Przemysł papierniczy należy do grupy gałęzi produkcji, w których znaczenie automatyzacji i precyzyjnej kontroli procesów jest wyjątkowo duże. Jednym z kluczowych obszarów decydujących o jakości oraz efektywności wytwarzania arkuszy i wstęg papieru jest etap odwadniania i zagęszczania masy papierniczej. W tym właśnie miejscu do gry wchodzą prasy hydrauliczne, które umożliwiają osiągnięcie odpowiednich parametrów wilgotności, gęstości i struktury włókien. Rola tych urządzeń nie ogranicza się jedynie do wyciskania wody – to zaawansowane systemy, integrujące sterowanie siłą nacisku, kontrolę ciśnienia, bezpieczeństwo pracy oraz współpracę z liniami technologicznymi na wysokim stopniu zautomatyzowania.

Zasada działania i konstrukcja pras hydraulicznych w przemyśle papierniczym

Prasy hydrauliczne stosowane w produkcji papieru opierają się na fundamentalnym zjawisku wykorzystywania ciśnienia cieczy roboczej do generowania dużej siły nacisku. W klasycznej konstrukcji w centrum układu znajduje się cylinder hydrauliczny, w którym pracuje tłok lub zespół tłoków, a energia przepływającego pod ciśnieniem oleju hydraulicznego zamieniana jest na ruch liniowy. Ten ruch powoduje zbliżanie się elementów roboczych prasy, które ściskają masę papierniczą lub wstęgę papieru między walcami, płytami lub w specjalnie zaprojektowanych szczelinach technologicznych.

Na kompletną prasę hydrauliczną składają się zazwyczaj następujące podstawowe elementy: siłowniki, zespół pomp, zbiornik cieczy, zawory sterujące, układ filtracji, rama nośna oraz system automatyki. Z punktu widzenia produkcji papieru kluczowe jest, aby całość tych podzespołów była zoptymalizowana pod kątem pracy ciągłej, przy zmiennym, nierzadko pulsującym obciążeniu. Ważne jest także zapewnienie odpowiedniej sztywności ramy, dzięki czemu siły przenoszone są równomiernie na całą szerokość wstęgi papieru, niezależnie od jej formatu i gramatury.

W prasie papierniczej niezwykle istotne jest zapewnienie równomiernego pola nacisku. Uzyskuje się to poprzez precyzyjne projektowanie zarówno układu hydraulicznego, jak i samej geometrii walców oraz płyt dociskowych. W praktyce oznacza to kontrolę deformacji elementów mechanicznych w czasie pracy oraz kompensację różnic materiałowych w wytłaczanej wstędze. W nowoczesnych rozwiązaniach stosuje się zaawansowane modele matematyczne, które pozwalają przewidzieć zachowanie układu pod dużym obciążeniem i odpowiednio dobrać parametry konstrukcyjne.

Cechą charakterystyczną współczesnych pras hydraulicznych dla przemysłu papierniczego jest wysoki stopień automatyzacji. Układ hydrauliczny jest zintegrowany z systemem sterowania PLC oraz interfejsem operatorskim HMI, co umożliwia m.in.:

• monitorowanie ciśnienia roboczego w czasie rzeczywistym,
• płynną regulację siły nacisku i prędkości ruchu roboczego,
• zapis i odtwarzanie receptur technologicznych dla różnych gatunków papieru,
• diagnozowanie ostrzegawcze i awaryjne w przypadku nieprawidłowości parametrów pracy,
• zdalną komunikację z nadrzędnymi systemami SCADA lub MES.

Kluczowym parametrem każdej prasy hydraulicznej jest maksymalna siła nacisku, wyrażana zwykle w tonach lub kiloniutonach. W produkcji papieru zakres wymaganych sił jest szeroki i zależy od rodzaju papieru, jego gramatury, struktury włókien oraz przewidywanego dalszego wykańczania. Przykładowo, przy wytwarzaniu papieru graficznego wysokiej jakości wymagana jest nie tylko duża siła, ale także powtarzalność oraz stabilność parametrów nacisku w całym czasie procesu.

Oprócz siły ważna jest również prędkość pracy prasy. Zbyt wolny ruch roboczy może prowadzić do obniżenia wydajności linii, z kolei zbyt szybkie ściskanie masy papierniczej może powodować nierównomierne odwadnianie, uszkodzenia struktury włókien, a nawet lokalne pęknięcia wstęgi. Stąd duże znaczenie ma odpowiednie dobranie charakterystyki pomp hydraulicznych oraz technologii sterowania przepływem oleju, tak aby można było precyzyjnie odwzorować dynamiczne profile ruchu tłoka.

W konstrukcjach specjalistycznych stosowanych w papierniach spotyka się również prasy wielostanowiskowe lub zespoły kilku siłowników pracujących synchronicznie. Przykładowo, w szerokich maszynach papierniczych siłowniki rozlokowane są wzdłuż całej szerokości ramy, a ich praca jest skoordynowana elektronicznie. Pozwala to utrzymać jednolity docisk na całej szerokości wstęgi, co ma kluczowe znaczenie dla uzyskania jednorodnej grubości i wytrzymałości końcowego produktu.

Znaczenie pras hydraulicznych w etapach odwadniania i formowania papieru

W klasycznej linii technologicznej produkcji papieru wyróżnia się kilka głównych etapów: przygotowanie masy włóknistej, formowanie wstęgi na sicie, odwadnianie mechaniczne, prasowanie, suszenie i wykańczanie. Prasy hydrauliczne odgrywają szczególnie ważną rolę w fazie odwadniania mechanicznego oraz w etapach, w których następuje intensywne zagęszczanie struktury wstęgi. Celem jest maksymalne ograniczenie zawartości wody jeszcze przed procesem suszenia termicznego, które jest najbardziej energochłonne.

W strefie prasowania wstęga papieru przechodzi przez układ walców i filców, gdzie pod wpływem siły nacisku dochodzi do wyciskania wody i poprawy kontaktu między włóknami. Prasy hydrauliczne zapewniają w tym obszarze możliwość dokładnej regulacji nacisku, co pozwala na osiągnięcie pożądanego poziomu suchej masy. Im skuteczniej zostanie przeprowadzone mechaniczne odwadnianie, tym mniej energii trzeba będzie zużyć w dalszym procesie suszenia na cylindrach grzewczych, co przekłada się zarówno na koszty produkcji, jak i na ślad środowiskowy papierni.

Jednym z kluczowych efektów działania pras hydraulicznych jest kształtowanie struktury mikro- i makroskopowej wstęgi papieru. Pod wpływem nacisku włókna celulozowe zbliżają się do siebie, zwiększa się liczba punktów kontaktu i wiązań wodorowych, a pory kapilarne ulegają częściowemu zamknięciu. To z kolei wpływa bezpośrednio na takie parametry jak wytrzymałość na rozciąganie, sztywność, gładkość powierzchni czy przepuszczalność. Dobór ustawień prasy musi więc być ściśle skorelowany z wymaganą jakością finalnego produktu.

Przy produkcji papieru o wysokiej gładkości i równomiernej strukturze istotne jest unikanie lokalnych przeciążeń. Nadmierny docisk może powodować tzw. smugowanie, czyli powstawanie pasm o innej przepuszczalności światła, a także miejscowe różnice grubości. Z tego powodu nowoczesne prasy hydrauliczne wyposażone są w czujniki siły oraz przemieszczenia rozmieszczone w wielu punktach, dzięki czemu sterownik może na bieżąco korygować parametry pracy i utrzymywać je w zadanych granicach.

Znaczącą rolę prasy hydrauliczne pełnią również w procesach specjalistycznych, na przykład przy produkcji kartonu, tektury falistej lub papierów technicznych o zwiększonej wytrzymałości. W tych zastosowaniach liczy się nie tylko samo odwadnianie, ale także kontrola grubości końcowego produktu oraz jego odporność na zgniatanie i rozrywanie. Przy produkcji wielowarstwowych struktur niezwykle ważna jest możliwość precyzyjnego, warstwa po warstwie, regulowania docisku. Niektóre linie technologiczne wykorzystują sekwencję kilku pras o różnych charakterystykach, gdzie każda z nich pełni odrębną funkcję w kształtowaniu finalnych własności mechanicznych materiału.

W prasie hydraulicznej parametrem szczególnie istotnym z punktu widzenia jakości papieru jest tzw. profil poprzeczny nacisku. W praktyce oznacza to, że siła powinna być równomiernie rozłożona od krawędzi do krawędzi wstęgi. Nierówności w tym obszarze skutkują powstawaniem zróżnicowanych stref odwadniania, co prowadzi do wariacji w grubości, gęstości i barwie. Aby temu zapobiegać, stosuje się systemy kompensacji hydraulicznej i mechanicznej, pozwalające korygować nacisk w określonych strefach szerokości. Tego typu rozwiązania technologiczne są bezpośrednio powiązane z precyzją wykonania elementów nośnych i dobrze zaprojektowanym układem sterowania.

Trzeba podkreślić, że skuteczność działania prasy hydraulicznej zależy również od właściwego doboru i konserwacji filców oraz innych elementów pośredniczących. Nawet najbardziej zaawansowany układ hydrauliczny nie spełni swojej roli, jeżeli medium odwadniające będzie niewłaściwie dobrane lub zużyte. Filce muszą zapewniać równomierne rozprowadzenie nacisku, sprawne odprowadzanie wody oraz odporność na ścieranie i chemikalia stosowane w procesie produkcji papieru. W nowoczesnych papierniach parametry te są regularnie monitorowane, a informacje z czujników są integrowane z systemem sterowania prasą hydrauliczną.

Istotnym aspektem pracy pras hydraulicznych jest także wpływ na stabilność biegu wstęgi. Zbyt gwałtowne zmiany nacisku mogą powodować drgania, marszczenie, a nawet zerwanie wstęgi, co w przypadku dużych maszyn papierniczych oznacza przestoje i straty materiałowe. Z tego powodu układy hydrauliczne wyposaża się w rozwiązania łagodzące udary ciśnienia, takie jak akumulatory hydrauliczne czy specjalne algorytmy sterowania. Celem jest utrzymanie możliwie stałych warunków, nawet podczas zmian prędkości produkcyjnej, wymiany zwojów czy przejścia między różnymi gatunkami papieru.

Prasy hydrauliczne mają również znaczenie w końcowych etapach produkcji, takich jak kalandrowanie lub wytwarzanie specjalnych struktur powierzchni, np. fakturowanych papierów dekoracyjnych. W tych procesach precyzyjna kontrola nacisku wpływa bezpośrednio na wygląd i parametry użytkowe produktu, a układ hydrauliczny musi zapewniać możliwość szybkiej i powtarzalnej zmiany ustawień. Dzięki temu można w jednej linii technologicznej realizować różne warianty produktu, nie tracąc przy tym stabilności i jakości.

Nowoczesne trendy, efektywność energetyczna i bezpieczeństwo pracy

Rozwój pras hydraulicznych dla przemysłu papierniczego pozostaje w ścisłej relacji z ogólnymi trendami w przemyśle: cyfryzacją, dążeniem do zwiększenia efektywności energetycznej oraz zaostrzaniem wymagań w zakresie bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Producenci układów hydraulicznych koncentrują się na takim projektowaniu systemów, aby minimalizować straty energii, ograniczać ryzyko wycieków i ułatwiać diagnostykę serwisową. W konsekwencji nowoczesna prasa hydrauliczna jest nie tylko źródłem siły, ale również inteligentnym węzłem danych w zintegrowanym przedsiębiorstwie przemysłowym.

Jednym z ważniejszych kierunków rozwoju jest poprawa efektywności energetycznej. Klasyczne układy hydrauliczne charakteryzują się stratami wynikającymi z ciągłej pracy pomp na wysokich obrotach i dławienia przepływu na zaworach. Aby ograniczyć to zjawisko, coraz częściej stosuje się napędy pomp o zmiennej wydajności oraz rozwiązania z bezpośrednim sterowaniem przepływem. Zastosowanie serwonapędów elektrycznych w połączeniu z pompami pozwala na dostosowanie wydatku do aktualnego zapotrzebowania na przepływ i ciśnienie, co przekłada się na wymierne oszczędności energii.

Kolejnym trendem jest inteligentne monitorowanie stanu układu hydraulicznego. W wielu prasach instaluje się dziś czujniki ciśnienia, temperatury, poziomu i czystości oleju, a także przetworniki drgań na elementach mechanicznych. Dane te trafiają do systemu sterowania, a następnie do nadrzędnych platform analitycznych. Za pomocą algorytmów analizy predykcyjnej można wczesnie wykrywać symptomy zużycia pomp, zaworów lub uszczelnień i planować przestoje serwisowe w dogodnym momencie. Ogranicza to ryzyko nagłych awarii i związanych z nimi kosztownych przestojów całej linii papierniczej.

Istotne znaczenie ma również dobór i utrzymanie samego medium hydraulicznego. W nowoczesnych zakładach coraz częściej stosuje się oleje o podwyższonej odporności na starzenie, z dodatkami poprawiającymi właściwości smarne i antykorozyjne, a także płyny przyjaźniejsze dla środowiska. Układy filtracji są projektowane tak, aby utrzymywać wysoki poziom czystości medium, co przekłada się na trwałość komponentów oraz stabilność parametrów pracy prasy. Wpływa to nie tylko na jakość produkowanego papieru, ale również na ogólne koszty eksploatacji.

Bezpieczeństwo pracy w otoczeniu pras hydraulicznych ma wymiar zarówno techniczny, jak i organizacyjny. Technicznie urządzenia wyposaża się w wielostopniowe systemy zabezpieczeń: blokady mechaniczne, bariery świetlne, kurtyny optyczne, zamki bezpieczeństwa na osłonach, a także układy awaryjnego zrzutu ciśnienia. Z punktu widzenia operatora bardzo ważna jest czytelność interfejsu HMI, jasne komunikaty o stanach alarmowych i jednoznaczna procedura reagowania.

W przemyśle papierniczym, ze względu na ciągły charakter pracy maszyn, szczególną rolę odgrywają procedury blokowania i oznaczania (lockout/tagout) podczas prac konserwacyjnych. Zanim technik rozpocznie czynności przy prasie, system hydrauliczny musi być całkowicie odciążony, a energia potencjalnie mogąca doprowadzić do ruchu części roboczych – bezpiecznie zablokowana. Procedury te są uzupełniane szkoleniami dla personelu, okresowymi audytami bezpieczeństwa oraz regularnymi przeglądami stanu urządzeń ochronnych.

Nie można pominąć aspektów środowiskowych związanych z eksploatacją pras hydraulicznych. Wycieki oleju hydraulicznego w hali produkcyjnej niosą ze sobą nie tylko ryzyko poślizgnięć i zagrożeń pożarowych, ale także mogą mieć wpływ na jakość produkowanego papieru, jeśli zanieczyszczenia przedostaną się do strefy kontaktu z wstęgą. Dlatego w wielu papierniach wdraża się programy minimalizacji wycieków: regularnej kontroli połączeń, stosowania wzmocnionych przewodów, dodatkowych wanien wychwytowych oraz detekcji obecności cieczy w newralgicznych punktach. Prawidłowe zarządzanie gospodarką olejową ma znaczenie również dla minimalizowania kosztów utylizacji odpadów i spełniania wymogów regulacyjnych.

Rosnące wymagania jakościowe rynku papieru sprawiają, że funkcjonowanie pras hydraulicznych analizowane jest nie tylko pod kątem utrzymania ruchu, ale również jako element strategii rozwoju produktu. Dzięki zaawansowanym narzędziom sterowania możliwe jest testowanie nowych kombinacji parametrów prasowania, które pozwalają otrzymywać papiery o lepszej drukowności, większej białości czy podwyższonej wytrzymałości przy mniejszym zużyciu surowca włóknistego. W tym kontekście prasa hydrauliczna staje się narzędziem pozwalającym na optymalizację całej technologii wytwarzania.

W obszarze automatyzacji szczególnie istotne jest coraz ściślejsze powiązanie pracy pras z systemami nadrzędnymi, odpowiedzialnymi za planowanie i kontrolę całego procesu papierniczego. Dane z czujników prasy, takie jak aktualne ciśnienie, pozycje tłoków, temperatura medium, obciążenia napędów czy informacje o liczbie cykli, mogą być analizowane w kontekście innych parametrów, np. stanu masy papierniczej, temperatur suszenia czy wyników laboratoryjnych. W efekcie możliwe jest tworzenie zaawansowanych modeli korelacji, które pomagają utrzymywać produkcję w optymalnym oknie procesowym.

Postęp w dziedzinie cyfryzacji umożliwia także wdrożenie zdalnej diagnostyki i wsparcia technicznego. Producent prasy może na podstawie przesyłanych z zakładu danych ocenić kondycję kluczowych komponentów, zaproponować zmiany nastaw czy zasugerować wymianę części zanim dojdzie do awarii. Zwiększa to niezawodność całego systemu i pozwala producentom papieru skupić się na doskonaleniu produktu, zamiast na ciągłym reagowaniu na niespodziewane problemy techniczne.

Wszystkie opisane aspekty – od konstrukcji, przez zastosowanie w procesie odwadniania, aż po kwestie energetyczne, bezpieczeństwo oraz integrację cyfrową – pokazują, że prasy hydrauliczne są jednym z kluczowych elementów infrastruktury produkcyjnej w przemyśle papierniczym. Od ich prawidłowego doboru, eksploatacji i modernizacji zależy nie tylko wydajność linii, lecz także powtarzalność jakości, konkurencyjność produktu na wymagającym rynku oraz zdolność firmy do spełniania coraz surowszych wymogów środowiskowych i regulacyjnych.