравнение изогнутой оси имеет вид = =-0^,. иХ} (1.5.45) На втором участке в сечении с координатой х2 с 0<Х!<^ л Sb ) Qx2 = ? 7 - Х2 На этом участке дифференциальное уравнение изогнутой оси имеет вид (1.5.46) После интегрирования уравнений (1.5.45) и (1.5.46) и определения посто- янных интегрирования окончательно получим следующие уравнения прогибов: на первом участке 104
9g^i2 ™XFX ; на втором участке Уг = &х2 - 4х2 + (1 - а)с2 - 2Ьс]. оО’2-<У2 J При х = , приняв 0 = (для круглого сечения), найдем максимальный прогиб: 36 g2f2 + а^2 ~ 26с1’ (1.5.47) Учитывая действие только поперечной силы, сопоставим максимальный прогиб /п, цилиндра при длине закрепления с и разной жесткости поперечных сечений цилиндра с максимальным прогибом fn цилиндра, закрепленного в одном сечении. Соотношение этих прогибов обозначим Р,: Отсюда f =в1/=А^-р1. (1.5.48) Л, Pl/п 36 GF Pl На основании уравнений (1.5.47) и (1.5.48) р - + (1 ~ ai )g2 ~ _ 1 _ ~ (1 ~ а1)с (1.5.49) Как следует из уравнения (1.5.49), влияние величины cq при прочих одина- ковых условиях незначительно. При уменьшении cq величина прогиба немного возрастает. Так, при неизменном значении с = 0,16, но при разных значениях cq величина Pj будет такой: а, 0,900 0,500 0,300 0,100 Р, 0,801 0,805 0,807 0,809 Более значительное влияние, чем cq , на величину прогиба оказывает про- тяженность с участка закрепления: чем она больше, тем меньше прогиб цилин- дра от действия поперечных сил. При изменении протяженности с участка за- крепления и при прочих неизменных условиях возможно такое частное значение Длины участка, при котором прогиб будет иметь обратный знак (величина р| 105
отрицательна). Например, при а, = 0,5 = const получим следующие значения Pi в зависимости от длины: с 0,100 0,20 0,300 0,500 0,60 0,700 р 0,805 0,62 0,445 0,125 -0,02 -0,155 Поскольку величина Pi может быть как положительной, так и отрицатель- ной должно быть и такое сочетание значений eq и с, при котором Pi = 0 (концы цилиндра под действием поперечных сил не прогибаются относитель- но его середины). Из уравнения (1.5.49) следует, что Р! = 0, если (1 — oq)c2 = 2Ьс — Ь2. Поскольку с = mb, то (1 — а, )т2 = 2т — 1. Рис. 1.5.16. Схема прогиба валов, закрепленных посередине, от действия поперечной силы: ось а — прогиб вала направлен в сторону равномерно распределенной нагрузки (Р > 0); ось б — прогиб противоположен направлению равномерно распределенной нагрузки (Р < 0); ось в — концы цилиндра относительно его середины не прогибаются (Р = 0) Из уравнения (1.5.49) следует, что при с < 0,5b oq должна быть больше единицы, однако конструктивно cq меньше единицы, следовательно, pt может быть равно нулю только при с > 0,5b. Так, ₽] = 0, если с = = 0,55Z> и а! = 0,67. Поскольку с учетом действия только.из- гибающего момента р = 0 при с = (0,17— 0,3)£, невозможно создать такую конструк- цию вала, в которой Р и Р, одновременно равны нулю (когда под действием изгибаю- щего момента и поперечной силы концы ци- линдра не прогибаются относительно сере- дины). Из уравнения (1.5.49) следует, что при прогибе цилиндра от поперечных сил, как и от изгибающих моментов, существуют три варианта: р( > 0; < 0 и = 0. При Pi > 0 (рис. 1.5.16, ось а) направле- ние прогиба концов цилиндра совпадает с на- правлением действия равномерно распреде- ленной нагрузки. Такому направлению прогиба соответствует с < 0,5b при любом зна- чении oq. При ₽1 < 0 (см. рис. 1.5.16, ось б) направ- ление прогиба концов цилиндра относитель- но его середины противоположно направле- нию равномерно распределенной нагрузки. Такому направлению прогиба соответствует с > 0,6b при <Х| > 0,5. 106
При Pi = 0 (см. рис. 1.5.16, ось в) концы цилиндра не прогибаются относи- тельно его середины. Такому направлению прогиба соответствует с > 0,5b. Из отношения прогибов в отдельных сечениях к максимальной величине прогиба (уравнение (1.5.49)) получим, что при р, > 0 изогнутая ось, как и для прогиба от изгибающего момента, имеет точку перегиба, расположенную в сечении, отстоящем от середины вала на расстоянии примерно (0,05—0,08)6. Следует отметить, что отношения прогибов при действии поперечной силы в отдельных сечениях вала к максимальной величине прогиба резко отличаются от указанного отношения прогибов при действии изгибающего момента. Про- гиб от изгибающего момента в отдельных сечениях относительно середины вала возрастает вначале медленно, а затем быстрее. При этом уравнение изогнутой оси близко к уравнению окружности. Прогиб от поперечной силы в отдельных сечениях относительно середины вала возрастает вначале быстро (до сечения с координатой примерно с = 0,3b), а затем намного медленнее. Это следует учи- тывать при определении общего прогиба в каждом сечении от изгибающего момента и поперечной силы. При 31 < 0 изогнутая ось не имеет точки перегиба и цилиндр прогибается так же, как вал обычной конструкции. Максимальный прогиб имеет место в сечении, расположенном на расстоянии 0,3/> от середины вала. Наконец, при 31 = 0 общий характер прогиба вала такой же, как и при 3=0 (под действием изгибающего момента), но максимальный прогиб будет в с = 0,6£ и а, = 0,445). Для того чтобы оценить значение прогибов от поперечной силы по сравне- « Л А нию с прогибом от изгибающего момента, определим отношение f по урав- нениям (1.5.39) и (1.5.47). Примем Е = 2,2 Gn учтем, что для пустотелого вала Z = -£-(Z)4-d4) и F = y(D2-d2). 64 4 Тогда -А. = Qb4 о . р _ 4 128Е/ ’ 36GF .___________й____________. . -----= 0,41- 12S2,2l(D2+rf!)(D’-rf2) {D + )₽‘ 4 4 Аналогично для сплошных валов 107
л а 0,41 b2 р D2 Pi Для обычных конструкций (с = 0,1 £ и а = 0,5) Р ~ 0,5р(. Тогда для пустоте- лых валов f± = Q,2-^2 , n, D2+d2 а для сплошных валов Из сопоставления уравнений (1.5.39) и (1.5.47) для валов, закрепленных посередине, с аналогичными уравнениями (1.5.25) и (1.5.30) для валов обыч- ной конструкции следует, что для валов первого типа отношение прогиба от поперечных сил к прогибу от изгибающего момента увеличивается примерно в пять раз. Это связано с тем, что при одной и той же жесткости прогиб от изгибающего момента вала, закрепленного посередине, намного меньше (при- мерно в шесть раз) прогиба вала обычной конструкции. При одной и той же жесткости прогибы от поперечной силы вала, закрепленного посередине (при с = Q,lb и а = 0,5), лишь на 20 % меньше прогиба вала обычной конструкции. Поэтому для валов, закрепленных посередине, прогиб от поперечной силы следует учитывать и при более длинных валах. С учетом изгибающего момента и поперечной силы максимальный прогиб цилиндра вала, закрепленного посередине: f = f . f _ ЯЬ4 о . 5 qb2 о /о Л Л, 128£7₽ +36 GF₽1’ 1.5.5. Критическая угловая скорость валов Угловая скорость, соответствующая резонансу, называется критической уг- ловой скоростью. Для валов бумаго- и картоноделательных машин наиболее опас- ны продольные колебания, происходящие вследствие изгиба вращающегося вала. В связи с возросшими скоростями и шириной бумаго- и картоноделатель- ных машин при конструировании и расчете валов их продольным колебаниям уделяют особое внимание. Примем критическую угловую скорость продольных колебаний (1.5.50) 108
где g — ускорение силы тяжести, см/с2; fa — общий прогиб вала (включая про- гиб цапф под влиянием собственного веса вала), см. Считая жесткость цапф постоянной, можно установить, что с учетом раз- ной жесткости сечений рабочей части вала и цапфы, общий прогиб вала под действием его веса /ст = t3 - 4А2/ + 8/3 + 8(/3 - 3l2b - 3lb2 - b3)(a -1)], (1.5.51) EI где Gn — вес вала, кг; а = -=-f-коэффициент приведения жесткости, рав- £]/| ный отношению жесткости сечений рабочей части вала EI к жесткости сече- ний цапф 1-Ь Введя обозначение а = , упростим уравнение (1.5.51): /ст = ^77 ’ 4*2/ + 8/3 + 64fl3(a ’ Из формулы (1.5.50) следует, что критическую угловую скорость можно увеличивать только за счет уменьшения прогиба f„. Во избежание резонанса максимальная угловая рабочая скорость валов бу- маго- и картоноделательных машин не должна превышать критическую ско- рость более чем на 60—80 %: “раб < (0,6 - 0,8)шкр. Если максимальная рабочая скорость превышает указанные пределы, то необходимо уменьшить прогиб вала, увеличив его жесткость. Критическую скорость прежде всего следует рассчитывать для трубчатых валов малого диаметра (бумаго-, сетко- и сукноведущих), так как они имеют большую рабочую угловую скорость. 1.5.6. Подшипниковые опоры валов На всех современных бумаго- и картоноделательных машинах устанавлива- ют подшипники качения, учитывая следующие их преимущества: небольшой расход потребляемой мощности; невысокая кратность пускового момента (вви- ду постоянного значения коэффициентов трения пуска и движения); неболь- шое натяжение сетки (сукна) за счет снижения мощности, расходуемой на преодоление трения в подшипниках; небольшой расход смазочных материалов. Поскольку расстояние между опорами валов машины большое, применя- ют самоустанавливающиеся радиальные сферические двухрядные подшипни- ки, менее других чувствительные к возможным перекосам. Подшипники устанавливают так, чтобы одна опора была фиксирующей, а ругая — плавающей. Для этого подшипник с лицевой стороны машины в осе- 109
вом направлении не закрепляют, благодаря чему он может перемещаться при температурных деформациях вала. Внутреннее кольцо подшипника без закрепи- тельной втулки насаживают на вал по напряженной посадке и дополнительно закрепляют при помощи гаек (см. рис. 1.5.1) или торцевых шайб (см. рис. 1.5.5). Подшипники большого диаметра (прессовых, каландровых валов и сушильных цилиндров) обычно устанавливают на буксовых втулках. Обработка цапфы для буксовой втулки усложняется по сравнению с обработкой гладкой цапфы для закрепительной втулки, но зато облегчается съем подшипников. Буксовая втулка выпрессовывается при помощи гайки, навинчиваемой на втулку. Радиальные подшипники рассчитывают, исходя из их долговечности, по формуле стандарта на подшипники с = (R + mA)kakKkT(nh)0,3, где с _ коэффициент работоспособности; R — радиальная нагрузка, кгс; А — осевая нагрузка, кгс; т — коэффициент приведения осевой нагрузки в ради- альную (выбирается по соответствующим таблицам стандарта в зависимости от типа подшипника); кл — динамический коэффициент, зависящий от характера нагрузки и условий работы (для большинства валов бумаго- и картоноделатель- ных машин ка = 1,0-1,1 (статическая нагрузка); для нижнего вала каландра ка= = 1,3-1,5 (ударная нагрузка)); кК— коэффициент, учитывающий зависимость долговечности от вращения внутреннего или наружного кольца (при вращении внутреннего кольца кк = 1, при вращении наружного кольца кК выбирается по таблицам в зависимости от типа подшипника); кт — коэффициент, учитываю- щий влияние на долговечность температурного режима работы подшипника (для всех подшипников бумаго- и картоноделательных машин, за исключением подшипников сушильных цилиндров, каландров и суперкаландров, кТ = 1, так как температура подшипников не превышает 80 °C; для подшипников сушиль- ных цилиндров, каландров и суперкаландров £т =1,1—1,15); h — долговечность подшипника, ч (обычно принимаемое наименьшее значение h = 16000 ч, что соответствует двухлетнему сроку службы подшипников при непрерывной рабо- те; учитывая непрерывную работу бумагоделательных машин, целесообразно принимать h = 40000—50000 ч); п — число оборотов вала в минуту. При наличии механизма тряски подшипники грудного и сетковедущих ва- лов, кроме радиальной, испытывают еще и осевую нагрузку, максимальное значение которой рассчитывают так: п 2 Go (ллЧ|2 Рдин = теш = — , кгс, где т = —_ масса сотрясаемого вала; Gn — вес сотрясаемого вала; g — уско- О рение силы тяжести: е — амплитуда колебаний; со = — угловая скорость ко- лебаний; п — число колебаний в минуту. НО
Если амплитуда е колебаний принята в сантиметрах, то р =^~ = G°n2 дан 981 \ 30 J “ 90000 ’ кгс‘ Расчет подшипника на долговечность производится по средней нагрузке и средней скорости. Большое влияние на долговечность подшипника оказывает правильный выбор смазки и величины допусков на монтаж в зависимости от условий работы (температуры, влажности, характера нагрузки), а также герме- тичность его корпуса. Для сохранения герметичности корпусов подшипников, устанавливаемых в мокрой части бумагоделательной машины, применяется ла- биринтовое уплотнение (см. рис. 1.5.2), в подшипниках сушильной и отделочной частей — манжетное (см. рис. 1.5.3) или войлочное (см. рис. 1.5.1) уплотнение. Подшипниковые опоры являются наиболее ответственными и по существу наиболее изнашивающимися узлами бумагоделательных машин. Практика показала, что применение подшипников качения позволяет уменьшить расход электроэнергии в среднем на 20 %, а смазочных материа- лов — почти на 50 % (по сравнению с подшипниками скольжения). Подшипники с наименьшим коэффициентом трения наиболее рациональ- но устанавливать в опорах грудных, сетко- и сукноведущих валиков (прессовой и сушильной частей), являющихся неприводными и вращающихся лишь за счет трения о сетку или сукно. При этом уменьшается износ сеток и сукон. На грудных валах бумагоделательных машин при тряске сеточного стола, помимо роликовых радиальных сферических подшипников, рекомендуется до- полнительно устанавливать два шариковых упорных, так как при работе ма- шины на валы действуют непрерывные двусторонние осевые нагрузки. При отсутствии упорных подшипников конструкции опор валов оказываются не- долговечными. В опорах грудных валов, сетко-, сукно- и бумаговедущих валиков под- шипники лучше устанавливать непосредственно на цапфе, а не на закрепи- тельных или буксовых втулках, при этом уменьшается габарит корпусов под- шипников. В подшипниковых опорах прессовых валов широких и высокоскоростных машин с большими расчетными нагрузками на закрепительных или буксовых втулках целесообразно применять роликовые сферические подшипники. Подшипники валов бумаго- и картоноделательных машин осматривают один-два раза в год, при этом отработанное масло выпускают, подшипник промывают керосином и заполняют свежим маслом. Для подшипников, испы- тывающих значительную нагрузку (прессовых, каландровых валов и сушильных Цилиндров), применяется циркуляционная смазка. 1.5.7. Уравновешивание валов бумагоделательных машин Валы бумаго- и картоноделательных машин должны быть уравновешены на специальных балансировочных станках с максимально возможной точностью, ибрации валов, обусловленные вращением неуравновешенных масс, распро- 111 I
страняются по всей бумагоделательной машине. При этом особенно резко ухуд- шаются качество отлива и формования бумажного полотна, каландрирование, работа электропривода всей машины. Любое смещение центра тяжести вращающейся массы т на расстояние р от оси вращения приводит к возникновению неуравновешенной центробежной силы: г, 2 ^0 2 Рдин = «ра/ =-^-pw , О где G — вес; g — ускорение силы тяжести; о — угловая скорость вращения. Под действием центробежных сил в теле возникают растягивающие напря- жения которые возрастают пропорционально квадрату скорости вращения. При вращении неуравновешенного тела центробежные силы инерции, дей- ствуя на опоры валов, создают дополнительные переменные давления на под- шипниковые опоры, что приводит к выдавливанию смазки, ускорению износа подшипников и вызывает ударные нагрузки и вибрацию. Неуравновешенность деталей машин может быть вызвана неравномерным распределением материала в объеме детали (газовые и шлаковые раковины, неоднородность структуры материала), разностенностью трубчатых валов, не- правильной посадкой вращающихся частей на вал, погнутостью валов, образо- ванием чрезмерно больших зазоров в подшипниках и т. д. Неуравновешенность валов и механизмов устраняют при изготовлении их в механических цехах или при сборке валов — с помощью операции балансировки. Различают два вида неуравновешенности: статическую и динамическую. Первая обусловлена только центробежной силой при смещении центра тяжес- ти от оси вращения. Эта неуравновешенность проявляется в деталях типа диска (в маховиках, шкивах, шестернях и т. п.). Динамическая неуравновешенность вызывается парой сил и может иметь место в деталях, длина которых значи- тельно превосходит диаметр. Для неуравновешенного тела типа диска величина дополнительной нагруз- ки на подшипники под действием центробежной силы ^дин = ^нРн® = -^"Рн® ’ ИЛИ Рдин = /песо2 = есо2, (1.5.52) g где тн, GH — соответственно масса и вес неуравновешенной части диска; т, Go — соответственно масса и вес диска; е, рн — расстояние от оси вращения до Центров тяжести соответственно диска и его неуравновешенной части; со — уг- ловая скорость вращения диска. Статическое уравновешивание. Вредное влияние неуравновешенных масс в телах типа диска устраняют путем статического уравновешивания. 112
Для статического уравновешивания тела с неуравновешенной массой т„, центр тяжести которой смещен от оси вращения на расстояние рн, можно уда- лить эту массу, что, однако, делается редко. Обычно для уравновешивания до- бавляют массу ту, расположив центр ее тяжести на расстоянии ру от оси враще- ния в направлении, противоположном местоположению массы т„. При этом должно быть соблюдено условие OThPk = туРУ или (с учетом того, что масса т пропорциональна весу (7С) СнРн = ЧРу- Для статической уравновешенности характерно безразличное равновесие тела на опорах с незначительным моментом трения. Статически неуравнове- шенное тело будет находиться в состоянии устойчивого равновесия лишь в том случае, когда центр тяжести тела, смещенный относительно оси вращения, займет крайнее нижнее положение. Различают статическое уравновешивание полное и до определенной степе- ни точности. При полном статическом уравновешивании неуравновешенный момент Мн меньше, а в пределе равен моменту трения Mw на опорах, где производится уравновешивание: М = G р < М . н н^н тр При уравновешивании до определенной степени точности задается вели- чина момента, при которой возможно повернуть (вывести из состояния покоя) неуравновешенное тело, если его центр тяжести занимает крайнее нижнее по- ложение. При этом следует учитывать, что истинная статическая неуравнове- шенность будет меньше момента, выводящего неуравновешенное тело из со- стояния покоя, так как такой момент должен преодолеть еще и момент трения опор, на которых уравновешивается тело. Обычно статическое уравновешивание тела производится на призмах, ро- ликах или подшипниках. Минимальный неуравновешенный момент, который может быть обнаружен при статическом уравновешизании, зависит от момента трения па призмах или в подшипниках. При уравновешивании на призмах тела весом Ga неуравновешенный момент Мн = Goe > M„ = Gok, где е — эксцентриситет; к — коэффициент трения качения между призмами и Цапфой. Следовательно, е>к. (1.5.53) Для закаленных призм и цапф к = 0,001—0,005 см. При уравновешивании на подшипниках момент трения на опорах где/— коэффициент трения в подшипниках; d— диаметр цапфы. 113
Тогда, аналогично (1.5.53), при уравновешивании на подшипниках d 2 ’ Рис. 1.5.17. Схема динамического уравновешивания Для подшипников качения /= 0,001—0,004, поэтому при диамет- рах цапф более 10 мм уравновешива- ние на призмах может быть произве- дено с большей точностью. Динамическое уравновешивание. Поскольку длина валов бумагодела- тельных машин значительно превы- шает их диаметр, то возникает необ- ходимость в динамическом уравно- вешивании. Предположим, что вал (рис. 1.5.17) статически неуравнове- шен. Неуравновешенная масса т„ рас- положена в сечении I— I на расстоя- нии рн от оси вращения. Если уравновешивающую массу ту размес- тить также в сечении I— I на расстоянии ру от оси вращения и выполнить усло- вие /п„рн = /Иуру, то вал будет статически уравновешен. Если уравновешиваю- щую массу mv расположить в каком-либо другом сечении по длине вала (например, в сечении II—П) на расстоянии ру от оси вращения, вал будет статически уравновешен, т. е. центр его тяжести будет лежать на оси вращения. Однако при вращении вала с угловой скоростью со в сечениях I— I и II—II возникнут две равные между собой центробежные силы инерции: Рн - Ру — /инрнш . При расстоянии а между сечениями I— I и II—II эти центробежные силы инерции создадут момент Ч = Рка = «нРн“2а- От момента Мн на опорах вала, отстоящих друг от друга на расстоянии I, возникает динамическая нагрузка р _ М„ /инрно)2а / I Условие динамической уравновешенности вала заключается в равенстве нулю суммы моментов от центробежных сил ^Р/Д/ = о). Для динамического уравновешивания необходимо добавить к валу две мас- сы т3 и /и4, расположив их в сечениях III—III и IV— IV соответственно на рас- 114
стояниях рз и р4 от оси вращения, так чтобы не нарушить статическое уравнове- шивание, т. е. соблюдая условие т3р3 = т4р4. В связи с добавлением масс т3 и т4 в сечениях III—Ши IV—IV, отстоящих друг от друга на расстоянии с, возникнут центробежные силы инерции Р3 = Р4 = zn3p3«>2 = /и4р4<о2. Эти силы создадут мо- мент Му = Р3С = т3р3(о2с. Для динамического уравновешивания вала уравнове- шивающий момент Му должен быть численно равен неуравновешенному мо- менту Мн и противоположно ему направлен. Наиболее часто встречающийся случай — так называемая общая неуравно- вешенность валов (одновременно статическая и динамическая неуравновешен- ность). При этом сумма статических моментов массы, как и сумма моментов от центробежных сил инерции, не равна нулю ^^Л1,р, * 0 и ^/и,р,а, * о). Уравновешивание тел с общей неуравновешенностью основано на том, что любая пространственная система сил может быть приведена к паре сил и к одной сосредоточенной силе, а, в свою очередь, пара сил и сосредоточенная силу — к двум силам (“кресту сил”), расположенным в заранее заданных плос- костях, называемых плоскостями приведения. Следует отметить, что динамически уравновешенный вал будет уравнове- шен и статически, поэтому обычно под термином “динамическое уравновеши- вание” подразумевают общее уравновешивание. При динамическом уравновешивании вала необходимо определить числен- ное значение и угловое расположение уравновешивающих масс в двух заданных плоскостях приведения. Поскольку определить все четыре неизвестные величи- ны одновременно невозможно, то уравновешивание производят поочередно, закрепляя один конец вала шарнирно, а второй — установив на пружинах. Для того чтобы упростить наши рассуждения, уравновешиваемый вал рас- положим вертикально (рис. 1.5.18). При этом собственный вес вала пружины не деформирует. Фактически валы бумагоделательных машин уравновешивают в горизонтальном положении. На рис. 1.5.18, а верхний конец вала (подшипник Л) установлен на пружи- нах, а нижний конец (подшипник В) закреплен шарнирно. Вал приводится во вращение. При этом число оборотов на 10—15 % превышает рабочее число обо- ротов вала, соответствующее максимальной скорости машины. Привод вала расположен со стороны подшипника, закрепленного шарнирно. При вращении неуравновешенный вал вибрирует относительно подшип- ника В, закрепленного шарнирно. Наибольшая величина колебаний будет у подшипника А, установленного на пружинах. В плоскости приведения /—/(вбли- зи подшипника А) располагают уравновешивающую массу, вызывающую та- кую силу R, при которой колебание вала прекратится. При этом неуравновешен- ная сила Q может быть расположена только в сечении, где установлен подшипник В. В любим другом сечении неуравновешенная сила Q вызвала бы момент относительно опоры В, что обнаружится по перемещению подшипника А* Установленного на пружинах. При повторном уравновешивании (см. рис. 1.5.1% подшипник А закрсп- Ляют шарнирно, а подшипник В устанавливают на пружинах. При вращении вала неуравновешенная сила Q вызывает колебания рала относительно под- 115
Рис. 1.5.18. Этапы динамического уравновешивания: а — начальное уравновешивание; б — повторное уравновешивание; в — два последовательных уравновешивания шипника А, закрепленного шарнирно. Максимальное колебание будет у под- шипника В. Если в сечении, где расположен подшипник В, приложить урав- новешивающую массу, которая вызовет появление силы S, численно равной силе Q и противоположно ей направленной, то вал будет уравновешен. Однако по конструктивным соображениям уравновешивающая масса может быть при- ложена только в плоскости приведения И—II, расположенной на расстоянии (а + Ь) от опоры А. На основании равенства моментов относительно подшипника А QI = 5(о + Ь). Отсюда S-V a + b Поскольку расстояние I превосходит величину {а + Ь), то сила 5 больше силы Q. Поэтому в сечении, где расположен подшипник А, появится неуравно- вешенная сила: N = S-Q = . [a + b J Но так как (а + Ь) лишь ненамного меньше I, то сила N значительно меньше силы Q. Так, если а + b = 0,9/, сила 0,10 и ею пренебрегают. При трехкратном последовательном уравновешивании с изменением по- ложения подшипников неуравновешенность вала становится незначительной. Применяется также метод, в котором предусматриваются только два пос- ледовательных уравновешивания (рис. 1.5.18, в). При повторной балансировке 116
уравновешивающие массы (силы) располагают в двух плоскостях: в плоскости /_I— силу St, а в плоскости II— II — силу 52. Значения этих сил определяются согласно следующим условиям: 1) разность сил S2 и S, должна быть численно равна силе Q. S2~ S’, = Q; 2) сумма моментов сил Q, Sx и S2 относительно подшипника А равна нулю: Q/ + 51a-52(« + *) = 0. Решая совместно эти уравнения и учитывая, что I— а - а + Ь, получим Sl.Qi и5г = ец±«. о Ь Допуски на уравновешенность валов. Научно обоснованные допуски на урав- новешивание валов еще не разработаны. Примем динамическую нагрузку Рдин, обусловленную неуравновешенностью вала, которая не превышает какой-то части а от статической нагрузки, создаваемой собственным весом вала: Р„ин - а£ст- ДИп VI Имеющиеся данные о значениях а в зависимости от назначения и условий работы отдельных валов бумагоделательных машин нуждаются в дальнейшем уточнении. На основании работ, проведенных ЦНИИбуммашем совместно с Ленинградским политехническим институтом имени М.И. Калинина (ныне СПбГПУ), а = 0,03—0,05, причем меньшее значение обычно относится к валам большего диаметра с меньшей угловой скоростью. В статически неуравновешенном вале согласно уравнению (1.5.52) динами- ческая нагрузка Р = теш2 = — еш2. g Статическая нагрузка на обе опоры равна собственному весу вала. Тогда Лин - “Со или —— ею2 < aG0. Отсюда допустимый эксцентриситет е < . g ш Для расчета валов бумагоделательных машин удобнее пользоваться не угло- вой, а окружной скоростью: и = , где D — наружный диаметр вала. Тогда 4о2 Допустимый неуравновешенный момент М.оп = Goe, а с учетом эксцентри- ситета е 1¥1доп — .о 4v 117
Неуравновешенность валов бумагоделательных машин, обусловленная раз- ностенностыо вала. Неуравновешенность трубчатых и литых пустотелых валов бумагоделательных машин обычно является следствием эксцентричности вза- имного расположения внутренней и наружной поверхностей вала. Эксцентрич- ность в значительной мере обусловлена тем, что внутренняя поверхность валов не обрабатывается. Рассмотрим статически неуравновешенный вал (рис. 1.5.19, а). Диаметры вала: „ n D + d В — наружный, d — внутренний и Др = —-— — средний. Толщина стенки ра- бочей части: Зтах — максимальная, 8min — минимальная и 5ср = §тах *8|П|П __ средняя. Разностенность вала постоянна по всей длине b его рабочей части. Без учета веса патронов и цапф вес рабочей части вала (цилиндра) Go = ^D2-d2)by = l(D + d)(D-d)by = itDCf>8cpy, (1.5.54) где у _ объемный вес материала цилиндра; D — d= 25ср — двойная средняя толщина стенки. Вес неуравновешенной части цилиндра, поперечное сечение которой на рис. 1.5.19, а заштриховано, таков: GH = |(Д2 - d2)by = | (Д + </)(Д - d)by. В тонкостенных валах диаметр Д окружности, концентричной наружной окружности, при толщине стенки цилиндра 5mjn от диаметра D отличается не- значительно, поэтому можно считать, что Д + d = 2ДР. Обозначим разность между максимальной и минимальной толщиной цилиндра а0 и назовем ее об- щей разностенностью: fl0 = 5.nax-5nun =Di~d. С учетом того, что Д + d= 2 Др и Д — d = ati, вес неуравновешенной части вала Сн =уДр«о^У. Введем понятие коэффициента разностенности: £ _ $max ~ $min _ а0 8Ср Зср Тогда (1.5.55) 118
Рис. 1.5.19. Неуравновешенность валов, обусловленная их разностенностыо а — статическая неуравновешенность (на правой проекции заштрихована статически неуравновешенная масса); б — динамическая неуравновешенность (на левой проекции сетчатой штриховкой показана неуравновешенная масса); в — общий случай неуравновешенности (сетчатой штриховкой показана статически неуравновешенная масса, а черным цветом — динамически неуравновешенная масса) 119
Для определения координаты у центра тяжести неуравновешенной части вала относительно оси I— I, проходящей через центр окружностей D и Dt, вос- пользуемся выражением статического момента площади фигуры, представляю- щей собой разность площадей двух окружностей: Ft соответствует диаметру Д и рг — диаметру d. Ордината площади окружности диаметром Д равна нулю, поскольку ось I—I проходит через центр этой окружности. Центр окружности диаметром d расположен на оси II—II, отстоящей на расстоянии у от оси I— I. Тогда ордината nDj Q nd2 ( aQ 'I у Г,у,-Г2у2 4 4 2 ) ^-^2 E(^-d2) d2a0 d2a0 _ " 2 _ 2 ~^~R. +d)(Di -d)~ 2Dcpa0 " 4 " 4 ’ Центробежная сила неуравновешенной части вала Рдин = /пнрн<о2. На осно- вании уравнения (1.5.55) Учитывая, что получим 2 ^>лин = 2g ^ср^ср^ Т "Б"] = Согласно уравнению (1.5.54) воспринимаемая обеими опорами статиче- ская нагрузка (вес вала) = Go = пПсрБсрЬу. Отношение динамической нагрузки к статической назовем коэффициен- том динамичности а: г* — ^дин / 2 . жч е г Al) Al) = <1.5.56) Из уравнения (1.5.56) при прочих заданных величинах можно определить коэффициент разностенности, при котором для вала диаметром D и при ско- рости ц отношение динамической нагрузки к статической будет равно а: 120
(1.5.57) _ 2agD v2 Представляет интерес и предельная скорость при заданных величинах D, к и а: о = 2agZ> к (1.5.58) Рассмотрим динамическую неуравновешенность вала (рис. 1.5.19, б), так- же обусловленную разностенностью. Однако в данном случае разностенность такова, что продольные оси симметрии I— I и II—II наружной и внутренней поверхностей трубы не параллельны и пересекаются по середине рабочей части вала. При статической неуравновешенности вала (см. рис. 1.5.19, а) образую- щие наружной и внутренней поверхностей параллельны, и разностенность во всех сечениях одинакова. При динамической неуравновешенности (см. рис. 1.5.19, б) разностенность в различных сечениях по длине цилиндра неоди- накова: она достигает максимума в концевых его сечениях и равна нулю в сред- нем сечении. По обе стороны от среднего сечения неуравновешенная масса, а следовательно, и инерционные силы распределены по закону треугольника. Равнодействующие этих инерционных сил приложены в центре тяжести каж- b - -г « дого треугольника, т. е. на расстоянии от концевых сечении. Таким образом, равнодействующие инерционных сил, отстоящие друг от друга на расстоянии J Ъ и направленные во взаимно противоположные стороны, создают момент, обусловливающий динамическую нагрузку на опоры вала. В связи с тем что разностенность в различных сечениях цилиндра, перпен- дикулярных продольной оси вала, неодинакова (она достигает максимума в концевых сечениях рабочей части вала и равна нулю в среднем сечении), коор- динаты центра тяжести неуравновешенной части вала также неодинаковы. Они D равны — в концевых сечениях и изменяются по длине вала по закону треуголь- ника, а по середине вала, где разностенность равна нулю, эта координата име- ет нулевое значение. Среднее значение координаты центра тяжести каждой по- ловины неуравновешенной части 7 + 0 D *=р"= 2 “У (1.5.59) На основании уравнения (1.5.55) вес половины неуравновешенной части Цилиндра (справа и слева от его среднего сечения) 121
GH=^ = ^Dcvk&c^. (1.5.60) Инерционные силы неуравновешенной части каждой половины вала та- ковы: ^дин = «нРн“ = ~ Рнм • g Учитывая уравнения (1.5.59) и (1.5.60) и выражая угловую скорость со че- рез линейную о, получим Равнодействующие неуравновешенных центробежных сил, распределенных 2, т по закону треугольника, отстоят друг от друга на расстоянии — о. Тогда момент от этих сил имеет вид Мн = Рдин = -^-к8 Ь2^2. (1.5.61) 5 12g От этого момента на каждую из опор вала, отстоящих друг от друга на расстоянии I, действует динамическая нагрузка : _МЦ л *М2уи2 лхл — пр — ------ — ---------—--- Лойн "дин I 12g / При I = b л£6ср6уи2 лъд ~ . дии 12я Статическая нагрузка на каждую опору вала, равная половине его веса, составит: При этом отношение динамической нагрузки к статической имеет вид „ _ ЛАкк лЛ8срАуц2 . п п _ , кх>2 _ к»2 ТС------i^-'2D'’5»iY-6j«-=6jo- (1.5.62) 122
Отсюда к = 6ggZ> и l6agD V к (1.5.63) (1.5.64) Из сопоставления уравнений (1.5.63) и (1.5.64) с аналогичными уравнениями (1.5.57) и (1.5.58) следует, что при динамической неуравновешенности, вызван- ной такой же максимальной разностенностью, что и статическая, динамическая нагрузка на опоры в три раза меньше, чем при статической неуравновешенности. При одном и том же значении а в условиях динамической неуравновешенности может быть в три раза выше и коэффициент разностенности. При динамической неуравновешенности и при прочих равных условиях предельная скорость будет в 7з = 1,73 раза выше, чем при статической неуравновешенности. Рассмотрим пример одновременной статической и динамической неурав- новешенности (рис. 1.5.19, в). Наиболее неблагоприятной является такая общая неуравновешенность, при которой равнодействующие сил статической и ди- намической неуравновешенности совпадают по направлению. В рассматриваемом случае разностенность а0 = опих - 8min можно представить в виде двух слагаемых, каждое из которых соответственно обусловливает стати- ческую и динамическую неуравновешенность. Назвав т и п коэффициентами, характеризующими каждое из этих слагаемых, получим а0 = та[} + па0. Очевид- но, что т + п = 1. Используя принцип независимости действия сил, можно получить уравне- ние для определения отношения динамической нагрузки к статической: а = RA .1ИН кх>2 2gD (1.5.65) Уравнение (1.5.65) является общим уравнением для определения отноше- ния динамической нагрузки к статической при статической и динамической неуравновешенности. При т = 1 и п = 0 (статическая неуравновешенность) Уравнение (1.5.65) примет вид уравнения (1.5.56), а при т = 0 и г = 1 (динами- ческая неуравновешенность) — (1.5.62). Динамический прогиб. В отличие от статическо: о прогиба под действием ста- тических сил (собственный вес, усилие прижима, натяжение сукна и т. д.) пр*. - гиб от центробежных неуравновешенных сил назовем динамическим. При вра- щении вала динамический прогиб может быть обнаружен индикатором, показывающим удвоенную величину прогиба; статический прогиб индикатором Не определяется. Динамический прогиб вызывает биение валов, что нарушает нормальную работу бумагоделательной машины, особенно регистровой части, где происходит формование бумажного полотна на регистровых валиках. 123
При уравновешивании валов бумаго- и картоноделательных машин следует уменьшить не только динамические нагрузки на опоры, но и динамический про- гиб валов. Для нормальной работы бумаго- и картоноделательных машин трудно- разрешимая задача уменьшения динамического прогиба более важна, чем умень- шение нагрузки на опоры. Закрепление уравновешивающих грузов на внутренней поверхности в средней части вала конструктивно очень сложно. На грузе нарезают резьбу, и он прикрепляется к внутренней стенке трубы при помощи винтов впо- тай. Иногда грузы закрепляют сваркой: вырезают участок трубы, к внутренней поверхности приваривают груз, затем этот участок устанавливают на место и обва- ривают. Следует учитывать, что при вращении вала сварочные швы испытывают значительные растягивающие н 'ряжения, пропорциональные весу груза и квад- рату угловой скорости. Иногда происходит обрыв прикрепленных уравновешиваю- щих грузов, вследствие чего этот метод не нашел широкого применения. Вопрос аналитического определения предельно допустимых величин дина- мического биения валов требует своего разрешения. Основными факторами, определяющими допустимую амплитуду биения валов, являются вид выраба- тываемой бумаги и критическая скорость валов, понижающаяся при увеличе- нии динамического биения. По литературным данным при уравновешивании валов бумаго- и картоно- делательных машин наряду с динамической нагрузкой на опоры определяется амплитуда биения валов (обычно в трех сечениях: по концам и по середине рабочей части). Однако данных о числовых значениях принятых допусков на биение валов (0,08—0,2 мм) недостаточно для их обобщения. Следует заметить, что индикатор, при помощи которого определяется ам- плитуда биения валов, показывает не только собственно динамический про- гиб, но и биение вследствие неконцентричности наружной поверхности рабо- чей части вала и поверхности цапфы. Окончательно эти поверхности обрабатываются на станке одновременно, благодаря чему достигается высокая точность изготовления вала. Поэтому биение, вызванное неконцентричностью, оказывается небольшим и не превышает 0,05 мм. Сравним динамический прогиб под действием центробежных сил со стати- ческим прогибом от собственного веса вала. При статической неуравновешенности, вызванной разностенностью тру- бы, центробежные неуравновешенные силы по длине рабочей части вала рас- пределены равномерно. Можно считать, что по такому же закону распределены и силы собственного веса рабочей части вала. Тогда отношение динамического и статического прогибов равно отношению соответствующих им интенсивнос- тей равномерно распределенных нагрузок: /дин _ <7 ДИН _ ^ДИН fct ?ст ^ст а с учетом уравнения (1.5.56) /дин _ /ст ”2^- (1.5.66) 124
При динамической неуравновешенности, обусловленной разностенностью трубы, неуравновешенный момент Мн определяется уравнением (1.5.61). При действии сосредоточенного момента, приложенного по середине вала (на расстоянии от опор), максимальные прогибы имеют место на расстоя- нии —7= = № от каждой опоры. Эти два максимальных прогиба равны по 2V3 величине и противоположны по знаку: 1 м/ 125 EI ' (1.5.67) Принимая / равным b и учитывая значение М'н по уравнению (1.5.61), по- лучим следующее выражение для прогиба при динамической неуравновешен- ности: . 7г*8сруу2/>4 /дач - 12g125£/ • При I = b статический прогиб вала от собственного веса интенсивностью qc составляет: f 5 ЯСЬ4 _ 5 G0b3 Jci 384 EI 384 EI ’ а с учетом значения GB по уравнению (1.5.54) . _ 5л£>ср8сру6 /сг 384£Z ’ Тогда отношение динамического прогиба к статическому имеет вид /дин _ гс^8Сруи b . 5 ft-Pcp^cpY^ _ Ад>2 68) 12gl25EI ’384 EI S 20gD' ~ Из сопоставления уравнений (1.5.66) и (1.5.68) следует, что при одной и той же разностенности величина прогиба при динамической неуравновешен- ности в 10 раз меньше, чем при статической неуравновешенности. При общей неуравновешенности составляющие /дин и /даН общего ди- намического прогиба, соответственно обусловленные статической и динами- ческой неуравновешенностью, на основании уравнений (1.5.66) и (1.5.68) Равны: Динамическому прогибу от статической неуравновешенности (соответству- ющему разностенности та0): 125
г" _ f hi2 ДИН ~ Jct^ n r? i 2gD ’ динамическому прогибу от динамической неуравновешенности (соответ- ствующему разностенности лд0): дин к\)2 20gD- Рис. 1.5.20. Изогнутые оси валов при патической неуравновешенности (а), при действии неуравновешенного момента (6). при общей неуравновешенности (в) На рис. 1.5.20, а представлена изогну- тая ось вала при равномерно распределен- ной статической неуравновешенности, а на рис. 1.5.20, б — при действии сосредоточен- ного момента, обусловленного динамичес- кой неуравновешенностью, и приложенно- го ио середине пролета. При общей неуравновешенности в сече- нии /—/(рис. 1.5.20, в) по середине пролета прогиб от момента равен нулю (Дин = 0), а прогиб от статической неуравновешенности имеет максимальное значение. Тогда резуль- тирующий лрогиб от обшей неуравновешен- ности ко2 Дл-I “Анн = fei'n 2gD • (1.569) В сечении II—II(см. рис. 1.5.20, в) на рас- стоянии 0,3/ от каждой опоры, где прогибы от статической и динамической неуравнове- шенностей совпадают по направлению, а прогиб от момента имеет максимальное зна- чение, результирующий прогиб от общей не- уравновеше нности /обИ И /дниII-II +/дин • (1.5.70) Как следует из уравнения изогнутой оси применительно к валу, нагружен- ному по всему пролету / равномерно распределенной нагрузкой, в сечении //— '7, отстоящем на расстоянии 0.3/ от опоры, прогиб состаапяет примерно 0,77 от его максималы ого значения по середине вала. То1да при общей неурав- новешенности прогиб в сечении II—II А1.-И -О,77Дт^ + /стл-^ = /О,77/Я + О,1л)/ст^. 0.571) 126
Из уравнений (1.5.70) и (1.5.71) следует, что при статической разностен- ности, большей, чем 0,3 от общей разностенности (т > 0,3), максимальный прогиб, определяемый уравнением (1.5.69), возникает в сечении /—/по сере- дине вала. Если статическая разностенность меньше 0,3 от общей разностенно- сти (т < 0,3), максимальный прогиб, определяемый уравнением (1.5.69), воз- никает в сечении II—II. До сих пор мы рассматривали прогибы неуравновешенных валов. Однако динамические прогибы могут иметь и уравновешенные валы. Это прежде всего объясняется тем, что неуравновешенная масса распределена по всей длине ра- бочей части вала, тогда как сосредоточенные уравновешивающие массы разме- щаются по ее концам. Хотя динамические нагрузки на опоры уравновешенного вала равны нулю, все же неизбежно появление динамического прогиба вслед- ствие различных законов изменения изогнутых осей при совместном действии силовых факторов уравновешиваемой и уравновешивающих масс. В зависимости от характера разностенности существует две причины появ- ления динамического прогиба валов, уравновешенных массами по концам ра- бочей части, когда разностенность обусловливает или статическую, или дина- Рис. 1.5.21. Нагрузка на валы (а) и изогнутая ось вала (6) мическую неуравновешенность. Если разностенность вала определяет статическую неуравновешенность, то в результате статического уравновешивания двумя массами по концам рабочей части вала сумма центробежных сил Рх и Р2 уравновешивающих масс равна цент- робежной силе неуравновешенной массы вала. Если пренебречь разностью сил Рх и Р2, нагрузки вала от сосредоточенных и равномерно распределенных сил сим- метричны относительно середины вала (рис. 1.5.21, а). В связи с этим можно при- нять, что максимальный прогиб от со- средоточенных сил Р, и Р2, как и от равномерно распределенной нагрузки, обусловленной неуравновешенной мас- сой, будет по середине длины вала. Сле- довательно, максимальный прогиб вала от всей системы сил также находится по се- редине вала. При действии сил Р} и Р2 (см. Рис. 1.5.21, б) максимальный прогиб/; по середине вала можно определить, пользу- ясь, например, дифференциальным уравнением изогнутой оси. Примем жест- кость поперечных сечений по длине вала постоянной и пренебрежем незначи- тельным смещением максимального прогиба, вызванного каждой силой, от середины вала. В результате получим _p1 + p2p-df3/2 48 £7 [ 2 J Д 2 J (1.5.72) 127
В этом же сече.*ии (по середине вала) будет и максимальный прогибу от равномерно распределенной нагрузки интенсивностью q„ (по длине b рабочей части вала), вызванной наличием неуравновешенной массы (см. рис. 1.5.21, б). Если считать жесткости рабочей ча„ти вала и цапф одинаковыми, прогиб (на основании аналитических вычислений) Для упрощения последующих сравнений примем I = 1,2Л, что является обычным соотношением в валах широких бумагоделательных машин. Учиты- вав что при статически уравновешенном вале и при I = 1,2b Р, + Р2 = qHb, получим _ 0,428(Р] гР2)63 _ 0,428^нб4 Л " 48£/ 48£/ И 1,26$нб4 48£/ ’ Прогибы от сосредоточенных сил Р, и Р2 и от равномерно распределенной нагрузки интенсивностью qK направлены во взаимно противоположные стороны (см. рис. 1.5.21), в связи с чем результирующий динамический прогиб^ на осно- вании принципа независимости действия сил равен разности прогибови/: f = f _ f _ 1,26?н64 0,428gHf>4 _ qj* /° Л fl 4Ш 48£/ 2 Результирующий прогиб f составляет примерно —f . Ота >да еле чует, что в результате статического уравновешивания вала его динамический прогиб умень- шается на 33 % по сравнению с динамическим прогибом этого же вала в не- уравновешен! ом состоянии. Если вал статически уравновешен суммарной силой Р = Р, + Ръ располо- женной на одном из концов его рабочей части, то, пренебрегая смешением максимального прогиба от середины, последний можно выразить также урав- нением (1.5.72). Поэтому уменьшение динамического прогиба на 33 % справед- ливо и при уравновешивании вала одной силой Р. Предположим, что динамически неуравновешенный разностенный вал (рис. ’.5.22, а) сбалансирован так, что уравновешиваемый и уравновешиваю- щий моменты, равные между собой и противоположно направленные, распо- ложены симметрично относительно середины вала. При этом прогибы в одном и том же сечении, обусловленные каждым из указанных моментов, равны меж- ду собой и противоположно направлены, поэтому суммарные прогибы от обо- их моментов во всех сечениях будут равны нулю. 128
Если один из рассмотренных моментов расположен несимметрично относительно се- редины вала, то прогибы ст каждого из них в одном и том же сечении неодинаковы, что приводит к динамическому прогибу и биению вала. На рис. 1.5.22. б представлена схема вала с приложенными на его пролете двумя рав- ными и противоположно направленными мо- ментами, отс гоящими друг от друга на рас- стоянии с. Один из моментов расположен в поперечном сечении, являющемся плоско- стью симметрии вала. К1К следует из дифференциального урав- нения изогнутой оси применительно к рас- сматриваемой схеме, максимальный прогиб смещен от середины и отстоит от опоры А па расстоянии с(/ - с) +12 Х° -----21----’ При этом максимальная величина прогиба Рис. 1.5.22. Расположение уравновешиваемого и уравновешивающего моментов: а — симметричное; б — несимметричное Частным значениям соответствуют определенные величины /и». Так, на- пример, при с = 0,1/ f =0 0235 М°/_ при с = 0,05/ f =0 0121-^^— J max И T. Д. Сопоставим полученные значения/пахсо значениями максимальных проги- бов по уравнению (1.5.67) для неуравновешенного вала. Для динамически урав- новешенного вала, когда динамические нагрузки на опоры равны нулю, но Уравновешивающий (или неуравновешенный) момент смещен в сторону од- ной из опор на величину с = 0,1/, динамический прогиб будет примерно в три раза больше, чем в динамически неуравновешенном вале. Если с = 0,05/, то динамические прогибы уравновешенного и неуравнове- шенного валов примерно равны между собой. Таким образом, при динамическом уравновешивании величина смещения одного из моментов относительно середины вала оказывает большое влияние 129
на величину максимального прогиба от инерционных сил и, следовательно, на биение вала. Поэтому при динамическом уравновешивании валов следует рас- полагать уравновешивающий момент таким образом, чтобы значение с было минимальным и не превышало (0,02-0,03)/. Небольшой вес трубчатых валов при значительной длине не позволяет ис- пользовать для их уравновешивания балансировочные станки конструкции ЭНИИМС, выпускаемые отечественными станкостроительными заводами. По- этому НИИбуммаш совместно с Ленинградским политехническим институтом разработал конструкции балансировочных станков марки БС-01 для трубчатых валов и марки БС-02 для прессовых валов и сушильных цилиндров. Электриче- ские схемы этих станков позволяют определить величину и угловое расположе- ние уравновешивающих грузов. Станки БС-01 более позднего выпуска снабже- ны устройством для измерения динамического прогиба. 1.5.8. Бомбировка валов Равномерность линейного давления между соприкасающимися валами ока- зывает значительное влияние на качество бумаги, обеспечивая равномерное обезвоживание по ширине бумажного полотна на прессах бумагоделательных машин, а также равномерные уплотнение, гладкость и лоск на каландрах и суперкаландрах. На участке между опорами вал любой конструкции прогибается даже под действием собственного веса, так что образующие цилиндрической поверхно- сти вала, прямолинейные до деформации, становятся вогнутыми в верхней части и выпуклыми в нижней. В связи с этим для равномерности давления меж- ду валами им необходимо придать не цилиндрическую, а выпуклую, а иногда и вогнутую форму; такие валы называют бомбированными. Величина бомбировки к представляет собой разность диаметров вала посе- редине D и по его концам Do (рис 1.5.23, а): k=D-D0. В любом сечении вала, отстоящем на расстоянии х от его середины, вели- чина бомбировки равна разности диаметров посередине D и в рассматриваемом сечении Z)x: кх = D - Dx. Для валов, покрытых мягкой резиной, измерение диаметров затруднено. Обычно измеряют длины окружностей и тогда бомбировку определяют по раз- ности длин окружностей по середине и концам вала. Бомбировка по длине окружности *окР = nD- nD0 = n(D - Do) = nk. Бомбировка прессовых валов. Вначале рассмотрим бомбировку прессовых валов обычной конструкции. Величина бомбировки прессовых валов зависит от того, отсутствует или приложена дополнительная нагрузка на верхний вал. 130
Рис. 1.5.23. Расчетные схемы бомбировки: а — величина бомбировки; б — прогиб валов, когда верхний вал дополнительно не нагружен; в — прогиб валов, когда верхний вал дополнительно нагружен В первом случае, если бомбировка валов пресса обеспечивает равномерное давление по всей длине их рабочей части, ось верхнего вала должна быть прямо- линейной, так как на него действуют равномерно распределенная нагрузка от собственного веса вала и равная ей, но направленная в противоположную сторо- ну равномерно распределенная реакция со стороны нижнего вала. Если оба вала пресса расположены в одной вертикальной плоскости, нижний вал прогнется под действием собственного веса и веса верхнего вала. Согласно уравнению (1.5.25) прогиб рабочей части нижнего вала (при жесткости его поперечных се- чений £н/н) f gHfe3(12Z - 76)* " 384 Учитывая, что равнодействующая распределенной нагрузки qHb численно Равна суммарному весу GH и GB нижнего и верхнего валов, получим * В этом и в последующих выражениях для прогибов учтена только деформаци рабочей части валов от изгибающего момента; для коротких валов следует учесть проги и от поперечных сил. 131
fAG*+G>№ (121-7b) 384£H/H Для того чтобы линейное давление по образующей рабочих частей валов было равномерным, радиус г по середине бомбированного вала (предполо- жим, нижнего) должен быть больше радиуса г0 вала по концам на величину прогиба/, нижнего вала (рис. 1.5.23, 6): г = г„ + f О •'н или соответственно D = Do + 2/. Но D - Do = к. Отсюда * = 2/. Во втором случае необходимое линейное давление между валами прессов обычно создается путем нагружения верхнего из них силой Р дополнительного прижима. Если бомбировка валов пресса обеспечивает одинаковое линейное давление между ними по всей длине рабочей части, то середина верхнего вала относительно его концов прогнется кверху на величину/под действием равно- мерно распределенной нагрузки, обусловленной силой Р. При постоянной жесткости ЕВ1В поперечных сечений прогиб рабочей части верхнего вала составит: Pb2(12l-7b) fv ” 384£в/в ' На нижний вал пресса действует вес нижнего и верхнего валов, а также общее усилие Р дополнительного прижима. Эти силовые факторы вызывают прогиб/, нижнего вала, направленный вниз: (О,4-О,4-Р)6г(12/-7й) 384£_/„ Для того чтобы линейное давление по длине рабочей части прессовых ва- лов (рис. 1.5.23, в) было равномерным, радиус г по середине бомбированного вала (предположим, нижнего) должен быть больше радиуса г0 по его концам на суммарную величину прогибов валов: г = г0 + / +/ или соответственно £> = Z>0+ 2(/н +/). Но D~ Do= к. Отсюда к = 2(4, +/.)• <L574) Зависимость, выраженная уравнением (1.5.74), справедлива как при бом- бировке одного из валов пресса, так и при произвольном распределении вели- чины бомбировки между нижним и верхним валами. Выше рассмотрено расположение валов пресса в одной вертикальной плос- кости. Обычно они располагаются в двух вертикальных плоскостях, смещенный 132
по горизонтали на величину т /_ис. 1.5.24, о), и тогда на основании уравнений (1.5.19) и (1.5.20) cosy и (2ГоР=(^ + Р)^ = ^^- При смещенном расположении валов нижний вал прогнется в верти- кальной плоскости под действием соб- ственного веса (7ни вертикальной со- ставляющей силы давления между валами: Рис. 1.5.24. Бомбировка валов, расположенных смещенно: а — сечение валов без учета их прогиба; б — сечение бомбированных валов Сверг = Сц COSY = G„ + Р. Следовательно, общая нагрузка (<7н + Gt + Р), изгибающая нижний вал в вер- тикальной плоскости, остается такой же, как и при расположении валов в одной вертикальной плоскости. То же относится и к верхнему валу, который при смещенном расположении валов изгибается в вертикальной плоскости си- лой Р, как и при расположении валов в одной вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости нижний и верхний валы деформируются си- лой Grop = (G* + P)tgy. Нагрузки, действующие на вал в горизонтальной и вер- тикальной плоскостях, равномерно распределенные. Прогибы нижнего и верхнего валов как в вертикальной, так и в горизон- тальной плоскостях взаимно противоположны, поэтому общий прогиб равен сумме составляющих прогибов и соответственно составляет: в вертикальной плоскости /верт = /н“рт + /вверт; в горизонтальной плоскости /гор = /нгор + /вго₽. На рис. 1.5.24, а представлено взаимное расположение средних сечений небомбированных валов. Согласно этому рисунку зависимость между величина- ми смещения т и h в горизонтальной и вертикальной плоскостях без учета прогиба валов выглядит следующим образом: = h1 + т2, где R - Д« + А -----полусумма диаметров валов. В результате прогиба валов расстояния /и и h изменяются (рис. 1.5.24, 6) и ставляют (т +fmp) по горизонтали и (h + по вертикали. Тогда для равно- чт к°СТИ линсйн°го давления между рабочими частями валов необходимо, ы диаметры валов в среднем сечении вала по сравнению с исходными 133
диаметрами D„ и Da были увеличены. Между полусуммой Л диаметров бомбиро- ванных валов по середине рабочей части вала и расстояниями (т +fmp) и (Л + +Лерт) Д°лжна быть выполнена следующая зависимость: Р2 = (А + /крт / + (« + Лор )2 = А7 + 2hfMtn + f2'„ + т2 + 2mfrop + f2^. Считая, что /крти Лор являются величинами второго порядка малости, и учитывая, что h2 = R$ ~~ т , получим R2 =R% + Ihf^ + 2mfmp или (л+Я)(л-Д>)»2(4и + <„). С достаточной точностью (при этом ошибка не превысит 0,03—0,05 %) можно принять R + Rq -2R. Тогда R _ R^ _ hfwtn "Лор R Учитывая на основании рис. 1.5.24, что А = А R. R т = cosy И -= т — = sin у, получим R - Л = Лерт cosy + /гор sin у. Величина бомбировки будет такой: к = D - Do = 2(/ю „ cos у + /гар sin у), (1.5.75) где Д Do— сумма диаметров бомбированных валов по середине и в конце рабочей части. Уравнение (1.5.75) является общим для определения бомбировки как сме- щенных, так и несмещенных валов. При расположении валов без смещения у = 0’, cosy = l и siny = 0. Тогда уравнение (1.5.75) совпадает с уравнением (1.5.74). Уравнение (1.5.75) можно упростить, если принять Л„гор = Л“рт tgy И /вгор . tgy.. Прогиб /нгор превышает его истинную величину, так как он обусловлен силой (GB + P)tgy, а прогиб в вертикальной плоскости — силой (GH + Ga + Р), 134
включающей в себя собственный вес нижнего вала. Прогиб /ВГО|> меньше его истинной величины, так как он обусловлен силой (GB + P)tgy , а в вертикаль- ной плоскости — только силой Р. Тогда Лор = Лго₽ + Лгор = fr tgY + frT tgY = (Л-4” + XBe₽r)tgY = Лерг tgY. (1.5.76) Согласно уравнениям (1.5.75) и (1.5.76) к = 2(Лерт cosy + Лор sin у) = 2(Лерт cosy + ZMPrtg Y sinY) = = 2/ (cos у + tg у sin y) = . cosy Прогибы валов в вертикальной плоскости при смещении остаются такими же, как и без смещения, поэтому г _ f “=рт . /•«рт _ f , f J верт J н ' Jb Jh т J в' Тогда fc = 2(/H+/B)/coSY. (1.5.77) Из уравнения (1.5.77) следует, что при смещенном расположении валов необходимая величина бомбировки немного возрастает. Однако, если смеще- ние валов не превышает 100—120 мм, бомбировка возрастает не более чем на 1,5-2,0 %. Распределение бомбировки между валами прессов. Необходимую величину бомбировки можно придать одному из двух валов пресса или распределить ее между двумя его валами. Однако распределение бомбировки между валами вли- яет на величину скольжения, обусловленную бомбировкой, а также на степень износа резиновой оболочки и на соотношение скоростей сукна в средней его части и по краям. Следует заметить, что вопрос о скольжении между валами весьма сложен. Скольжение в первую очередь обусловлено радиальной и тан- генциальной деформациями валов в зоне контакта. Далее будем рассматривать скольжение, вызванное только бомбировкой валов. Поскольку диаметры сечений бомбированного вала уменьшаются от его середины к краям, то окружная скорость имеет наименьшее значение по кра- ям, а наибольшее — по середине вала. Если бомбирован ведущий вал пресса (например, нижний — рис. 1.5.25), тогда окружная скорость верхнего, небом- бированного вала, приводимого во вращение трением о нижний, в первом приближении будет определяться средним диаметром нижнего вала. Только в Двух сечениях (А—А и В—В) окружные скорости нижнего и верхнего валов равны между собой. В соответствии с рис. 1.5.25 на участке валов между сечениями А~А и В—В окружная скорость нижнего ведущего вала будет больше окружной скорости ив верхнего ведомого вала. При этом возникает так называемое поло- 135
Рис. 1.5.25. Схема скольжения между валами жительное скольжение (vH >о„) — ок- ружная скорость ин ведущего вала пре- вышает скорость ведомого. На участках между концами валов и сечениями А~А и В—В соотношение скоростей обратное: ц, > 1>н , что обусловливает возникнове- ние на этих участках так называемого Oi - рицательного скольжения (окружная скорость ведомого вала больше скорос- ти ведущего). При распределении бомбировки между валами пропорционально их диа- метрам и пропорциональном соотноше- нии диаметров нижнего и верхнего ва- лов посередине и по их концам скольжения, обусловленного бомбировкой, не наблюдается: 21 = 4. Рв D,’ где Рн, Рв — диаметры нижнего и верхнего валов по середине рабочей части; Ри, Рв — диаметры нижнего и верхнего валов по концам рабочей части. На основании теоремы пропорциональности получим Р„ _ Р„ -Р„ _ к± ~Р^ ~ Пв-Р„ " кв (1.5.78) где кн = Ри - Ря, кв=Рв- Рв— соответственно бомбировка нижнего и верхнего валов. Поскольку общая величина бомбировки двух валов равна сумме ее состав- ляющих, то (1.5.79) Совместно решая уравнения (1.5.78) и (1.5.79), получим . . Рн . . Рв к„= к ——ц— и к. = к-5— . Д+Д Д + Д При распределении величины бомбировки между двумя валами г jecca, как и при бомбировке одного только вала, окружная скорость в разных сечени- ях бомбированных валов различна (больше посередине, чем по концам). Одна- ко разность этих скоростей при бомбировке обоих валов примерно вдвое мень- ше, чем при бомбировке лишь одного вала, что уменьшает деформацию бумаги и увеличивает срок службы резинового покрытия валов. Бомбировка обоих валов пресса положительно влияет и на условия работы прессовых сукон. Скорость прессового сукна вследствие разной окружной ско- 136
роста в различных сечениях бомбированных валов будет также больше посере- дине, чем по краям. Об этом можно судить по положению контрольной цвет- ной полосы, расположенной поперек сукна: она становится выпуклой в сторо- ну движения сукна. При увеличении скорости сукна в средней его части происходит перекос нитей и понижается водопропускная способность сукна, а следовательно, сухость полотна б\ маги уменьшается. Если величи на необходимой бомбировки распределена между двумя вала- ми пресса, то разность скоростей по ширине сукна вгиду меньшей бомбировки каждого вала уменьшается, что улучшает условия обезвоживания бумаги и уменьшает износ сукна. Распределение бомбировки на прессах пропорционально диаметрам валов целее юбразно для валов всех типов. оомбировка отсасывающих и многовальных прессов. При определении про- гноз отсасывающего вала камерного типа, помимо собственного веса и линей- ного давления между валами, следует учитывать нагрузку, обусловленную ва- куумом. Небольшим смещением камеры от вертикали можно пренебречь, и тогда нагрузку от вакуума считают направленной вниз вертикально: =РьаЛ кгс> где ph - вакуум в камере, кгс/см2; а0 — ширина зоны отсоса камеры по хорде, см; Ь9 — длина зоны отсоса камеры, см. На горизонтальных многовальных (трехвальных) прессах’(рис. 1.5.26) не- подвижным на станине обычно уста- навливается средний вал 2, а крайние 7 и 3 прижаты к среднему силами Pt и Р3. При этом Р} < Р3. Соответствующи- ми расчетами можно доказать, что по сравнению с воздействием сил и Р3 прогибами валов в вертикальной плос- кости от собственного веса можно пре- небречь. Для первой пары валов 1 и 2, проги- бы которых направлены в одну сторону, при / >f2 необходимая величина бомби- ровки ^-2 = 2(/;-/2), (1.5.80) а при /; </2 соответственно ^-2 = 2(4-/,), (1.5.81) Рис. 1.5.26. Схема бомбировки горизонтального трехвального пресса: 1—3 — валы Конструкт. 1и прессов описаны в главе 2.5. 137
где f — прогиб вала 1 под действием силы Р{; f2 — прогиб вала 2 под дей- ствием разности сил (Р3 - Р,). Обычно/j >/г- Для второй пары валов 2 и 3, прогибы которых направлены в противопо- ложные стороны, необходимая величина бомбировки *2-з = 2(А2 +/з), (1.5.82) где/ — прогиб вала 3 под действием силы Ру Общая бомбировка всей системы валов ^=^-2 + ^-з = 2О;+/з). (1-5.83) При распределении бомбировки между валами следует учитывать удвоен- ную величину бомбировки среднего вала, так как он соприкасается с двумя крайними валами: к = к. +2к, +к„ (1.5.84) об 1 2 3’ х z где к, к2, к3 — величина бомбировки первого, второго и третьего валов. Для того чтобы прогиб валов соответствовал нагрузкам, действующим на валы, бомбировка, которую следует придать валам 7 и 2 (или суммарно им обоим), определяется уравнением к{ + к2 = 2(4 -/2). (1.5.85) Рис. 1.5.27. Схема бомбировки вертикального трехвального пресса: 1—3— валы; 4— механизм прижима Бомбировку вала 3 устанавливают по урав- нению (1.5.84) в зависимости от значений к{ и к2. Из уравнения (1.5.84) следует, что целе- сообразнее бомбировать средний вал, так как при этом уменьшается величина бомбировки вала 3. На вертикальных трехвальных прессах (рис. 1.5.27), когда на станине неподвижно ус- тановлен нижний вал, бомбировку пресса сле- дует определять по тем же уравнениям, что и для многовального каландра: . „ 2(^G.,„+£G2,„)/>2(12/-7Z>) /н 384ЕН/Н (1.5.86) где ^С?Ьл — общий вес всех валов; ^G2_„ — общий вес всех подшипников валов, за ис- ключением подшипников нижнего вала. Если на станине неподвижно установлен средний вал, то бомбировку следует опреде- лять по уравнениям (1.5.80)—(1.5.85), как и для горизонтального пресса. Однако при этом не- 138
обходимое усилие дополнительного прижима для нижнего (первого) вала со- ставит: где q^ — линейное давление между первым и вторым (средним) валами, кгс/см; b — длина рабочей части вала, см; (7, — вес первого (нижнего) вала, кгс. Для верхнего (третьего) вала усилие дополнительного прижима Л = ?2-36 + G3> где q2_3 — линейное давление между вторым (средним) и третьим вш ами, кгс/см; G3 — вес верхнего (третьего) вала, кгс. Первый (нижний) и третий (верхний) валы изгибаются в вертикальной плоскости под действием сил Pt и Р3, а средний (второй) — в вертикальной плоскости, но под суммарным воздействием сил собственного веса вала G2 и разности сил линейных давлений (?2_3 — q3-2)b при условии, что <?2-з > q3-2- На наклонных трехвальных прессах (рис. 1.5.28) обычно на станине непод- вижно установлен средний вал и рычаги механизмов прижима перпендикуляр- ны плоскости наклона. Тогда усилия Pt и Р3 дополнительного прижима нижне- го и верхнего валов направлены в плоскости наклона: Р} = д3-2Ь + C/cosy; P3 = <M-C3COSY> где у — угол между вертикалью и плоскостью наклона. Для вычисления величины бомбировки необходимо определить прогибы ва- лов в плоскости наклона. При этом следует учитывать, что валы 1 и 3 соответствен- но изгибаются силами Р3 и Р3, а вал 2— разностью сил (Р3 — Р() и составляющей собственного веса G2cosy. Прогибами от составляющей собственного веса валов GjSiny в направлении, перпендикулярном плоскости наклона, можно пренебречь: по величине они невелики и близки между собой. Поскольку эти прогибы направлены в одну сторону, то суммарный прогиб, вли- яющий на необходимую величину бомби- ровки и равный разности прогибов, мал. Для прессов с треугольным распо- ложением валов прогибы под действием линейного давления и собственного веса можно разложить на составляющие в го- ризонтальной и вертикальной плоско- стях. Затем с учетом направления опре- деляется суммарный прогиб для каждой пары залов в горизонтальной и верти- кальной плоскостях, а по уравнениям (1.5.80) и (1.5.81)— искомая величина бомбировки. Рис. 1.5.28. Схема бомбировки трехвальногс наклонного пресса: 1—3— валы; 4— механизм прижима 139
Бомбировка валов калавдров и суперкаландров. В прессовой части бумагоде- лательных машин прессовые сукна, а также резиновая облицовка валов в ка- кой-то мере могут компенсировать имеющееся иногда несоответствие между величиной и профилем бомбировки, с одной стороны, и фактическим проги- бом прессовых валов — с другой. На каландрах и суперкаландрах, где нет сукон и облицованных валов, ука- занное несоответствие не компенсируется, и поэтому требования к точности бомбировки в отношении ее величины и профиля по длине вала более жесткие. При отсутствии дополнительного прижима (аналогично бомбировке прес- совых валов без дополнительного прижима) бомбируется только нижний вал каландра (суперкаландра). Бомбировка этого вала равна удвоенному прогибу/; рабочей части вала (1.5.86). Жесткость нижнего вала Еп1„, имеющего отбеленный слой, определяется как сумма жесткостей отбеленной Е\Ц и неотбеленной частей поперечного се- чения данного вала: При расчетах можно принять Ех = 1,4-106 кгс/см2 и Е2 = 1,05-106 кгс/см2. Если валы каландра (суперкаландра) нагружены дополнительным прижи- мом силами у с каждой стороны, бомбировке подлежат нижний и верхний валы — каждый на величину своего удвоенного прогиба. Для нижнего вала справедливо уравнение ки = 2/н = 2Е(?1.л+5}(?2.я+Р)62(12/-^) 384£н/н (1.5.87) а для верхнего кк =2f„ = 2Pd4 (12/-76) 384£в/в При многовальной системе любой средний (промежуточный) вал в отли- чие от нижнего и верхнего соприкасается с двумя валами. В связи с этим вели- чина бомбировки среднего вала соответствует удвоенной величине бомбировки нижнего или верхнего вала. Так, например, если нижний вал имеет бомбиров- КУ а средний (второй) вал — £2, то общая бомбировка £о6 = kt + 2к2. На некоторых предприятиях бомбировку нижнего вала каландра, опреде- ляемую по уравнению (1.5.86), распределяют между нижним и вторым снизу валами: 90 % общей величины бомбировки придают нижнему валу, а 5 % — второму снизу. Это происходит из-за повышенного износа концов нижнего вала по сравнению с его серединой вследствие скольжения между валами, обуслов- ленного бомбировкой одного только нижнего вала. Нижний вал каландра ме- няют реже остальных, поэтому при распределении бомбировки между двумя валами при повторной шлифовке второго вала можно уменьшить его бомби- 140
ровку на половину величины, на которую возросла бомбировка нижнего вала вследствие износа его концов. Однако при указанном выше распределении бом- бировки нарушается равномерность линейного давления по ширине бумажного полотна в первую очередь между первым и вторым снизу валами, так как вто- рой вал прогибается на величину, равную половине его бомбировки. Из анали- за характера прогиба второго вала следует, что он прогнется вниз лишь в том случае, когда давление по концам рабочей части между первым и вторым вала- ми будет больше, чем посередине. 1.5.9. Возможные сочетания валов различных типов В прессовой части на двухвальных прессах возможны следующие сочетания валов обычной конструкции и валов, закрепленных посередине или вращаю- щихся на оси: 1)оба вала (верхний и нижний) обычной конструкции (такое сочетание применяется давно и было рассмотрено выше); 2) нижний вал обычной конструкции, верхний вал — закрепленный посе- редине либо вращающийся на оси; 3) нижний вал — закрепленный посередине либо вращающийся на оси, верхний вал обычной конструкции; 4) оба вала — закрепленные посередине либо вращающиеся на оси или один вал — закрепленный посередине, а другой — вращающийся на оси. Каждое сочетание осуществимо для вала, закрепленного посередине (или вращающегося на оси), при Р > О, Р = 0 и Р < 0. Проведенный анализ показал, что из всех сочетаний валов различных ти- пов на прессовой части наиболее целесообразными являются два варианта: 1) нижний вал обычной конструкции и верхний вал — закрепленный по- середине или вращающийся на оси при условии, что Р > 0 и прогибу нижнего вала больше прогиба/в верхнего; 2) нижний и верхний валы — закрепленные посередине либо вращающи- еся на оси при условии, что Р = 0. В первом варианте сочетания (рис. 1.5.29, а) прогиб концов нижнего вала обычной конструкции направлен вверх относительно середины и согласно урав- нению (1.5.73): ((7„+(7В + P)l>2 (12/-76) /н 384ЕН/Н Согласно уравнению (1.5.39) направленный вверх относительно середины прогиб концов верхнего вала А=^-Р = -^-Р, 128ЕВ7В 128ЕВ/В где Р = qb. 141
Рис. 1.5.29. Сочетание валов различных типов: а — нижний вал обычной конструкции, верхний вал закреплен посередине или вращается на оси при условии, что 0 > 0 и/н > fB; б— нижний и верхний валы закреплены посередине или вращаются на оси при условии, что 0 = 0 Если в рассматриваемом случае бомбированы оба вала, то разность между сум- мами радиусов по середине валов и в конпе их рабочей части должна быть равна разности прогибов, так как прогибы валов направлены в одну и ту же сторону: 01 + г2) - (г{+ г') = (г,'+ г/ + /н - Л ) - «+ г') = fH- fB. Следовательно, необходимое значение бомбировки составит: Л = 2(Ан-/в), (1.5.88) в отличие от сочетания валов обычной конструкции, когда к = 2(fH + f„). Полученное значение бомбировки (уравнение (1.5.88)) остается в силе, если бомбирован только один вал (нижний или верхний). Бомбированные валы должны иметь обычную выпуклую форму. Уменьшение необходимого значения бомбировки, равного не удвоенной их сумме, а удвоенной разности прогибов, в отличие от валов обычной конст- рукции, является несомненным преимуществом сочетания валов по первому варианту. Еще большее значение имеет то, что при определенном, заранее рас- считанном соотношении жесткостей одно и то же значение бомбировки будет соответствовать разным значениям линейного давления между валами. Это про- изойдет в том случае, когда разность прогибов валов постоянна и не зависит от величины дополнительного прижима. Причем соотношение жесткостей валов необходимо подобрать так, чтобы под воздействием одинаковой нагрузки оба вала — нижний и верхний — прогибались на одну и ту же величину. Нагрузка нижнего вала больше нагрузки верхнего на величину суммарного веса обоих валов. Этот вес определяет величину прогиба нижнего вала и необ- ходимую величину бомбировки валов. Разность прогибов валов такова: (G„+GB + P)l>2(12/-7f>) Pb’fi " J‘ 384£н/н 128£в/в 142
(GH+(7В)62 (12/-76) />6*(12/-76) Pb'ft 384ДЛ 384EH7H 128EBZB ’ (L589) Для того чтобы эта разность оставалась постоянной и не зависела от усилия Р дополнительного прижима, необходимо соблюдение равенства Pb2(12l-7b)_ РЬ3$ 384EHZH ” 128EBZB ’ Отсюда соотношение жесткости валов должно быть таким: ЕИ1И 12/-7Z» EJB Здр ' (1.5.90) Обычно для вала, закрепленного посередине, р = 0,4—0,5. При Р = 0,5 и I = 1,2b необходимое соотношение жесткости валов имеет вид 5Л _12/-76_ (14,4-7)6 EBIB 3Z»p 360,5 ’ ' Для валов, вращающихся на оси, обычно Р = 0,85—0,95. При р = 0,9 и I — 1,2b необходимое соотношение жесткости валов таково: Ен/н 12/-76 (14,4-7)6 Ев/в 36р 360,9 ’ ' Как правило, указанные соотношения жесткости нижнего и верхнего ва- лов могут быть осуществлены, когда верхним валом пресса является вал, за- крепленный посередине или вращающийся на оси. Минимально допускаемые размеры поперечного сечения верхнего вала, закрепленного посередине или вращающегося на оси, определяют, исходя из условий прочности на изгиб, а поперечного сечения нижнего вала — из необходимого соотношения жесткос- ти валов. При этом нижний вал имеет большой запас прочности, так как раз- меры его поперечного сечения выбраны с учетом необходимого соотношения жесткости. Если верхний вал — вращающийся на оси (а не закрепленный посе- редине), необходимое соотношение жесткости валов меньше, что позволяет уменьшить размеры поперечного сечения нижнего вала. Согласно уравнениям (1.5.88) и (1.5.89) независимо от усилия дополни- тельного прижима необходимая величина бомбировки Л = 2«-/в) = 2 (<7Н+<7В)62 (12/-76) 384Ен/„ (1.5.91) Следует отметить, что сочетание валов, рассмотренное применительно к обычным прессам, (нижний — обычной конструкции, верхний — закреплен- 143
ный посередине или вращающийся на оси) подходит и для отсасывающих прес- сов так как характер изогнутых осей отсасывающих валов такой же, как и у в<лов обычной конструкции. При соответствующем подборе соотношения жесткости поперечного сече- ния можно добиться того, чтобы прогибы валов были равны между собой. Для этого необходимо подобрать такое соотношение жесткости, которое следует из указанного равенства прогибов. Поскольку (G„+GB + Р)Ь2 (12!-7Ь} /и 384ДЛ а =_/#р_ J* 128£bZb ’ то EIn GU+GB +Р I2l-7b ------(L5-92) Уравнению (1.5.92) соответствует лишь одно частное значение усилия до- полнительного прижима, поэтому при указанном соотношении жесткости не- возможно изменить линейное давление между валами. В связи с этим такое решение (выполнение условия равенства прогибов) нецелесообразно. По второму варианту сочетания валов (рис. 1.5.29, б), когда нижний и верх- ний валы закреплены посередине или вращаются на оси, прогибы концевых сечений рабочей части валов относительно средних сечений равны нулю. При этом валы не нуждаются в бомбировке (имеют цилиндрическую форму) неза- висимо от усилия дополнительного прижима. Такое сочетание возможно лишь для обычных неотсасывающих валов. Как уже было отмечено, изготовить отса- сывающие валы закрепленными посередине или вращающимися на оси конст- руктивно невозможно. Следует учитывать, что при сочетании валов разных конструкций (по пер- вому варианту) их изогнутые оси изменяются по различным законам. В связи с этим в некоторых сечениях величина бомбировки может оказаться неравной удвоенной величине разности прогибов валов, хотя бомбировка по середине рабочей части вала соответствует прогибу данного сечения. Кроме того, для вала, закрепленного посередине, было установлено, что при Р > О прогибы в сечениях, отстоящих от середины вала на расстоянии 0,156, направлены про- тивоположно прогибам его концов, а при Р = 0 все сечения, кроме концевых, прогибаются незначительно. В связи с этим по первому варианту сочетания ва- лов, соприкасающихся посередине и по концам, в отдельных сечениях по дли- не валов будет зазор. Однако величина такого зазора невелика и для машины шириной 2520 мм не превышает 0,014 мм. Вследствие наличия сукна и резино- вой оболочки на нижнем валу такой зазор практически не оказывает никакого влияния на нормальную работу машины. 144
но второму варианту сочетания валов, закрепленных посередине, расчет- ная величина зазора в отдельных сечениях для машины шириной 2520 мм со- ставляет 0,055 мм. Это примерно в четыре раза превышает зазор при сочетании валов, когда нижний из ни^,— обычной конструкции, а верхний — закреплен- ный посередине (первый вариант). При установке двух валов, вращающихся на оси, величина зазора в отдельных сечениях для машины шириной 2520 мм составляет 0,018 мм (в три раза меньше, чем для валов, закрепленных посере- дине). Таким образом, наиболее целесообразное сочетание валов обычной конст- рукции с валами, закрепленными посередине, такое, когда нижний вал прес- са — обычной конструкции, а верхний вал — закрепленный посередине (при условии, что Р > 0 и прогиб нижнего вала больше прогиба верхнего). В этом случае при заранее рассчитанном соотношении жесткости валов необходимая величина бомбировки, являясь величиной постоянной, не будет зависеть от линейного давления между валами; величина бомбировки, равная удвоенной разности прогибов, — это небольшая величина, а максимальное расхождение в отдельных сечениях между прогибами и бомбировкой меньше, чем при других сочетаниях. Рассматриваемое сочетание валов применяется как на обычных, так и на отсасывающих прессах, поскольку отсасывающие валы по характеру изогнутой оси — валы обычной конструкции. На прессовой части в обычных (неотсасывающих) прессах можно устано- вить оба вала закрепленных посередине, при условии, что Р = 0. При этом валы не требуют бомбировки. Однако суммарная величина прогиба друх валов примерно в четыре раза больше величины расхождения между прогибами и бомбировкой при сочетании вала обычной конструкции и закрепленного посе- редине. Поэтому такое сочетание менее целесообразно, чем сочетание, при котором нижний вал — обычной конструкции, а верхний — закрепленный по- середине, так как трудности в работе машины, обусловленные большими про- > ибами валов, вряд ли будут компенсированы преимуществами цилиндриче- ских валов по сравнению с бомбированными. Анализ особенностей применения валов, вращающихся на оси (шарнирно закрепленных в двух сечениях), по сравнению с валами, закрепленными посе- редине, приводит к следующим выводам. Сочетание нижнего вала обычной конструкции с верхним валом, вращаю- щимся на оси или закрепленным посередине, имеет одинаковые преимущества. Отличие заключается в том, что для вала, вращающегося на оси, значения Р больше, чем для вала, закрепленного посередине. Это согласно уравнению (1.5.90) приводит к уменьшению (примерно вдвое) необходимого соотноше- ния жесткости нижнего и верхнего валов. Жесткость нижнего вала должна быть примерно в три раза больше жесткости верхнего. Это позволяет выполнить валы с необходимым соотношением жесткости, а также использовать отсасывающие валы небольшой жесткости. Как было отменено, при одной и ~эй же жесткости прогибы валов, враща- ющихся на оси, при условии, что Р = 0, примерно в три раза меньше прогибов валов, закрепленных посередине. Применение в прессовой части машины ва- 145
лов, вращающихся на оси (нижнего и верхнего), не имеет преимуществ перед сочетанием нижнего вала обычной конструкции и верхнего, закрепленного посередине. Однако по сравнению с валом, закрепленным посередине, вал, вращающийся на оси, изготовить труднее; усложняется и эксплуатация этих валов ввиду периодической смазки подшипников и их замены. Поэтому можно предположить, что валы, вращающиеся на оси, в ближайшее время не будут широко распространены. Сочетания валов для каландров и суперкаландров. При отсутствии дополни- тельного прижима на верхний вал и при бомбировке нижнего вала соответ- ственно величине прогиба и характеру изогнутой оси средние и верхний валы каландров и суперкаландров в вертикальной плоскости не прогибаются. Поэто- му они (средние и верхний валы) должны быть валами обычной конструкции, которые более просты в изготовлении. Поскольку нагрузка на нижний вал, рав- ная весу верхних валов, постоянна, то он имеет обычную конструкцию. При этом необходимая величина бомбировки будет постоянной. Нижний вал может быть закреплен посередине или вращаться на оси при условии, что Р = 0. Он не должен быть бомбированным, в связи с чем улучшаются условия работы маши- ны, так как окружная скорость по длине рабочей части валов постоянна. При наличии дополнительного прижима нижний и верхний валы обычной конструкции необходимо бомбировать, причем величина бомбировки зависит от усилия дополнительного прижима. Поэтому целесообразно устанавливать нижний и верхний валы, закрепленные посередине или вращающиеся на оси, при условии, что Р = 0, и шлифовать их цилиндрическими. Жесткость этих валов должна быть такой, чтобы максимальный прогиб не превышал 0,005— 0,010 мм. Средние валы следует устанавливать обычной конструкции. При одной и той же жесткости, применяя шарнирно закрепленные валы (при Р = 0) в качестве нижнего и верхнего валов каландра и суперкаландра, получаем трехкратное уменьшение максимального значения прогиба по срав- нению с прогибом валов, закрепленных посередине. Этим обусловлена воз- можность получения прогиба в пределах 0,005—0,010 мм без значительного уве- личения диаметров валов. Кроме того, либо в конструкцию приводного нижнего вала каландра и суперкаландра должны быть внесены изменения, обеспечива- ющие передачу крутящего момента от сердечника, соединенного с редуктором привода, цилиндру, либо приводным должен быть цилиндр вала, что значи- тельно усложняет его конструкцию. Поэтому можно предположить, что на ка- ландрах и суперкаландрах валы, вращающиеся на оси, в ближайшее время так- же не будут широко распространены. 1.5.10. Учет прогиба от поперечной силы при сочетании валов разной конструкции Величина прогиба от поперечной силы Q, по сравнению с прогибом от изгибающего момента М (а следовательно, и по сравнению с суммарным про- гибом от М и Q), в валах, как закрепленных посередине, так и вращающихся на оси, больше, чем в валах обычной конструкции. 146
Рассмотрим влияние прогиба от поперечной силы при наиболее целесооб- разном сочетании, когда нижним является вал обычной конструкции, а верх- ним — закрепленный посередине или вращающийся на оси (при Р > 0). Общий прогиб нижнего вала обычной конструкции равен сумме составляющих проги- бов от изгибающего момента и поперечной силы согласно уравнениям (1.5.72) и (1.5.45): f =f .f +GB +P)b2 (121-7b) 5(G„+GK + P)b Л. 384£HZH 36GM F„ п п мн n а общий прогиб верхнего вала, закрепленного посередине или вращающегося на оси, — сумме составляющих прогибов от изгибающего момента /из_ и попе- речной силы f„t согласно уравнениям (1.5.39) и (1.5.48): - . f = Pb3$ 5Р6р, /об. /из.+Л. 128£ / + 36(7 F • (1.5.93) В В MQ В Аналогично ранее рассмотренному случаю при учете прогибов только от изгибающего момента для этого сочетания валов необходимая величина бом- бировки А:=2(/о6и- Д). (1.5.94) На основании уравнений (1.5.93) и (1.5.94) разность прогибов валов со- ставляет: _ (G„+GB)b2 (121-7b) Pb2(12l-7b) J<*. 3UE„I„ 384EHZH 5(G„+GB)b 5Pb PZ>3p 5P6P, 36<7MHPH 36GMPH 128£B/B 36G4FB’ Эта разность останется постоянной и не будет зависеть от силы Р при условии выполнения равенства Pb2(l2l-7b) 5РЬ РЬ3$ 5(Q„+QB)b 384£/ + 36(7М F ~ 12S£ / + 36GM FB п Н МН Н В В Mg в или b(\2l -7Ь) 5 й2р 53, 12Е Z + Gu F„ " 4EJB +G F ' H H Mjj rl В В Mg в Примем Ен — 2,2(7М и Еп — 2,2(7М . ж П Z Мц В 7 “в 147
Для пустотелых валов 1= (D2+ d2)(D2 — d2); F= ^(D2— d2). Следова- тельно, r_ 16/ D2+d2 Тогда 6(12/-7ft) 5-2,2(D2+d2) 3b2^ | 5-2,2(D2 + ^)P, 12£H/H + 16EH7H 12£B/B 16£BZB : 4b (121 - lb) + 33 (ZP +</’)_ 12Z»2p + 33 (DB2 + d2 )ft 48£H/H 48£BZB Отсюда _ 46(12/-76) + 33(Д><) Е.Л 124!Р + 33(Р,! +<)р, ’ где 2)н, dn — наружный и внутренний диаметры нижнего вала; Рв, </в — наруж- ный и внутренний диаметры верхнего вала. Для упрощения вычислений по уравнению (1.5.95) следует задаться значе- ниями диаметров DB и dB верхнего вала, длиной участка закрепления и вычис- лить коэффициенты Р и р (. Затем необходимо задаться значением одного из диаметров нижнего вала (более целесообразно — наружным), и тогда уравне- ние (1.5.95) можно привести к биквадратному уравнению х4 + ах2 — 5=0. Положительным и вещественным будет следующий корень этого уравне- ния: Согласно уравнениям (1.5.94) и (1.5.95) необходимая величина бомбиров- ки окончательно примет вид 2( fo6„ /об,) ~ 2 (<7Н+<7„)/>2(12/-7/>) 384£н/н 5(<7„ +<7.)& 36<7МнГн (1.5.96) Анализ уравнений (1.5.95) и (1.5.90) показывает, что отношение жесткос- ти валов при учете общего прогиба от изгибающего момента М и поперечной силы Q примерно на 5—10% меньше отношения жесткости валов при учете прогиба только от изгибающего момента. Это обусловлено тем, что удельное 148
значение прогиба от поперечной силы больше для вала, закрепленного посере- дине, чем для вала обычной конструкции. Если принять жесткость нижнего вала обычной конструкции неизменной, то при учете общего прогиба (от изгибающего момента и поперечной силы) жесткость верхнего вала, закрепленного посередине, будет больше жесткости вала с учетом прогиба только от изгибающего момента. Расчеты, произведенные по уравнениям (1.5.91) и (1.5.96) применительно к машине шириной 2520 мм, показали, что необходимая бомбировка при учете прогиба только от изгибающего момента на 0,01—0,02 мм больше величины бомбировки при учете общего прогиба от изгибающего момента и поперечной силы. Это расхождение близко к фактически возможной точности осуществле- ния бомбировки на шлифовальных станках. Для вала, вращающегося на оси, по сравнению с валом, закрепленным посередине, величина указанных выше рас- хождений будет примерно вдвое меньше. Это происходит из-за того, что в об- щем прогибе удельное значение прогиба от поперечной силы меньше для вала, вращающегося на оси, чем для вала, закрепленного посередине. В соответствии с произведенными расчетами можно рекомендовать опреде- ление соотношения жесткости и величины бомбировки по уравнениям (1.5.90) и (1.5.91), если длина валов более 2000 мм; лишь для более коротких валов следует пользоваться уравнениями (1.5.95) и (1.5.96), учитывающими прогиб и от поперечной силы. 1.5.11. Определение жесткости и величины бомбировки валов опытным путем Модуль продольной упругости металлических отливок одного и того же мате- риала может колебаться в пределах 5—10 состава шихты и условий литья, а модуль упругости гранита — еще в больших пре- делах. Момент инерции /поперечного се- чения вала с учетом отклонения факти- ческих размеров от номинальных также вычисляют с точностью до нескольких процентов. Вследствие колебания величи- ны Е для одного и того же материала и ввиду погрешностей при вычислении / точность аналитического определения жесткости вала не превышает 8—12 %. Для повышения точности определения жест- кости валов и необходимой величины бомбировки целесообразно находить эти величины опытным путем. Валы обычной конструкции. Жест- кость валов обычной конструкции мож- но вычислить по их прогибу под действи- ем сосредоточенной силы (рис. 1.5.30, а). Нижний вал устанавливают в подшип- %, а иногда и более, в зависимости от Рис. 1.5.30. Определение жесткости вала обычной конструкции опытным путем: а — схема нагрузок на валы; б — расчетная схема для определения прогиба вала 149
никах; посередине и по концам его рабочей части (снизу) располагают индика- торы, установленные обычно на нулевую отметку. Затем на середину вала укла- дывают деревянный брус (шириной 150—200 мм, чтобы не повредить резиновую облицовку вала), нагружают вал сосредоточенной силой Qt, равной весу G„ верх- него вала и усилию Р дополнительного прижима: Qi-G. + P. Под действием сосредоточенной силы вал прогнется, что будет отмечено по- казаниями индикаторов. Разность/[между показаниями среднего и полусуммой показаний крайних индикаторов является величиной прогиба рабочей части вала. Поскольку индикаторы установлены по середине и по концам рабочей части вала, прогиб цапф под действием сосредоточенной нагрузки и рабочей части вала от собственного веса не влияет на разность показаний индикаторов в результате дей- ствия на вал сосредоточенной нагрузки. Установка индикаторов с обоих концов рабочей части вала и учет полусуммы их показаний устраняют погрешности, кото- рые могут возникнуть при определении прогиба, если опоры вала с его лицевой и приводной сторон под нагрузкой имеют разное перемещение. Можно доказать, что при выбранной схеме нагрузки максимальный про- гиб рабочей части вала, считая жесткость его поперечных сечений постоянной по всей ее длине, таков: Л-йИЙ'-4)- (1.5.97) Из уравнения (1.5.97) следует, что жесткость рабочей части нижнего вала Q^^l-b) (GB+P)b2 (31-b) н н ’ 96Л 96/[ (1.5.98) При определении жесткости рабочей части верхнего вала (рис. 1.5.30, б) ин- дикаторы устанавливают по концам рабочей части и посередине на одну’ и ту же отметку. Затем вал нагружают силой Р. Разностьмежду показаниями среднего и полусуммой показаний крайних индикаторов представляет собой прогиб рабо- чей части вала под действием сосредоточенной силы Р. Выражение для жесткости верхнего вала, аналогично уравнению (1.5.98), имеет следующий вид: Pb2(3l-b) (1.5.99) Во время испытания на жесткость изгибающие моменты в средней части вглов возрастают на величину Мдоп = (Gt + P)b 8 Соответственно, увеличива- ются и напряжения изгиба. Однако в отличие от знакопеременных напряжений в обычных условиях работы напряжения при испытании статические и, как правило, не превосходят допустимой величины. 150
Зная величину прогиба вала под действием сосредоточенной нагрузки, можно вычислить не только жесткость вала, но и необходимую величину бом- бировки. При обычных условиях работы согласно уравнению (1.5.73) прогиб рабочей части нижнего вала (G„+GB +Р)Ь2 (\2l-7b) J" 384£н/н Подставив значение жесткости £„/„ из уравнения (1.5.98), получим GH +Gt + Pl2l-7b QB + P 12l-4b (1.5.100) При обычных условиях работы согласно уравнению (1.5.72) прогиб рабо- чей части верхнего вала РЬ2 (12/-76) 384£В7В Подставив значение £в/в из уравнения (1.5.99), получим 12/-76 12/-46 (1.5.101) Необходимая бомбировка будет такой: к = 2(f„+f,). С учетом значений/, и/ по уравнениям (1.5.100) и (1.5.101) получим G„+GB + P , . 12/-76 Если Рисп — усилие дополнительного прижима при определении прогиба под действием сосредоточенной силы, а Р — усилие дополнительного прижима при рабочих условиях, то можно показать, что величина бомбировки будет такой: GH+GB + P f Р f 12/-76 .(G. + Лс.) , + Лсп 2J 6/-26 Точность вычисления величины бомбировки путем опытного определения прогибов по сравнению с аналитическим определением бомбировки повыша- ется, так как исключается несоответствие расчетной жесткости по сравнению с фактической. Кроме того, вместо абсолютных значений веса валов и усилия Дополнительного прижима используется их соотношение, что также повышает точность расчетов. 151
Валы, закрепленные посередине. При применении налов, закрепленных по- середине, в сочетании с валами обычной конструкции должно быть выдержано необходимое соотношение жесткости валов. Ввиду того что жесткость валов аналитическим путем не может быть вычис- лена с достат зчной точностью, необходимо определить опытным путем факти- ческую жесткость валов (до покрытия их резиной) под действием сосредото- ченной силы. Если фактическое соотношение жесткости валов не будет соответствовать расчетному, то надо уменьшить жесткость одного вала, что можно осуществить обточкой его по наружному диаметру. Иногда жесткость валов определяют при помощи гидравлического пресс опирая вал по концам его рабочей части. Если по середине рабочей части в ла приложена сосредоточенная сила Р, то его прогиб 71 48£н/н ’ В зависимости от имеющегося оборудования нагрузку вала для опреде. >ения жесткости вала, закрепленного посередине, можно осуществить по дву л схе- мам. Согласно первой схеме (рис. 1.5.31, а) рабочая часть вала (цилиндр) опира- ется по краям и нагрузка прикладывается в среднем его сечении. Втор .я схема (рис. 1.5.31, б) отличается тем, что нагрузка прикладывается к конца 1 сердеч- ника (на расстоянии от середины вала). Как показывают произв денные рас- четы, при прочих равных условиях прогиб вала, нагруженного до первой схе- ме, будет примерно на 25 % больше прогиба вала, нагружг иного по второй Рис. 1.5.31. Определение жесткости вала, закреплен ног. посередине, опытным путем: о — нагрузка приложена в среднем сечении; б— нагрузи приложена к концам сердечника 152
схеме. В связи с этим точность определения жесткости вала по первой схеме выше. Следовательно, эта схема предпочтительнее. Если пренебречь разной жесткостью сечений на участке закрепления и ос- тальной части цилиндра, прогиб цилиндра под действием сосредоточенной силы Р, нагруженного по схеме, изображенной на рис. 1.5.31, а. как известно, имеет вид 48£в/в ’ Можно показать, что с учетом суммарной жесткости на участке закрепле- ния EJi и жесткости цилиндра на остальной его части EJ2 максимальный про- гиб цилиндра 71 =9^а[265+^1“<Х)^с2~6/’2с~2с3Я' (1-5.102) Обозначим ро отношение максимального прогиба / цилиндра (с учетом разной жесткости на отдельных его участках) к максимальному прогибу f ци- линдра, закрепленного в одном сечении: р0 = . Отсюда РЬ3 Z=K/ = ^77Po. (1-5.103) На основании уравнений (1.5.102) и (1.5.103) и учитывая, что E2I2 ~ EI, получим Р [263 + (1 - а) (бЬс1 - 6Ь2с - 2? )] p[f Ро = 96ДЛ ‘ 48£/ = (1 - a)(6b2c + 2с3 - бЬс1) = 1 2Ь3 ' Пользуясь таким же мегсдом, можно показать, что максимальный прогиб вала, 1 агруженного по второй схеме (см. рис. 1.5.31, б), имеет вид 7 = —[263 н 6bc2 - (1 - a) 6b2c - 6abcl + Зас2 (/ - Ь) - 2с3]; Ро=1- (1 - а)6б2с + бабе/ + 2с3 - 66с2 - Зас2 (/ - Ь) 263 153
Если при испытании схема нагрузок вала обычной конструкции и закреп- ленного посередине будет одной и той же (см. рис. 1.5.31, а), то прогиб нижнего вала обычной конструкции г _ Pb' Ji 48Е„1„ ’ а прогиб верхнего вала f - PZ>3Po J1 48EJ„ ’ Теоретически необходимое соотношение жесткости валов согласно уравне- нию (1.5.90) будет таким: EJH 121-7b EJ, 31$ Необходимая жесткость верхнего вала Е-'- пГть (1-5104) С учетом значения ЕВ1В по уравнению (1.5.104) W0(12/-7Z>) 1 48EHZH3Z>P ’ п f Поскольку , ^toJdh 1 н то получим следующее необходимое соотношение прогибов валов при нагрузке их одной и той же сосредоточенной силой: /2 =р012/-7/> Z Р зь При испытании нижнего и верхнего валов при разных схемах нагрузки (на- пример, нижний — по схеме, изображенной на рис. 1.5.30, а, верхний — по схеме, изображенной на рис. 1.5.31, а), с учетом того, что 96Е.Г. ‘Л’ МЕ.Г. ’ необходимое соотношение прогибов валов Л _ Ро 2(12/-76) Z Р 3(3/-*) ’ 154
Если фактическое соотношение прогибов при испытании будет больше теоретически необходимого, то следует уменьшить жесткость нижнего вала. Если фактическое соотношение прогибов меньше теоретически необходимого, то необходимо уменьшить жесткость верхнего вала. 1.5.12. Дополнительный прогиб валов силами, приложенными по концам Для валов обычной конструкции при изменении линейного давления не- обходимо менять и величину бомбировки. Для того чтобы можно было изменять величину линейного давления при постоянной бомбировке, предложен метод S дополнительного прогиба валов силами —, консольно приложенными по кон- цам валов (рис. 1.5.32), путем изменения величины и направления этих сил. S _ В зависимости от направления сил у рабочая часть вала прогнется либо кверху, либо вниз. Прогиб вверх увеличивает бомбировку вала, а прогиб вниз — уменьшает. Используя принятую методику, можно показать, что уравнение изогнутой оси рабочей части вала (прогиб под действием сил у) будет иметь вид У = Sex2 ~4Ё1’ где с — расстояние от оси подшипника до точки приложения сил. b При х = - максимальный прогиб рабочей части вала г = Sct>2 1 ]6Е1 Сравним прогиб/j с прогибом^ от линейного давления между валами Q = Рис. 1.5.32. Схема прогиба вала силами, консольно приложенными по концам 155
Qb2(l2l-7b) f _ Scb2 .Qb2(12l-7b) 24Sc 384 EI ’ f2 16 EI ' 384 EI ~Q(12l-7b) Для наиболее часто встречающегося соотношения / = 1,2b fi = 245с _.„Sc /2 7,4bQ ’ Qb ‘ (1.5.105) Примем, что линейное давление ^_2 меняется в пределах +10%. Тогда/ Qb должно составлять 0,1/, и согласно уравнению (1.5.105) 5= 0,0308 —. Увеличение расстояния с пропорционально уменьшает величину силы 5. При применении этого метода на прессах можно ограничиться дополни- тельным прогибом только одного вала (нижнего или верхнего), но на величи- ну, равную суммарному изменению прогибов данных валов. На каландрах при наличии дополнительного прижима (только так линейное давление может быть изменено) и на суперкаландрах необходима установка двух механизмов для дополнительного прогиба нижнего и верхнего валов. Недостатки этого метода — возможность изменения линейного давления в небольших пределах (±20—30 %), чтобы сила 5 не была слишком большой; необходимость установки дополнительных подвижных подшипников и меха- низмов прижима по концам валов; увеличение мощности, необходимой для 5 преодоления трения в подшипниках, так как если силы у направлены вниз (для нижнего вала пресса), то они кроме консольных подшипников нагружают основные подшипники; соединение нижнего приводного вала вследствие про- гиба его конца с редуктором при помощи шарнира или гибкой муфты. 1.5.13. Замена бомбировки валов их перекосом На двухвальных лощильно-калибровочных каландрах для отделки картона вместо бомбировки применяется перекос валов. При этом валы шлифуют ци- линдрическими и устанавливают один относительно другого непараллельно (рис. 1.5.33, а). При перекосе валы будут соприкасаться друг с другом только в одном сечении (посередине). Между остальными сечениями по длине валов образуется зазор, который достигнет максимального значения в концевых се- чениях. Как видно на рис. 1.5.33, б, (R + ё)2= R2 + т2 или R2 + 2Re + е2 = R2 + т2, (1.5.106) Когда силы — направлены вверх, мощность, потребляемая всеми подшипниками вала, почти не меняется, так как эти силы разгружают основные подшипники. 156
Рис. 1.5.33. Замена бомбировки валов их перекосом: а — валы установлены с перекосом; б — расчетная схема где R = ~й'2—“ — полусумма диаметров валов; т — смещение концевых сече- ний валов в горизонтальной плоскости; е — зазор между валами в концевых сечениях; (R + е) — расстояние между центрами валов в концевых сечениях. В уравнении (1.5.106) значением е2 по сравнению с остальными слагаемы- ми правой части можно пренебречь. Тогда 2 2 т т е = — =-------. 2R D„ + Д, Установим такое горизонтальное смещение концевых сечений валов, при ко- тором зазор е между валами в концевых сечениях был бы равен суммарному мак- симальному прогибу (f„ + fB) нижнего и верхнего валов в их средней части под действием сил, нагружающих валы во время работы. При этом валы будут соприка- саться друг с другом по всей длине их рабочей части. Поскольку е =f„ +fB, то т2 = D„+DB' Отсюда необходимое горизонтальное смещение валов ™=>.+/.Ж + Й.) Поскольку указатели величины смещения расположены у подшипников, то величина горизонтального смещения центров подшипников валов такова: + Ов), D D где /— расстояние между центрами подшипников; Ь — длина рабочей час- ти вала. Обычно максимальная величина смещения при ширине каландра 1000— 1500 мм не превышает 20—30 мм. Величина смешения т по длине вала изменя- 157
ется по линейному закону — от нуля в среднем сечении до максимального зна- чения в концевых. Тогда закон изменения величины зазора е по длине вала будет соответствовать уравнению дуги окружности. Как известно, уравнение дуги окружности близко к уравнению изогнутой оси вала, нагруженного рав- номерно распределенной нагрузкой. Перекос валов взамен бомбировки применяется в тех случаях, когда ли- нейное давление (а следовательно, и прогиб валов) в зависимости от вида вырабатываемого картона и предъявляемых к нему требований меняется часто и в широких пределах. Если валы бомбированы, то при изменении линейного давления в целях сохранения его равномерности по длине вала величину бом- бировки необходимо соответственно изменить. Если взамен бомбировки при- меняется перекос валов, то при изменении линейного давления в целях его равномерности по длине вала необходимо соответственно изменить величину перекоса, что осуществляется легко и быстро с помощью специального уст- ройства. Метод перекоса валов вместо бомбировки применяется на каландрах, пред- назначенных только для листового картона, так как при пропуске между непа- раллельными валами листы испытывают деформацию сдвига в направлении, перпендику тярном их движению, и смещаются в сторону. Величина смещения зависит от величины перекоса валов. 1.5.14. Шлифование и бомбировка валов Как цилиндрические, так и бомбированные валы бумаго- и картонодела- тельных машин должны иметь гладкую и чистую поверхность. Цилиндрические валы, кроме того, должны обладать правильной геометрической формой, а профиль бомбированного вала — соответствовать уравнению изогнутой оси. Для поддержания поверхности валов в хорошем состоянии их периодически шли- фуют на шлифовальных станках, снабженных, как правило, устройством для бомбировки. Воздействие шаберов (на грудном, сегковедуших, верхних валах прессов и валах каландра), скольжение между валами и возникающие между ними контакт- ные напряжения вызывают износ рабочей поверхности валов. На быстроходных бумагоделательных машинах при воздушной заправке полотна бумаги между ва- лами каландра возможно попадание комков бумаги, вследствие чего верхний и следующие за ним несколько средних валов приподнимаются на 0,5—1,5 мм, а затем падают на нижележащий вал. Из-за этих ударов на поверхности валов обра- зуются площадки остаточной деформации и валы приобретают граненость. Износ валов от трения шаберов зависит не только от скорости вала и дав- ления шабера, но и от твердости материалов, из которых изготовлены сопри- касающиеся вал и шабер. При правильном подборе твердости’ и применении лзижущихся и гибких шаберов износ валоз уменьшается. вердость металлических шаберов прессовых в шов и сушильных цилиндров долж- на быть на 40—50 единиц по Бринеллю меньше твердости вала (цилиндра). Твердость шаберов для валов каландра обычно составляет 160—180 единиц. 158
Валы бумаго- и картоноделательных машин могут нуждаться или в систе- матическом шлифовании через небольшие промежутки времени (от 2 до 24 месяцев), или в эпизодическом шлифовании через значительные промежутки времени (один раз в 3-10 лет, а иногда и реже). К первым относятся валы прессов, сукномоек, каландров и набивные валы суперкаландров, а также верх- ний обрезиненный вал отсасывающего гауча, ко вторым — грудной, регистро- вые, сетко-, сукно- и бумаговедущие валы, нижний вал гауча, металлические валы суперкаландров, несущие валы продольно-резательных станков, тяговые валы саморезок и др. Сушильные цилиндры не являются валами, но они также подвергаются шлифованию. Сушильные цилиндры обычных бумагоделательных машин, в основном имеющие диаметр 1500 мм, шлифуют в порядке исключения лишь при значительном повреждении их поверхности шаберами. Следует учитывать, что при шлифовании уменьшается диаметр сушильного цилиндра, а так как при групповом приводе невозможно регулировать соотношение окружных ско- ростей отдельных цилиндров, то изменение натяжения бумаги вследствие шли- фования цилиндров может привести к обрыву бумажного полотна в пределах приводной группы. Это и ограничивает возможность шлифования отдельных цилиндров. Гладильные цилиндры самосъемочных машин и для производства односто- ронне гладких видов бумаги необходимо шлифовать периодически, один раз в 5—10 лет, для того чтобы поддерживать их поверхность в гладком состоянии, необходимом для получения бумаги высокой гладкости. Ввиду сложности де- монтажа и транспортировки гладильных цилиндров, а также ввиду отсутствия шлифовальных станков соответствующих размеров гладильные цилиндры иногда шлифуют непосредственно на бумагоделательной машине при помощи специ- ального приспособления. Оно состоит из суппорта со шлифовальным кругом, перемещающегося по направляющим, установленным на основных станинах сушильного цилиндра. При этом способе шлифования чистота, гладкость и точ- ность геометрической формы цилиндра меньше, чем при шлифовании на спе- циальном станке. Шлифовальные станки для шлифования валов бумаго- и картоноделатель- ных машин в зависимости от компоновки основных узлов можно разделить на два типа: 1) с одной общей станиной, на которой устанавливается шлифуемый вал и перемещается суппорт со шлифовальным кругом; 2) с отдельными стойками для шлифуемого вала, не связанными со стани- ной, по которой перемещается суппорт со шлифовальным кругом. У станка первого типа общая станина обеспечивает необходимую парал- лельность продольной оси вала и направляющих станин, по которым движут- ся суппорт с шлифовальным кругом. Недостаток этого типа станков заключа- ется в том, что максимальный диаметр шлифуемых валов ограничен значением поперечного перемещения суппорта, которое, в свою очередь, определяется максимальной шириной станины. Шлифуемый вал опирается на основную станину, что вследствие неизбежной деформации станины понижает точность шлифования. 159
Преимуществом второго типа станков является то, что на них можно шли- фовать валы больших диаметров, а также сушильные цилиндры, так как стойки или подшипники, на которых устанавливается шлифуемый вал. можно пере- мешать перпендикулярно продольной оси станка. Недостаток этих станков — необходимость тщательной установки оси шлифуемого вала параллельно ста- нине станка. На бумажных предприятиях применяют станки обоих типов, одна- ко предпочитают станки второго типа, на которых возможно шлифование и сушильных цилиндров. На данных станках шлифуемый вал вращается от электродвигателя с регу- лируемым числом оборотов через редуктор. Шлифовальный круг перемещается вдоль оси вала через коробку скоростей от электродвигателя, приводящего в движение шлифуемый вал, либо от отдельного электродвигателя с регулируе- мым числом оборотов. Шлифовальный круг приводится во вращение отдель- ным электродвигателем с регулируемым числом оборотов. Для уменьшения вибоаций шлифовального круга его привод обычно осуществляется при помо- щи клиноременной передачи. Шлифуемый вал устанавливается своими цапфами в подшипниках, и это обеспечивает концентричность рабочей говерхности вала и цапф. В станках, снабженных для бомбировки копирной линейкой, валы при бомбировке необ- ходимо устанавлш зть симметрично сепедине последней. Поскольку редуктор и электродвигатель привода вала перемещаются не вдоль станка, а лишь перпен- дикулярно его оси, то для шлифования валов разной длины выходной вал ре- дуктора может выдвигаться, соединяясь со шлифуемым валом при помощи шарнира Гука Окружные скорости приводных валов на бумаго- и картоноделательных ма- шинах регулируются изменение' i числа оборотов привода, поэтому нет необхо- димости в жестких допусках к номинальному значению диаметта рабочей части вала. Жесткие требования предъявляются к значению конусности, овальности и отклонения вала от правильной геометрической формы. В связи с этим применя- емые на шлифовальных с. анках мерительные скобы предназначены для измере- ния не номинального значения диа- метра вала, а его относительных отклонений — при поме ши индика- тора с ценой деления О , J02—0,005 мм. На большинстве шлифоваль- ных станков мож ю шлифовать (за- тачивать) шаберы бумагоделатель- ных и отделочных машин и ножи механизмов поперечной резки бу- магорезательных машин. Для этого имеется специальная чугунная бал- ка, устанавливаемая на стойках, где обычно располагается шлифуемый вал. Шаберы (ножи) закрепляются на балке при помощи накладки и болтов. Рис. 1.5.34. Схема >стройства для бомбировки с угловым рычагом: 1 — вал; 2 — шлифовальный круг; .? _ угювой рычаг 160
Рис. 1.5.35. Схема устройства для бомбировки с горизонтальным рычагом: 1 — вал; 2 — шлифовальный круг; 3 — рычаг Шлифовальные станки имеют специальное устройство для бомби- ровки. Различают две принципиальные схемы таких устройств. По первой схе- ме (рис. 1.5.34) шлифовальный круг располагается на конце вертикальной части углового рычага, шарнирно за- крепленного на суппорте станка. При перемещении суппорта со шлифо- вальным кругом от середины к концу вала горизонтальная часть рычага приподнимается и шлифовальный круг при- ближается к валу. При этом диаметр вала по концам уменьшается по срав- нению с диаметром его посередине. По второй схеме (рис. 1.5.35) шлифоваль- ный круг установлен на горизонтальном рычаге. Когда круг расположен по середине вала, рычаг занимает наклонное положение и ось круга находится выше оси вала. По мере продвижения круга от середины к концу вала второй конец рычага поднимается, а конец рычага, на котором расположен круг, опус- кается и ось круга понижается, что уменьшает диаметр концевых сечений вала по сравнению с диаметром вала посередине. Рис. 1.5.36. Профиль бомбировки вала 161
Профиль бомбированного вала определяется кривизной копирной линей- ки. На современных станках профиль копирной линейки соответствует уравне- нию изогнутой оси вала (обычно при / = 1,2b). Поскольку уравнение изогнутой оси близко к уравнению дуги окружности большого диаметра, воспользуемся им для контроля профиля бомбированного вала. В результате получим, что в рассматриваемом сечении бомбировка I А) I b где J, _ расстояние сечения от середины вала; Ьо= — —- половина длины рабо- чей части вала. Если разделить половину длины рабочей части вала на 10 равных частей, то величина бомбировки в отдельных сечениях будет равна квадратов первых десяти чисел (рис. 1.5.36). КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Каковы основные типы валов на БКСМ? 2. Какие покрытия валов применяются на БКСМ? З. По каким параметрам проводится расчет валов БКСМ? 4. Приведите порядок расчета прогиба валов. 5. Приведите порядок расчета критической угловой скорости валов. 6. Какие бывают конструкции подшипниковых опор валов БКСМ? 7. Расскажите об уравновешивании валов БКСМ. 8. Что собой представляет бомбировка валов? 9. В чем заключается определение жесткости и значения бомбировки валов опыт- ным путем? 10. Что собой представляет шлифование и бомбировка валов? 162
РАЗДЕЛ 2 ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ И СИСТЕМЫ БКСМ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН 2.1. ПРОЕКТНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ Вследствие сложности конструкций машин и узлов, технологических осо- бенностей многих способов производства бумаги и картона поточную линию бумагоделательной машины проектирует группа специалистов, состоящая из технологов, конструкторов, машиностроителей, специалистов по электропри- воду, автоматизации и др. Согласно ГОСТ 2.103—68 проектирование оборудования осуществляется по следующим стадиям разработки конструкторской документации: техническое предложение, эскизный проект, технический проект и рабочая конструкторс- кая документация. Техническое предложение (ГОСТ 2.118—73) должно содержать техническое и технико-экономическое обоснования целесообразности разработки документа- ции машины на основании анализа технического задания заказчика и различных вариантов возможных технических решений машины, сравнительной оценки машины, решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемой машины и патентных исследований. Техническое предложение после согласования и утверждения в установленном порядке является основани- ем для разработки эскизного и технического проекта. Эскизный проект (ГОСТ 2.119—73) должен содержать принципиальные конструктивные решения, обеспечивающие технологические требования. Эс- кизный проект после согласования с заказчиком и утверждения в установлен- ном порядке служит основанием для разработки технического проекта. Технический проект (ГОСТ 2.120—73) должен содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве машины, и исходные данные для разработки рабочей конструкторской документации. Рабочая конструкторская документация предназначена для изготовления Деталей, узлов, сборочных единиц и всей машины в целом. Обычно рабочая конструкторская документация разрабатывается на заво- де —- изготовителе машины. Одновременно с разработкой рабочей документа- ции проводится технологическая проработка узлов и деталей в условиях конк- 163
ретного машиностроительного завода и решаются вопросы технологической оснастки и приспособлений, необходимых в процессе изготовления деталей и сборки узлов и машины в целом. При проектировании БДМ, КДМ и СМ в настоящее время в России сложи- лась следующая практика. По ГОСТ 2.103-68 “Стадии разработки” техническое задание на проектирование машин должен разрабатывать заказчик. Однако пред- приятие ЦБП-заказчик, ставя задачу перед проектной машиностроительной орга- низацией о проектировании БДМ, обычно может выдать лишь ограниченное число параметров (вид продукции, обрезная ширина полотна, годовая произво- дительность, обеспеченность сырьем, электроэнергией, паром, водой, химика- тами, габариты здания и др.) и поэтому поручает разработку технического зада- ния проектировщику, имеющему большой опыт проектирования современных машин. При разработке технического задания проектировщик недостающие дан- ные получает у заказчика. техническое задание, разработанное проектной организацией по исходным данным заказчика, фактически является техническим предложением. После его согласования с заказчиком и утверждения проектная организация начинает раз- работку технического проекта. Поэтому в последние годы в связи с накопленным опытом проектирования современных БДМ, наличием большого количества раз- работанных типовых конструктивных решений отдельных узлов и сборочных еди- ниц проектирование чаше всего осуществляют в три стадии: техническое зада- ние, технический проект и рабочая конструкторская документация. В дипломных проектах, когда студенту выдаются выборочные исходные дан- ные на проектирование машины (например: “Бумагоделательная машина для выработки ... бумаги обрезной шириной полотна ... мм, годовой производи- тельностью ... тыс. т с конструктивной разработкой прессовой части”), студент разрабатывает неполное техническое задание по всей БДМ и конструктивно конкретную часть с отдельными узлами на стадии технического проекта. Проектирование машины начинается с изучения и анализа конструкций существующих отечественных и зарубежных машин подобного типа, научно- исследовательских работ в этой области. Проводится патентный поиск. На осно- вании таких материалов эскизно прорабатывается структура отдельных частей машины, составляется ее схема. Задача проектировщика — выбрать и составить схему машины для изготов- ления бумаги или картона, принимая наиболее эффективное оборудование, обеспечивающее оптимальный вариант с максимальным экономическим эф- фектом и конкурентоспособностью. В техническом задании должны быть отражены общие вопросы по БДМ: вид бумаги и масса 1 м2 бумажного полотна, композиция бумажной массы, обрезная ширина полотна; скорости машины — максимальная рабочая при наи- меньшей массе 1 м2 бумаги, расчетная рабочая, вспомогательная и по приводу; объемная масса бумаги; расчетное количество часов работы машины в сутки, дней — в году; коэффициент эффективного использования машины; количе- ство обслуживающего персонала, диаметр рулона на накате и его масса; грузо- подъемность крана по наиболее тяжелому узлу машины и др. Должна быть разработана общая технологическая схема поточной линии с определением габаритов частей и всей машины и увязкой их с габаритами зда- 164
ния, указанием мест подвода воды, сброса отходов, энергетических питающих сетей и геологического строения почвы. Определяется этажность зданий и воз- можность углублений для создания колодцев. Далее производится проектирование каждой части машины: участок под- готовки бумажной массы, сеточная, прессовая, сушильная части, каландр, накат и отделочное оборудование. В техническом задании по сеточной части с плоской сеткой должны быть отражены: длина сеточного стола; типы обезвоживающих элементов и их количе- ство; тип напорного ящика; передача полотна с сеточной в прессовую часть; вакуум в местах отсоса; тип сетки и способ ее замены; сухость полотна после сеточной части и др.; по прессовой части: типы прессов, их количество и схема заправки полотна; габариты прессовой части; вакуум в камерах валов и сукномо- ек; характеристика прессовых сукон (тип, вытяжка, масса 1 м2, натяжение); обо- рудование для кондиционирования прессовых сукон; возможность замены валов и сукон; по сушильной части: число и диаметр сушильных цилиндров, их распо- ложение; давление пара; ориентировочный график сушки; характеристика при- вода сушильной части; устройства для интенсификации процесса сушки, поверх- ностной проклейки бумаги и мелования; общая длина сушильной части. В целом по БДМ в техническом задании рассматривают следующие вопросы: задание на разработку регулируемого привода; исходные данные на проектирование теплорекуперационных установок, автоматического пожаротушения под колпаком машины; задание на программное обеспечение распределительной микропроцессор- ной системы; аналоги проектируемой БДМ; экономические показатели (годовой экономический эффект от внедрения БДМ, включая лимитную цену и ее обоснование); технический уровень и качество продукции; патентные исследования; возможность применения в данной разработке известных прогрессивных решений и др. Неотъемлемой частью технического задания является схема массоподводя- щей системы и схема БДМ с необходимыми размерами по длине. В техническом проекте разрабатывается окончательная конструкция маши- ны. Дополнительно должны быть отражены следующие вопросы: расчет технологических процессов в целях согласования производительно- сти по обезвоживанию массы на отдельных машинах (частях БДМ), входящих в поточную линию; расчеты на прочность и надежность элементов; расчет мощности привода; разработка мер по виброустойчивости конструкции машины и по ограни- чению уровня шума; разработка основных требований по надежности с определением периодов н°Рмальной эксплуатации машины; разработка системы технической диагностики во время эксплуатации ма- шины; 165
блочность конструкции; разработка требований по точности монтажа; разработка инструкций по эксплуатации. В комплект документации технического проекта входят: чертежи общего вида машины, комплексных групп и отдельных сборочных единиц; схемы в соответствии с ГОСТ 2.701-76; пояснительная записка; задание на фундамент; ведомость технического проекта. В комплект рабочей конструкторской документации входят: сборочные чертежи; чертежи деталей; спецификации; техническое описание; схемы; инструкции по эксплуатации; монтажные чертежи; инструкции по монтажу; ведомость покупных изделий, ЗИП; ведомость спецификаций, перечень отправляемой документации и товар- ных узлов; задание на фундамент машины и др. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какие специалисты совместно проектируют БДМ (КДМ, СМ)? 2. Каковы стадии проектирования промышленного оборудования согласно ГОСТ 2.103-68? 3. Какая сложилась в России практика проектирования БДМ (КДМ, СМ)? 4. Какие вопросы должны быть отражены в техническом задании на БДМ? 5. Что представляет собой технический проект БДМ? 6. Что входит в комплект рабочей конструкторской документации на БДМ? 2.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ БУМАЖНОЙ МАССЫ Технологические процессы и схемы бумага-, картоноделательных и сушиль- ных машин, работающих по методу НРВО*, в целом идентичны. Они определя- ются видом вырабатываемой продукции и производительностью машины. При этом схемы машин, вырабатывающих одинаковую продукцию, в основном ' Метод НРВО производства бумаги (картона): Н — непрерывный, Р — с исполь- зованием растительных волокон, В — с использованием воды, О — главная технологи- ческая операция — осаждение волокон на сетке (см. раздел 1.3). 166
отличаются друг от друга количеством и типоразмерами установленного в по- токе оборудования и обвязкой его коммуникациями. Основными исходными данными для разработки машины являются ее го- довая производительность, вид и композиция продукции. Годовая производи- тельность машины оценивается количеством упакованной продукции. При этом расчетный год принимается равным 365 суткам (8760 ч). В течение года предус- матривается 10 суток на капитальный и 10 суток на планово-предупредитель- ный ремонты, поэтому машина в рабочем режиме в году находится в течение 345 суток. Расчет суточной производительности машины производится по формуле бсуг = О™ КЛЛз/345, т/сут, где (2Г0Д — годовая производительность; К, — коэффициент, учитывающий по- тери товарной продукции на холостом ходу, в браке, при обрывах, резке и отделке; К2 — коэффициент использования скорости машины; К3 — коэффи- циент расчетного числа часов работы машины в сутки. Значения коэффициентов для ряда основных видов продукции представле- ны в табл. 2.2.1. Далее составляется принципиальная технологическая схема автоматиче- ской системы машин, входящих в БДМ (КДМ, СМ — рис. 2.2. Г.-----бумага, бумажная масса, свежая вода; = — оборотная вода;----воздух;-------пар; — электроэнергия; rrrz — конденсат;---- — оборотный брак). Данная система, помимо основных частей БДМ, включает в себя ряд подсистем, таких как подсистемы составления композиции; разбавления, очистки и подачи мас- сы на машину; водопользования; вакуумная; переработки и удаления брака; кондиционирования одежды; энерго- и пароснабжения; автоматизации управ- ления машиной и др. Отказы или неудовлетворительная работа любой подсис- темы приводят к отказам или снижению работоспособности всей системы и отражаются на качестве или количестве продукции. Составление технологической схемы машины следует производить на ос- новании анализа аналогичных машин с соблюдением норм расхода воды, во- локна, наполнителей (табл. 2.2.2), а также с учетом новых технических реше- ний, применяемых в проектах. Таблица 2.2.1 Коэффициенты расчета производительности Коэф- фици- ент Вид вырабатываемой продукции Бумага газетная типограф- ская, офсет- ная, писчая мешочная, оберточная для гофриро- вания Картон Л1 0,92 0,92 0,965 0,975 0,975 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 EZZZJ 0,9 0,9 0,95 0,95 0,95 167
Дозаторы Рис. 2.2.1. Принципиальная технологическая схема бумагоделательной машины 168
Таблица 2.2.2 Удельные нормы, применяемые при проектировании Показатель Бумага газетная типограф- ская писчая № 2 мешочная Расчетная влажность, % 8 7 7 8 Расчетная зольность, % До 5 18-23 > 6 — Брак на машине Общий брак, % 6 6 6 4,5 В том числе: попери от холостого хода 4 4 4 2,5 Мокрый брак 2 2 2 2,0 Брак в отделочном цехе Бумага, %: рулонная 1,5-2,5 2,5 2,5 2,5 листовая — 5,0 5,0 — Брак на суперкаландрах, % — 1 1 — Провал волокна, % 1 1 1 0,5 Удельный расход свежих волокон, кг/т бумаги, при зольности: 5% 1055 — — 1050 6% 1033 — 978 — 14% — 872 — — 23% — 819 — — Удельный расход химика- тов, кг/т бумаги Канифоль — 5,0 30,0 5,0 Едкий натр — 0,5 3,0 0,5 Сода — 0,7 4,0 — Сернокислый алюминий 12 30,0 50,0 30,0 Удельный расход каолина, кг/т бумаги 30 250-320 82 — Удержание каолина, кг/т бумаги 60 80 80 — Полиакриламид 0,15 0,25 0,15 — Удельная норма расхода свежей воды, м3/т 55 85 85 50 Удельная норма расхода оборотной воды, м3/т 250 265 । 265 । 265 169
Согласно технологической схеме и принятым нормам рассчитывается ба- ланс воды и волокна, по которому определяются основные параметры обору- дования, типоразмеры арматуры и диаметры трубопроводов. 2.2.1. Составление композиции бумажной массы В состав композиции бумажной массы, подаваемой на машину (в машин- ный бассейн) из размольно-подготовительного отдела (РПО), входит несколь- ко видов волокнистых и неволокнистых компонентов. Число компонентов сме- си для некоторых видов бумаг достигает 10-12. Дозировка волокнистых компонентов производится, как правило, в смесительный бассейн в РПО, куда также подаются и некоторые наполнители. В зависимости от вида бумаги (кар- тона) дозировка наполнителей помимо смесительного бассейна, может произ- водиться в системе короткой циркуляции — в машинный бассейн и на вход смесительного насоса. Автоматическое составление композиции бумажной мас- сы осуществляется с учетом изменения уровня массы в смесительном бассейне либо в зависимости от расхода целлюлозы. Для регулирования композиционно- го состава применяются системы, состоящие из взаимосвязанных регуляторов расхода и соотношения отдельных компонентов. Системы управления компози- цией должны обеспечить заданную точность дозирования компонентов, про- порциональное изменение расхода каждого компонента смеси при изменении производительности, перераспределение заданного соотношения компонентов в случае необходимости. Управление композиционным составом оптимально, если удается сократить расход дорогостоящих материалов за счет увеличения расхода более дешевых. 2.2.2. Система оборудования для подготовки бумажной массы Составленная в РПО композиция после машинного бассейна 1 (рис. 2.2.2) разбавляется до нужной концентрации из бака 2 постоянного напора для обо- ротной воды и подается насосом Н-1 в бак 2'постоянного напора для готовой массы. В напорную магистраль насоса Н-1 включаются регулятор концентрации (РК) и байпасная магистраль мельницы (М) для выравнивания помола массы. Бак постоянного напора для массы оборудуется регулятором уровня (РУ). Из бака постоянного напора масса проходит через магнитный сепаратор 3 и поступает на вход смесительного насоса Н-4 для подачи в первую ступень вихревых очистителей 4, предварительно смешиваясь с массой после сортиров- ки <? и с оборотной водой из сеточной части БДМ. После первой ступени вихре- вых очистителей (центриклинеров) очищенная масса поступает в декулатор 5 для очистки от воздуха. В декулаторе вакуум создается вакуум-насосом ВН-2 с водоотделителем. Из декулатора масса, смешиваясь с оборотной водой и сли- вом оборотной массы из напорного ящика, перекачивается насосом Н-5 в ма- шинные сортировки 6. После сортировок она подается в напорный ящик по трубопроводу, снабженному гасителем колебаний давления 9. Отходы от первой ступени вихревых очистителей насосом Н-3 подаются во вторую ступень 4". Отсортированная масса после второй ступени смешивается 170
Оборотная вода с БДМ Рис. 2.2.2. Схема подготовки бумажной массы перед БДМ
с массой, идущей от магнитного сепаратора. Отходы второй ступени вихревых очистителей насосом Н-2 подаются в третью ступень вихревых очистителей 4"', после которой годная масса идет на вход насоса Н-3. Отходы от третьей ступени направляются в канализацию. Отходы от сортировок 6 подаются в сборник 7, откуда насосом Н-6 — на вто- рую ступень сортирования 8. Годная масса после сортировки 8 поступает на вход насоса Н-4, а отходы через сборник 7— в размольно-подготовительный отдел. Представленную на рис 2.2.2 схему следует рассматривать как наиболее полную, характерную, например, для производства газетной бумаги при высо- ких скоростях машин. При меньшей скорости нет необходимости в установке декулатора, необходимая деаэрация массы может быть достигнута на вихревых конических очистителях. Также и при использовании товарной целлюлозы в качестве полуфабрика- та не возникает необходимости в установке центриклинеров ввиду достаточной очистки целлюлозы при ее производстве; однако необходима установка ма- шинных сортировок для удаления комков массы, остающихся после роспуска. В потоках часто не устанавливаются магнитные сепараторы и т. д. Представленная схема предназначена для производства однослойной про- дукции (бумага, картон, товарная целлюлоза). При многослойной продукции (например, картон) для каждого слоя необходима своя схема подготовки массы. Наконец, так как в данной схеме в пределах машины циркулирует подсе- точная вода, отводимая от сеточной части, эта схема имеет название схемы короткой циркуляции. Циркуляция подсеточной воды и брака за пределами машины происходит в рамках расширенной (длинной) схемы циркуляции. 2.2.3. Машинный бассейн Рис. 2.2.3. Машинный (вертикальный) бассейн Готовая композиция бумажной мас- сы собирается в машинном бассейне. По форме бассейны могут быть горизонталь- ными и вертикальными. Горизонтальные бассейны применя- ются на машинах старых конструкций, новые машины чаще оборудуются верти- кальными бассейнами (рис. 2.2.3 и табл. 2.2.3)’. Назначение машинного бассейна — обеспечение постоянной композиции (за счет непрерывного перемешивания бу- мажной массы) и буферной емкости при неравномерной и периодической подаче ’ Здесь и далее в главе 2.2 характеристики оборудования для подготовки бумажной мас- сы приведены по данным ЦНИИбуммаша. 172
Таблица 2.2.3 Размеры вертикального машинного бассейна Объем бас- сейна, м3 d, м А, м Пропеллерное устройство Диаметр 7), м Частота вра- щения, с”1 Мощность двигателя, кВт ' 15—25 2,5-2,9 0,25 0,75 3,77 13 25—35 2,9-3,3 0,25 0,75 4,25 13 35-45 3,3-3,5 0,25 0,90 3,0 13 45-55 3,5-3,8 0,25 0,90 3,83 17 55-75 3,8-4,2 0,25 1,20 2,72 40 75-100 4,2-4,6 0,25 1,20 3,60 40 100—150 4,6-5,3 0,25 1,50 2,42 55 "150-200 5,3-5,8 0,25 1,50 3,00 55 200-300 5,8-6,7 0,25 1,80 2,17 75 300-400 6,7-7,3 0,25 1,80 2,43 75 массы из подготовительного отделения. Дно машинного бассейна имеет уклон для полного опорожнения при промывке. Отбор массы производится снизу. Запас массы в машинном бассейне определяется из расчета 10—30 мин рабо- ты машины. Концентрация массы в машинном бассейне 3,2—3,5 %. Бассейны цилинд- рической формы изготавливаются из биметалла, нержавеющей стали или бето- на. Для длинноволокнистой массы с высокой степенью помола применяют ло- пастные перемешивающие устройства во избежание сгущения волокон. 2.2.4. Насосы Отбор массы из машинного бассейна производится при помощи центро- бежных насосов (см. рис. 2.2.2), предназначенных для бумажных масс (табл. 2.2.4) или для сточных вод. Массные насосы перекачивают массу кон- центрацией до 5 %. Если концентрация больше, то нужно применять насосы, способные перекачивать массу концентрацией до 15 %. Для обеспечения нор- мальной работы давление на всасывающем патрубке должно быть не менее 10 кПа. Для гарантии от возможности отказа устанавливаются два насоса, из которых один резервный. Во всасывающую линию насоса Н-1 навстречу потоку вваривается под углом 45° к оси патрубка труба для подачи оборотной воды в целях разбавле- ния массы до нужной концентрации. Оборотная вода для постоянства ее исте- чения подается из бака постоянного напора 2. Массный насос Н-1 перекачи- вает массу в бак постоянного напора 2' (рис. 2.2.4). В случае необходимости (при сильном хлопьеобразовании) перед баком постоянного напора ставится Рафинер-дисковая или коническая мельница, которая может повышать сте- пень помола массы на 0,5—2,5 °ШР. Напорные баки подбираются в зависимо- 173
Рис. 2.2.4. Бак постоянного напора 174
Таблица 2.2.4 Центробежные насосы для бумажной массы Тип насоса Подача, м3/мин Напор, м Скорость враще- ния, об/мин Мощность, кВт Тип электро- двигателя Габариты, мм Масса, кг БМ 40/16 40 16,0 1450 50,0 ЧА112М4 1530x400x565 301 БМ 56/31,5 56 31,5 1450 11,0 ЧА132М4 660x765x515 317 БМ 57/22,4 57 22,4 1450 11,0 ЧА1322М4 1410x400x640 338 БМ60/15 60 15,0 980 7,6 ЧА132М6 1620x580x800 620 БМ 118/345 118 31,5 1450 22,0 ЧА180М4 1755x580x600 710 БМ 125/20 125 20,0 980 18,5 ЧА180М6 1860x780x696 850 БМ 190/10 190 10,0 980 15,0 ЧА160М6 1790x580x810 720 БМ 190/15 190 45,0 1450 55,0 ЧА225М4 1960x700x905 990 БМ 236/28 236 28,0 980 37,0 ЧА225М6 2375x730x1035 1455 БМ 315/15 315 15,0 980 30,0 ЧА200.56 2365x730x950 1415 БМ 355/63 355 63,0 1450 110,0 ЧА280.54 2705x730x1035 1890 БМ 475/31 475 31,5 1450 85,0 ЧА250.54 2440x730x950 1590 БМ 530/22 530 22,4 980 75,0 ЧА280.56 2815x1035x1100 2180 БМ 600/50 600 50,0 1450 200,0 ЧА03-315М4 2950x1086x1100 2591 БМ 900/12 900 12,5 735 55,0 А02-92-8 2755x1032x1360 2195 БМ 900/31 900 31,5 980 160,0 А03-355-6 3050x1062x1265 2688 БМ 1500/18 1500 18,0 730 160,0 А03-365М8 3245x1197x1980 3387 БМ 1509/45 1500 45,0 960 400,0 ДАЗО-13-42М6 3900x1550x1690 6004 U1
Таблица 2.2.5 Размеры баков постоянного напора Условный диаметр тру- бопровода, м Расход массы, м3/с Концен- трация массы, % Скорость подводи- мой массы, м/с Размеры, м мини- мальный макси- мальный а b С d т п / h t 0,15 0,023 0,036 2,8-3,2 1,3-2,0 0,35 0,50 0,50 0,88 1,66 0,9 2,47 2,95 1,3 0,20 0,036 0,065 2,8-3,2 1,3-2,0 0,35 0,50 0,50 0,88 1,66 0,9 2,47 2,95 1,3 0,25 0,063 0,092 2,8-3,2 1,3-2,0 0,35 0,50 0,50 0,88 1,66 0,9 2,47 2,95 1,3 0,30 0,092 0,139 2,8-3,2 1,3-2,0 0.35 0,75 0,75 0,85 1,76 1,0 3,01 2,95 1.3 0,35 0,139 0.194 2,8-3,2 1,3-2,0 0,35 0,75 0,75 0,85 1,76 1,0 3,01 2,95 1,3 0,40 0,194 0,250 2,8-3,2 1,3-2,0 0,35 0,75 0,75 0,85 1,76 1,0 3,01 2,95 1.3 0,50 0,250 0,361 2,8-3.2 1.3-2,0 0,35 0,90 0,90 0,85 2,26 1,5 3,81 2,95 1,3 Таблиц;. 2.2.6 Характеристика дисковых мельниц Показатель Мельницы однодисковые двухдисковые МД-00 МД-02 МД-14 МД-31 МДС-00 МДС-02 МДС-14 МДС-24 МДС-33 МДС-44 Производитель- ность, т/сут 8-15 20-35 40-60 120-200 15-30 50-70 70-120 140-240 220-400 370-650 Установленная мощность, кВт 45 ПО 160 500 90 200 315 630 1000 1600 Масса, т 3 4,5 5,5 15 3,2 6 8 13 22 32
сти от расхода (табл. 2.2.5) и устанавливаются на высоте с таким расчетом, чтобы разность уровней в баке и в сборнике регистровой воды БДМ была не менее 4—6 м. 2.2.5. Мельницы Мельницы в качестве рафинера предназначены для расщепления сгустков волокон, образующихся в емкостях, и для изменения качества полуфабрикатов в целях корректировки степени помола. Характеристика рекомендуемых диско- вых мельниц для дополнительного размола представлена в табл. 2.2.6. Конические мельницы используются в старых схемах. На напорной магистрали до рафинера устанавливается датчик регулирова- ния концентрации. Регулятор управляет количеством подаваемой оборотной воды. В конце магистрали перед баком постоянного напора устанавливается уп- равляемый клапан для регулирования уровня в баке. 2.2.6. Магнитный сепаратор Из бака постоянного напора бумажная масса проходит через магнитный сепаратор для очистки от ферромагнитных частиц. Магнитные сепараторы вы- пускаются трех типоразмеров (табл. 2.2.7). Магнитный барабан сепаратора периодически поворачивается навстречу движению массы. Отделяемые ферромагнитные частицы скапливаются в грязе- вике, который промывается через 1—8 ч в зависимости от количества загрязне- ний. Средняя скорость потока массы в рабочей зоне 0,86 м/с, избыточное дав- ление 0,4 МПа. Таблица 2.2.7 Характеристики магнитных сепараторов Параметр АМС-2 АМС-4 АМС-10 Производительность, т/сут 50 100 250 Пропускная способность, л/мин 1030 2060 5150 Диаметр магнитного барабана, мм 500 500 500 Рабочая зона, мм Средняя длина 1100 1100 1100 Ширина 200 400 1000 Высота 100 100 100 Мощность двигателя, кВт 0,8 0,8 0,8 Габариты, м Длина 1,37 1,25 1,99 Ширина 1,16 1,36 1,96 _ Высота 1,55 1,88 2,26 Масса, т 0,83 0,96 0,80 177
2-2.7. Вихревые очистители После магнитного сепаратора масса, предварительно разбавленная оборотной водой, поступает в смесительный насос Н-4 (см. рис. 2.2.2) и перекачивается в установку вихревых очистителей для удаления тяжелых частиц (песок, известь и т п.). Для снижения потерь волокна вихревые очистители делаются многоступен- чатыми. Промышленностью России выпускаются установки трех типов: УВК-01, УВК-02, УВК-04. Эти установки трехступенчатые, работают с противодавлением на выходе отходов и имеют изолированную от атмосферы схему. На последних ступенях установки УВК-02 и УВК-04 имеют устройства для отмыва волокна и регулирования количества отходов. На первой ступени установка УВК-04 оснаще- на устройством для удаления воздуха из бумажной массы. После первой ступени отходы разбавляются оборотной водой и подаются на вторую ступень очистки насосом Н-3, а очищенная на второй ступени мас- са _ во всасывающий трубопровод насоса Н-4. Отходы второй ступени, разбав- ленные оборотной водой, перекачиваются в третью ступень. Далее очищенная масса подается во всасывающий трубопровод насоса Н-3 второй ступени, а отходы сбрасываются в канализацию. В табл. 2.2.8 представлены оптимальные режимы работы установок вихревых очистителей. Таблица 2.2.8 Режимы работы установок вихревых очистителей Параметр УВК-01 УВК-02 УВК-04 Концентрация, % 0,5 0,5 0,7 Давление на входе, МПа 0,28 0,26 0,34 Давление очищенной массы, МПа 0,02-0,03 0,20 0,02 Давление на выходе отходов, МПа 0,05-0,06 0,03-0,06 0,06-0,10 Давление в вакуумной магистрали, МПа — — 0,07-0,09 Детали, соприкасающиеся с массой, изготавливаются из коррозионно- стойких материалов, а нижние концы очистителей — из спеченного корунда. В табл. 2.2.9 представлены технические характеристики вихревых очистителей. После установки вихревых очистителей бумажная масса подается в декулатор. 2.2.8. Декулатор Декулатор предназначен для удаления воздуха из бумажной массы. Очист- ка бумажной массы от воздуха позволяет повысить сухость бумажного полотна на сетке, уменьшить пенообразование, улучшить стабильность потока массы из напорного ящика, повысить плотность мокрого полотна и сократить об- рывность, повысить производительность смесительных насосов, уменьшить слизеобразование на стенках трубопровода, улучшить показатели бумаги (раз- рывную длину, сопротивление продавливанию, гладкость, пористость, пе- чатные свойства). 178
Таблица 2.2.9 Характеристики установок вихревых очистителей Параметр Виды очистительных установок УВК-15-01 УВК-40-01 УВК-90-01 УВК-180-01 УВК-300-01 УВК-800-01 УВК-50-02 УВК-120-02 УВК-180-02 УВК-300-02 УВК-400-02 УВК-500-02 УВК-700-02 УВК-90-04 3 о CQ УВК-300-04 УВК-500-04 УВК-700-04 Производи- тельность по воздушно- 15 40 90 180 300 800 50 120 180 300 400 500 700 90 150 300 500 700 сухому волок- ну, т/сут Количество очистителей, шт. I ступень 19 46 112 208 384 992 20 46 70 114 160 184 266 6 10 16 26 36 II ступень 4 8 16 32 48 320 6 12 18 28 32 34 76 2 4 6 10 8 III ступень 1 4 8 8 16 80 2 4 3 8 6 8 20 1 2 2 4 2 Установленная мощность, кВт 39,0 102,5 297,0 517,0 610,0 1737,0 90,0 327,0 555,0 610,0 945,0 1495,0 2037,0 327,0 411,0 701,0 1096,0 907,0 Габариты, м Длина 3,60 5,74 8,40 12,23 9,40 17,60 5,84 12,95 6,34 8,72 19,84 7,39 14,92 5,50 5,90 13,90 10,10 11,00 Ширина 2,24 2,74 2,80 2,80 9,24 5,09 2,97 2,14 6,79 5,93 7,89 5,48 5,63 3,80 6,50 3,90 6,50 6,00 Высота 2,24 3,20 2,64 2,64 3,69 5,97 2,46 2,65 3,15 3,20 3,20 2,80 3,66 3,70 4,00 4,90 4,30 3,70 Масса, т 1,34 5,27 7,80 15,30 14,30 50,05 4,69 10,40 17,90 14,70 35,90 74,40 47,66 9,80 13,40 25,50 28,20 29,20
оо о В вакуумную магистраль Рис. 2.2.5. Схема применения декулатора
Бумажная масса подается в декулатор 2 (рис. 2.2.5) и разбрызгивается при помоши специальных сопел 3. Декулатор представляет собой горизонтально расположенную закрытую цистерну диаметром 1,8-2,1 м с гидросливной пере- городкой для сохранения постоянного уровня массы. Внутри декулатора в воз- душной подушке создается разрежение 85-100 кПа при помоши вакуумного насоса для “холодного” кипения воды (водоотделитель 7). Отбор массы произ- водится снизу при помощи насоса 4. Во всасывающую магистраль насоса 5 по- дается также оборотная вода для разбавления до нужной концентрации и гли- нозем для коагуляции канифольной проклейки и закрепления ее на волокне. Декулатор располагается на определенной высоте, и масса в насос 4 поступает самотеком с постоянным напором благодаря наличию гидросливной перего- родки в декулаторе. Содержание воздуха в массе до деаэрации, %: Газетная бумага...............................1,5-2,5 Крафт-бумага..................................2,0 Гофрированный картон..........................0,4-2,0 Типографская бумага...........................0,9 На рис. 2.2.5 представлена схема включения декулатора перед напорным ящи- ком после сортирования. Такая схема имеет следующее преимущество: бумажная масса не насыщается воздухом после деаэрации в насосах и при сортировании, а сразу после очистки от воздуха подается в напорный ящик. Поэтому в некоторых случаях схема на рис. 2.2.5 более рациональна, чем схема на рис. 2.2.2. 2.2.9. Машинные сортировки Сортирование массы перед машиной осуществляется на закрытых сорти- ровках (узлоловителях) с гидродинамическими лопастями: односитовых УЗ-01 и УЗ-02 и двухситовых УЗ-09, УЗ-12, УЗ-13, УЗ-15. Назначение сортировок- узлоловителей: отделение крупных включений, имеющих удельный вес, равный весу во- локна (узелков, флокул, костры, соринок корья и т. п.); отделение песка и пены; отвод загрязнений. Отходы волокнистого материала и пена направляются в сборник, откуда при помощи насоса Н-6 (см. рис. 2.2.2) подаются на вторую ступень для очистки волокнистого материала. Далее отсортированная масса поступает в насос Н-4. Отходы, содержащие волокнистый материал, направляются в РПО. Качество сортирования зависит от размеров и формы отверстий в ситах сортировки. Сита делаются с отверстиями двух видов: круглые и щелевые. Круглые от- верстия лучше задерживают продолговатые загрязнения, щелевые — загрязне- ния шаровидной и кубической формы. Чем меньше диаметр отверстий, тем эффективнее сортировка. Число сортирующих установок определяется произ- водительностью потока, количеством и видом поступающих загрязнений. Характеристика сортировок представлена в табл. 2.2.10. 181
Таблица 2.2.10 Технические характеристики сортировок Параметр УЗ-01 УЗ-02 УЗ-09 УЗ-12 УЗ-13 УЗ-15 Площадь сита, м2 0,64 0,17 0,90 1,60 2,92 5,60 Производительность, т/сут, по сухому волокну 10-20 25-50 30-60 45-110 60-200 100-400 Наибольшая концентрация, % 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 Перепад давления, МПа 0,015-0,035 0,015-0,035 0,02-0,05 0,02-0,05 0,02-0,05 0,02-0,05 Расчетное давление, МПа 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Число лопастей, шт. 2 2 4 4 4 6 Частота вращения, мин”1 300 300 478 424 310 210 Диаметр сита, мм 610 610 — — — — Высота сита, мм 335 610 — — — — Диаметр отверстий, мм 1,2-2,4 1,2-2,4 1,4-2,4 1,4-2,4 1,4-2,4 1,4-2,4 Мощность, кВт 5,5 10,0 10,0 17,0 30,0 75,0 Длина, м 1,43 2,00 1,58 2,20 2,60 4,01 Ширина, м 1,04 1,28 1,30 1,32 1,74 3,03 Высота, м 1,50 1,99 1,38 1,42 1,74 2,65 Масса, т 1,10 1,80 0,88 1,87 3,00 8,30
Поверхности проточных частей сортировок, смесительного насоса и свя- зывающих их трубопроводов вплоть до напорного ящика должны иметь высо- кий класс чистоты, достигаемый электрополированием. *** Рассматриваемый ранее поток бумажной массы (см. рис. 2.2.2) рассчитан на низкие концентрации массы. Однако современная техника позволяет перекачи- вать насосами массу до 15 % концентрации, очищать на вихревых очистителях массу концентрацией до 2 % и сортировать ее при концентрации 3 %. Таким образом, когда будет решена задача по отливу и формованию бумаги на сеточ- ном столе при повышенной или высокой концентрации, можно будет в целом поднять концентрацию массы в потоке и решить экологическую проблему пу- тем сокращения расхода воды и ее сбросов в водоемы. 2.2.10. Пульсации в системе подготовки бумажной массы (по данным проф. В.С. Курова) Система подготовки массы для бумагоделательной машины в основном за- крытая и содержит ряд возмущающих объектов (насосы, запорные краны, диф- фузоры, узлоловители, трубопроводы и др.), которые вызывают нежелатель- ные пульсации давления в массе, что в конечном итоге отражается на давлении и расходе массы, поступающей в НЯ — напорный ящик (рис. 2.2.6). Пульсации давления, вызванные различными агрегатами, воздействуя совместно, образу- ют широкий диапазон частот, который отрицательно влияет на равномерность распределения волокон и др. в бумажном полотне. Механизм влияния пульса- ций давления на распределение массы на сетке состоит в следующем. Акусти- ческие колебания в виде продольных упругих волн, распространяясь в среде со скоростью звука, достигают напускной щели. Таким образом, истечение струи из напускной щели напорного ящика происходит под действием переменного давления, и расход меняется пропорционально давлению. 2.2.10.1. Методика расчета пульсационных характеристик в массоподводящих системах БДМ В целях прогнозирования интенсивности пульсационных возмущений в си- стемах массоподачи при проектировании и реконструкции бумагоделательных машин создан комплексный инженерный гидромеханический метод расчета массоподводящих систем как акустических колебательных контуров на основе понятия о передаточных функциях. Передаточная функция любой сложной си- стемы с последовательно соединенными агрегатами, к которым относятся и массоподводящие системы бумагоделательных машин, равна произведению передаточных функций ее составляющих: Н (s) = fj#* (s). При этом ампли- *=i тудно-фазовая частотная характеристика, как частный случай передаточной Функции, находится перемножением амплитудно-фазовых частотных характе- ристик отдельных участков. 183
00 Пульсации давления, Па Н ЗКВОДКУЗЗККНЯ Рис. 2.2.6. Пульсации давления в системе подготовки массы для БДМ
Ро Uo' 2КИП) ZB2 Рис. 2.2.7. Расчетная схема: P‘, U' — давление и скорость пульсирующего потока; 4а — волновое сопротивление трубопровода Расчет пульсаций давления в массоподводящих системах БДМ проводится на основе передаточных функций с использованием импедансного метода. Его сущность заключается в том, что в расчетном сечении граничные условия, за- писываемые обычно для давления и скорости, объединяются в одно — их ли- нейную комбинацию. Тогда под импедансом понимают полное комбинирован- ное сопротивление, представляющее собой отношение давления к скорости в данном сечении потока. Рассмотрим участок массоподводящей системы, состоящий из двух агрега- тов: источник пульсаций (ИП) и напорный ящик (НЯ), соединенные трубопро- водом постоянного сечения (рис. 2.2.7). Расчет заключается в том, что при извест- ном значении амплитуды пульсаций давления Р/ на выходе источника пульсаций через передаточную функцию элементарного участка определяется амплитуда пульсаций Р3 на выходе напорного ящика, характеризующая качество напуска и, как следствие, равномерность бумажного полотна: Н31(<о) = Р3’(<о, £ )/Pi(<o, 0), где о — круговая частота пульсаций. Передаточная функция любой сложной си- стемы с распределенными параметрами представляет собой произведение со- ставляющих ее передаточных функций: Я31(<о) = Я21(<о)Я32(Ю). Для определения передаточных функций воспользуемся системой f л+1 № 1 эр Э/ рЯ р Эх 3U 1 ЭР Эх Е* dt ’ (2.2.1) Л+1 где тн— нестационарное касательное напряжение; У — реологический к-1 член, учитывающий аномалию вязкости в структурированном режиме; приведенный модуль упругости; U — скорость потока; R — радиус трубопрово- да; Р — плотность суспензии. Система (2.2.1) может служить для описания пульсационного движения бумажной массы в массоподающих системах бумагоделательных машин и в про- точных каналах технологического оборудования целлюлозно-бумажного произ- 185
водства. Особенностью уравнений (2.2.1) является наличие в них реологическо- го члена, характеризующего глубокие структурные изменения в суспензии при трансформации от структурированного режима к диспергированному. В диспер- гированном режиме первое уравнение системы (2.2.1) совпадает с уравнением неустановившегося движения ньютоновских жидкостей. Отличие заключается в значении касательного напряжения, значительно превосходящем аналогичную величину для ньютоновских жидкостей. При нулевых начальных условиях проведем преобразования по Лапласу уравнений (2.2.1) с использованием передаточной функции, связывающей нестационарное касательное напряжение и скорость: Яти(5) = (2.2.2) Тогда систему (2.2.1) с учетом (2.2.2) записывают так: Гр1+ЗД(,)-^ в w JH \ (2.2.3) Система (2.2.3) позволяет определить отклонение давления и скорости в любом сечении. В начале и конце трубопровода при движении вязкой сжимае- мой жидкости давление и скорость связаны системой />'(s, /) = ch [о (5)/] Р' (s,0) - ZB (s)sh [v(5)/]и' (5,0) tZ2,(5>0 = yV\5A[u(5)/]^/(5’0) + cA[u(5)/]{ZiZ (5>°) Zb Vs) (2.2.4) где у — операторный коэффициент распространения пульсаций, зависящий от реологических свойств бумажной массы, жесткости стенок и гидравлического сопротивления массоподводящих систем. Для перехода к исходной передаточной функции из системы (2.2.4) ис- ключим <7|'(s, 0) и U2'(s, I). В соответствии с определением импеданса введем граничные условия, связывающие пульсации давления в начале и конце трубо- провода соответственно с импедансами источника и напорного ящика: T’/(5,0) = Z1(5)(/1'(5,0); Р2'(5,/) = ^(5)^(5,/), (2’2 5) где Z](s), Z2(s) — импедансы в начале и конце расчетного участка. 186
Это позволяет учесть фактор отражения пульсаций давления. Подставим граничные условия во второе уравнение системы (2.2.5), обозначив ф, = [и(s)/]. После преобразований получим передаточную функцию для участка трубопро- вода с учетом отражения: Z.W z.W shy,. Аналогично определим передаточные функции для агрегатов, расположен- ных в начале и конце участка: СЙф, + Я.о С5) ~ ад Z2(5) Л 0s) 5Лф, н / х _ J ! (5)[Z1 (*И<Р/ + z, 32 S + ZB(s)[Zl(s)ch<pl+Ze(s')sh(pl" Передаточная функция агрегата определяется экспериментально на основе взаимного спектрального анализа как совокупность когерентности (у2^), амп- литудной А и фазовой ф частотных характеристик. В том случае, когда агрегат расположен в начале рассматриваемого участка, передаточную функцию записывают так: H3i(s) = H2l(s)H32(s). При этом импе- данс Zx рассчитывается по экспериментальным характеристикам А3, фь у/, а импедансы Z и Z2 — по предложенным теоретическим зависимостям. Когда агрегат расположен в конце рассматриваемого участка, передаточную функ- цию записывают так: H20(s) = Я10($)Я21($). При этом импеданс Z2 рассчитывает- ся по экспериментальным характеристикам А2, ф2, у22, а импедансы Zx и Ze — по соответствующим уравнениям. Полученные теоретические зависимости дают возможность определить пе- редаточную функцию как расчетного участка, в состав которого могут входить любые агрегаты, так и всей массоподводящей системы в целом. Обобщенная оценка динамических характеристик в системе массоподвода позволяет опреде- лить влияние любого агрегата на качество напуска, прогнозировать изменения условий напуска, а следовательно, и колебания массы 1 м2 бумаги при конст- руктивных или технологических изменениях в системе. 2.2.10.2. Расчет колебаний массы 1 м2 бумаги Колебания массы 1 м2 бумаги вычисляются через отклонения секундного расхода при напуске, вызываемые пульсациями давления в массоподающей системе БДМ. Для решения этой задачи воспользуемся общим уравнением дви- 187
жения, приняв следующие допущения: напуск осуществляется в диспергиро- ванном состоянии; движение одномерное; массовыми силами пренебрегаем. Тогда с учетом условия установившегося пульсирующего движения общее урав- нение движения принимает такой вид: dU d2U 1 ЭР , . э7“''а?- = _ра7 + /‘'ипч'+я>8'ПШЛ <2-2-6’ гае /!,. Л, - амплитуды пульсаций давления; о>„ о _ круговые частоть, ции; v - коэффициент кинематической вязкости пульса Введем граничные условия: 67(0, /) = 0; U(h, t) = 0. Функция U(y t) задана синусам^6 ’ ” ВЫСОТа КаНЭЛа’ Представим ее в «иле ряда фу^по л-1 п (2.2.7) где bn = |j67. В данном случае граничные условия выполняются автоматически. Подста- вим выражение (2.2.7) в уравнение (2.2.6). Решение этого уравнения позволяет определить пульсации скорости при напуске и перейти к отклонению секунд- ного расхода: Q(t) = ju(y,t)dy = ±£ О л+1 _ 1 ЭР h2 t 2 2 2~-д~---7—r(cosn«-l) г-т-Х Р Эх уя4 л4 V > п2п2 sin cos(0(6 + <0| 188
sino>2r — co2 cosco2z + co2 Связь колебаний массы 1 м2 бумаги с отклонением секундного расхода вы- ражает следующая зависимость: \q = к bVt где к — константа; Q(f) — изменение расхода; с0 — концентрация; b — ширина щели напорного ящика; Vc — скорость сетки. Рис. 2.2.8. Схемы гасителей колебаний давления Колебания в секунду, Гц 189
Полученные уравнения позволяют прогнозировать колебания массы 1 м2 бумаги на бумагоделательной машине в машинном направлении при модерни- зации или на стадии проектирования. Разработанная теория дает возможность решить и обратную задачу: по предельно допустимому отклонению массы 1 м2, например по значению колебаний по ГОСТу, определить максимально воз- можный уровень пульсаций давления на выходе напорного ящика и, как след- ствие, предъявить технические требования к гидравлическому оборудованию — источнику возмущений в системе массоподачи. Задача гашения пульсаций давления массы в массоподводящих системах весьма сложна, так как ее решение должно быть основано на одновремен- ном учете акустических явлений и технологического процесса системы, включающей в себя все трубопроводы и агрегаты. Явление пульсаций в бу- мажной массе массоподающей системы еще мало изучено. Известно влияние работы оборудования, скорости движения массы по трубопроводам, видов некоторых агрегатов, концентрации массы и др. Поэтому в трубопроводе перед ящиком необходимо устанавливать гасители колебаний давления 9 (см. рис. 2.2.2). Рассмотрим схемы гасителей колебаний и их частотный диапазон демп- фирования (рис. 2.2.8). Коэффициент ослабления пульсаций давления К = = 6Pex/6Ptwl, где АРВХ и ДРвых соответственно пульсации давления на входе и выходе из гасителя. На рис. 2.2.8, а представлена схема интерференционного гасителя, создающего интерференцию волн, а на рис. 2.2.8, б — схема гидро- пневматического гасителя. Принцип его работы основан на переходе энер- гии пульсаций в работу сжатия. В гасителе пульсаций (рис. 2.2.8, в) они умень- шаются за счет прохождения массы через перфорированную плиту и сжатия воздушной подушки. 2.2.11. Технологическая схема бумагоделательной машины Бумага как композитный материал включает в себя несколько компонен- тов, количественное содержание которых определяется соответствующей регу- лировкой работы дозаторов 1—6(см. рис. 2.2.1). Однородность композиции обес- печивается в смесительном бассейне. Из него бумажная масса, как указывалось ранее, перекачивается в машинный бассейн, где добавляется остаточная вода для получения необходимой концентрации (3 %). Далее масса поступает на очистку, где отделяются мелкие тяжелые части- цы: песок, известь, металл и т. п. Вихревые очистители работают на низких концентрациях, поэтому масса с концентрацией 3 % разбавляется оборотной водой. После очистки от тяжелых частиц масса подлежит очистке от воздуха в декулаторе. Затем масса вновь разбавляется до нужной концентрации, в нее вводится глинозем, и она поступает на сортирование для очистки от мелких сгустков волокон и других загрязнений (кора, костра и др.) с близким удель- ным весом и размерами более 0,5 мм. Очищенная и полностью подготовленная бумажная масса подается в на- порный ящик машины. При необходимости масса подогревается отработанным 190
паром. Часть ее идет в перелив, а для тонкого регулирования давления воздуш- ная подушка напорного ящика соединяется с компрессором (вакуумным насо- сом). Для гашения пены в спрыски напорного ящика подается свежая вода. В сеточной части напускаемая из напорного ящика струя бумажной массы под- вергается обезвоживанию, происходит формование влажного бумажного по- лотна, которое передается на пресса для обезвоживания механическим путем. Отведенная в сеточной части и прессах вода собирается в сборник, из которого используется для разбавления. Для создания разрежения в отсасывающих ящи- ках и валах к ним подключаются вакуумные насосы. Отходы, образованные в результате обрыва полотна, направляются в гидроразбиватель и аккумулируют- ся для дальнейшего использования. После прессования мокрое бумажное полотно поступает в сушильную часть, где влага удаляется до сухости примерно 93 %. Сушка осуществляется паром, нагревающим поверхности цилиндров. Отработанный конденсат и пар из ци- линдров направляются на ТЭЦ или для других нужд. Из-под колпака сушиль- ной части перед выбросом в атмосферу горячий воздух в смеси с парами воды проходит через теплообменник для подогрева свежего воздуха, поступающего извне под колпак сушильной части. Готовая бумага каландрируется для повышения ее плотности и гладкости и наматывается в рулон на накате. Далее рулон разрезается на станках продольной резки до стандартного размера либо подвергается суперкаландрированию или резке на листы. На рис. 2.2.1 представлена замкнутая система машин с прямыми и обрат- ными связями (оборотная вода и тепло), несколькими входами (полуфабрика- ты, вода, воздух, тепловая и электрическая энергия) и выходами, включаю- щими в себя основную продукцию и утилизируемые дополнительные выходы, используемые на другие нужды (на схеме отмечены кружками). КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Перечислите исходные данные для разработки БДМ (КДМ, СМ). 2. Что собой представляет технологическая схема машины? 3. Расскажите о процессе составления композиции бумажной массы. 4. Что собой представляет схема короткой циркуляции? 5. Что собой представляют машинные бассейны? 6. Расскажите о насосах в схеме короткой циркуляции. 7. Что собой представляют мельницы в качестве рафинеров? 8. Что собой представляют вихревые конические очистители (центриклинеры)? 9. Что собой представляют декулаторы? 10. Что собой представляют машинные сортировки? И. Каковы возможности повышения концентрации бумажной массы в схеме корот- кой циркуляции? 12. Что собой представляет расчет и гашение пульсаций давления бумажной массы в схемах массоподвода? 191
2.3. НАПОРНЫЙ ЯЩИК 2.3.1. Функции массонапускных устройств Основным назначением массонапускных устройств бумаго-, картонодела- тельных и сушильных машин является подача надлежащим образом подготов- ленной бумажной массы на сетки этих машин. Напуск бумажной массы на сетку оказывает большое влияние на качество получаемого полотна бумаги (карто- на) и в целом на бесперебойную, высоконадежную работу машины. Данная глава посвящена напорным ящикам — основному типу массона- пускных устройств плоскосеточных машин и машин с двухсеточным формова- нием. Поскольку массонапуск круглосеточных машин и машин с наклонной сеткой выполняется конструктивно совместно с соответствующими формую- щими устройствами (например, прямо- и противоточные ванны совместно с круглосеточными цилиндрами), описание этих массонапускных устройств бу- дет дано вместе с описанием формующих устройств. К напорному ящику поток бумажной массы подается по массопроводу обычно в направлении, перпендикулярном ходу машины, либо иногда в ма- шинном направлении. Течение бумажной массы в напорном ящике описывается уравнением, предложенным Терентьевым и Куровым и учитывающим реологические осо- бенности массы (см. раздел 1.2.3): dV - (s±J А р — = pF - grad Р + div £ 4fce’a‘Ya + (цэ + цт)у(> . «» ) На сетку из напускной щели напорного ящика бумажная масса подается в виде плоской струи шириной немного меньше ширины сетки и высотой (толщиной), соответствующей массе 1 м2 получаемого бумажного полотна и концентрации массы при напуске (с учетом потерь твердой фазы при обезвоживании на сетке). Для достижения необходимого качества бумажного полотна скорость бу- мажной массы при напуске должна быть почти равной скорости движения сет- ки (сеток): Гм= 0,9—1,1Кс. В напорном ящике обеспечивается требуемая структура потока бумажной массы при напуске, а также изменение геометрической формы и, если нужно, направления этого потока. Напорный ящик является заключительным звеном в системе подачи бу- мажной массы на машину. Он должен, помимо указанного, обеспечивать: постоянство расхода (скорости) и концентрации потока бумажной массы по ширине напуска, а следовательно, постоянство массы 1 м2 получаемого бу- мажного полотна в поперечном направлении; постоянство скорости и концентрации потока массы во времени (стабиль- ность потока), т. е. постоянство массы 1 м2 бумажного полотна в машинном направлении; 192
высокий уровень диспергированности подаваемого на сетку потока бумаж- ной массы, что определяет равномерность бумаги на просвет и в конечном счете улучшает большинство характеристик бумажного полотна; слоистый (стратифицированный по волокну) характер потока массы при напуске, а следовательно, максимальные контакты между волокнами в готовом бумажном полотне и тем самым необходимую прочность бумажного полотна. Кроме того, необходимо добиваться отсутствия поперечных струй и завих- рений в подаваемой на сетку струе массы, выдерживать требуемый угол встре- чи струи и сетки. На всем протяжении движения потока бумажной массы в напорном ящике следует устранять застойные зоны, выпадение волокон из потока, вовлечение в него воздуха. В целом в напорном ящике внутри волокнистой суспензии должна быть в основном сформирована внутренняя структура бумажного полотна, которая далее в основном фиксируется на сетке и доводится до кондиционных парамет- ров готовой продукции на последующих частях машины. Рассмотрим напорные ящики и их работу более подробно. Соотношение между скоростью массы при напуске и скоростью сетки имеет вид где Км — скорость массы, поступающей на сетку, м/мин; И — скорость сетки, или окружная скорость вращения формующего цилиндра, м/мин. При значительном превышении скорости массы по сравнению со скоростью сетки могут образовываться наплывы массы на сетку, что приводит к ухудше- нию макроструктуры бумаги и снижению показателей прочности. При обрат- ном соотношении увеличивается анизотропия бумажного листа. И в том, и в другом случае затрудняются регулирование массы 1 м2 бумаги по длине полотна и управление степенью ориентации волокон. Практика показывает, что при выработке большинства видов бумаг VM при- близительно равна или, чаще, немного меньше Vc. Рассмотрим влияние соотношения скоростей массы и сетки на неравно- мерность просвета бумаги (табл. 2.3.1). Для плоскосеточных машин справедливо, что с увеличением скорости ма- шины значение Км возрастает, оставаясь, как правило, меньше единицы. Теоретическая скорость поступления массы на сетку определяется по фор- муле Торичелли Vm = ./2g/z, м/мин, где g — ускорение силы тяжести, м/с2; h — напор массы перед выпускной ще- лью напорного ящика, м. Фактическая скорость поступления массы на сетку выражается формулой Км = цИ, м/мин, где ц _ коэффициент вытекания массы. 193
Таблица 2.3.1 Влияние К* на неравномерность просвета бумаги Вид бумагодела- тельной машины Соотношение скоростей Км Неравномерность просвета, (отн. ед.) 0,96 70 Плоскосеточная 0,98 65 средней произво- 1,00 63 дительности 1,02 66 1,04 72 0,96 61 0,98 59 С двусторонним 56 обезвоживанием 1,00 (PapriFormer) 1,02 58 1,04 64 Величина коэффициента вытекания находится в зависимости от формы выпускного отверстия, наличия местных сопротивлений вытеканию потока, концентрации массы, степени ее разработки, реологических характеристик массы, величины потока массы. Значение ц всегда меньше единицы, для совре- менных напускных устройств ц = 0,95—0,99. Фактическую скорость поступления массы на сетку можно определить так- же из уравнения баланса массы на бумагоделательной машине Км = 0,001KSg(100-EK) (100 - m)cla , м/мин, где V— скорость бумагоделательной машины, м/мин; В— ширина полотна бумаги на накате, м; q — масса 1 м2 бумаги, г; W— влажность вырабатываемой бумаги на накате, %; т — количество отходов а. с. вещества на машине, %, т = ^А /h00% А (А — а. с. вещество, поступающее за определенный отрезок времени из напор- ного ящика на сетку, кг; Б — а. с. вещество, полученное за то же время на накате, кг); с — концентрация массы, поступающей на сетку, %; I — ширина щели, м; а — высота выпускной щели, м. Отход а. с. вещества т зависит главным образом от удержания компонентов бумажной массы в мокрой части бумагоделательной машины и может коле- баться в широких пределах — от 10 до 50 %. w Скорость массы Vu обеспечивается величиной напора массы h, определяе- мой из следующего выражения: й = ГКС КМАГ2 Л; — ц, м, 60ц 12g 194
где Кс — коэффициент отставания скорости сетки V от скорости бумаги V на накате, зависящий от вида бумаги (находится в пределах 0,90-0,95); — отно- шение скорости массы к скорости сетки; ц — коэффициент вытекания массы; g = 9,81 м/с2 — ускорение силы тяжести. При напоре до 1,0—1,5 м устанавливаются напорные ящики открытого типа (на старых тихоходных машинах иногда встречается напуск в линейках), при большем напоре используются напорные ящики закрытого типа. Как указывалось ранее, напускные устройства обеспечивают определен- ный угол встречи струи массы и сетки машины, а также место контакта массы с сеткой. С увеличением угла встречи и расстояния между вертикальной осью грудного вала и местом контакта массы с сеткой удержание компонентов бу- мажной массы уменьшается, а скорость обезвоживания увеличивается. Анизотропия бумажного листа Бумажный лист обладает той или иной степенью анизотропности, т. е. по- казатели ее прочности в машинном и поперечном направлениях различаются по значению. Например, прочность на разрыв у большинства видов бумаги и картона в два-три раза (иногда в пять-шесть раз) выше в машинном направлении, чем в поперечном. Анизотропия обусловлена преимущественной продольной ориентацией волокна в бумажном листе, которая, в свою очередь, зависит от соотношения скоростей потока бумажной массы при напуске и сетки. Для большинства видов бумаги приемлемым является средний уровень анизотропии для прочности на разрыв на уровне 2—3:1. Определенные труд- ности представляет обеспечение постоянства профиля ориентации по шири- не машины, особенно для высокоскоростных широкоформатных бумагодела- тельных машин. Это связано с так называемыми краевыми эффектами, вызывающими большой разброс в ориентации волокон на кромках полотна. Такая зона на широкоформатных машинах может достигать 2 м от обеих кро- мок бумажного полотна. Для ликвидации этого эффекта существуют специ- альные технические решения, используемые в современных напускных уст- ройствах. Следует отметить, что для некоторых видов бумаги (мешочная) и карто- на (плоские слои гофрокартона) требуется минимальная анизотропия (1,0— 1>5:1), чего достичь путем превышения скорости массы по отношению к скорости сетки не удается, так как последнее приводит к частичной дезори- ентации волокон в тонком слое, прилегающем к сетке бумагоделательной машины. Возможность получения бумаги и картона с минимальной анизотропией появилась с созданием современных напускных устройств гидродинамического типа и двухсеточного формования, особенно при подаче струи массы в зазор между формующими сетками. Тормозящее действие формующих сеток приво- дит к дезориентации волокон в верхнем и нижнем слоях бумаги, оставляя ори- ентированными только средние слои листа. 195
Концентрация массы в напускных устройствах Концентрацию массы выражают в процентах (С, %) либо в граммах а. с. вещества на 1 л массы (Сь г/л). Между указанными величинами существует соотношение Концентрация массы в напускном устройстве — один из основных пара- метров технологического процесса производства бумаги и картона, что под- тверждается следующими положениями: концентрация в напускном устройстве минимальная во всем технологиче- ском потоке, она определяет количество воды, которое должно быть удалено на бумага-, картоноделательной или сушильной машине, а также объем бумажной массы, подведенный к напускному устройству от смесительного насоса; концентрация в напускном устройстве определяет реологические характе- ристики бумажной массы, способность ее к флокуляции и диспергированию; чем меньше концентрация бумажной массы, тем больше ее способность к дис- пергированию; концентрация в напускном устройстве в значительной степени влияет на удержание компонентов бумажной массы в сеточной части бумагоделательной машины: чем больше разбавление, тем меньше удержание; концентрация в напускном устройстве влияет на показатели прочности готовой продукции; более высокое разбавление улучшает большинство показа- телей прочности благодаря лучшей ориентации волокон в горизонтальной плос- кости и снижению неравномерности макроструктуры. Таблица 2.3.2 Концентрация бумажной массы в напускном устройстве для различных вадов продукции Вид продукции Масса 1 м2 продукции, г Концентрация массы, % Примечание Газетная бумага 42,0-48,8 0,35-0,60 Офсетная бумага 60-80 0,60-0,80 90-120 0,80-1,20 Мешочная бумага 70-80 0,20-0,40 Обойная бумага 100-130 0,80-1,20 Однослойная 100-130 0,60-0,80 Двухслойная Санитарно-гигиеническая бумага 17-32 0,20-0,35 Картон для плоских слоев гофрокартона 150-200 0,80-1,20 Плоскосеточная КДМ 150-200 0,50-0,70 Многослойное формование Бумага для гофрирования 120-170 0,70-1,00 Целлюлозная папка 600-800 1,80-2,20 196
Оптимальное значение концентрации массы в напускном устройстве зави- сит от ряда факторов. Перечислим основные из них: вид вырабатываемой продукции; масса 1 м2 бумажного полотна; композиция бумаги или картона; степень разработки волокна; наличие наполнителя; использование химических вспомогательных веществ; обезвоживающая способность сеточного стола. В табл. 2.3.2 представлена характеристика концентрации бумажной массы в напускных устройствах для различных видов продукции. Требования к современным напускным устройствам Диспергирование бумажной массы, необходимое для отлива бумажного полотна с равномерной макроструктурой, достигается следующими техниче- скими приемами и конструктивными решениями: разбавление бумажной массы, уменьшающее флокуляцию; создание интенсивной турбулентности, достаточной для разрушения фло- кул; при этом масштаб турбулентности должен быть минимальным, что обес- печивает малые колебания массы 1 м2 бумаги; пропуск бумажной массы через сужающиеся отверстия, позволяющие ме- ханически разрушать образовавшиеся флокулы; как правило, такой техниче- ский прием эффективен для предварительного разрушения крупных флокул. Гашение пульсаций скорости (давления), возникающих в процессе раз- бавления, очистки и сортирования бумажной массы, осуществляется таким образом: устранение источников пульсаций, т. е. создание безпульсационных корот- ких схем оборота бумажной массы (подсеточной воды); гашение пульсаций за счет большого объема бумажной массы в напускных устройствах закрытого типа и наличия в них воздушной подушки; создание специальных демпферных систем, охватывающих весь диапазон частот пульсаций. Равномерное потокораспределение, обеспечивающее постоянство давления массы на выходе из потокораспределителя, достигается следующими путями: сужающейся конической или параболической формой подводящей трубы потокораспределителя (коллектора); переливом бумажной массы на выходе коллектора в целях выравнивания Давления по его длине; подачей массы из потокораспределителя в камеру напускного устройства через ряд распределительных трубок или через отверстия перфорированной плиты, что обеспечивает создание потока без перекрещивающихся струй и та- кую турбулентность, которую можно погасить в выравнивающих устройствах (Рис. 2.3.1). Постоянство поперечного профиля бумажного полотна по толщине и мас- се 1 м2 достигается: 197
Машинное направление Лв< ~ Л» ~ Лзу....... Ллу Л1» ~ Лзх»= Лзю.......= Лл'Ю Рис. 2.3.1. Схема потокораспределения на входе в напорный ящик: P(iy> Лзу> •••> Л»у ~ Давление массы на выходе из погокораспределителя; Лоо, Лг)о> —> Л«>о ~ давление массы на входе в напорный ящик автоматическим регулированием профиля выпускной щели; высокой точностью изготовления и минимальной деформацией конструк- тивных элементов напускного устройства; стабилизацией поперечного профиля полотна путем регулируемого точеч- ного разбавления бумажной массы в напускном устройстве по местам колеба- ния концентрации бумажной массы. 2.3.2. Напорные ящики открытого типа Напорные ящики открытого типа применяются на плоскосеточных ма- шинах при скорости машины до 200—250 м/мин. Напор создается высотой слоя массы в ящике перед напуском на сетку. Например, открытый напорный ящик ЯО-02 конструкции ЦНИИбуммаша предназначен для работы машины со скоростью до 180 м/мин (рис. 2.3.2). Он имеет потокораспределитель пря- моугольного сечения с двухступенчатой перфорированной плитой, обеспечи- вающей равномерное распределение суспензии бумажной массы по ширине машины. Струи, вытекающие из отверстий перфорированной плиты, разби- ваются о поверхность расположенного рядом перфорированного вала и обра- зуют равномерный поток, проходящий через полость ящика. Для создания необходимой турбулентности предусмотрена также поперечная перегородка, которая, резко увеличивая скорость потока, предотвращает оседание волокон и их флокуляцию. Передняя стенка ящика подвижная: ее можно перемещать, регулируя высоту выпускной щели между нижней и верхней губами, и пере- двигать по ходу потока, изменяя место встречи струи с сеткой машины. Верх- няя губа, установленная в конце передней стенки, имеет приспособления для местного регулирования высоты щели и указатели, фиксирующие деформа- цию губы. 198
Рис. 2.3.2. Напорный ящик открытого типа: 7— коллектор-потокораспределитель; 2— перфорированная плита; 3— перфорированные валы; 4— корпус ящика; 5— передняя стенка; 6— механизм регулирования напускной щели; 7— щит; 8~ пеногаситель; 9 — верхняя губа; 10 — нижняя губа Для равномерного распределения массы перед выходом на сетку установ- лен второй перфорированный вал. Напорный ящик снабжен также спрысками-пеногасителями, положение которых можно регулировать. 2.3.3. Напорные ящики закрытого типа Закрытые напорные ящики применяются при скорости машины более 200 250 м/мин. Напор массы перед выходом ее на сетку может быть создан двумя способами: создание давления воздуха или, иногда, разрежения — в зависимости от скорости машины — в верхней части напорного ящика (в дополнение к напо- РУ, создаваемому высотой слоя массы в ящике перед напуском); 199
Рис. 2.3.3. Универсальный напорный ящик фирмы KMW: 7— потокораспределитель; 2— перфорированная пластина; 3 — перфорированные валики; 4 — перелив избыточной массы подача массы через потокораспределитель осевым насосом. Универсальный напорный ящик фирмы KMW (рис. 2.3.3) является вариан- том классического напорного ящика с перфорированными валиками и воз- душной подушкой. Ящик предназначен для плоскосеточных бумаго- и карто- ноделательных машин, а также для пресспатов, пригоден для широких диапазонов скоростей и ширины машины, массы 1 м2 листа и вида продукции и легко устанавливается на действующей машине. Система первичного распределения состоит из конического потокораспре- делителя 1 (перпендикулярного ходу сетки) с односторонней подачей массы, перфорированной пластины 2 и тормозного элемента. При прохождении массы через перфорированную пластину наблюдается значительное падение напора и направление потока изменяется на 90°, т. е. он становится параллельным сетке. Тормозной элемент представляет собой перфорированный валик 3, эффектив- но рассеивающий струи, выходящие из перфорированной пластины. Второй перфорированный валик 3 стабилизирует поток перед его поступлением в вы- пускную щель. Уровень массы в напорном ящике поддерживается постоянным благодаря переливу 4. Скорость истечения массы регулируется давлением в воз- душной подушке, которая частично гасит пульсацию давления в массе. Перед- няя стенка имеет верхнюю губу. Для регулирования массы 1 м2 по ширине по- 200
лотна используется верхняя губа выпускной щели, профиль которой может изменяться с помощью маховичков. Универсальный напорный ящик обеспечивает: равномерное распределение массной суспензии по ширине сетки; равномерное давление массы по всей ширине машины, регулируемое с помощью вентиля в рециркуляционной линии; высокий дефлокулирующий эффект на выходе, равномерную макрострук- туру листа, высокую механическую стабильность конструкции: максимальный прогиб передней стенки и нижней части выпускной щели составляет 0,2 мм, боковых стенок и крышки — 1 мм, перфорированных валиков — 1—2 мм, пото- кораспределителя — 0,5—1,0 мм. Рис. 2.3.4. Напорный ящик закрытого типа: 1 — коллектор-потокораспределитель; 2 — перфорированная плита; 3 — перфорированные валы; 4 — корпус ящика; 5 — передняя стенка; 6 — механизм регулирования щели; 7 — пеногаситель; 8 — воздушная подушка 201
ЦНИИбуммаш разработал напорный ящик закрытого типа с турбулизирую- щим блоком (рис. 2.3.4). Напорный ящик включает в себя корпус, коллекторную камеру с двухступенчатой перфорированной плитой, два перфорированных вала с регулируемой частотой вращения, переднюю стенку с механизмами регулирова- ния, пеногасители, контрольно-регулирующую аппаратуру для поддержания по- стоянного уровня массы в ящике и постоянного давления воздушной подушки. Поток массы, поступающей в напорный ящик, распределяется по ширине машины коллекторной камерой переменного прямоугольного сечения, прохо- дит через отверстия перфорированной плиты из оргстекла, стабилизируется двумя вращающимися перфорированными валами. Передняя стенка придает потоку массы плавное ускорение (до скорости сетки). Верхняя губа, установленная в конце передней стенки, имеет приспо- собление для местного регулирования ширины щели и указатели, показываю- щие деформацию губы. Общее открытие щели и перемещение верхней губы по отношению к ниж- ней по горизонтали обеспечивается механизмами, установленными на крышке ящика. В конструкции ящика предусмотрены люки, смотровые стекла, освети- тели, мостки для обслуживания. Все внутренние поверхности ящика облицова- ны полированными листами нержавеющей стали. Для уменьшения прогиба передняя стенка ящика закреплена на расстоя- нии 1/4 ширины ящика. Предусмотрен перелив массы, насыщенной воздухом, и пены. Для удоб- ства промывки и ремонта коллекторная камера с перфорированной плитой откидывается вниз. Рис. 2.3.5. Напорный ящик с управляемым потоком 202
Напорный ящик может поставляться комплектно с системой автоматичен ского управления, ручным или дистанционным регулированием профиля вы- пускной щели. Во ВНИИБе разработан напорный ящик с управляемым потоком для бу- магоделательных машин, вырабатывающих бумагу массой от 25 до 250 г/м2 с обрезной шириной до 5—6 м и работающих со скоростью от 50 до 500 м/мин (рис. 2.3.5). Отличительной особенностью данного напорного ящика является возможность регулирования размеров и геометрической формы основных узлов ящика: коллектора потокораспределителя, длины проточной части корпуса ящика, профиля верхней губы в массонапускной щели ящика; конструкция ящика предусматривает установку сменной высокоэффективной перфориро- ванной плиты. Конструкция напорного ящика обеспечивает: существенное улучшение макроструктуры бумажного листа; минимальные отклонения массы 1 м2 по ширине и длине полотна. 2.3.4. Напорные ящики гидродинамического типа Напорные ящики гидродинамического типа предназначены для использо- вания с современными формующими устройствами с двусторонним обезвожи- ванием. Они пригодны также для плоскосеточных бумаго- и картоноделатель- ных машин. Напор массы в гидродинамических ящиках создается насосом, подающим бумажную массу в потокораспределитель, воздушная подушка в та- ких ящиках обычно отсутствует. Ведущими машиностроительными фирмами разработан ряд напорных ящи- ков гидродинамического типа для формующих частей различных конструкций и широкого ассортимента видов бумаги и картона. Рассмотрим принципиальную схему напорного ящика гидродинамическо- го типа фирмы Escher Wyss (рис. 2.3.6). Напорный ящик предназначен для уста- новки на плоскосеточных машинах. Его важнейшим элементом является блок ступенчатых диффузоров, выполняющий следующие функции: ориентация потока бумажной массы, выходящего из потокораспределите- ля 3, в машинном направлении; обеспечение равномерной скорости истечения суспензии по всей ширине машины, выравнивание профиля скоростей бумажной массы, выходящей из диффузоров; создание контролируемой турбулентности для разрушения флокул. Напускные устройства со ступенчатыми диффузорами устанавливаются на плоско- и круглосеточных машинах, производящих различные виды бумаги и картона. При расходе суспензии 250—600 л/мин на 1 м ширины достаточно одного ряда элементов ступенчатого диффузора, при больших расходах уста- навливается несколько рядов один над другим. Максимальное отклонение мас- сы 1 м2 по ширине полотна составляет ±1,5 % при ширине 5400 мм. Такие напускные устройства устанавливаются и на бумагоделательных ма- шинах с отсасывающим грудным валом, выпускающих санитарно-гигиениче- ские виды бумаги с максимальной скоростью 1500 м/мин и шириной 5300 мм. 203
Рис. 2.3.6. Напорный ящик гидродинамического типа фирмы Escher Wyss (а) и схема блока ступенчатых диффузоров (б) 1 _ устройство для выпуска массы на сетку; 2 — блок ступенчатых диффузоров; 3 — потокораспределитель Рис. 2.3.7. Напорный ящик Converflo (фирма Beloit): 1 — блок трубок; 2 — успокоительная камера; 3 — перфорированная плита; 4, 5— регуляторы выпускной щели; 6— Converflo-листы
Эти напускные устройства применяются также в производстве писче-печатных видов бумаги с различной шириной сетки (до 8000 мм). Фирма Beloit разработала напорный ящик, получивший название Converflo (рис. 2.3.7) и обеспечивающий получение стабильной струи выходящей массы, характеризующейся интенсивной микротурбулентностью при высокой степени диспергирования. Из конического потокораспределителя масса поступает в блок трубок 1 с малым живым сечением на входе и большим — на выходе. Блок конических трубок перегораживает поперечное сечение ящика. После трубчато- го блока масса попадает в выравнивающую, или успокоительную, камеру 2. Далее масса проходит через перфорированную плиту 3 и поступает в каналы, образованные Converflo-листами 6, представляющими собой тонкие пласти- ны, расположенные в горизонтальной плоскости и закрепленные одним кон- цом в перфорированной плите. Противоположные незакрепленные концы пла- стин доходят почти до напускной щели и создают подвижную систему, хорошо гасящую завихрения в массе. В узких длинных каналах (как в трубках 7, так и между листами Converflo) размер турбулентных завихрений в потоке (масштаб турбулентности) не пре- вышает малого поперечного размера потока, что обеспечивает мелкомасштаб- ную турбулентность потока и, следо- вательно, малый размер флокул в нем. Это способствует мелкооблачному просвету готового бумажного листа. Благодаря большим поперечным градиентам скоростей в узких длин- ных каналах и растаскиванию воло- кон под действием сил вязкого тре- ния происходит разрушение флокул в потоке (см. также раздел 1.2.3). В целях устранения пульсаций разработано специальное демпфиру- ющее устройство в виде мембраны с регулируемым давлением, монтируе- мой во входном коллекторе напорно- го ящика. Дальнейшее усовершенство- вание привело к созданию демпфера канистрового типа, который монти- руется непосредственно в трубопро- водную систему. Для напорного ящика Converflo характерны простота конструкции, отсутствие внутренних вращающихся Деталей, малый объем находящейся под давлением массы. Конструкция на 50% легче, чем яшик с перфориро- ванными валиками. Такие напорные ящики можно использовать на высо- Рис. 2.3.8. Напорный ящик Concept IV-TM (фирмы Beloit и Mitsubishi): / — впрыскивающая трубка; 2 — выходное . сопло; 3 — листы Converflo; 4 — коллектор 205
Рис. 2.3.9. Напускное устройство Sim Flo Т (фирма Valmet): 1 — коллектор; 2 — микротурбулизатор; 3 — напускное сопло; 4— грудной вал; 5— воздушная подушка Рис. 2.3.10. Модификация напускного устройства Sim Flo (фирма Valmet): /— напускное сопло; 2 — микротурбулизатор; 3 — многотрубная конструкция; 4 — коллектор 206
коскоростных плоскосеточных машинах, а также в формующих устройствах с двусторонним обезвоживанием при выработке широкого ассортимента бумаги и картона. Новым поколением Converflo является разработанный компаниями Beloit и Mitsubishi напорный ящик Concept IV-TM (рис. 2.3.8). В этой модели использу- ются сужающийся параболический коллектор и пучок труб для распределения в поперечном направлении, а также концевое сопло, имеющее листы Converflo для регулирования турбулентности потока, выходящего на сетку. Главная особенность модели Concept IV-TM заключается в том, что пучок труб и выходное сопло расположены на одной линии, благодаря чему не про- исходит изменений в направлении потока бумажной массы. Это создает высо- кую гидравлическую стабильность и малые колебания массы 1 м2. Такая высо- Рис. 2.3.11. Гидравлический напорный ящик W-типа (фирма Voith): 1 — коллектор; 2 — пучок труб; 3 — выравнивающая камера; 4 — узкие длинные каналы; 5— перелив массы; 6— воздушная подушка; 7— верхняя губа; 8— напускное сопло 207
кая стабильность позволяет устранить губу выпускной щели с регулируемым профилем. Эта губа и все сопряженные с ней механизмы заменены системой контроля и регулирования концентрации массы по всей ширине потока. В напорном ящике Concept IV-TM профиль массы 1 м2 регулируется из- менениями локальной концентрации с помощью специальной системы впрыс- кивания. Каждая впрыскивающая трубка осуществляет дозирование оборотной воды в коллектор непосредственно в поток массы, вытекающий из какой-либо одной трубки напорного ящика. Фирмой Valmet разработано семейство напускных устройств Sim Flo для различных видов продукции и формующих устройств. Напускное устройство Sim Flo Т (рис. 2.3.9) предназначено для примене- ния на широкоформатных и быстроходных картоноделательных машинах. Уст- ройство оснащено двумя многотрубными конструкциями, обеспечивающими равномерное распределение волокон в напускной струе, и воздушной камерой для эффективного гашения пульсаций и отвода пены. Хорошее диспергирова- ние волокна достигается за счет эффективной турбулентности, создаваемой микротурбулизатором. Рассмотрим модификацию напускного устройства Sim Flo для быстроход- ных машин с двусторонним обезвоживанием (рис. 2.3.10). Устройство рассчита- но на скорость до 1800 м/мин и предназначено для выпуска газетной и писче- печатных видов бумаги. Колебания массы 1 м2 по ширине машины не превышают 1,0-1,5 %. Конструкция напускного устройства Sim Flo обеспечивает высокую стабильность потока массы, оптимальную ориентацию волокон, снижение про- блем, связанных с краевыми эффектами. Фирма Voith разработала конст- Рис. 2.3.12. Смесительный блок для напорного ящика Module Jet (фирма Voith Sulzer): / параболические коллекторы; 2~ регулирующий клапан; 3— дроссель; 4— смесительная камера рукцию гидродинамического напорно- го ящика W-типа (рис. 2.3.11). Конст- рукция обеспечивает равномерный профиль скорости истечения массы по ширине машины. Напорный ящик не имеет внутренних движущихся или вращающихся частей, занимает мало места и успешно применяется при вы- работке различных видов бумаги и кар- тона на машинах с любой шириной и скоростью. Современные разработки фирмы Voith Sulzer представлены напорным ящиком Module Jet (рис. 2.3.12). Он обес- печивает выпуск высококачественных видов бумаги для печати с минималь- ными колебаниями по массе 1 м2, ха- рактеристикам механической прочнос- ти и равномерности макроструктуры. Регулирование массы 1 м2 и ори- ентации волокон в листе обеспечива- 208
ется контролируемым введением в смесительную камеру оборотной воды низ- кой концентрации из потокораспределителя параболического типа. Напорный ящик Module Jet эффективно работает на высокопроизводитель- ных бумагоделательных машинах, в частности в потоках по производству газет- ной бумаги массой 40,0—48,8 г/м2, содержащей термомеханическую массу и ма- кулатуру. Скорость машин — до 1700 м/мин, обрезная ширина — до 9000 мм. 2.3.5. Напускные устройства для многослойного отлива Гидродинамическая стабильность потока бумажной массы, обеспечиваемая современными конструкциями напускных устройств, позволила осуществить мно- гослойное формование бумаги и картона из одного напорного ящика. Такое фор- мование получило название “структурное формование”, к преимуществам кото- рого следует отнести: возможность различной композиции по слоям многослойных картона и бу- маги; Рис. 2.3.13. Схема формующего устройства ControfloFormer (фирма Tampella): 1 — трехслойное напускное устройство; 2— формующие сетки; 3— гауч-вал; 4— отсасывающие устройства 209
Рис. 2.3.14. Трехканальное напускное устройство Strataflo (фирма Beloit): 1— потокораспределитель; 2— каналы для массы; 3— Converflo-листы; 4— грудной вал возможность введения наполнителей, проклеивающих веществ, химиче- ских вспомогательных веществ в те слои, где это необходимо; получение окрашенной бумаги путем введения красителей только в по- кровный слой; оптимальное использование различных фракций волокна при его фракци- онировании. Структурное формование целесообразно использовать как для картона, так и для многих видов бумаги, вплоть до санитарно-гигиенических. Принципиальная схема формующего устройства ControfloFormer представ- лена на рис. 2.3.13 (фирма Tampella), а напускное устройство Strataflo фирмы Beloit — на рис. 2.3.14. По мнению специалистов ведущих зарубежных фирм, структурное формо- вание — одно из перспективных направлений совершенствования производ- ства бумаги и картона. 2.3.6. Напускные устройства для бумажной массы повышенной концентрации Повышение концентрации массы при отливе позволяет: уменьшить длину сеточного стола; м сократить расход энергии на обезвоживание и транспортирование бумаж- ной массы; 210
1 2 3 Рис. 2.3.15. Схема напускного устройства для напуска массы повышенной концентрации: 1 — цилиндрические отверстия; 2 — сужающаяся щель; 3 — смесительная камера; 4 — канал гашения турбулентности; 5 — отклоняющая камера; 6 — ускоряющий канал уменьшить габариты бассейнов и трубопроводов; снизить нагрузки на очистную аппаратуру благодаря уменьшению объемов сточных вод; повысить сухость после прессования и удержание компонентов бумажной массы. Специальная конструкция напускных устройств для массы повышенной концентрации может увеличить концентрацию при напуске до 3—4 %. При этом в напускном устройстве образуется сравнительно равномерная волокнистая структура, значительная часть волокон в которой при напуске отклоняется от горизонтальной плоскости. Бумага становится более пухлой, сопротивление рас- слаиванию и раздиранию у таких материалов выше, а разрывная длина ниже, чем при отливе из массы низких концентраций. Рассмотрим напускное устрой- ство для массы повышенной концентрации (рис. 2.3.15). В зоне диспергирования, благодаря удару потока о стенку камеры, проис- ходит быстрое диспергирование массы с последующим формированием трех- мерной волокнистой структуры в канале гашения турбулентности. Использование отлива из массы повышенной концентрации перспективно при формовании бумаги для гофрирования, внутренних слоев коробочного кар- тона, некоторых видов бумаги и картона с повышенными пухлостью, впитыва- ющей способностью и воздухопроницаемостью. 2.3.7. Гидродинамический расчет напо