高濃度錐形磨漿機力學模型

梁錢華 四川機電職業技術學院機械工程系 四川 攀枝花(617000）

高濃度錐形磨漿機力學模型

梁錢華 四川機電職業技術學院機械工程系 四川 攀枝花(617000）

分析了高濃度錐形磨漿機磨漿區內的受力情況，提出了一種相應的力學模型。由于在高濃磨漿過程中，紙漿纖維除了受到磨盤作用力以外，還受到纖維間的作用力，故該模型由兩大部分組成。其中，由于磨盤采用平面與錐面相結合的方式，為簡化模型，在分析磨盤對纖維的作用力時，將平磨區和錐磨區分別考慮。

錐形磨漿機；力學模型；高濃磨漿；TMP

高濃磨漿時，紙漿中的纖維和纖維束進入磨漿區以后，在磨盤作用下受到物理作用，產生纖維分離及變形[1]。因為是高濃磨漿（磨漿濃度在20%-30%之間），紙漿混合物中的含水量不足。用于低濃受力分析的容積法[2]已經不適用于高濃磨漿。由于磨漿過程中產生大量的蒸汽，使纖維處在一個高溫高壓的環境中。蒸汽以一定的速度在磨漿區內流動。蒸汽在磨漿區臨界點以下是逆流，通過臨界點時速度為零，臨界點以外速度與紙漿流動速度相同[3]。雖然人們對于錐形磨漿機受力分析有所嘗試，如劉初鵬、J.C.ROX、歐建志以及G.CAUCA[4]等在2001年作了錐形磨漿區的流體力學分析。但是由于還有很多因素沒有考慮到，比如蒸汽流對磨漿的影響，所以還需要進一步完善。而且對于高濃磨漿來說，磨漿不僅是刀盤對纖維的作用，還取決于纖維間的相互作用。

本文借助于數學和空氣動力學的方法，對錐形磨漿區進行受力分析，建立了高濃錐形磨漿區力學模型。

1 建模的條件

高濃磨漿過程中力學模型的建立是基于下面的理想條件：

1)纖維原料連續地、定量地進入磨區，并且均勻地布滿整個磨區；

2)磨漿過程中，稀釋水不會在離心力作用下被甩出磨漿區，即使由于磨盤擠壓導致紙漿中稀釋水含量減少，也會被纖維重新吸收；

3)磨漿周期內磨盤齒高和壓力恒定。

針對高濃錐形磨漿機的磨區進行受力分析。其磨盤采用平面與錐面相結合的方式，與同直徑錐面和單純平面相比較，本磨盤大大增加了磨漿面積，同時提高了磨漿質量，這不僅由于原料磨漿路徑大大增加，而且原料在通過磨合面尤其是通過錐面與平面之間的轉折處時，會產生一定的翻轉，既能提高纖維類原料分絲、帚化程度，也能使顆粒原料受到進一步的研磨，有效地降低了磨漿過程的能量消耗?；谝陨系募僭O條件，為簡化模型，將平面和錐面分別分析，簡單明了（如圖3、圖4、圖5所示）。

2 建模過程

2.1 磨盤作用力

2.1.1 錐磨區受力分析

如果錐形磨盤錐角為α,在半徑r處取一個微元,微元寬度為dr。

圖1 半徑r處的微元,微元寬度為dr

圖2 圖1中微元的受力分析圖

由于紙漿在高濃磨漿區的流動性較差，需要由進料螺旋強制供料。在漿料進入磨漿區時，速度較低，而一旦進入狹小的磨盤間隙，漿料就隨著高速轉動的轉盤作螺旋運動，速度迅速升高，在離開磨漿區時達到最大值。如圖2所示，纖維原料徑向上受到離心力C的作用而穿出磨漿區，摩擦力Fr1，Fr2的受力方向與紙漿流動方向正好相反。紙漿受到定盤的摩擦力Ft1的作用，使紙漿具有了與動盤一樣的速度。由于蒸汽流動產生的漿流輸送壓力S,方向取決于微元的位置是在臨界點以上還是以下。產生于高濃磨漿區的蒸汽流在臨界點以上會有助于紙漿向外流出，在臨界點以下則會阻礙紙漿向外流動。

沿磨盤方向的受力Fa如下

其中

b=+1蒸汽向前流動

=-1蒸汽逆流

S=0臨界點處

由圖1可知

纖維與磨盤接觸面積dA可表示為

令：

λ-動盤和定盤磨齒的有效接觸面積修正系數[4,5]

as,ar-動盤和定盤磨齒寬度

bs,br-動盤和定盤齒槽寬度

假設動盤和定盤磨齒完全相同，則λ=0.25.

如果

T(r)-微元上單位面積上的正壓力

μr1,μr2-紙漿和磨盤間的摩擦因數

又及

Pm(r)-微元上的平均壓力

μr-沿磨盤方向的幾何摩擦因數

因此，沿磨盤方向總的摩擦力為

如果

dM(r)-微元內總的紙漿量

ω-動盤角速度

沿磨盤方向的離心力C(r)為：

漿流輸送壓力S可以表示為[6]

Cf-蒸汽對紙漿的摩擦牽引系數

ρ(r)-半徑r處的蒸汽密度

V(r)-半徑r處的氣流速度

Ap(r)-紙漿空氣動力表面系數

dm(r)-微元內絕干漿量

v-半徑r處的紙漿速度

V數值上遠大于v(除臨界點以外)

V(r)、ρ(r)方程見參考文獻[6]。Miles,Dana&May[3]指出木片磨木機中紙漿空氣動力表面Ap(r)系數與紙漿消耗掉的能量無關，因此可視為一常數Ap。

其中

M-漿料通過量

-絕干漿量

c(r)-微元內紙漿平均濃度

微元軸向壓力Pm(r)可以通過微元所消耗的能量消去。如果磨漿區單位面積上消耗的能量是不變的，則微元所消耗的能量P(r)可以表示為：

其中

E-磨漿機總能耗

r1,r2-磨盤內外半徑

微元上切向力消耗掉的能量Pf(r)為

其中

μt1-紙漿和定盤間的切向摩擦因數

由于紙漿流送消耗掉的能量很少，若忽略不計，則 Pf(r)=P(r),由式(7a)、(7b)得

那么，式(6)可表示為

由于水分的蒸發，導致了紙漿濃度c(r)隨磨盤半徑的變化而變化。假設磨漿區壓力不隨蒸汽濃度的變化而變化，則紙漿濃度大致可表示為

其中

ci-磨漿區進口濃度

L-蒸汽潛熱

關于c(r)的詳細推導見文獻[6].

由實驗得切向摩擦因數μt1經驗公式：

其中

P-電機載荷

T-總的正壓力

磨盤和紙漿間的摩擦因數μt1不是紙漿濃度的函數，也與磨盤切向速度、纖維消耗的總能耗以及磨盤半徑r無關，為一常數，其值為0.75[7].

沿磨盤的摩擦因數μr也是一個常數，其值為0.25[7]。

2.1.2 平磨區受力分析

在半徑r處取一個微元,微元寬度為dr。各符號含義同錐形磨漿區，受力方向如圖4所示。

圖3 半徑r處的微元，微元寬度為dr

圖4 受力分析切向圖

由圖3可知

離心力C(r)為：

漿流輸送壓力S為：

徑向摩擦力為：

微元所消耗的能量P(r)為：

微元上切向力消耗掉的能量Pf(r)為

其中，h=1，單盤磨

=2，雙盤磨

由于紙漿流送消耗掉的能量很少，若忽略不計，則 Pf(r)=P(r),由式(13a)、(13b)得

那么，式(12)可表示為

其中，a=4，單盤磨

=2，雙盤磨

2.2 纖維間作用力

式中：

剪切系數和摩擦系數是影響纖維之間作用力的重要參數，不僅與漿料本身的性能如漿料的濃度、物理和化學特性等有關，而且和磨漿的條件如漿料的輸送壓力、磨盤的轉速、磨盤的間隙等有關（更多詳細說明請參考文獻[8、9]）。

由此得出高濃磨漿區的總的受力為:

3 結論

1)通過分析高濃磨漿區紙漿受力情況，建立了高濃度錐形磨漿機動力學模型。紙漿受力包括來自磨盤的離心力、摩擦力、蒸汽牽引力以及纖維間作用力。

2)離心力受到紙漿濃度、磨盤大小和轉速的影響；摩擦力與磨盤大小和轉速有關。沿磨盤的摩擦因數以及紙漿和定盤間的切向摩擦因數都為常數。蒸汽牽引力取決于蒸汽速度、電機載荷以及磨漿區容積率。

3)高濃磨區中漿料的受力情況的影響因素有磨盤轉速、磨盤直徑、磨紋面積比、磨漿阻力系數、磨漿比壓以及纖維間復雜應力、摩擦力、剪切系數和摩擦系數等復雜多元素。

4)在其它條件不變的情況下，改變轉子和定子磨齒的接觸面積與磨盤的面積比，可改變磨區的受力情況，合理的磨區設計，可得到合適的磨區受力情況和節能的磨區結構，達到在發揮高濃盤磨機磨漿效能的同時較大幅度降低其能耗的目的。

[1]盧謙和主編.造紙原理和工程 [M].北京：中國輕工業出版社,2004:50-61.

[2]ARJAS,A.:Residence time distributions in conical refiners and refining systems,preprints,intl.symposium on fundamental concepts of refining,appleton,WI,1980,pp.8-20.

[3]《制漿造紙手冊》編寫組編.制漿造紙手冊[M].北京：中國輕工業出版社,1993：245-250

[4]劉初鵬，J.C.ROX，歐建志，G.CAUCA.磨漿過程的流體力學分析.造紙科學與技術,Vol.20(3)J16-18,2001.

[5]隆言泉主編.造紙原理和工程 [M].北京：中國輕工業出版社,1994：55-60.

[6]MILES,K.B.,DANA,H.R.;MAY,W.D.:The flow of steam in chip refiners,preprints,international symposium on fundamental concepts of refining,Appleton,WI,1980,pp.30-42.

[7]MILES.K.B.;MAY.W.D.:The flow of pulp in chip refiners,Journal of pulp and paper science,Vol.16(2)J63-72,March 1990.

[8]李世揚.高濃磨區能耗解析.輕工機械,1996,2:16-19.

[9]Jixian DONG,Jiangong GU:The formulation and analysis of dynamic and energy consumption model in high consistency pulp-refining,3rd ISETPP.2006,11:384-388.

Mechanical model of a conical refiner for high consistency pulping

Lian Qianhua
(Department of mechanical engineering，sichuan electromechanical institute of vocation and technology,sichuan,panzhihua,617000)

A mechanical model for a conical pulp-refiner presenting the flow of pulp along the plate in a high consistency refiner has been derived through a calculation of the forces acting on the pulp.There are two parts of forces acting on the pulp,ones from the refiner plate and ones among fibers.So,this model was comproed of this two main parts.Where,flate refining zone and conical refining zone was analysed respectively for simplify the first part,as the conical refiner plate was made up of flate part and conical part.

conical refiner;mechanical model;high consistency refining;TMP

梁錢華（1982-），女，漢族，四川南充人，碩士，四川機電職業技術學院講師，主要從事機械設計、制造及自動化相關教學教改工作，研究方向：冶金設備、輕工機械。

2012-7-3