В процессе производства бумагоделательных машин различные валы играют незаменимую роль: от обезвоживания влажного бумажного полотна до установки сухого. Будучи одной из основных технологий в конструкции валов бумагоделательных машин, «корона», несмотря на кажущуюся незначительность геометрических различий, напрямую определяет однородность и стабильность качества бумаги. В данной статье будет всесторонне проанализирована технология короны валов бумагоделательных машин с точки зрения определения, принципа работы, классификации, ключевых факторов, влияющих на конструкцию и обслуживание, раскрывая её важное значение в производстве бумаги.

1. Определение короны: значительная функция при незначительных различиях

«Корона» (англ. Crown) – это особая геометрическая форма валов бумагоделательных машин, расположенная вдоль их аксиального (продольного) направления. Диаметр средней части тела вала несколько больше диаметра концевых частей, образуя контур, подобный «барабану с талией». Эта разница в диаметрах обычно измеряется в микрометрах (мкм), а величина короны некоторых крупных прессовых валов может достигать 0,1–0,5 мм.

Основным показателем, определяющим форму короны, является «величина короны», которая рассчитывается как разница между максимальным диаметром тела вала (обычно в середине осевого направления) и диаметром торцов вала. По сути, форма короны подразумевает предварительную установку этой минимальной разницы диаметров для компенсации деформации «среднего провисания» вала, вызванной такими факторами, как изменение силы и температуры в процессе эксплуатации. В конечном итоге, это обеспечивает равномерное распределение контактного давления по всей ширине поверхности вала и бумажного полотна (или других контактирующих компонентов), закладывая прочную основу для качества бумаги.

2. Основные функции коронки: компенсация деформации и поддержание равномерного давления

В процессе эксплуатации валов бумагоделательных машин деформация неизбежна из-за механических нагрузок, перепадов температур и других факторов. Без соответствующей конструкции гребня эта деформация приведёт к неравномерному контактному давлению между поверхностью вала и бумажным полотном — «более высокое давление на обоих концах и более низкое в середине», — что напрямую повлечёт за собой серьёзные проблемы с качеством, такие как неравномерная плотность бумаги и неравномерное обезвоживание. Ключевая ценность гребня заключается в активной компенсации этих деформаций, что, в частности, проявляется в следующих аспектах:

2.1 Компенсация деформации изгиба валков

При работе сердечниковых валов бумагоделательных машин, таких как прессовые и каландровые валы, необходимо оказывать значительное давление на бумажное полотно. Например, линейное давление прессовых валов может достигать 100–500 кН/м. Для валов с большим отношением длины к диаметру (например, длина прессовых валов в широкоформатных бумагоделательных машинах может составлять 8–12 метров) под давлением возникает упругая деформация изгиба вниз в середине, подобная «прогибу опорной стойки под нагрузкой». Эта деформация вызывает избыточное контактное давление между торцами валов и бумажным полотном, в то время как давление в середине недостаточно. В результате бумажное полотно оказывается переохлажденным с обоих концов (что приводит к высокой сухости и низкой плотности) и недоохлажденным в середине (что приводит к низкой сухости и высокой плотности).

Однако «барабанная» конструкция короны гарантирует, что после изгиба вала вся его поверхность остаётся в параллельном контакте с бумажным полотном, обеспечивая равномерное распределение давления. Это эффективно устраняет риски для качества, вызванные деформацией изгиба.

2.2 Компенсация термической деформации валков

Некоторые валки, такие как направляющие валки и каландровые валки в сушильной части, подвергаются тепловому расширению во время работы из-за контакта с высокотемпературным бумажным полотном и нагрева паром. Поскольку средняя часть тела вала нагревается сильнее (концы соединены с подшипниками и быстрее рассеивают тепло), ее тепловое расширение больше, чем у концов, что приводит к «среднему выступу» тела вала. В этом случае использование традиционной конструкции венца усугубит неравномерность контактного давления. Поэтому необходимо спроектировать «отрицательный венец» (где диаметр средней части немного меньше диаметра концов, также известный как «обратный венец»), чтобы компенсировать дополнительный выступ, вызванный тепловым расширением, обеспечивая равномерное контактное давление на поверхность вала.

2.3 Компенсация неравномерного износа поверхности валков

При длительной эксплуатации некоторые валы (например, резиновые прессовые валы) чаще подвергаются трению по краям бумажного полотна (поскольку на краях полотна скапливаются загрязнения), что приводит к более быстрому износу торцов, чем середины. Без коронки после износа поверхность вала будет иметь «выпуклость в середине и провисание на концах», что, в свою очередь, влияет на распределение давления. Предварительная установка коронки позволяет поддерживать равномерность контура поверхности вала на ранней стадии износа, продлевая срок службы вала и снижая колебания производительности, вызванные износом.

3. Классификация коронок: технические решения, адаптированные к различным условиям работы

В зависимости от типа бумагоделательной машины (низкоскоростная/высокоскоростная, узко-/широкоширокая), назначения валков (прессование/каландрирование/направляющие) и требований к технологическому процессу, коронки можно разделить на несколько типов. Различные типы коронок различаются конструктивными особенностями, способами регулировки и сферами применения, как указано в следующей таблице:

4. Ключевые факторы, влияющие на конструкцию коронки: точный расчет для адаптации к производственным требованиям

Величина коронки не устанавливается произвольно; для обеспечения её эффективной работы она должна быть тщательно рассчитана на основе параметров валков и условий процесса. Ключевыми факторами, влияющими на конструкцию коронки, являются следующие:

4.1 Размеры и материал рулона

1. Длина корпуса рулона (L): Чем длиннее корпус вала, тем больше деформация изгиба при том же давлении и, следовательно, тем больше требуемая величина выпуклости. Например, для длинных валов в широкоформатных бумагоделательных машинах требуется большая величина выпуклости, чем для коротких валов в узкоформатных бумагоделательных машинах, чтобы компенсировать деформацию.
2. Диаметр тела валка (D)Чем меньше диаметр бочки валка, тем ниже его жёсткость и тем выше его склонность к деформации под давлением. Следовательно, требуется большее значение выпуклости. И наоборот, валки большего диаметра имеют большую жёсткость, и значение выпуклости можно уменьшить.
3. Жесткость материала: Различные материалы, из которых изготовлены тела валков, обладают разной жёсткостью; например, стальные валки имеют значительно большую жёсткость, чем чугунные. Материалы с меньшей жёсткостью сильнее деформируются под давлением, что требует большего значения коронной деформации.

4.2 Рабочее давление (линейное давление)

Рабочее давление (линейное давление) валов, таких как прессовые валки и каландровые валки, является важным фактором, влияющим на конструкцию коронки. Чем больше линейное давление, тем значительнее деформация изгиба тела валка, и значение коронки должно быть соответственно увеличено для компенсации деформации. Их соотношение можно приблизительно выразить упрощенной формулой: Значение коронки H ≈ (P×L³)/(48×E×I), где P — линейное давление, L — длина валка, E — модуль упругости материала, а I — момент инерции поперечного сечения вала. Например, линейное давление прессовых валков для упаковочной бумаги обычно превышает 300 кН/м, поэтому соответствующее значение коронки должно быть больше, чем у прессовых валков для культурной бумаги с более низким линейным давлением.

4.3 Скорость машины и тип бумаги

1. Скорость машины: При работе высокоскоростных бумагоделательных машин (скорость > 1200 м/мин) бумажное полотно гораздо более чувствительно к равномерности давления, чем на низкоскоростных. Даже незначительные колебания давления могут привести к дефектам качества бумаги. Поэтому на высокоскоростных бумагоделательных машинах обычно используется «управляемая корона» для компенсации динамической деформации в режиме реального времени и обеспечения стабильного давления.
2. Тип бумаги: Разные типы бумаги предъявляют разные требования к равномерности давления. Туалетная бумага (например, туалетная бумага плотностью 10–20 г/м²) имеет низкую плотность и чрезвычайно чувствительна к колебаниям давления, что требует высокоточного проектирования короны. Напротив, плотная бумага (например, картон плотностью 150–400 г/м²) обладает более высокой устойчивостью к колебаниям давления, поэтому требования к точности проектирования короны могут быть снижены.

5. Распространенные проблемы с коронкой и их обслуживание: своевременный осмотр для обеспечения стабильного производства

Нерациональная конструкция короны или неправильное обслуживание напрямую влияют на качество бумаги и приводят к ряду производственных проблем. Ниже перечислены распространённые проблемы, связанные с короной, и соответствующие меры по их устранению:

5.1 Чрезмерно большая стоимость короны

Чрезмерно большое значение короны приводит к избыточному давлению в середине поверхности вала, что приводит к низкой плотности и повышенной сухости бумаги в середине. В тяжёлых случаях это может даже привести к «смятию» (разрыву волокон), что влияет на прочность и внешний вид бумаги.

Контрмеры: Для валов с фиксированным куполом, используемых в низкоскоростных бумагоделательных машинах, необходимо заменить валки с соответствующим значением купола. Для валов с регулируемым куполом, используемых в высокоскоростных бумагоделательных машинах, гидравлическое или пневматическое давление может быть снижено с помощью системы регулируемого купола до достижения равномерного распределения давления.

5.2 Чрезмерно малая стоимость короны

Слишком малая величина короны приводит к недостаточному давлению в середине поверхности вала, что приводит к недостаточному обезвоживанию бумаги в середине, низкой сухости, высокой плотности и дефектам качества, таким как «мокрые пятна». Кроме того, это может повлиять на эффективность последующего процесса сушки.

Контрмеры: Для валков с фиксированным куполом необходимо переработать корпус валка для увеличения величины купола. Для валков с регулируемым куполом можно увеличить гидравлическое или пневматическое давление, гарантируя, что давление в середине валка будет соответствовать технологическим требованиям.

5.3 Неравномерный износ контура коронки

После длительной эксплуатации поверхность валков подвергается износу. При неравномерном износе контур обода деформируется, и на поверхности вала появляются «неровности». Это приводит к появлению на бумаге таких дефектов, как «полосы» и «вмятины», что серьёзно ухудшает её внешний вид.

Контрмеры: Регулярно осматривайте поверхность валков. При достижении определённого уровня износа своевременно шлифуйте и ремонтируйте поверхность валков (например, перешлифуйте контур обода резиновых валков пресса), чтобы восстановить нормальную форму и размер обода и предотвратить чрезмерный износ, влияющий на производительность.

6. Заключение

Венец валов бумагоделательных машин, казалось бы, незначительная, но критически важная технология, является основой обеспечения равномерного качества бумаги. От фиксированного венца на низкоскоростных бумагоделательных машинах до регулируемого венца на высокоскоростных широкоформатных бумагоделательных машинах, непрерывное развитие технологии венца всегда было сосредоточено на главной цели – «компенсации деформации и достижения равномерного давления», адаптации к различным условиям производства бумаги. Рациональная конструкция венца не только решает проблемы качества, такие как неравномерная плотность бумаги и плохое обезвоживание, но и повышает эффективность работы бумагоделательных машин (уменьшая количество обрывов бумаги) и снижает энергопотребление (предотвращая пересушивание). Он является незаменимым техническим инструментом в развитии бумажной промышленности в направлении «высокого качества, высокой эффективности и низкого энергопотребления». В будущем производстве бумаги, с постоянным повышением точности оборудования и постоянной оптимизацией процессов, технология венца станет более совершенной и интеллектуальной, внося ещё больший вклад в высококачественное развитие бумажной промышленности.