【专利】无后座力摇振装置及振幅调节方法

申请公布号：CN 110777555 A

发明人：刘建安　王欢欢　樊慧明　黄珊珊

申请人：华南理工大学

纤维絮聚是造成纸张匀度不良的主要因素，而长网部纤维的定向排列又导致了纸张的纵横比和横向收缩率高，网部摇振系统在浆流的上层与下层产生速差进行剪切和扰动，能有效克服纤维絮聚，缓解纤维的定向排列，改善匀度和纸张的纵横比。普通的网部摇振系统通过摇振装置把振动传递给网案，带动浆料在纸机的横向产生振动。但是它的振动频率和幅度都有限，对中、高速纸机的作用不明显。而且还在竖直方向产生振动，严重时会引起跳浆。机械磨损加快，易造成机架、弹簧钢板等的断裂，甚至基础的损坏。

为了适应中、高速纸机的要求，造纸工作者研究开发了高频摇振装置。高频摇振装置中安装有四对齿轮和四个偏心块，其振幅调节原理是调整两对偏心块的相位角，从而调整摇振装置所产生摇振力的大小，达到调节摇振振幅的目的。

现有高频摇振装置调节振幅的主流方式是采用两个伺服电机和一套伺服控制系统，每个伺服电机与两对齿轮中的主动齿轮相连，独立控制和调节每对偏心块的位置。这种控制方式，每对偏心块均要有一个相位传感器，需要同时对每对偏心块的相位进行运动控制，确保两对偏心块的相位差稳定在需要范围内，这就需要非常复杂的控制系统，其设备投资和维护成本非常高。

为了简化高频摇振装置的设备结构，降低其设备成本，申请人经过不断研究，在申请号为201810370815.7的发明申请中已经公开了一种振幅可调的高速摇振箱装置及振幅调节方法。该装置利用一对过桥齿轮将两对左齿轮和两对右齿轮连接在一起，从而达到减少伺服电机的使用并简化其控制系统的目的。但在实际应用中，该装置仍存在以下明显缺陷：（1）通过一对过桥齿轮在四对齿轮之间进行传动，由于过桥齿轮的运动频率高，与四对齿轮之间的接触面积大，同时过桥齿轮一般比较小，容易损坏，所以针对过桥齿轮的维护频率非常高，实际上并不能有效达到降低整体装置维护成本的目的；（2）对各右齿轮（包括右上齿轮、右下齿轮）所在的传动轴，需要在其两端分别安装电磁离合器，那么控制系统也就相应需要增加对离合器的控制，这也使得高频摇振装置还存在可进一步简化的空间；（3）各右齿轮与其相应的传动轴之间需要通过轴承进行连接，这也使得高频摇振装置还存在可进一步简化的空间。

提供一种无后座力摇振装置，该装置结构得到较大程度的简化，可有效降低设备结构的复杂性，也降低其设备投资和维护成本。

图1  无后座力摇振装置的结构

1—内箱体  2—外箱体  3—摇振杆  4—底座  5—左上齿轮对  6—左下齿轮对  7—右上齿轮对  8—右下齿轮对  9—左上齿轮轴  10—左下齿轮轴  11—右上齿轮轴  12—右下齿轮轴  13—偏心块  14—左传动齿轮  15—右传动齿轮  16—驱动电机  17—第一平行联轴器  18—调节电机  19—第二平行联轴器  20—第一离合器  21—第二离合器

如图1a、b所示，主要包括箱体、四组调节齿轮对和一组传动齿轮对。各主要机构的具体结构如下：

该摇振装置的箱体主要包括内箱体、外箱体、摇振杆和底座。内箱体安装在外箱体内，由滑轨支撑，内箱体在外箱体内沿滑轨来回摆动，其摆动振幅为0～25mm，摇振频率为0～600r/min，除水平方向外其他方向无任何受力。摇振杆的一端通过法兰与内箱体相连，连接部位位于内箱体的中间，另一端通过推力轴承与胸辊轴相连，从而既不妨碍胸辊的转动，又能把摇振力传递给胸辊，让网部产生摇振。

内箱体中安装有四组调节齿轮对，分别为左上齿轮对、左下齿轮对、右上齿轮对和右下齿轮对。如图1c所示，组成左上齿轮对的两个齿轮分别设于左上齿轮轴两端，组成左下齿轮对的两个齿轮分别设于左下齿轮轴两端；如图1d所示，组成右上齿轮对的两个齿轮分别设于右上齿轮轴两端，组成右下齿轮对的两个齿轮分别设于右下齿轮轴两端。

每组调节齿轮对的两个齿轮与对应的齿轮轴之间均通过键固定连接；齿轮轴为左上齿轮轴、左下齿轮轴、右上齿轮轴或右下齿轮轴。该结构中，左上齿轮对安装在左下齿轮对的正上方，左上齿轮对的两个齿轮与左下齿轮对的两个齿轮一一对应啮合转动。右上齿轮对安装在右下齿轮对的正上方，右上齿轮对的两个齿轮与右下齿轮对的两个齿轮一一对应啮合转动。但左上齿轮对与右上齿轮对之间、左下齿轮对与右下齿轮对之间均没有直接的连接关系。左上齿轮轴与左下齿轮轴之间反向转动，右上齿轮轴与右下齿轮轴之间反向转动，即左上齿轮对中两个齿轮的齿形与左下齿轮对中两个齿轮的齿形相反。右上齿轮对中两个齿轮的齿形与右下齿轮对中两个齿轮的齿形也相反。

每组调节齿轮对的两个齿轮之间设有一个偏心块。四组调节齿轮对中，每组调节齿轮中的偏心块两端均与相应的齿轮固定连接，同时偏心块还与相应的齿轮轴固定连接；齿轮轴为左上齿轮轴、左下齿轮轴、右上齿轮轴或右下齿轮轴。即所有偏心块均通过固定块固定于相应的齿轮轴上，同时各偏心块两端还分别通过螺栓固定在相应的齿轮上。位于左上齿轮对中的偏心块和位于左下齿轮对中的偏心块对称安装，位于右上齿轮对中的偏心块和位于右下齿轮对中的偏心块对称安装。对称的两个偏心块之间形成180°角的对称关系。四个偏心块都具有良好的等重量、等转动惯量，使得在齿轮运转时只产生水平方向的力，而其他方向的力完全抵消，使摇振装置运行过程无后座力，从而不会对摇振装置基础及胸辊装置产生不良影响，达到传统摇振装置无法达到的高的摇振频率和振幅。偏心块运转产生的偏心力构成摇振装置的摇振力，四个偏心块产生的合力即为摇振装置产生的摇振力，因此，通过调节两对偏心块的相位角即可改变摇振力的大小，从而调节摇振的振幅。

如图1b所示，左下齿轮轴与右下齿轮轴之间设有一组传动齿轮对，组成传动齿轮对的两个齿轮分别为左传动齿轮和右传动齿轮，左传动齿轮设于左下齿轮轴上，右传动齿轮设于右下齿轮轴上。左下齿轮轴的一端还连接有驱动电机，驱动电机安装于外箱体上。此外，左下齿轮轴上还设有第一平行联轴器，即左下齿轮轴的一端依次安装有第一平行联轴器、左传动齿轮和驱动电机，左传动齿轮的齿轮轴一端与驱动电机连接，另一端通过第一平行联轴器与左下齿轮轴连接。驱动电机为变频电机，不采用伺服电机，从而降低控制的成本和控制系统的复杂性。摇振装置运转过程中，驱动电机转速每分钟从0到600转变化，从而使摇振装置的频率为0～600r/min。传动齿轮对中，左传动齿轮与左下齿轮轴之间通过键固定连接，右传动齿轮与右下齿轮轴之间通过第一轴承连接。传动齿轮对中，左传动齿轮和右传动齿轮之间具有相同的直径、厚度和齿数，左传动齿轮和右传动齿轮的传动比为1∶1。左传动齿轮和右传动齿轮靠在一起啮合运转，驱动电机带动左传动齿轮运转，再通过第一平行联轴器带动左下齿轮对和左上齿轮对运转；左传动齿轮同时带动右传动齿轮运转，同样地通过第二平行联轴器带动右下齿轮对和右上齿轮对运转，各齿轮带动偏心块运转，产生摇振力。

如图1b所示，右下齿轮轴的一端还连接有调节电机，右下齿轮轴的两端分别设有离合器。此外，右下齿轮轴的一端还设有第二平行联轴器，位于右下齿轮轴两端的离合器分别为第一离合器和第二离合器，右下齿轮轴一端通过第二平行联轴器与右传动齿轮的齿轮轴连接，另一端通过第一离合器与调节电机连接，右传动齿轮的齿轮轴另一端通过第二离合器与外箱体连接。右传动齿轮与其齿轮轴之间还设有滚动轴承。其中，第一离合器为电磁齿形离合器，能断开或接通调节电机与右下齿轮轴之间的连动关系，第二离合器也为电磁齿形离合器，能断开或接通右传动齿轮与右下齿轮轴的连动关系。调节电机为减速步进电机，能使右下齿轮对慢速转动，转动速度为1～2r/min。

通过上述无后座力摇振装置实现一种振幅调节方法。当需要调节振幅时，先停止传动齿轮对、四组调节齿轮对及相应齿轮轴的转动，然后启动右下齿轮轴，使右下齿轮对中的偏心块发生转动，同时右上齿轮对中的偏心块也跟随发生转动。此时，左上齿轮对中的偏心块和左下齿轮对中的偏心块位置均不变，从而改变了四个偏心块之间的相位角，进而实现振幅调节。

上述无后座力摇振装置及振幅调节方法使用时，其原理如下：

内箱体安装在外箱体的滑轨上，由驱动电机通过传动齿轮对带着四组调节齿轮对及偏心块运转，产生的摇振力水平摆动，驱动电机通过控制四组调节齿轮对的转动速度来调节摇振装置的摇振频率。

内箱体中安装有四对调节齿轮对和四个偏心块，所有偏心块完全对称安装，形成180°角的对称关系，并具有良好的等重量、等转动惯量，使得在四组调节齿轮对运转时只产生水平方向的力，而其他方向的力完全抵消，从而不会对摇振装置的基础及胸辊装置产生不良影响。

左下齿轮对和右下齿轮对之间通过传动齿轮对的啮合运转来进行动力传动。右下齿轮轴一端安装有右传动齿轮，右传动齿轮通过轴承安装在右下齿轮轴上，其与外箱体之间安装有离合器，可以通过离合器断开齿轮与轴之间的连动关系而可以独立运转。

右下齿轮轴与右传动齿轮相对的另一端安装有调节电机和第一离合器，第一离合器能断开或连接调节电机与齿轮轴之间的连动关系。

调节振幅时，关闭驱动电机，第二离合器断电，断开右传动齿轮与右下齿轮轴之间的连动关系；第一离合器通电，调节电机与右下齿轮轴连动；启动调节电机，根据需要转动相连的调节齿轮对（即右下齿轮对和右上齿轮对）和偏心块，改变四个偏心块的相位角，从而通过调节摇振力的大小，调节摇振的振幅。该过程中，右下齿轮轴转动时，因为右传动齿轮通过轴承安装在其齿轮轴上，因此该齿轮轴转动时，右传动齿轮不转动，因而不会导致所有偏心块跟着转动而无法调节四个偏心块的相位角。

调节完成后，关闭调节电机，第一离合器断电，断开调节电机与右下齿轮轴的连接；第二离合器通电，使右传动齿轮与对应的齿轮轴固定连动，启动驱动电机，摇振装置开始正常工作。

有益效果：（1）无后座力摇振装置及振幅调节方法是在现有摇振装置及其振幅调节方法的基础上进行改进，进一步简化摇振装置的结构，避免过桥齿轮对的使用，也减少离合器的使用，有效降低设备结构的复杂性，也降低其设备投资和维护的成本。（2）无后座力摇振装置中，只采用了一个驱动电机即可实现整套装置的动力驱动，通过驱动电机的转速直接控制摇振频率，通过调节电机调节偏心块的相位角来调节摇振的振幅，其控制原理非常简单，可有效降低摇振装置控制复杂性。（3）无后座力摇振装置中，所有的传动都是通过齿轮对的啮合传动实现，能有效确保其传动的精确性。