现代纸机压榨部振动及减振方法的研究

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工程振动问题-直是科学研究领域和工程技术领域重要的研究课题之-。目前，国内造纸机械正朝高车速、大幅宽、复杂、自动化程度高、绿色化的方向发展。在设计和使用这类造纸机械时，振动问题越来越受到人们的重视。

造纸机压榨部对振动比较敏感 ，是较易发生振动的部件之- ]。压榨部作为纸张生产中的关键工段，剧烈振动会影响成纸质量l2 J。此外，由振动引起 的巨大噪声造成现今造纸车间恶劣的工作环境，甚至阻碍整台纸机的正常运行，引起非计划性停机 。对于仅为了减少或消除压榨部振动及造成的后果而采取的造纸机械运行状态、生产过程的监测与故障诊断等问题 ，已有研究人员做了大量有益的研究工作 。 ，包括理论的研究发展、监测仪器以及诊断系统的开发与研制。目前，造纸机械状态监测与故障诊断方面的研究和应用不断得到推广。例如，镇江金东纸业1998年配套使用了美国 ABB公司的在线智能诊断系统和美国 CSI公司的离线监测系统；此外 ，湖南泰格林纸集团2008年投产的纸机也配用了 Metso的纸机性能故障监测系统。然而，造纸机械的监诊主要致力于压榨部结构或系统发生故障之后的研究，只是制定故障设备维修策略的基础，并不能延长初始无故障工作时间。如何降低结构振动，使其不超过某-限量以满足大型关键机械设备的运行要求，即如何在故障发生前就进行关键设备振动的控制，针对这些问题已涌现了许多减振方法，其中不乏传统的被动减振方法和先进的主动减振方法，且其贯穿于结构或系统使用过程的始末。这些减振方法的研究已被推广应用在航空航天、土木、建筑、汽车、军用工业等领域，并取得了较理想的减振效果 ，而关于造纸机械减振方法研究、应用的报道较少。因此，开展造纸机械尤其是纸机压榨部减振方面的研究及应用是造纸工业发展的迫切需要，具有重大的工程实用意义。

为此，笔者在现代纸机压榨部振动原因分析的基础上，提出了被动、主动减振方法，并利用振动理论加以探讨，最后引出推广应用主动减振方法需解决的问题，以期为今后压榨部减振技术方案的研究、制定提供理论依据和新思路。

1 压榨部的功能与结构特征压榨部是继网部之后的又-重要脱水工段，主要通过机械挤压的方式降低湿纸幅的含水量，使水分含量由80%降到50% ～65%，以使进入干燥部纸幅的干度得到提高。此外，通过压榨部后，纸幅表面质量有所 改善，成 纸 的紧度和强 度也有 -定程度 的提高 。

压榨部的结构非常复杂。例如，国内某纸厂的4800/550型纸机 (幅宽4800 mm，车速550 m/min)，四叠网，大辊径压榨，生产定量为 170 g/m 的牛皮箱纸板，图1为其核心部件--压榨部操作侧视图。

该纸机压榨部有3个压区，每个压区各由2个压榨辊组成。-压区上辊为盲孔包胶辊，下辊为真空压收稿 日期：2012-12-19作者简介：屈云海，男，1987年生；在读硕士研究生；主要从事制浆造纸装备与控制方向的研究。

E-mail：13505199154### 163.corn现代纸机压榨部振动及减振方法的研究 第28卷 第 2期1-第-道压榨 2-第 二遭压榨 3-第三道压榨图 1 4800/550型纸机压榨部操作侧视图榨辊；二压区的上下辊皆为盲孔包胶辊；三压区的上下压榨辊都是光辊辊面包胶辊。除压区结构外，该压榨部还有压榨毛毯、毛毯辊、轴承、传动系统、液压系统、机架、基础等系统或零部件，结构紧凑、复杂。

2 压榨部振动的原因及后果引起压榨部振动的因素很多，且振动行为较为复杂。生产实践中，单因素引起振动的情况较少，大多是多种因素相互作用的结果，这也给压榨部的减振工作带来了很大困难。不过，形成振动的因素主要由以下几个方面组成 ：· 辊类零件的质量不平衡；· 包胶辊表面有软点，辊表面不圆；· 压榨辊包胶层材料的黏弹性引起压区颤动；· 制造、装配问题 (轴承、联轴器与辊筒不对中、不同轴，传动系统的安装、制造精度问题)；· 轴承有缺陷；· 毛毯质地不均匀；· 纸张的纵横向定量不均匀；· 机架某些结构引起的振动；· 液压系统出现问题；· 某些结构出现共振。

如某纸厂的压榨辊，长 10.6 m、直径0.794 m、质量7760 kg，价格昂贵。由于辊体剧烈振动，造成成纸质量下降，结构性能降低，辊面胶层开裂、直至磨损，甚至压榨毛毯损坏。

3 减弱压榨部振动的方法压榨部减振方面的研究内容大体包括两方面：压榨部整个部套的减振；压榨部各零部件的减振，如机架、各类辊筒 (压榨辊、导辊等)、轴承。

- 般减弱压榨部结构或系统的振动主要从三方面进行考虑、设计、实施。

(1)振源：引起结构或系统振动的干扰激励力 ，如辊筒转动时由质量不平衡生成的离心惯性力，激励力减小，则振动减弱。

(2)振动传递途径：振源与结构之间存在振动传递通道，该通道用于振动激励力的传递，可从断开力传递通道或降低力传递率的角度进行减振设计、研究。

(3)结构或系统的响应：振动作为激励力作用在结构或系统上的响应，致力于结构振动特性的研究，进行结构动力修改，重新分布结构的刚度、质量，或添加耗能材料或装置，足以改善此响应。

纵观各种减振方法或措施，都不外乎以上 3种手段。以减振过程中是否需要外加能源的角度，减振方法具有被动减振方法与主动减振方法之分。

3.1 传统压榨部减振方法--被动减振方法3.1.1 提高压榨部各类辊筒转动件的平衡品质在纸机压榨部，各类辊筒转动件是其结构组分的主要部分∝制压榨辊、毛毯辊等转动件的静、动不平衡是降低压榨部振动的关键。辊筒转动件质量不平衡会引起离心惯性力，其计算公式 为：FMe(2 (1)式中： 离心惯性力，N；胁- 辊筒转动件的质量，kg；e--辊筒转动件的偏心距，m；产 辊筒转动件的转频 (n/60，n为辊筒转动件的转速，r/min)，Hz；由式 (1)可知，辊筒转动件的不平衡力 (离心惯性力)与转动件的转速平方成正比。对于现代高速纸机，压榨部各类辊筒的转速较高，即使较小的不平衡也会生成很大的离心惯性力，引起辊筒转动件振动的加剧，这对辊筒转动件的平衡品质提出了更高的要求。力求提高辊筒转动件的平衡品质，须在设计上保证其几何结构的轴对称，制造时控制辊筒壁厚的均匀性，装配中达到要求的安装精度 J，使用过程中出现质量不平衡问题时，利用平衡机、现场动平衡仪等平衡设备进行不平衡问题的校正 。

3.1.2 增加压榨部基础的质量根据牛顿第二定律，如式 (2)所示 ]，在振动激励力保持不变的情况下，增加压榨部基础的质量即压榨部整个部套的质量增加，这将降低其振动加速度 (结构响应)。

FMa (2)第28卷 第2期 现代纸机压榨部振动及减振方法的研究式中： 压榨部整个部套受到的合力，N；7 压榨部整个部套的质量，kg；口--压榨部整个部套的加速度，m/s 。

- 般原则是 ，压榨部基础的质量不小于基础上部压榨部结构质量的5倍。成功降低其振动的关键是保证基础与上部结构的连接紧固。

3.1.3 压榨部基础与机器之间安装隔振装置利用弹性支撑作为隔振装置用于减振的方法在工程机械中应用非常广泛。压榨部的隔振分为两类：-类是积极隔振，将振动的压榨部与造纸车间的其他环境隔开，减小车间控制室的振动与噪声，提高工作舒适性；另-类是消极隔振，用于非压榨部本身振源与压榨部之间的隔振，防止地面振动、纸机其他部套的振动传递到压榨部。

隔振装置的隔振效果以传递率来衡量，积极隔振的力传递率与消极隔振的位移传递率在此统称为传递率。据振动理论可知，两者的计算公式相同 ，如式 (3)所示。

(3)式中：豫--隔振装置的传递率；- - 隔振装置的阻尼比；A--压榨部振动激励力频率厂与隔振装置固有频率. 的比值。

由振动传递率公式作出传递率与频率比、阻尼比之间的关系如图2所示。

斛删图2 传递翠与频率比、阻尼比之间的关系图从图2可知，只有当频率比Af/f.> 时，隔振装置才起到隔振效果。此时，固有频率和阻尼比越小，隔振效果越好。其中，固有频率 的计算公式 为：： (4) n √式中：m--压榨部部套的质量；- - 隔振装置的刚度。

在满足压榨部工作性能的前提下，旧能降低隔振装置的刚度，或者添加惯性质量块，以减小隔振系统的固有频率，提高隔振效率。不过此种做法具有-个下限，当刚度降低到-定程度之后，会造成设备工作不稳定。隔振装置实际应用于压榨部减振时，除按照设计规范设计合适的隔振器之外，还需考虑隔振材料对造纸车间内高温、高湿环境的适用性、隔振装置是否对称布置、是否与压榨部刚性连接等因素。

3.1.4 采用阻尼材料或耗能装置阻尼是衡量结构耗散振动能量能力的-个重要指标。黏弹性阻尼、库伦阻尼和结构阻尼是 3种常见的阻尼类型。-般采用在金属表面附加阻尼的方法，增大金属的阻尼，减小其振动，即阻尼减振方法。此减振方法就是在充分利用阻尼耗能的基础上，减弱结构或系统的振动。

阻尼在减振过程中的主要作用：①降低结构在共振区附近的振幅；②减嗅构振动，提高其工作稳定性；③衰减结构的传递振动，阻断能量的传递；④缩短结构承受冲击后恢复到稳定状态所需的时间。

为减小现代高速纸机压榨部的振动，可考虑在其机架、横梁或其他鼻金属结构上附加阻尼。压榨部结构附加阻尼处理的方法-般有 3种：-种是自由阻尼层，在结构表面直接喷涂阻尼涂层，如阻尼漆、阻尼胶，或粘贴-层由高分子聚合物材料、混凝土或高速变形下的金属材料制成的阻尼层，该方法工艺过程简单、成本低，在结构的减振降噪方面应用非常广泛；-种是约束阻尼层，为了提高阻尼层的阻尼耗能能力，在阻尼层外面再添加约束层，如金属卞，结构产生振动时，阻尼层在结构基板和约束金属卞的约束下剪切耗能，减振效果较前者好，但制作过程复杂、成本高；还有-种阻尼插入处理方法，需减振的结构金属与外加金属之间填人-层类似玻璃纤维的干摩擦阻尼材料，提高压榨部结构的减振降噪能力。常用的阻尼层结构为外体-嵌入体-黏弹性材料梁的结构。梁产生振动变形时，黏弹性材料在嵌入体与外体之间的相对运动过程中，发生剪切变形，耗散振动能量，降低梁的振动。具体的外体.嵌人体-黏弹性材料梁结构有角截面、平杆截面、方形截面、工型截面、以及帽、盖截面等5种结构类型，在设计或使用中选择哪-种结构视具体情况而定。

3.1.5 选择合适的设计车速、调谐，远离压榨部结构共振区，避免共振现象的发生压榨部结构复杂，机架、各类辊筒、基础都有各自的共振频率，这无疑增加了纸机启停机过程中发生共振的可能性∷服这种难题需从设计、使用2个阶52 现代纸机压榨部振动及减振方法的研究 第28卷 第2期段去考虑。设计过程中，依据计算出的各种结构可能的共振频率，选择合适的设计车速。而对于处于使用过程中的纸机，可进行相应的结构动力修改，改变其振动特性，如在机架的某2个连接点之间添加杆、梁结构，使其共振区偏离干扰激励频率。

3.2 新兴压榨部减振方法--主动减振方法传统的隔振、阻振、增加基础质量、提高辊筒平衡品质的减振方法，装置结构简单、成本低、实用性强，工程应用广泛，但随着人们对造纸车间振动环境、造纸机械振动特性的要求的不断提高，此类方法已无能为力。随着科学技术的发展，主动减振方法应运而生，凭借其较强的适用性和较好的减振效果，引起了人们的研究兴趣 。此外，主动减振过程自动完成，无需人为干预，这为造纸机械智能化发展奠定了-定的基矗与传统减振方法相比，主动减振方法在造纸机械领域的研究与应用更少。国外虽开展了造纸机械主动减振方面的研究工作，但还处于起步阶段，较多停留在理论研究和实验室小规模纸机试验结构的应用。在国内，该方面的研究及应用基本属 于空白，极少工程技术人员、专家、学者涉及或从事此课题的研究。鉴于主动减振方法顺应造纸机械的发展趋势，该方法具有无法估量的发展潜力，值得研究。

3.2.1 主动减振系统的组成及工作原理主动减振方法是多学科交叉的研究领域，集振动理论、结构动力学、材料学、信号采集与分析技术、控制理论、计算机技术、通信技术于-体。主动减振系统主要由需减振的压榨部结构、传感器、控制器、功率放大器、作动器组成 (见图3)。

图3 压榨部主动减振系统的原理框图主动减振过程即利用振动传感器采集压榨部结构的振动信号，该振动信号经信号调理仪的滤波、放大传输到控制器，运用-定的控制策略，如正位移反愧负速度反馈，进行分析处理生成控制信号，对该控制信号功率放大之后进而驱动作动器，产生-定的作动位移或作动力作用于压榨部所需减振的结构，达到减序消除该结构振动的目的。

该减振方法的关键是振动信号的采集、分析以及作动器的施动、控制策略的制定。用于振动信号采集的振动传感器有压电式加速度传感器、电磁式速度传感器、电涡流位移传感器 3种类型。由于压榨部结构复杂、质量大，其振动信号中既有基储机架的低频成分，也有辊筒转动件、传动齿轮、滚动轴承的较高频率成分，-般常选择压电式加速度传感器。该传感器的频率范围宽，低频甚至可到达1 Hz以下，高频更是游刃有余，且质量轻、易于安装、工作温度范围宽、应用非常广泛。常用的作动器有压电式作动器、电液伺服作动器、电磁式作动器等。不同主动减振方法的最大区别就是采用不同的控制策略即控制算法。

控制算法主要分为前镭制和反镭制，控制原理如图4和图5所示。两种控制算法各有优缺点，应用场合也有所区别。

图4 反镭制原理图5 前镭制原理3.2.2 主动减振方法的作用过程分析以压榨部整个部套作为所需减振对象 (见图6)，为便于计算，将其简化为线性单自由度振动系统，就主动减振作用过程进行分析。

图6 压榨部整个部套的主动减振简化模型第28卷 第2期 现代纸机压榨部振动及减振方法的研究 53依据图6所示的压榨部整个部套主动减振过程的简化模型和受力分析，得到其振动微分方程：m c kx (5)式中：m--压榨部整个部套的质量，kg；c--压 榨 部 整 个 部 套 的 阻 尼 系 数，N·s/m；- - 压榨部整个部套的刚度，N/m；- - 作动器施加的作动力，N； 压榨部整个部套受到的干扰激励力，N；觉、圣、 --分别表示压榨部部套的振动加速度、振动速度、振动位移。

若不施加控制力，则该系统的传递函数：- ，，(s)-，琊 k式中，X(s)、F(S)分别表示结构振动位移与干扰激励力的拉普拉斯变换。

从式 (6)可知，结构的振动特性由其质量、阻尼系数和刚度决定。

主动减振控制器的反镭制作用相当于对压榨部结构或系统动力特性的-种修正。例如，反镭制过程中，若控制力的表达式以式 (7)表示：-g。 -g 元-gd (7)式中，gd、g 、g 依次为振动加速度、振动速度、振动位移的反馈增益。

将式 (7)代人式 (5)，那么压榨部的振动微分方程变为：(mg。)茁(Cg ) (kgd) 厂 (8)根据反镭制回路中利用的振动信号的类型，如振动位移信号、振动速度信号、振动加速度信号，主动减振系统的作用相当于对其相应的结构刚度、结构阻尼、结构质量进行修正。在此控制作用下，该减振系统的传递函数：F(s)-(mg )s2(cg )s(kgd)或F(s)-rhs2 五(9)(10)式中，rhmg ，为结构修正质量； c ，为结构修正阻尼系数；kkg ，为结构修正刚度。

利用劳斯判据对该主动减振系统进行稳定性分析可知，若保证此闭环系统稳定必须满足修正质量、修正阻尼系数、修正刚度皆为正的条件。理论上，用于修正结构质量、阻尼系数、刚度的相应的反馈增益是相互独立的，可分别将其设置为从零到无穷大范围内的任意值。在工程实践中，由于存在-些物理约束，结构动力特性修正 的范围是-定 的，并不是无限制的。

4 压榨部主动减振方法推广中亟待解决的问题造纸压榨部主动减振方法现大多还停留在理论研究和实验室小规模试验结构应用的层面，远远没有达到推广到工程实践中的要求。究其原因主要是该方法在实际应用过程中总是遇到在理论研究中未曾出现过的难题。归纳起来，主要有以下几个问题亟待解决。

(1)减振控制器和作动器的时滞问题压榨部主动减振系统的减振性能受限于控制器、作动器时滞。整个减振控制过程包括振动信号的测量与处理、控制力的计算、控制信号传输到作动器、作动器施力于需减振的结构。完成此过程所耗费的时间造成了控制的滞后。若施加的控制力不是所需的力，可能引起控制器性能降低，甚至是系统失稳。时滞问题难以避免，但可通过提高振动信号采集装置的实时采集分析能力、控制器的实时计算速度，缩短减振控制过程所需的时间。

(2)作动器提供的作动力不足压榨部各结构的体积、质量-般都比较大，实验室用作动器很难提供足够大的控制力以完成减振的任务。现有的各类作动器中，电液作动器应该算是作动力较大的，但实际应用中也需多个这样的作动器。

(3)传感器与作动器对减振性能的影响传感器、作动器与压榨部结构相连，形成-个新结构，其振动特性将会发生变化，而控制系统设计时未考虑这种因素，常会出现减振控制系统达不到理论减振性能的情况。

(4)主动减振装置和外加能源的成本主动减振方法是以牺牲外加能源为代价进行振动的控制 ，此外减振过程中所需仪器装置的成本也不斐。企业把生产效益放在第-位，主动减振系统高昂的成本是企业是否使用此减振方法首要考虑的因素。

(5)传感器、作动器的选择及其数量、安装位置的确定纸机压榨部结构紧凑、复杂，其振源具有不确定性、复杂性等特点，为了较好地实现主动减振的功能，选择与振动情况相符的传感器、作动器非常关键。此外，还需对传感器、作动器的数量和安装位置进行深人研究，以达到优化控制的目的。

现代纸机压榨部振动及减振方法的研究 第28卷 第2期(6)控制策略的研究控制策略关乎纸机压榨部主动减振效果的好坏，需开发出计算量孝易于实现的控制算法。

5 结 论纸机压榨部减振方法有很多，依据是否需要外加能源分为被动减振和主动减振。通过对其理论研究，可得以下结论：(1)主动减振方法更适宜纸机压榨部减振，具有适用性强、减振效果好的优势，表现出巨大的发展潜力。

(2)随着科学技术的发展，作动器提供的作动力不足、控制决策的制定、主动减振成本等问题将会得以解决，使得主动减振技术不断推广应用于工程实践，并逐步取代被动减振方法。

(3)本研究的减振方法、技术原理等研究成果可为纸机压榨部减振技术方案的制定、实施提供理论依据。