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现代造纸机压榨部主动振动控制的研究

屈云海  
【摘要】:工程振动问题一直是科学和工程技术研究领域中的重要课题之一。目前,国内的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。造纸机压榨部作为复杂的辊压系统,对振动比较敏感,是较易发生振动的部件之一。压榨部剧烈振动会影响成纸的质量,由振动与振动引起的巨大噪声则会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。因而,在设计和使用造纸机械时,振动问题则越来越受到人们的重视。本文就此提出了多种振动控制方法,并详细研究了具有巨大发展潜力的主动振动控制方法,以期为以后的压榨部减振技术方案的制定、实施提供理论依据和思路,更好的保障纸机的安全平稳的运行。 本文首先就结构紧凑、复杂的压榨部进行了剖析,包括压榨部的工艺功能、结构特征、振动产生的原因以及振动造成的后果。在此基础之上,提出了诸如降低激励力幅度、隔振、阻振、调谐等为目标的被动振动控制及主动振动控制等多种振动控制方法,并应用振动理论加以讨论,提出主动振动控制方法于压榨部应用的优越性;其次,鉴于压榨部由辊筒构成,其主动振动控制侧重于对压榨辊振动的研究,利用有限元大型软件ANSYS对压榨辊的振动特性进行了研究;再次,凭借MATLAB7.0/Simulink的仿真平台,分别就压榨辊质量不平衡引起的离心惯性力和具粘弹性的辊体包覆层引起的振动激励力等两种振动源下的压榨辊的振动进行了主动振动控制的仿真研究;最后,设计了一试验模型,以期验证所提出的主动振动控制方法的有效性。 本文的研究成果如下: (1)通过纸厂调研及相关文献资料的收集,可知压榨部的辊压系统处较易发生振动,振动信号复杂,且振动烈度较大,对成纸的质量、设备的使用性能都有较大影响。 (2)压榨部的振动控制方法中,目前被动振动控制方法在实际应用中很普遍。本文研究结果表明,主动振动控制方法更适宜纸机压榨部减振,且通过对压榨部主动振动控制系统的组成及工作原理的剖析,提出了压榨部主动振动控制的技术方案。 (3)利用ANSYS软件对压榨辊的振动特性进行研究,得知:压榨辊的第一阶固有频率和第二阶固有频率相差无几,其对应的振动型基本一致,结构的最大变形量的差距也很小。压榨辊的第三阶振型为绕其对称轴前后小幅度摇摆,其变形分布呈中间部分较大,两端较小的规律,陀螺效应比较明显。压榨辊的第四阶振型呈现扭转形状,两端振动方向相反,且振动变形很明显。压榨辊前四阶模态振动的最大变形量分别为:0.008774m、0.00877m、0.007446m、0.012378m。这前四阶固有振动,其最大变形部位均出现在压榨辊的中间位置,说明辊体中间位置为其刚度薄弱部位。压榨辊的工作线速为450m/min,单位换算得其工作频率为1.67Hz。该工作频率与其79.360Hz的第一阶固有频率相差甚远,不会出现辊筒共振的现象。 (4)在不考虑作动器、传感器等结构影响的前提下,通过MATLAB7.0/Simulink仿真软件的单压榨辊主动振动控制的仿真,知直接速度反馈和正位移反馈控制算法对辊筒的减振皆有效。其中,对于直接速度反馈,在三种不同的速度增益(g=500、 g=1000、g=1500)下,压榨辊振动系统的振动位移都得到了减小,特别是,当g=1500时,振动位移由控制前的3.8×10~(-3)m,直接降到2.6×10~(-3)m,减小的幅度达到了32%。当g=1000直接速度反馈控制下的振动位移为3.08×10~(-3)m,然而,对于正位移反馈,在位移增益为1000时,该控制方法下的振动位移为3.38×10~(-3)m,所以在不考虑作动器的动力特性的情况下,直接速度反馈算法更有效。 (5)对于双压榨辊辊压振动系统,通过MATLAB7.0/Simulink仿真软件就包胶层粘弹性引起的振动进行控制仿真研究。结果表明:在采取主动阻尼振动控制之后,上、下压榨辊的振动最大位移分别降低到8.5×10~(-5)m、4×10~(-5)m,同其原始最大振动位移1.1×10~(-4)m、6×10~(-5)m相比,分别减小了23%、25%;此外,上、下压榨辊的振动衰减时间也由原始的0.22s、0.20s,减小至0.12s、0.10s,振动时间的缩短降低了辊子损坏的风险。


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