五辊智能化压榨置换洗浆机研发

摘要：近年来，我国造纸装备行业在技术创新与产业升级方面取得了显著进展，特别是在国内外先进制浆造纸工艺快速发展的推动下，国内造纸装备制造业迎来了重要发展机遇。本研究以五辊智能化压榨置换洗浆机为研究对象，重点开展基于结构优化理论，对洗浆机本体结构进行优化设计，以提高其运行稳定性和处理效率；提出一种改进的神经网络辨识方法，结合双目标控制系统，实现洗浆过程的智能化精准控制；针对高负载工况需求，开发高效可靠的传动系统，确保设备长期稳定运行。

关键词：五辊；智能化；压榨置换；洗浆机

0 前言

近年来，我国造纸装备行业在技术创新与产业升级方面取得了显著进展，特别是在国内外先进制浆造纸工艺快速发展的推动下，国内造纸装备制造业迎来了重要发展机遇。研究数据显示，国内主要制浆造纸装备制造商已实现从小规格单机设备向大规格成套设备的跨越式发展，在设备稳定性、可靠性、节能降耗及生产效率等关键技术指标上均取得突破性进展，与国外先进设备的差距正逐步缩小。值得注意的是，为满足规模化生产需求而研制的大规格置换压榨双辊洗浆机已在多条浆线成功应用，这标志着国产压榨洗浆设备在进口替代方面取得了实质性突破。在此背景下，本研究聚焦于五辊智能化压榨置换洗浆机的研发与应用，旨在进一步推动我国造纸装备的技术创新和产业升级。

1 五辊智能化压榨置换洗浆机本体结构的优化设计

1.1 滤液流道和防滤液倒灌优化设计

针对大型制浆设备运行过程中出现的滤液排放效率问题，本研究开展了滤液流道系统及防倒灌装置的优化设计工作。基于对现有设备运行参数的实测分析，优化方案重点从流道结构参数和系统配置两个方面进行改进：在流道结构方面，将原150mm流道宽度扩展至220mm，流通截面积提升46.7%，同时采用渐扩式设计并设置30°导流角；在坡度设计上，纵向坡度从3°增至5°，并增设0.5°横向微坡度，配合R300mm圆弧转角，经CFD模拟验证可提升流速25%以上。

1.2浆流道优化设计

基于对低浓度浆料流变特性的实验研究，本研究对浆料流道系统进行了流体动力学优化设计。通过采用计算流体力学仿真分析和实际流场测试相结合的方法，重点优化了以下三个关键参数：（1）将传统矩形流道截面改造为渐扩式双曲线型截面（入口宽度150mm渐扩至出口300mm），使流速梯度降低40%；（2）将冲击板折射角度由90°优化为55±2°，并在冲击面设置R50mm的连续过渡弧度，显著降低了局部湍流强度（实测湍流动能降低35%）；

（3）在流道关键部位增设自清洁导流肋条（间距200mm，高度30mm），形成二次环流效应。优化后的流道系统经72小时连续运行测试表明：流体阻力系数降低至0.15（原系统0.28），布浆均匀性指数提升至0.92（原系统0.75），且完全消除了堵浆现象。

1.3优化液压升降锁紧装置，气囊密封结构

基于对现有装置运行工况的分析，优化方案采用创新的复合式密封结构：（1）液压系统方面，将单缸升降改为双液压缸同步驱动，配备比例换向阀实现无极调速，升降过程平稳性提升40%；（2）锁紧机构采用液压-机械双模组设计，最大锁紧力可达80kN，同时设置过载保护装置；（3）密封系统创新性地采用三级组合式气囊密封。

1.4 优化上刮刀与出料螺旋机构

本研究开展了刮刀与出料螺旋机构的系统性优化设计。基于多物理场耦合仿真分析和离散元模拟，重点优化了三个关键子系统：（1）采用液压伺服控制的智能刮刀系统，配备纳米复合涂层和在线磨损监测，确保与辊面接触压力均匀；（2）创新设计双螺旋异向输送机构，通过梯度硬化处理叶片，实现高浓浆料的高效输送；（3）开发气液双相复合密封系统，集成多级压力自适应结构和在线状态监测，在0.8MPa工作压力下实现零泄漏。

1.5 改进槽体浆料流道结构设计

根据浆料浓度增大体积随之缩小的变化特性，将槽体浆料流道沿流动方向设计成逐渐缩小的牛角道结构，保证浆料过滤脱水阶段处于理想状态。

2.五辊智能化压榨置换洗浆机优化级神经网络辨识法和双目标控制系统研究

为突破纸浆浓度调控瓶颈，实现清水消耗量的大幅削减，本研究创新性地采用深度级联神经网络辨识技术与多目标协同优化控制策略。项目基于洗后浆产量与清水用量的多目标博弈优化，精准求解洗浆机上浆浓度、流量及清水配比等关键参数的最优解集，为构建洗浆机洗涤过程数字孪生模型奠定基础，进而实现残碱控制与黑液波美度的同步提升。通过采集斜阶跃响应动态数据，构建深度前馈神经网络动态辨识器，建立过程动态数字孪生模型；基于动态模型生成稳态训练样本集，采用并行神经网络架构拟合过程稳态特性，最终形成双模耦合的智能控制模型。常规工况下的浓度智能调控专家知识库如表1所示。

五辊智能化压榨置换洗浆机传动系统研发

传统双辊洗浆机普遍采用液压马达驱动压轧辊，存在进口依赖性强、购置成本高、故障诊断复杂、机械损耗大及传动效率低下等固有缺陷。相比之下，新型机电传动机构采用模块化架构设计，具备结构紧凑、运行平稳、散热优异、噪声抑制、大扭矩输出、宽功率适配及高效传动等显著优势，完全契合新一代高效节能压榨置换洗浆机的技术需求，因此亟需开展机电传动系统的创新性研究。

本项目创新采用主从协同控制策略驱动五辊洗浆机，通过刚性耦合机构实现双辊联动。其中，主辊采用速度闭环控制，从辊实施转矩跟随控制。系统配备双变频驱动单元，主从变频器通过高速通信总线实现数据交互。控制过程中，主从变频器设定相同基准转速，并在从机端叠加动态补偿量，利用速差效应实现快速张紧。同时，主变频器实时共享转矩指令，确保从机转矩精准跟随，从而达成双辊同步运行与力矩均衡。系统电气控制拓扑结构详见图1、2所示。

4.结语

本研究以五辊智能化压榨置换洗浆机为研究对象，重点开展以下工作：（1）基于结构优化理论，对洗浆机本体结构进行优化设计，以提高其运行稳定性和处理效率；（2）提出一种改进的神经网络辨识方法，结合双目标控制系统，实现洗浆过程的智能化精准控制；（3）针对高负载工况需求，开发高效可靠的传动系统，确保设备长期稳定运行。研究结果可为国产高端洗浆装备的自主研发提供理论依据和技术支撑，对推动造纸行业智能化升级具有重要意义。

参考文献

王月洁，陈振，王玉成，等.国产双辊挤浆机的应用[J].中国造纸，2012，31（10）：45.