真空抽吸辘止封隔板之最适设计及使用基础

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1、真空抽吸辘止封隔板之最适设计及使用基础 Proper design and use of suction roll sealing strips in suction roll operation 程东益 Tony Cheng* 编译 The correct and proper design 几乎所有的纸机的 设计中, 都最少会有一支真空抽吸辘, 或二支以上的设计 真空抽吸辘的结构可区分为二个主要组件: ? 转动的外壳 (shell) ? 固定不动的内部抽吸箱 (suction box) 图一. 典型抽吸辘内部结构示意图 当抽吸辘于运转时, 外壳会顺着抽吸箱转动, 真空就会透过外壳的孔径经由

2、间隙 进入抽吸箱中, 因而纸匹或毛毯所压出之水会被真空所牵引而进入抽吸箱中; 如1 同图一所示, 为一典型的抽吸辘内部结构示意图 为能使真空的有效区确立在压水所需的抽吸区域内, 使水份被抽吸透过外 壳孔径而落入抽吸箱中, 在转动的外壳和静止的抽吸箱间必需有止封的设计; 所 需止封的区域一般多为长方形, 横向为纸匹宽, 纵向则自数英吋到直径的一半均 有可能; 其宽度多和捏缝的宽度压水辘及纸匹的包覆角度有关 二. 抽吸辘止封隔板 (Suction Roll Seal) 不管是针对抽吸辘的功能或纸机本身, 止封隔板是极为重要的组件, 如止封 隔板有问题, 将造成抽吸辘的真空异常, 相对地造成该部的脱

3、水能力下降, 在后 段干燥设备无法克服补偿时, 将会产出水份不良纸品甚至断纸迫使纸机停车 不当止封隔板的使用将会使抽吸辘的真空度失常而影响抽吸辘之功效, 相 对地造成较高的能源耗损, 以较贵的蒸汽来除去原本可在抽吸压水辘除去的水 份, 造成成本的提升 抽吸辘的止封隔板基本上包含了三种主要组件: 1. 前端止封隔板 (Side Seal) 2. 静音止封隔板 (Silencer Seal) 3. 端面止封隔板 (End deckles) 于纸匹进入压缝之方向, 在横向上所安置的第一组止封隔板一般通称为前端止 封隔板(Side Seal); 相对平行于前端止封隔板之另一止封隔板则为静音止封隔板 (

4、Silencer Seal), 此一隔板通常较前者为宽, 但长度相同; 端面止封隔板则位于真 空抽吸区的二端, 随着所需之抽吸宽度而调整位置现今抽吸辘的设计下, 前端 及静音止封隔板可藉由下方之加压管(Air loading tube)来调整其相对辘壳的高度, 而端面止封隔板则设计为固定或可移动式, 依抽吸辘的制造设计商而有所不同 早期的抽吸辘是装设木质止封及弹簧, 后来有发展高分子聚合物石棉或木纤积 层板等而现今在高车速纸机中, 则多使用石墨材质(Rubber graphite)在了解止 封隔板的演进的同时, 先了解止封隔板在抽吸辘中所扮演的角色是非常重要的 在完美的组合环境下, 在加压管充

5、气后止封隔板应不会和辘壳有所接触, 润滑水 会在止封隔板和辘壳之间形成水膜止封水以阻隔真空区; 而理论上水膜的间隙 值应在约 0.02 英吋, 这个空间只要足够让止封水存在即可 由润滑水喷嘴所喷出 的水提供了前端止封隔板的润滑, 而制程中所产生的水则提供了静音止封隔板 及端面止封隔板的润滑请参考图二所示之相对位置 2 然而在实际的纸机操作环境下并不如假设的完美, 止封隔板常因为许多原因而 接触到了辘壳; 例如: 润滑水阻塞而无法提供止封水, 因操作不当而使加压管的 压力过大, 造成止封隔板太过接近辘壳; 而不适当的安装止封隔板也常是问题的 原因之一诸如此类会造成止封隔板成为剎车一般增加辘壳运转

6、马力的负担, 甚 或造成辘壳的磨损因此, 慎选正确的止封隔板材质和正确地使用方法是相当重 要的 图二. 理想的止封状态 三. 重要的止封隔板特性 在抽吸辘的止封隔板中有三项重要的特性: ? 热膨胀系数 Coefficient of thermal expansion ? 吸水之容积膨胀率 Percentage of water absorption by volume ? 最高操作温度 Maximum operating temperature 每项特性均有不同的存在理由 低热膨胀系数可使止封隔板不会因抽吸辘内部操 作温度的提升, 而产生形变变长; 如止封隔板因热膨胀而变长将会顶住沟槽的二 端

7、, 而迫使隔板向上突起, 造成和辘壳的不当接触而磨损虽然在设计辘体的同 时均会考量沟槽和止封隔板间的间隙及公差, 但在选用止封隔板材质时仍要选 择拥有较低热膨胀系数者, 以求降低间隙的大小; 因为任何的间隙或止封隔板的 接封, 均有可能会积填制程中的杂质, 这些陈积的杂质会造成对辘壳的磨损 如止封隔板的吸水容积膨胀率太高, 也会产生类似的问题; 当止封隔板在温度高 的环境下 (约 180F), 温度将会加速其吸水的速率, 而造成的形变将会使止封隔3 板失去弹性调节的功效, 无法依随加压管的控制保持适当的止封状态 其中最重要的特性为最高操作温度, 这和止封隔板的使用寿命有相当重要的关 连; 一般

8、的使用寿命多在六个月和一年之间, 而以现今的使用材质而定, 如抽吸 辘的本身状况不错的状况下, 则多可达到一年或二年的使用寿命, 或更长 当在讨论过止封隔板的使用寿命时, 所须特别谨慎的是: 一昧地追求增长止封隔 板的寿命, 将会是一支二刃刀虽然含钛元素成份的材质可远远地增长止封隔板的使用寿命, 但其对辘壳所造成的损伤确也毫不客气; 在考量止封隔板的寿命的 同时, 要先面对其使命的事实, 当辘壳不可避免地会和止封隔板接触时, 我们宁 可让止封隔板在有规律地磨耗下而更换之, 而不是更换辘壳 某些隔板供货商并无注意到这个问题, 一昧地强调其止封隔板的耐用性, 最后实 事证明将造成辘壳的损伤, 其最

9、明显的状况为端面止封的位置, 常常会磨出一条 深深的沟痕; 如磨损的状况很平均时, 并不容易发现辘壳已受损伤, 最好的辨别 方式是在作维修时去测量辘壳内径的分布状况, 将很容易辨别辘壳是否为止封 隔板所伤太强调止封隔板的耐用和寿命常会忽略到其原本设计之使命, 而造成 辘壳的损伤 为了解决这个问题, 在 1980 年代便有许多供货商致力于材质的研究, 发展出本 身能有润滑功能的材质, 而大部份的材质均含有石墨(Graphite)的成份, 以替代 当润滑水失常时来担任润滑的功能, 虽然石墨会因隔板的磨损而耗损, 而不能永 久性地润滑干燥的区域, 但在必要的时候也能提供紧急避难而延后失常的发生 隔板

10、的磨损也是唯一机制能移除当和辘壳在干燥状况时, 不当磨损时所产生的 热能; 当在润滑水失常而止封隔板和辘壳在干燥状况时摩擦所产生的热可达数 百度, 而该温度在达到 250F 时会对包胶的结合层造成伤害, 导致脱胶而对纸机 造成更重大的伤害即使在止封隔板中有添加石墨成份, 但在磨损的时候如不能 快速地释放石墨, 也一样无法解除摩擦热所带来的伤害 止封隔板的最理想操作应用温度应为多少? 应低于会对橡胶或PU包胶造成伤害的温度, 约在212250F, 当隔板在接近这个 温度时, 其基质应开始快速地被破坏而受磨损, 以释放热能并产生更多的润滑效 用; 虽然止封隔板最后难免被破坏, 但这是唯一受损的组件

11、, 并不会伤害到辘体的其它部份请参考图三, 温度和石墨止封隔板硬度间的关系图 如果止封的材质不会摩损, 在摩擦的区域将会变的越来越热直到故障发生; 虽然 止封的寿命也很重要, 但不要忘记止封在抽吸辘中的使命就是摩损, 摩损代表抽 吸辘有异常, 而其耗损也可保护其它重要的设备 4 图三. 温度和石墨止封隔板硬度间的关系图 四. 止封隔板之使用寿命 增进抽吸辘之效能及延长止封隔板之寿命的方法有下列几种简单的步骤: ? 并不用每次拆修抽吸辘时便将止封隔板换掉, 止封多需要经过相当地磨损 后才能和辘壳内部曲线相吻合; 举例来说, 如一组止封隔板已使用了九个月, 在一般认知而言, 已是相当长的一段时间了

12、, 而其上缘也正由于长期间的磨损正和辘壳内部曲线达到相当吻合的状态, 如以新的隔板而言, 在初期也会 快速地磨损以和辘壳内缘配合, 所以, 只要隔板留有足够的厚度, 能在加压 管的控制范围内, 仍可继续使用; 一般隔板在磨耗 0.25 英吋的高度后, 就要 更换了, 因为这是加压管设计上的最大可调空间 ? 适当地调整润滑喷淋水, 可大大地提升止封的效果 润滑水和来自制程(压水 过程)的水在进入抽吸箱之前, 必需在止封隔板和辘壳之间成水膜使止封最 适化, 如同在其它机械设备一般, 充份的润滑是延长止封机件寿命的最基本 要件 ? 如不需更换止封隔板的时候, 不要放过任何一次可以更换加压管的机会;

13、很 多和加压管的材质多会有老化的现象, 如和任何一种石化制品相接触, 均可 使大多数的加压管发生龟裂 ? 保持加压管的压力在 57psi 的范围内, 较高的管压可在最初安装新止封隔 板时使用, 但在数小时后就要将压力降到最低值, 以可保持真空止封为准 如果需要高于 57psi 的管压方能保持止封效果时, 代表止封隔板可能太短5 6 了(或太低), 供货商可提供技术人员帮忙重新计算实际止封隔板所需要的高 度跟随抽吸辘的使用年龄, 辘壳内部可能会磨损或多或少地加大内径, 这 就需要配以较高的止封隔板; 否则太低的止封隔板并无法造成适当的止封, 将会使真空抽吸效果大打折扣, 造成真空泵的负担加重,

14、损耗不必要的能源 来移除水份; 较高的管压不仅造成隔板的快速磨损, 也会加重抽吸辘的传动 负荷 ? 规律性地检查辘壳内缘, 尤其是在包胶之后; 粗糙的内缘会缩短止封隔板的 寿命, 在包胶之后的钻孔程序有可会造成内部凹凸不平, 加速隔板的磨损 ? 端面止封隔板, 是否固定或移动, 需以保持和辘壳间隙 0.0150.02 英吋为 主, 不正确的安装会使止封水无法在此位置保持良好的止封状态, 而造成真 空不足浪费动能; 而如果止封隔板的位置太高, 在长期的和辘壳接触之下会 将辘壳磨出二条沟槽, 或造成隔板破裂, 而需要较高的动力来转动辘壳重 要的是了解到端面止封隔板下的弹簧或可移动设计, 并不是用来使隔板和 辘壳保持接触的, 只是在组装或拆卸辘时方便安置之用途, 最后仍需和辘壳 保持相当的间隙 ? 当止封隔板磨损异常时, 请勿理所当然地猜测是隔板的问题; 记住当止封隔 板的问题通常是反应抽吸辘的使用状况, 良好的止封隔板就是依其设计目 的来达成使命一般, 当有抽吸辘内部机构有不正常磨损时先自止封隔板磨 损, 以保护更重要, 成本更贵的辘壳或包胶 参考文献: David W. Withers and Thomas S. Gardner, TAPPI JOURNAL, Vol. 79, No. 11, November 1996, p89p92.