具有對數螺線杆條的精煉機板的製作方法

2023-08-11 03:10:46

專利名稱：具有對數螺線杆條的精煉機板的製作方法
背景技術：
本發明涉及精煉盤和用於精煉盤的板片段，尤其涉及限定盤或片段的精煉元件的杆條形狀。
處理木質纖維材料的盤式精煉機配備有精煉盤或片段，木質纖維的範圍包括從鋸屑到刨花。在兩個彼此相對旋轉的精煉盤之間限定的空隙中，加工處理要被精煉的材料。材料在由位於盤表面上的杆條所形成的凹槽內移動，在通常的徑向平面內，提供了運輸功能，而在平面外，提供了用於在交叉杆條前邊沿將材料分類的機構。位於兩個盤面的每一個上的杆條之間的瞬時重疊形成了瞬時交叉角。交叉角對於材料分類或是前邊沿覆蓋能力具有重要的影響。
傳統的杆條幾何形狀，尤其是平行直線、徑向直線、以及採用在圓形漸屈線上完整弧線形式的曲線，顯示了杆條交叉角相對於精煉區域內的徑向位置的變化。平行直線模式還顯示了杆條角相對於平行杆條領域內的周邊位置的變化。
對於覆蓋率來說，杆條交叉角是決定性因素，因此杆條角的變化也會導致覆蓋率的變化。所以，按照傳統的杆條設計，作為徑向位置和角位置的函數，空隙內材料的不均一分布是不可避免的。針對精煉機板的片段上的特殊構造的杆條和凹槽的典型專利包括US6,276,622(Obitz)，「Refining Disc For Disc Refiners」，2001年8月21日；US 4,023,737(Leider等人)，「Spiral Groove PatternRefiner Plates」，1977年5月17日；以及US 3,674,217(Reinhall)，「Pulp Fiberizing Grinding Plate」，1972年7月4日。

發明內容
為了沿杆條長度提供獨立於徑向或角位置的均一覆蓋，杆條應呈現這樣一種形狀不管什麼位置都能提供恆定的杆條交叉角。
因此，本發明的目的是提供一種精煉元件杆條形狀，其具有需要的恆定杆條特徵，並且因此具有恆定交叉角，從而促進更為均一的精煉操作。
一種精煉機盤或精煉機板片段，其中，杆條採取對數螺線形狀，確保了本發明的前述目的。
因此本發明的特徵為一種精煉盤，其具有工作表面、徑向內邊緣和徑向外邊緣，工作表面包括多個杆條，其由其間的凹槽側向隔開，並且穿過表面通常朝著外邊緣向外延伸，其中杆條以對數螺線形狀彎曲。
另一方面，本發明的特徵為一種盤式精煉機，其包括第一和第二相對的、相互可旋轉的精煉盤，這些盤限定精煉空間或空隙，第一和第二盤的每一個具有板，該板具有徑向內邊緣、徑向外邊緣以及工作表面，工作表面包括多個杆條，杆條穿過表面通常朝著外邊緣向外延伸，其中在精煉機操作期間，至少在第一盤上的多個杆條以對數螺線形狀彎曲。第一盤上的每一個杆條在精煉空間內與第二盤上的多個杆條交叉，從而形成瞬時交叉角。對於第一盤上的每一個杆條，交叉角是大致恆定的標準角。對於第一盤上的多個杆條的每一個，所有瞬時交叉角最好在標準交叉角的正負10度內。
對數螺線的另外一個特徵是凹槽寬度的可變性，凹槽寬度即鄰近杆條之間相對於徑向位置的距離。這使得凹槽在漿流方向上展開，其防止了凹槽由纖維和外來雜質堵塞。
可以用數學來描述本發明。使用極坐標r和，以下轉換為笛卡爾坐標的變換函數將適用x＝r·cosy＝r·sinr2＝x2+y2對數螺線杆條的一般形狀描述如下r＝a·ekk＝cotαk＝O→圓其中「a」是r的尺度參數，而α(alpha)是曲線的任意切線與通過坐標系中心的直線(母線)之間的交叉角。
在alpha＝90度或-90的情況下，曲線上任意點的切線與母線正交，曲線因此是具有半徑a的圓周。
此獨特的杆條形狀不僅為個別的杆條角提供了同一性，而且所謂的切角或交叉角在整個精煉區域內具有同樣的同一性。
本發明包括一種方法，用來製造一組相對的板，該方法包括形成杆條和凹槽模式的步驟，其大致符合前述數學表達式。


將參考附圖對本發明的優選實施例進行描述，其中圖1是木片精煉機內部部分的示意圖，說明了相對的相互旋轉的盤的關係，每一個盤攜帶包括多個板片段的環板；圖2是精煉機板片段的相片，包括具有根據本發明的對數螺線形狀的精煉機杆條；圖3是示意圖，由此可以更容易理解本發明的數學表示；圖4是alhpa＝60度的杆條曲率的圖示；圖5是alhpa＝-30度的杆條曲率的圖示；圖6是類似於圖2的示意平面圖，其顯示了一個實施例，其中僅在多個精煉區域外部具有對數螺線模式的杆條；圖7A和B是板片段一部分的平面圖和剖面圖，顯示了在距離中心相同半徑處的杆條之間具有交替較大和較小的間隔的變化；圖8A和B是板片段一部分的平面圖和剖面圖，顯示了在距離中心相同半徑處交替相對較大和相對較小的杆條寬度；圖9A和B是板片段一部分的平面圖和剖面圖，顯示了在距離中心相同半徑處交替相對較深和相對較淺的凹槽深度；圖10是板片段一部分的平面圖，其中杆條寬度尺寸隨著半徑增加而增加；圖11是板片段一部分的平面圖，其中凹槽間隔尺寸隨著半徑增加而增加；圖12是板片段一部分的側視圖，其中凹槽深度尺寸隨著半徑增加而增加；圖13A和B是板片段一部分的示意圖，在鄰近杆條之間分別具有表面和表面擋板。
具體實施例方式
圖1是示意圖，顯示了具有外殼12的精煉機10，其中支撐著彼此相對的盤，每一個盤攜帶包括多個板片段的環板或圓環。外殼12具有位於其中的大致平坦的轉子14，轉子載著限定第一研磨麵16的第一環板和限定第二研磨麵18的第二環板。轉子14與標記為20的垂直平面大致平行並且兩側對稱。軸22圍繞旋轉軸線24水平延伸，並且在一端或兩端(圖中未示)以傳統方式驅動。
通過外殼12任一側上的入口開口30，進給管26傳送抽吸的木質纖維進給材料的漿料。在轉子處，材料通過粗粒粉碎機區域32徑向向外改道，由此材料沿著第一研磨麵16和與第一表面並列的第三研磨麵34移動，以在這個兩個研磨麵之間限定右側精煉區域38。類似的，在轉子14的左側，材料通過在第二研磨表面18和並列的研磨表面36之間形成的左側精煉區域40。
分割器構件42從外殼12延伸到轉子14的外圍，即圓圍44，因此在精煉區域38產生的精煉纖維相對於精煉區域40產生的精煉纖維之間保持分隔。來自右側精煉區域的纖維通過排出開口46沿排出流或排出線56從外殼排出，而來自左側精煉區域40的纖維通過開口48沿排出線58從外殼排出。
因此在盤中心附近引入待精煉材料，使得導致材料在相對的精煉板之間的空間中以「拍頻」徑向向外流動，其中，材料受凹槽和杆條結構的順序影響，拍頻決定於凹槽和杆條的尺寸以及盤旋轉的相對速度。材料趨向於徑向向外移動，但杆條和凹槽的形狀有意設計為產生分類效應和阻止效應，這樣材料在板之間的精煉區域內保持最佳的保留時間。
雖然進行精煉操作的板之間的間隙一般稱為「精煉區域」，但相對的板經常具有兩個或更多個不同的杆條和凹槽模式，其在板的徑向內側、中部和外側區域處不同；這些經常也被稱為內側、中部和外側「區域」。
根據本發明，杆條-交叉角另外的變量基本保持恆定。這通過曲率基本符合發明內容中提出的數學表達式的杆條來實現。特別是，在精煉機操作期間，第一圓盤上的每一個杆條將在精煉空間被第二圓盤上的多個杆條交叉，因此形成瞬時交叉角，而且對於第一圓盤上的每一個杆條來說，交叉角為基本恆定的標準角。在本發明沒有得到完美實現的範圍內，當在給定精煉區域內的瞬時交叉角在標準交叉角的+/-10度範圍內時，仍然能夠得到相對於當前技術現狀的明顯優勢。
參考圖2，顯示了精煉片段54，其位於精煉盤的內側，且意在和精煉間隙另一側的鄰近精煉盤上相同或不同類型的精煉片段共同作用。顯示於圖2中的幾個片段一般並排固定到基部(例如轉子或定子)上，以形成基本圓形(例如圓形或環形)的精煉板。片段具有圓形的截短扇形的通常形狀。通過將機用螺釘插入相對的螺釘孔56中，每一個片段可以安裝到基部的板保持面上。一些精煉機設計可允許從背面固定板，這就從板面上去除了螺釘孔。通常，片段安裝於彼此相對旋轉的盤上，這可以這樣來實現通過提供一個轉子和一個定子(單盤精煉機)，或通過在兩側分段的一個轉子並且與兩個定子一起工作(雙盤精煉機)，或通過幾個彼此工作並且與一對定子工作的轉子(多盤精煉機)，或通過反向旋轉的盤。
每一個精煉碟片段可以被認為具有徑向內端58、徑向外端60和兩端之間的工作面，工作面包括多個杆條62，杆條由其間的凹槽側向隔開，並通常穿過表面朝著外端向外延伸。最好所有的杆條，至少是大多數杆條，以對數螺線的形狀彎曲。
由於為木屑或二級材料的低和高濃度精煉所公用，由圖2的片段所形成的板上的杆條布置成在內、外板邊緣58、60之間的三個徑向不同的精煉區域64、66、68。Z字形過渡區域70實現了單個精煉區域之間的材料流過渡。在該實施例中，每個區域的杆條都為對數螺線。每一個區域的特定形狀參數(alpha)可以不同，但相對板上每一個面對的區域的形狀參數最好一樣。
這種特定、獨特的形狀提供了這樣的優勢在特定的精煉區域內，杆條角獨立於杆條在板上的位置。由於對數螺線的特定形狀保證了與通過板中心的直線相交的杆條角是恆定的，在轉子和定子片段發生相對運動時，沒有杆條角並因此沒有交叉角發生變化。因為杆條角對於精煉操作和杆條覆蓋率具有重大影響，杆條和交叉角的任何變化都將導致精煉操作的變化。通過最小化杆條角的變化，本發明實現了精煉操作的最大均一性。
兩個相鄰的對數螺線杆條之間的凹槽的寬度是可變的，並由於曲線的特性隨著徑向距離增加。因此在區域68內側處的凹槽寬度小於該區域的外側處，在該實例中即板外邊緣60的外側。因此物料流動可用的開放區域隨著半徑增加而不成比例地增加。和凹槽寬度不發生變化的平行杆條設計相比，該特性對於堵塞提供了增加的抵抗力。
再次參考上面發明內容中出現的數學表達式，以及相關的圖3，交叉角β為兩條曲線c1和c2(即交叉杆條的彎曲前邊緣)在交點pi處的切線t1和t2之間的交角。在每個可能的交叉點上，切線之間的角β保持恆定。相對於穿過中心點pc的母線γ，每個杆條具有角度α。
圖4和5是杆條曲率對於兩個不同alpha值的示意性表示。圖4顯示了alpha＝60度時的曲率，圖5顯示了alpha＝-30度時的曲率。設計者具有在正90度和負90度之間選擇角度的靈活性。
對數螺線杆條形狀的數學表達式定義了任何給定的杆條，在極限情況下，這些杆條是一條具有無窮小厚度的線，使得線上任何給定點的位置是點相對於通過中心的參考半徑或直徑(沿坐標系的母線)的角位置(phi)和杆條在該點曲率的切線和母線之間的相交角(alpha)的函數。
這通常在計算機輔助設計(CAD)系統中進行，計算機輔助設計系統可容易地進行編程，以包含數學模型，並且其具有輸出，該輸出能夠將片段的數學模型解碼給設備，以從片段坯料生產真實的對應零件。這通過如下進行通過確定起始半徑以及起始角(通過在計算結果上加上常數而得到)，得到按徑向增加計算出的一條螺線曲線，因此建立所有其他杆條之「母」。該一條完全曲線(代表「母」杆條的前邊緣)將位於片段上的某個地方。在CAD系統中，曲線不必是數學連續的、完整的對數螺線，而可以由樣條擬合來近似。樣條的精度取決於所選擇的徑向增量。此外，樣條上起始的一些點，即片段內徑附近的點，可能不和理論對數螺線緊密匹配，但如果限於內徑處的小徑向，該CAD系統的人為因素只有很小的不利後果。然後典型的CAD系統(如AutoCad)允許用戶偏移母杆條的後邊緣，這樣賦予杆條選定的寬度，從片段的內部半逕到外部半徑建立該寬度。然後該母杆條可以被複製和旋轉，以填滿該片段。比如，用戶能夠指定給定半徑處的杆條寬度、片段的杆條數目，或給定半徑處的最小需要的凹槽寬度等。
應該意識到鑑於現代製造技術，這兒使用的術語「對數螺線」雖然基於數學表達式，但實際上只是通過一系列直線或曲線來近似該數學表達式，和片段從內部半逕到外部半徑的曲線全長相比，或和片段內給定區域的從內部半逕到外部半徑的曲線全長相比，這些直線或曲線的每一個都是相對短的。同樣，在讀到關於彎曲杆條的形狀的術語「對數螺線」時，應該給予發明者一定合理程度的自由，本發明相關技術領域的普通技術人員根據此將認識到這樣努力在給定片段上，或在給定片段的區域內，保持徑向上杆條交叉角的恆定。即使只是近似對數螺線，例如如果從給定杆條的徑向內端到徑向外端維持交叉角在+/-10度範圍內，也能夠相對於現有技術在明顯的程度上實現本發明的優勢。
可以不參考其他附圖而輕易地理解本發明的變動。例如，在精煉機中實現的本發明的上下文中，第一精煉盤面對第二相對可旋轉的精煉盤，其間有精煉空間。第一和第二盤的兩個或僅僅其中一個具有帶有內端和外端的形狀和表面，包括多個穿過表面通常朝著外端向外延伸的杆條，多個杆條按對數螺線的形狀彎曲。如果兩個盤都具有這樣的片段，其帶有按同樣對數螺線彎曲的杆條，那麼將實現恆定的杆條交叉角。如果面對的盤都具有對數螺線杆條的曲率，但參數alpha不同，可以實現一些用於特殊目的的設計變動。如果只有一個盤具有對數螺線杆條的曲率，而面對的盤具有傳統杆條模式，和兩個具有同樣這樣的傳統模式的面對的盤相比，結果仍然有利地減小了杆條交叉角的變動。
在另一個實施例中，在少於全部徑向區域中採用對數螺線杆條曲率。圖6是和圖2類似的示意性平面圖，顯示了片段54′的實施例，其中只有工作表面62′上的多個精煉區域的外側68′具有對數螺線模式的杆條。在具有兩個或三個區域的板上，徑向最外側的區域最好具有對數螺線杆條，因為纖維處理的數量隨著盤半徑按半徑的三次方關係而增加。在該實例中，內側區域66′最好採用所謂的「恆定角」模式，如從Durametal公司的Andritz Twin-Flo精煉機中可獲得的079/080模式所說明的，在圖6中只是示意性顯示。
對數螺線概念的其他實現顯示於圖7至13。圖7A和B是板片段的一部分的平面和剖面圖，顯示了在距離片段78中心的相同半徑處，在杆條76之間具有交替的較大和較小的間隔72、74的變動。
圖8A和B是板片段80的一部分的平面和剖面圖，顯示了在距離中心的相同半徑處，交替的相對較大的杆條寬度82和相對較小的杆條寬度84。
圖9A和B是板片段86的一部分的平面和剖面圖，顯示在距離中心的相同半徑處，交替的具有相同間隔92的相對較深的凹槽深度88和相對較淺的凹槽深度90。
圖10是板片段94的一部分的平面圖，其中，當從螺線中心點沿線l1和l2測量時，杆條寬度尺寸w1和w2隨著半徑增加而增加，而凹槽保持恆定間隔96。
圖11是板片段98的一部分的平面圖，其中凹槽間隔尺寸d1和d2隨著半徑增加而增加。
圖12是板片段100的一部分的側面圖，其中凹槽深度尺寸g1和g2隨著半徑增加而增加。
圖13A和B是板片段102和104的一部分的示意圖，在鄰近杆條110和112之間分別具有表面106和表面下擋板108。
雖然這兒參考特定優選實施例描述了本發明，應該理解這些實施例只是說明本發明的原理和應用。因此，應該理解在不超出本發明的精神和範圍的情況下，可以對說明性的實施例作出多種變動，並且可設計出其他裝置。
權利要求
1.一種精煉盤，其具有工作表面、徑向內端和徑向外端，工作表面包括多個杆條，這些杆條由其間的凹槽側向隔開，並且穿過所述表面通常朝著所述外端向外延伸，所述多個杆條以對數螺線形狀彎曲。
2.根據權利要求1所述的精煉盤，其特徵在於，多個杆條包括盤上的大多數杆條。
3.根據權利要求1所述的精煉盤，其特徵在於，該盤具有布置於至少兩個徑向不同的區域中的杆條和凹槽的模式，以及最外側區域中幾乎所有的杆條都按對數螺線形狀彎曲。
4.根據權利要求1所述的精煉盤，其特徵在於，該盤通過基本為圓形的基部和接附於基部的精煉板來形成，該板通過多個板片段形成，每一個片段具有工作表面，其包括多個以對數螺線形狀彎曲的杆條。
5.根據權利要求1所述的精煉盤，其特徵在於，所述杆條的形狀基本符合如下極坐標的數學表達式r＝a·ek其中k＝cotα且k＝0 →圓「r」是沿杆條中心線的徑向位置，「a」是r的尺度參數，而α是曲線的任意切線與坐標系母線之間的交角。
6.根據權利要求5所述的精煉盤，其特徵在於，該角度(α)在+90度和-90度的範圍內。
7.一種用於旋轉盤式精煉機的盤的板片段，其包括工作表面，該工作表面包括多個杆條，這樣杆條由其間的凹槽側向隔開，所述多個杆條以對數螺線形狀彎曲。
8.根據權利要求7所述的板片段，其特徵在於，該片段具有較長的外邊緣和較短的內邊緣，該工作表面具有布置於位於內邊緣附近的第一區域和位於外邊緣附近的第二區域的杆條和凹槽的模式，第二區域中幾乎所有的杆條都按對數螺線形狀彎曲。
9.根據權利要求7所述的板片段，其特徵在於，該片段具有圓形的截短的扇形的形狀，在扇形的相同半徑處，連續的杆條之間具有連續的凹槽間隔，相對較大和相對較小的間隔交替。
10.根據權利要求7所述的板片段，其特徵在於，該片段具有圓形的截短扇形的形狀，在扇形的相同半徑處，連續的凹槽之間具有連續的杆條寬度，相對較大和相對較小的寬度交替。
11.根據權利要求7所述的板片段，其特徵在於，該片段具有圓形的截短扇形的形狀，在扇形的相同半徑處，連續的杆條之間具有連續的凹槽間隔，相對較深和相對較淺的間隔交替。
12.根據權利要求7所述的板片段，其特徵在於，對於給定的杆條和相關的凹槽來說，杆條寬度、凹槽寬度和凹槽深度尺寸中的至少一個隨著半徑增加而改變。
13.根據權利要求7所述的板片段，在相鄰杆條之間的凹槽中包括表面下或者表面擋板中的至少一個。
14.一種盤式精煉機，其包括第一和第二相對的、相互可旋轉的精煉盤，這些盤限定位於其間的精煉空間，所述第一和第二盤的每一個具有板，其具有徑向內邊緣、徑向外邊緣以及工作表面，工作表面包括多個杆條，杆條穿過所述表面通常朝著所述外端向外延伸，其中至少在第一盤上的所述多個杆條以對數螺線形狀彎曲。
15.根據權利要求14所述的盤式精煉機，其特徵在於，在精煉機操作期間，第一盤上的每一個所述杆條將和第二盤上的多個所述杆條在所述精煉空間中交叉，從而形成瞬時交叉角，對於第一盤上的每一個所述杆條來說，交叉角是基本恆定的標準角。
16.根據權利要求15所述的盤式精煉機，其特徵在於，對於第一盤上的所述多個杆條的每一個，所有瞬時交叉角在所述標準交叉角的正負10度內。
17.根據權利要求14所述的盤式精煉機，其特徵在於，每一個板的工作表面具有布置於位於內邊緣附近的第一區域和位於外邊緣附近的第二區域的杆條和凹槽的模式，第一盤的第二區域中幾乎所有的杆條都按對數螺線形狀彎曲。
18.根據權利要求17所述的盤式精煉機，其特徵在於，第二盤的第二區域中幾乎所有的杆條都按對數螺線形狀彎曲。
19.根據權利要求18所述的盤式精煉機，其特徵在於，每一個盤的第一區域具有這樣的杆條和凹槽的模式，其中杆條具有恆定的曲率角。
20.根據權利要求17所述的盤式精煉機，其特徵在於，第一和第二盤的第二區域中的杆條具有相同的對數螺線形狀。
21.根據權利要求17所述的盤式精煉機，其特徵在於，第二盤上的所述多個杆條按對數螺線形狀彎曲。
22.一種製造一組用於盤式精煉機的相對的盤的方法，其包括選擇多個金屬坯料，以機械加工或鑄造成板片段；在每一個所述坯料上形成由多個杆條和凹槽組成的模式，由此生產出多個板片段，每個都具有包括至少一個具有相似彎曲杆條的區域的工作表面，所述區域的杆條根據如下極坐標系中的數學表達式來成形r＝a·ek「r」是沿杆條中心線的徑向位置，「a」是r的尺度參數，而α是曲線的任意切線與坐標系母線之間的交角；其中，每個所述的多個相似彎曲杆條都具有相同的alpha值；並選擇多個所述的片段，當並靠排列時，這些片段形成第一基本為圓形的板；選擇另外多個所述的片段，當並靠排列時，這些片段形成第二基本為圓形的板；聯合所述第一和第二板作為一套，以安裝於盤式精煉機中。
全文摘要
公開了一種旋轉盤式精煉機(10)的精煉盤或板片段(54)上杆條的特定形狀，其包括多個杆條(76)，杆條穿過盤表面並通常朝著盤的外端向外延伸，其布置於單個、兩個或多個徑向區域(64、66、68)，區域內的多個杆條以對數螺線形狀彎曲。也公開了包括該精煉盤的盤式精煉機。
文檔編號D21D1/30GK1665595SQ03815183
公開日2005年9月7日 申請日期2003年4月22日 優先權日2002年4月25日
發明者P·安滕斯泰納 申請人:杜拉金屬公司