造纸反卷设备机械结构设计及电气控制设计.docx

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造纸反卷设备机械结构设计及电气控制设计

造纸反卷设备机械结构设计

【摘要】复卷机是一种用于纸类、云母带、薄膜专用设备，其用途是将造纸机生产出来的纸卷进行依次幅卷，纸张经过复卷后做成成品纸出厂。

目前，复卷机用交流传动代替直流传动在造纸机械行业中已成为发展趋势。

由卷纸机卷得的纸卷比较松软，内部可能会有破损或断头，两侧边缘不整齐，纸幅宽度等多不能直接使用于纸加工或印刷等机器，大部分纸种（如新闻纸、凸版印刷纸、包装纸等）必须经过复卷机切边、分切、接头、在纸卷芯上重卷形成一定规格、一定紧度要求的成品纸卷才能出厂。

复卷过程主要完成三个任务：

其一，切除原纸毛边；其二，将整幅原纸分切成若干符合用户规格的幅宽；其三，控制成品纸卷的卷径，使之符合出厂规格。

本设备的工艺原理是使纸幅通过退纸辊、导纸辊和复卷机纵切机构切成我们所需要的宽度，然后根据所需要的紧度和成品纸卷的直径大小而复卷成纸卷。

【关键词】复卷机；传动控制；退纸辊；底辊

Paperanti-rolldevicemechanicaldesign

Abstract:

Awinderforpaper,micafilmequipment,whosepurposeistoproducethepapermachinepayoutsequenceforJuanrollpaperafterrewindingfinishedpaperfactorymade​​.Atpresent, therewindingmachine forACdrive replaces DCdrive inpapermakingmachinery industryhas becomethetrendofdevelopment.The rollsofpapermachine roll to roll relativelysoft, internal mayhavedamaged or broken, irregularedge onbothsides, thepaperwidth andsocannotbedirectly usedin paperprocessing and printingmachines, most kindsofpaper （suchasnews paper, letterpressprintingpaper, packagingpaper）mustpassthroughthe edgecutting, rewindingmachine cutting, joints, inpapercore rewinding acertainspecification, certaintightness requirementsoffinishedgoods tothefactory.Therewindingprocess completedthreemajortasks:

 first, removalof basepaper burr; secondly, thewhole paper into several conformsto userspecifications width; third, controlofthefinal paper rolldiameter, soastomeettherequirementsof thefactoryspecifications.

Processprincipleofthisdeviceisthatthewebthroughthebackrollers,guiderollersandslitterrewinderagencycutthewidthweneed,thenaccordingtotightnessandfinishedrolldiameterandrewindingasneededroll.

Keywords:

Rewinding machine;TransmissionControl;Backroller;Bottomroller

引言……………………………………………………………………………………

1总体方案设计………………………………………………………………………

1.1复卷机的工作原理说明…………………………………………………………

1.2复卷机的工艺流程………………………………………………………………

1.3复卷机主要结构…………………………………………………………………

1.3.1退纸部…………………………………………………………………………

1.3.2导辊……………………………………………………………………………

1.3.3舒展辊…………………………………………………………………………

1.3.4.1底辊分析……………………………………………………………………

1.3.4.2底辊选型……………………………………………………………………

1.3.5压力机构………………………………………………………………………

1.3.5.1压纸辊………………………………………………………………………

1.3.5.2液压悬称机构………………………………………………………………

2张力控制的动态补偿………………………………………………………………

2.1退纸辊控制特点…………………………………………………………………

2.2退卷张力的组成…………………………………………………………………

2.3张力的动态补偿……………………………………………………………………

2.4退卷动态张力实现方……………………………………………………………

3设计说明……………………………………………………………………………

3.1润滑和密封………………………………………………………………………

3.2使用、维修和保养…………………………………………………………………

总结……………………………………………………………………………………

致谢语…………………………………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………………

引言

复卷机是造纸机械中运行速度最快的反卷设备，它的车速可以达到1500-1800m/min甚至车速可以最高达到3000m/min以上，大部分纸种（如新闻纸、凸版印刷纸、包装纸等）必须经过复卷机切边、分切、接头、在纸卷芯上重卷形成一定规格、一定紧度要求的成品纸卷才能出厂。

所以复卷机在造纸行业起着不可忽视的重要作用。

本课题的主要任务是设计出复卷机。

由于设计此机器主要是为了二次加工，因此考虑到经济及加工性能，尽量借鉴了一些车床的原理，实现半自动控制。

本次我的任务主要是对复卷机的机械结构进行设计与校核，设计出合理的机械结构能保证机器顺利工作，进行校核之后能保证机器顺利工作的基础上安排出最合理的结构及空间布置，从而解决生产实践中这一实际问题。

复卷机的型式较多，根据需要在复卷机中还可以配备其他装置，成为联合几台。

复卷机基本上可以分为下列五种：

上引纸复卷机、下引纸复卷机、单辊复卷机、专用复卷机和薄纸复卷机。

由于本课题研究对象主要针对下引纸复卷机，所以就对双底辊下引纸复卷机进行设计。

目前，复卷机用交流传动代替直流传动在造纸机械行业中已成为发展趋势。

由于卷纸机卷得的纸卷比较松软，内部可能会有破损或断头，两侧边缘不整齐，纸幅宽度等多不能直接使用于纸加工或印刷等机器，必须经过复卷机处理后才能出厂。

复卷过程主要完成三个任务：

其一，切除原纸毛边；其二，将整幅原纸分切成若干符合用户规格的幅宽；其三，控制成品纸卷的卷径，使之符合出厂规格。

由于实践经验的欠缺和知识的局限性，该设备的实际工作情况及可用性还有待实践的检验。

1总体方案设计

1.1复卷机的工作原理说明

工作原理如下图所示：

将大幅纸卷安装在复卷机的退纸辊上，为了使纸幅保持一定的张力，必须在退纸架上安装制动装置，退纸架上安装有制动电机，纸幅通过退纸辊、导辊、舒展辊和复卷机圆刀切成我们所需要的宽度，然后根据所需的紧度和成品纸卷的直径大小而复卷成纸卷。

1.2复卷机的工艺流程

一般来说，复卷的基本工艺如下（针对本设计而言，并非通用）：

退纸-纵切-复卷。

1.3复卷机主要结构

1.3.1退纸部

退纸辊工作过程中，要始终维持张力恒定，但在退卷过程中，复卷机随卷径的减小，转速增大。

电机输出的最大转矩变小，但必须维持在满足张力恒定所需的最小转矩以上。

在基速以下恒功率调速时，同等功率的交直流电机，均可满足恒功率调速，但是在基速以上，交直流的调速有很大差异。

这里我设计的参数如下：

dmin=300mm，dmax=2000mm，i=2，Vmax=1200m/min，级数：

6。

复卷机在最高速度下运行时，电机的最高转速如下：

nmax=Vmax×i/π×dmin=2547.8（r/min）

式中，d为退纸辊卷径；i为减速比；V为复卷机速度；n为电机转速。

远远高于电机的额定转速。

1.3.1.1调速分析

直流调速，可通过弱磁调速，在维持功率不变，张力恒定的条件下实现弱磁调速。

对直流电机而言，一般是选用弱磁调速电机，在基速以下调压调速，在基速以上弱磁调速，即在复卷机的调速过程中，电机磁场是个非线性的变量，而张力的控制是对电枢电流，最终是通过对制动力矩的控制来实现的。

那就是在计算出张力矩后，磁通不同的输出的电枢制动电流应不同。

由图2分析可知，在基速以上调速时，可进行弱磁调速，当直流电动机采用弱磁调速时，理想空载转速n=U/Ce×φ将升高，机械特性斜率R/Ce×Cm×φ＾2将增大。

具体调速过程由图2弱磁特性分析可知，设电动机工作在固有机械特性的a点，此时电磁转矩M=Ml，转速为n1，相应的电枢电流为Ia1（Ia1=Ml/Cm×φ1）。

当需要进行基速以上的调速时降低φ，电动机反电势Ea=Ce×φ×n减小，电枢电流Ia增大，由于电枢电流增加的相对数量比刺痛下降的相对数量大，故电动机的电磁转矩M=Cm×φ×Ia增大，此时M>Ml，速度为n2.重新回到平衡，在M维持惊呆恒定下实现调速，这是直流电机的特性，不需要为维持转矩额外增加电机的功率。

退纸辊轴承座结构图如下：

图3：

退纸辊轴承座

1.3.2导辊

由于考虑到导辊的自重以及材料的原因，故选择空心的导辊，长L=1308mm，d1=100mm，d2=106mm。

导辊轴承选取d=100mm的圆柱滚子轴承NF220。

导辊轴承盖结构图如下所示

图4：

导辊轴承盖结构图

1.3.3舒展辊

由于考虑舒展辊的自重以及材料等原因，故选择空心的舒展辊，长L=1308mm，d1=80mm，d2=86mm。

舒展辊轴承选择d=80mm的圆柱滚子轴承NF216.。

1.3.4底辊

1.3.4.1底辊分析

纸卷是在压纸辊与前、后底辊之间进行卷取的，前后底辊工作在引纸和运行两种工作状态，其中后底辊为主点，前底辊为从点，二者之间需要实现负荷分配，速差控制，近似刚性连接等。

对前后底辊而言，其平稳运行过程中，电机负载近似不变，为恒转矩负载。

由于前后底辊在运行过程中其辊径不变，故其在复卷机工作过程中，电机转速即使在最高车速下也不会超过电机额定转速，电机额定转速是在设计时应选好的，因此，前后底辊在运行过程中不需要基速以上调速。

由以上分析可得出前后底辊在复卷机控制过程中，交直流调速在相同功率的条件下，均可以进行精确、良好的控制。

但是，虽然交流调速系统价格较直流控制系统高，但直流的维护成本要比交流高，因此对前后底辊而言，选用交流调速方案是最优的。

1.3.4.2底辊选型

幅宽L=1240mm，最高工作车速V=1200m/min，引纸车速V1小于25m/min，单位纸幅张力F1=800N/m，退纸辊最大直径dmax=2000mm；底辊直径d=200mm；退直辊辊轴直径dmin=100mm。

由于前后底辊电机工作特性决定其只工作在基速以下，故对前后底辊，其电机功率相差不大，只需要满足最大转矩和最高转速即可。

从负载角度计算电机功率如下：

纸幅张力F=L×F1=2.4×800=1920（N）

张力功率P1=FV/60=1920×1200/60=28.4（KW）

根据经验，在加减速时间短，变化速率快时，动态补偿力矩可以达到张力力矩的百分之四十左右，为了保留一定余量，取百分之五十。

那么底辊总功率P=P1×1.5=57.6KW。

依据电机选型原则选取底辊电机功率为55KW。

底辊最高转速nmax=V/πd=1200/3.14×0.2=1910.8（r/min）

P=M×ω

ω=2π×nmax/60=2×3.14×1910.8/60=200（rad/s）

电机的电磁转矩M=P/ω=55000/200=275（N×m）

负载最大张力转矩，忽略损耗、摩擦等因素负载转矩最大值如下：

Mmax=dmaxF/2=1920（N×m）

根据校验选择减速比i=Mmax/M=1920/275=6.9，综合考虑，选择减速比为7.

对于前后底辊，底辊电机的功率选为55kw，减速比选为7。

1.3.5压力机构

1.3.5.1压纸辊

首先，在复卷机系统中，压纸辊对纸卷的紧度控制有重大影响。

其中，压力调整机构起到了保持纸卷以及支承辊压区压力恒定的作用，主要目的是防止在刚开始工作时的纸卷打滑或复卷后期卷取太紧。

纸卷打滑时因为纸卷太轻，卷取太紧是由于到复卷到后期压力太大，因此选取自动控制的压纸辊，这样就可以对纸幅施加额外的作用力。

1.3.5.2液压悬称机构

一般情况下，可以调节的压力的执行机构，都是使用液压式的悬称机构，我们在系统中安装一个附着在压纸辊上的电位器来显示成品纸卷直径的大小，通过电位器发出的信号传送给压力的程序控制单元，来计算压力的大小，这样就可以改变悬称内的油压，从而就达到了对压纸辊的压力控制。

2张力控制的动态补偿

复卷机的传动控制系统可以分为卷取和放卷2个部分，卷取部分有前后底辊2台电机，放卷部分有一台退纸辊电机和一个由张力辊、张力传感器组成的张力控制系统。

这2部分电器控制系统通过一系列导辊并依靠纸幅张力联系在一起。

在稳定运行状态下，复卷机的稳态张力同纸机、涂布机、压光机等部位的张力控制一样，经过张力传感器测量的信号与张力给定信号比较，通过张力调节器控制。

而放纸辊电机的作用是提供一个稳定的反向力矩，在放卷的过程中拉紧纸张。

并在启动加速（停机减速）过程中，提供加减速补偿转矩以保持在整个放卷过程中纸幅张力一致。

把卷取部分看成一个整体，则卷取电机用来克服放卷电机所提供的反向力矩，拉平纸幅并卷取纸卷。

此次设计中控制系统采用主从结构，PLC为主站，变频器用于底辊、放纸辊和导辊的传动。

PLC选用高性能的SIMATICS7-414，完成对数据的处理与诊断。

图5：

复卷机控制系统

在造纸复卷机的电气传动控制中，对于放卷张力控制系统的控制性能，要求在主机（以后底辊为主传动）加减速时，如何合理补偿加减速造成的动态力矩对张力的影响是我们考虑的主要问题。

2.1退纸辊控制特点

对退纸辊张力的控制：

退纸（通过导纸辊、张力辊和弧形辊）要求纸幅平整，无折破且到成卷之间的纸幅距离较长。

退卷卷径的大范围变化对电机调速范围的要求：

选用可进行较大弱磁调速范围的特种电机，即可满足调压调速，又可实现弱磁调速。

张力恒定：

退纸辊在运行过程中，特别是复卷机的加、减速时，在不同纸卷直径，不同转动惯量的情况下，要求保持退纸时纸幅卷张力恒定。

2.2退卷张力的组成

在复卷机张力控制过程中，纸幅张力实际分为直接张力与间接张力（如图6）。

直接张力来自张力传感器信号，通过张力检测，作为张力反馈与给定张力进行比较，间接张力控制方式是恒定张力卷绕过程中各个参数之间的互相关系，将他们检测出来加以补偿。

图6：

纸幅张力控制原理图

2.4张力的动态补偿

复卷机的张力由稳态张力与动态张力组成的，如果只凭借张力调节器进行调节，在加速或减速过程中，就会因惯性迟滞调节不及时而使纸幅断裂。

为保证主速度加减速时的张力控制精度，动态补偿力矩可以通过程序设计的功能块，用于放卷纸加减速过程的张力矩的计算。

在加速或减速时，按转动定律会有一个附加力矩，这个力矩的大小取决于传动设备的机械惯量和纸卷的转速变化率。

这个转矩有两个部分：

电动机、齿轮箱和纸轴组成的机械惯量转矩部分和形状似一个空心桶的纸卷惯量转矩部分。

在程序中，所有的转矩都作用于电动机轴。

可以通过加速测试来确定机械惯量转矩。

机械惯量转矩J0

卷轴JWW，齿轮箱Jg和电机JMW的惯量转矩可以从设备供应商那里得到。

或者通过圆柱体的惯量计算公式计算：

卷轴转动惯量Jww：

Jww=1/2×m×rmin2

在转动做功的公式中，可以推导出卷轴与电机轴的惯量转矩的比率：

Wr=1/2×Jww×ωww=1/2×JMW×ωMW

JMW/JWW=ωWW/ωMW=1/i

有2个机械惯量的计算公式：

以卷轴为参考：

J0=JWW+JMW×i

以电动机轴为参考：

J0=JWW/I+JMW

纸卷的惯量转矩JB

计算纸卷的惯量转矩，需要知道纸卷的直径、纸幅的宽度和纸卷和密度。

空心纸卷的惯量转矩计量公式：

JB=1/2×m×（r＾2+rmin2）

空心纸卷的体积是：

V0=b×π×（r＾2–rmin2）

密度为e（Kg×m-3）的空心纸卷质量是：

m=e×V0=

e×b×π（r2–rmin2）

实际工作中密度γ单位常以kg×dm-3计算，质量公式：

m=1000×γ×b×π×（r2–rmin2）

相应纸卷的惯量转矩JB为：

JB=1/2×1000×γ×b×π×（r2–rmin2）×（r2+rmin2）

=1/2×1000×γ×b×π×（r4-rmin4）

=1/2×1000×γ×b×π×（d4/16-dmin4/16）

=98×b×γ×（d4-dmin4）

如果在传动电动机与纸轴之间有齿轮器，它的传输比就是i：

i=nMW/nWW

以电动机为参考的纸卷惯量转矩为：

JB=98×b×γ×（d4-dmin4）/i2

加速转矩MB计算如下：

MB=J×dw/dt=（J0+JB）×dw/dt

=（J0+（98×b×γ×（d4-dmin4）/i2））×dw/dt

ω=v/r=2×v/d

dw/dt=2/d×dw/dt

通过加速转矩的计算，获得下列公式：

MB=（J0+（98×b×γ×（d4-dmin4）/i2））×dw/dt×2/d

式中：

b是纸幅宽度，单位：

m；d是纸径，单位：

m；dmin是纸轴直径，单位：

m；i是速比；J0是机械惯量转矩；单位：

kg×m2；JB是纸卷惯量转矩，单位：

kg×m2；JMW是对应电动机惯量转矩，单位：

kg×m2；JWW是对应卷轴惯量转矩，单位：

kg×m2；m是纸卷质量，单位：

kg；MB是加速度转矩，单位：

N×m；N是转速，单位：

min-1；r是半径，单位：

m；ri是纸轴半径，单位：

m；v是车速，单位：

m×s-1；V0是退纸卷得体积，单位：

m3；WR是转动功；γ是纸的密度，单位：

kg×dm-3；e是纸的密度，单位：

kg×dm-3；ω是角速度，单位s-1；dw/dt是角加速度，单位：

s-2；dv/dt是加速度，单位：

m×s-2。

我们可通过图框来表示，如图7。

图7

2.4退卷动态张力实现方法

本设计系统采用SIMATICS7-400作为中央处理器，通过编写程序来计算退纸辊的动惯量，使其按公式计算出当前的转动惯量MB。

程序块如图8、图9所示。

图8

图9

3设计说明

3.1润滑和密封

由于本设备的结构简单，受力不大，选用脂润滑，采取毡圈和橡胶垫片来密封。

至于个中现成的标准件，采取与之相应的润滑措施。

对于前者采用钙基脂。

3.2使用、维修和保养

1.调试时应使前后纸速同步。

2.每天停机后应清洗直辊。

3.长期停放时，各个棍子应涂防护油以防生锈。

4.尽量保持车间的清洁与卫生。

总结

毕业设计是一门综合性很强的课程，也是最重要的一门课程，我在毕业设计中做的复卷机整机结构设计，虽然大学期间曾做过几次课程设计，但是却不像这次一样，面对的是一个全新的东西。

通过这次设计加深了对设计这方面的了解，而且通过设计使我了解了自身的不足之处。

以下是我多这次设计的一些总结：

第一，毕业设计是一门综合的课程设计，她综合了大学期间学到的大部分专业知识，例如《机械原理》、《机械设计》等等一系列的专业知识。

由这次设计把四年来所学的大部分专业知识作了一个回顾和重新的学习。

而且学习到了许多新的知识，特别是pro/e软件的操作使用，使自己的知识又有了进一步的提高。

第二，毕业设计时没人一个课题，需要自己在指导老师的指导下独立完成，这其中就涉及到查找资料、课题设计、绘图、写设计说明书等等一系列看似繁琐却很重要的工作，从无到有一点一滴的完成设计，从中就可以体现出自己哪方面不足，也能反映出以前自己意识不到的不足和缺点，进而在设计中加以改进。

第三，通过这次毕业设计，让我受益匪浅，从中学习到了许多课本上和课本外的东西，改善和弥补了自身的不足，也更能体会到了团队合作的重要性，给即将迈入社会和踏上工作岗位的我上了重要的一课。

致谢语

毕业论文暂告收尾，这也意味着我在大学学习生活既将结束。

回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。

在这三年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。

这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

在毕业论文设计过程中，我遇到了许许多多的困难。

在此我要感谢我的指导老师盛滨老师给我悉心的帮助和对我耐心而细致的指导，我的毕业论文较为复杂烦琐，但是盛滨老师仍然细心地纠正图中的错误。

除了敬佩盛滨老师的专业水平以外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作，我才得以解决毕业设计中遇到的种种问题。

同时感谢大学四年传授我们专业知识的所有老师，谢谢你们呕心沥血的教导。

还有谢谢我周围的同学、朋友，他们给了我无数的关心和鼓励，也让我的大学生活充满了温暖和欢乐。

如果没有他们的帮助，此次毕业论文的完成将变得困难。

他们在我设计中给了我许多宝贵的意见和建议。

同时也要感谢自己遇到困难的时候没有一蹶不振，取而代之的是找到了最好的方法来解决问题。

最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们。