熱磨機(jī)磨片不同區(qū)域?qū)w維分離作用機(jī)理的探討

1、 熱磨機(jī)磨片不同區(qū)域?qū)w維分離作用機(jī)理的探討1陳光偉，花軍東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱（150040）E-mail：摘 要：纖維分離過(guò)程中，磨片的不同區(qū)域?qū)w維分離過(guò)程所起到的作用是有差別的，同時(shí)也是相輔相成的，任何一個(gè)區(qū)域的作用效果都會(huì)影響下一個(gè)區(qū)域的分離作用以及最終的纖維質(zhì)量。磨片的作用也不僅僅只是分離纖維，它還會(huì)對(duì)原料的分離時(shí)間、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和能量消耗產(chǎn)生影響，這些因素最終都會(huì)影響到纖維的分離過(guò)程和質(zhì)量。本文對(duì)熱磨機(jī)磨盤(pán)磨片的各區(qū)域在纖維分離過(guò)程中的作用機(jī)理進(jìn)行了分析和探討。關(guān)鍵詞：磨片，纖維，區(qū)域，分離纖維制備是生產(chǎn)纖維板的關(guān)鍵工序，采用熱磨法制備纖維的基本過(guò)程如下：經(jīng)過(guò)分選、水洗后的木片先在蒸煮

2、罐中進(jìn)行預(yù)熱蒸煮，然后由送料螺旋將預(yù)熱蒸煮后的木片推送到熱磨機(jī)的磨盤(pán)之間，這些木片會(huì)受到磨片施加的多種力、且多次重復(fù)的綜合作用而最終被分離成纖維1 2。纖維的分離過(guò)程是在研磨室當(dāng)中進(jìn)行的，熱磨機(jī)研磨室的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 3245圖1 熱磨機(jī)研磨室的結(jié)構(gòu)1 進(jìn)料口；2 靜磨盤(pán)；3 靜盤(pán)磨片；4 動(dòng)盤(pán)磨片；5 動(dòng)磨盤(pán)；6 翼輪經(jīng)過(guò)預(yù)熱蒸煮的木片在進(jìn)料螺旋（圖中未示出）的推動(dòng)下由進(jìn)料口1進(jìn)入研磨室，位于進(jìn)料口另一側(cè)的翼輪6在主軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，并將進(jìn)入研磨室的木片拋散開(kāi)，使其均勻地分散在動(dòng)磨盤(pán)5和靜磨盤(pán)2之間的空隙當(dāng)中，且被動(dòng)盤(pán)磨片4和靜盤(pán)磨片2逐步研磨、分離，最終被分離成用于纖維板生產(chǎn)的纖維1?？梢?jiàn)

3、在纖維分離過(guò)程中，磨盤(pán)磨片起到了關(guān)鍵的作用。磨盤(pán)磨片在設(shè)計(jì)、制造時(shí)通常被化分成破碎區(qū)、粗磨區(qū)和精磨區(qū)三個(gè)部分，圖2所示為某種磨片的區(qū)域劃分圖。預(yù)熱蒸煮之后的木片就是在依次通過(guò)這三個(gè)區(qū)域的過(guò)程中被逐步分離成纖維的。本文將對(duì)熱磨機(jī)磨盤(pán)磨片各區(qū)域在纖維分離過(guò)程中所起的作用機(jī)理進(jìn)行分析1本課題得到教育部博士點(diǎn)基金（20060225011）資助。- 1 - 和探討。圖2 磨片的區(qū)域劃分 1磨片破碎區(qū)對(duì)纖維分離的作用機(jī)理破碎區(qū)位于磨盤(pán)磨片的最內(nèi)側(cè)。在這一區(qū)域內(nèi)的磨齒數(shù)量很少，其主要作用是對(duì)木片進(jìn)行破碎，然后通過(guò)磨齒的“泵送”及導(dǎo)向作用將破碎后的木片送入粗磨區(qū)1 3。為了容納一定量的木片，動(dòng)磨盤(pán)磨片和定磨盤(pán)

4、磨片破碎區(qū)之間的間隙都是比較大的，而剛剛進(jìn)入這一區(qū)域的木片顯然都是形態(tài)完整的，木片與木片之間的間隙比較大，堆積密度比較低，所以間隙會(huì)被木片填塞的很滿(mǎn)；此時(shí)，在動(dòng)磨盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)及動(dòng)磨盤(pán)、定磨盤(pán)磨片磨齒之間的剪切作用下，介于兩磨片之間的木片會(huì)被沿纖維排列的縱向破碎，變成小尺寸的木片；同時(shí)，也會(huì)有一些沒(méi)有受到剪切作用的木片在相互擠壓下沿纖維的縱向斷裂成小尺寸的木片。在破碎區(qū)內(nèi)，木片的縱向斷裂是木片破碎的主要形式，此時(shí)定盤(pán)磨片磨齒相當(dāng)于剪切機(jī)構(gòu)的底刀，而動(dòng)盤(pán)磨片磨齒相當(dāng)于剪切機(jī)構(gòu)的切刀，兩者之間會(huì)形成較好的剪切作用。經(jīng)過(guò)蒸煮的木片，木材的胞間層物質(zhì)（木素和半纖維素）已經(jīng)軟化或部分融解，纖維之間的結(jié)在受到剪

5、切力的作用下，木片必然會(huì)沿著結(jié)合力最弱的纖維縱向合力已經(jīng)被大大削弱2 4 ，被撕裂或者折斷，從而破碎成小尺寸的木片。另外，破碎區(qū)內(nèi)的磨齒是在所有磨齒當(dāng)中受力狀況最為惡劣的。破碎區(qū)的磨齒一方面要對(duì)木片施加壓力和剪切力，從而必然受到木片的反作用力；另一方面，木片向粗磨區(qū)擴(kuò)散的徑向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)磨齒的擠壓力和刮擦力也是不可忽視的。這種情況是由于各種尺寸的、混雜在一起的木片（以已經(jīng)被破碎、小尺寸的木片為主）向粗磨區(qū)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，離心力不是促使其徑向運(yùn)動(dòng)的主要部分。因?yàn)樵谄扑閰^(qū)范圍內(nèi)還是處于較為接近動(dòng)磨盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的距離上，此區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)的線(xiàn)速度比較低，所以對(duì)木片形成的離心力比較小，而木片相互擠壓形成的阻力以及

6、粗磨區(qū)的前幾條周向齒對(duì)木片徑向運(yùn)動(dòng)的阻力也使木片不能很順利的向粗磨區(qū)擴(kuò)散。木片向粗磨區(qū)擴(kuò)散時(shí)主要是借助后續(xù)進(jìn)入破碎區(qū)的木片對(duì)這些先前已被破碎的木片的推動(dòng)力和擠壓力。還有一個(gè)推動(dòng)木片作徑向運(yùn)動(dòng)的力是在動(dòng)磨盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，位于動(dòng)磨盤(pán)上的木片會(huì)形成科氏加速度（科里奧利加速度或科氏力）5，這個(gè)力也是推動(dòng)木片向粗磨區(qū)運(yùn)動(dòng)的主要因素之一，也就是所謂的磨齒的“泵送”作用6。分析表明，在破碎區(qū)破碎木片的過(guò)程中，不會(huì)有大量的纖維存在，不能形成纖維大量絮結(jié)在磨齒齒刃上的情況；即使出現(xiàn)有纖維絮結(jié)在齒刃的狀況，也會(huì)被向粗磨區(qū)擴(kuò)散的木片- 2 - 刮掉而混雜在破碎后的木片當(dāng)中。木片在壓力、剪切力、推動(dòng)力和擠壓力的綜合作用下，

7、總體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是沿著破碎區(qū)磨齒的徑向排列方向（也就是磨齒的導(dǎo)向方向）運(yùn)動(dòng)，但對(duì)于單個(gè)木片來(lái)說(shuō)其自身的運(yùn)動(dòng)必然是沒(méi)有規(guī)律的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和繞自身軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3;在這種狀態(tài)下，緊貼在磨齒齒側(cè)的木片會(huì)將絮結(jié)于齒刃上的纖維刮掉。根據(jù)以上的分析，在磨片破碎區(qū)木片被破碎的作用是主要的，也是會(huì)對(duì)后續(xù)的纖維分離過(guò)程產(chǎn)生重要影響的。如果在破碎區(qū)未能對(duì)木片進(jìn)行有效的破碎，則會(huì)增加粗磨區(qū)和精磨區(qū)在分離纖維過(guò)程中的能量消耗，甚至影響熱磨機(jī)的正常工作，加快磨片磨齒的磨損過(guò)程。2磨片粗磨區(qū)對(duì)纖維分離的作用機(jī)理粗磨區(qū)位于破碎區(qū)和精磨區(qū)之間。在這一區(qū)域內(nèi)磨齒主要是對(duì)從破碎區(qū)進(jìn)入的破碎木片進(jìn)行初步研磨，將其分離成粗纖維，所以稱(chēng)之

8、為粗磨區(qū)。粗磨區(qū)的磨齒齒數(shù)較破碎區(qū)通常會(huì)多很多，可參見(jiàn)圖2的磨片。進(jìn)入粗磨區(qū)的木片已經(jīng)是經(jīng)過(guò)破碎的木片，木片的尺寸規(guī)格相差是比較大的，但總體上木片的縱向尺寸要大于橫向尺寸，而且還會(huì)夾雜著少量的粗纖維，可以將其稱(chēng)為粗漿。粗磨區(qū)中，由于磨盤(pán)磨片的磨齒數(shù)量很多，因此粗漿的受力頻率、也就是粗漿受磨齒的分離作用的次數(shù)將會(huì)劇烈增加，使粗漿當(dāng)中的小尺寸木片被迅速分離成粗纖維，一小部分粗漿還會(huì)被直接分離成細(xì)纖維。這一區(qū)域中的纖維分離過(guò)程是極為復(fù)雜的。介于動(dòng)磨盤(pán)磨片和定磨盤(pán)磨片之間的粗磨區(qū)的間隙比破碎區(qū)的間隙要小的多，粗漿會(huì)受到更大的壓力；由于周向齒的阻礙，使得粗漿向精磨區(qū)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中必定會(huì)有許多處于動(dòng)盤(pán)磨齒和

9、定盤(pán)磨齒之間的小段時(shí)間存在，也就是多次處于粗磨區(qū)中間隙最小的狀態(tài)之下，此時(shí)粗漿會(huì)在磨盤(pán)壓力的作用下迅速被壓潰，在剪切力的作用下被橫向切斷和縱向撕裂3，使得粗漿的總體尺寸變得更小，而壓潰的粗漿的表面積會(huì)更大，相互之間的接觸面積也會(huì)增大很多；由此，在動(dòng)磨盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，絮結(jié)在磨盤(pán)磨齒上的纖維與齒槽當(dāng)中的粗漿就會(huì)形成壓縮、拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊、摩擦等多種力的多次重復(fù)作用1，也就是纖維與纖維之間的“揉搓”作用，從而使粗漿被快速的分離成粗纖維和部分細(xì)纖維的混合漿料。上述過(guò)程是在整個(gè)纖維熱磨過(guò)程中耗用能量最多的部分，其中部分能量又會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量，提高了粗漿中水的溫度和蒸汽的壓力；而被壓潰、切斷和撕裂的木片

10、的表面積也會(huì)增大，兩者之間的綜合作用又會(huì)進(jìn)一步對(duì)粗漿中的木片和纖維進(jìn)行更為深入的塑化和水解作用，從而使纖維間的結(jié)合力進(jìn)一步降低，纖維分離過(guò)程也就變得更為容易4。由于粗磨區(qū)的線(xiàn)速度比破碎區(qū)要大，沿著磨盤(pán)的徑向在粗磨區(qū)分離的粗纖維漿料向精磨區(qū)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程當(dāng)中，離心力的作用效果將逐漸增大，漿料組份（此時(shí)的主要成分已經(jīng)是粗纖維了）之間的擠壓力和推動(dòng)力的作用效果已變得很小了。 而“泵送”作用的效果可分為兩種情況，一種是“促進(jìn)”作用，即和離心力一樣促使?jié){料較快的進(jìn)入精磨區(qū)；另一種是“阻礙”作用，即阻止?jié){料較快的進(jìn)入精磨區(qū)，使?jié){料在粗磨區(qū)要經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間的熱磨和分離6。3磨片精磨區(qū)對(duì)纖維分離的作用機(jī)理精磨區(qū)位于

11、磨盤(pán)磨片的最外側(cè)。這一區(qū)域的圓周長(zhǎng)度在三個(gè)區(qū)域中是最大的，所以也有部分磨片在精磨區(qū)的圓周上加工出一些額外的磨齒，使得在這一區(qū)域當(dāng)中分離纖維的作用頻率進(jìn)一步提高，對(duì)纖維的分離作用也就被進(jìn)一步增強(qiáng)了。進(jìn)入精磨區(qū)的原料已經(jīng)是包含大部分粗纖維和小部分細(xì)纖維的漿料，精磨區(qū)其主要功- 3 - 能是對(duì)粗纖維進(jìn)行進(jìn)一步分離而得到更多的細(xì)纖維，以及對(duì)纖維進(jìn)行“帚化”，精整纖維的形態(tài)，以獲得具有好的帚化程度和交織性能，并具有一定的比表面積的纖維2 4。要獲得帚化程度和交織性能好的纖維，動(dòng)磨盤(pán)磨片和定磨盤(pán)磨片的精磨區(qū)之間的間隙是最小的，磨齒的數(shù)量是最多的，而且這一區(qū)域的線(xiàn)速度又是最大的，這些有利條件綜合在一起使得漿

12、料被解離的作用頻率極高，因而能夠快速的將粗纖維解離成細(xì)纖維3。在粗纖維解離成細(xì)纖維的過(guò)程中，動(dòng)盤(pán)磨齒與定盤(pán)磨齒之間從相遇到半重疊的一小段時(shí)間是分離效果最為顯著的一刻。由于動(dòng)盤(pán)的快速旋轉(zhuǎn)造成漿料中的水對(duì)纖維具有很大的沖刷作用，結(jié)果使得纖維相對(duì)于磨齒是呈現(xiàn)單面堆積狀態(tài)，可參見(jiàn)圖3。即磨齒沿旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)的一側(cè)纖維絮結(jié)于齒面上的較多，高度也較高，在此狀態(tài)下當(dāng)兩齒從相遇到半重疊的過(guò)程中，互相接觸的纖維就會(huì)產(chǎn)生相互碾壓、揉搓的作用，從而使纖維被進(jìn)一步解離，變?yōu)槌叽绺〉募?xì)纖維，同時(shí)又使纖維的端部撕裂、帚化。定磨盤(pán)圖3 纖維在磨齒間的堆積狀態(tài)定磨盤(pán)在精磨區(qū)范圍內(nèi)動(dòng)磨盤(pán)的線(xiàn)速度是最大的，而纖維又因大量吸收水分

13、而使其質(zhì)量增大，因此離心力對(duì)纖維的作用效果會(huì)非常顯著，纖維與水混合而成的漿料會(huì)被迅速的“甩”出磨盤(pán)1。同時(shí)，漿料具有流動(dòng)性，磨齒對(duì)纖維的“泵送”作用效果會(huì)大幅度降低。通過(guò)分析，精磨區(qū)在對(duì)纖維進(jìn)行精整的過(guò)程中所消耗的能量是比較低的。雖然纖維分離作用的頻率大大增加，但分離作用的劇烈程度卻會(huì)大大降低，而且漿料被“甩出”磨盤(pán)的速度較快，因此精整纖維所耗用的能量較少。4磨片上周向齒的作用機(jī)理周向齒在纖維分離過(guò)程中的作用是很大的，它不但起到阻止原料過(guò)快通過(guò)磨片的作用，同時(shí)還直接參加對(duì)纖維的分離。分布于磨片圓周方向的周向齒，其最明顯的作用是起到阻礙原料沿著磨齒齒槽向磨片外部運(yùn)動(dòng)，不經(jīng)過(guò)磨齒的研磨就直接出離磨

14、片，從而增加原料在磨片內(nèi)的停留時(shí)間和分離時(shí)間1 6；其次，它還直接參與對(duì)纖維的分離。在周向齒與徑向齒相交叉的一定區(qū)域內(nèi)（主要是周向齒的下方）是進(jìn)行纖維分離作用最為集中的區(qū)域。原料的徑向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于周向齒的阻礙，致使在這一區(qū)域內(nèi)堆積的原料量是最多的，對(duì)于動(dòng)磨盤(pán)和定磨盤(pán)的磨片來(lái)說(shuō)都是如此，這就會(huì)造成在這一區(qū)域內(nèi)相互作用的原料數(shù)量上比較多，分離作用也就比較集中。另外，在磨片的周向齒與徑向齒相互配合下，在周向齒與徑向齒相交叉的一定區(qū)域內(nèi)，纖維被橫向切斷的作用也是非常集中的。- 4 - 5結(jié)論1）磨片破碎區(qū)的主要作用是對(duì)木片進(jìn)行破碎，而且在破碎過(guò)程中，磨齒受力狀況惡劣；破碎區(qū)對(duì)木片的破碎效果會(huì)直接影

15、響后續(xù)的纖維分離過(guò)程中能量的消耗量。2）磨片粗磨區(qū)的主要作用是對(duì)破碎后的木片進(jìn)行初步分離，并使之變?yōu)榇譂{。木片在這個(gè)區(qū)域當(dāng)中要被分離成纖維（包括粗纖維和細(xì)纖維），因此是纖維分離作用較為集中區(qū)域，也是分離強(qiáng)度較大和能量消耗較多的區(qū)域。3）磨片精磨區(qū)的主要作用是對(duì)粗纖維進(jìn)行精整，使得纖維的最終形態(tài)符合生產(chǎn)要求。纖維精整過(guò)程中雖然纖維分離的作用頻率最大，但強(qiáng)度比較低，消耗的能量較少。4）位于磨片粗磨區(qū)和精磨區(qū)的周向齒對(duì)纖維分離的影響也是比較大的，其不僅直接參與對(duì)纖維的分離，而且對(duì)纖維分離時(shí)間和纖維的最終形態(tài)有著重要的影響。由上述結(jié)論可見(jiàn)，作為熱磨機(jī)中直接起纖維分離作用的工作部件磨片影響著整個(gè)熱磨過(guò)程

16、的進(jìn)行；它的齒紋形狀、排列方式、結(jié)構(gòu)特征合理與否，對(duì)纖維分離的效果、熱磨機(jī)的動(dòng)力消耗以及磨片本身的使用壽命等都有重要影響，因此，在后續(xù)的研究中將以磨片的結(jié)構(gòu)參數(shù)為重點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行深入的分析和探討。參考文獻(xiàn)1 龐慶海主編.人造板機(jī)械設(shè)備.哈爾濱，東北林業(yè)大學(xué)出版社.19972 陸仁書(shū)主編.纖維板制造學(xué).北京，中國(guó)林業(yè)出版社.19933 王忠奎.熱磨機(jī)磨片對(duì)中密度纖維板纖維分離質(zhì)量影響機(jī)理的研究.東北林業(yè)大學(xué)碩士論文.20024 許詠蘭主編.中密度纖維板制造.北京，中國(guó)林業(yè)出版社.1995：5455 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編.理論力學(xué)（上）.北京，高等教育出版社.1981：3243506 沈立

17、新.盤(pán)磨磨片齒型的設(shè)計(jì).紙和造紙，1994/4/5This principle of the discs areas of refiner plate in the fibreseparated process will be analysed and discussedChen Guangwei，Hua JunNortheast Forestry University，Haerbin (150040)AbstractIn the fibre separated process, the function of different refiner disc area is defferent and complementary to each other to this process, results of any area will effect next areas separating function and the final quality of the fibre. The function of the refiner disc is not only to separate fibre, but effect the materials separating time, moving station and e