硅酸鈣板成型機成型筒結構優(yōu)化與分析

賴玉活,張南媚,李 健,李志敏

(1.廣西科技大學 機械工程學院,廣西 柳州545006; 2.廣西科技大學 鹿山學院,廣西 柳州545000)

國家科技部中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金資助項目(13C26214504836)

賴玉活(1966—),男,高級工程師.E-mail:laiyuhuo@126.com

硅酸鈣板成型機成型筒結構優(yōu)化與分析

賴玉活1,2,張南媚1,李 健1,李志敏2

(1.廣西科技大學 機械工程學院,廣西 柳州545006; 2.廣西科技大學 鹿山學院,廣西 柳州545000)

針對在實際生產(chǎn)中硅酸鈣板成型機成型筒主軸斷裂后需更換成套成型筒設備這一缺陷,引入錐套結構對原有成型筒主軸與筒體的裝配形式進行了優(yōu)化改進.對改進后結構進行受力分析,計算了此錐套結構的承載能力,并對其強度進行了校驗.通過理論計算表明，此結構滿足生產(chǎn)中可靠性要求.目前,此新型成型筒已應用于實際工業(yè)生產(chǎn)中,效果顯著.

成型筒; 優(yōu)化設計; 錐套; 受力計算; 可靠性

硅酸鈣板成型機作為生產(chǎn)硅酸鈣板中重要的成型設備,它是通過成型機上的成型筒與主動胸輥之間的擠壓作用將脫水后的漿料壓實成為一定厚度的坯料,既要承受擠壓力也要傳遞轉(zhuǎn)矩.在實際生產(chǎn)中我們發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有成型筒軸與滾筒焊接處易發(fā)生斷裂,而軸斷裂后需更換整套成型筒,這極大地增加了生產(chǎn)成本,成為企業(yè)亟待解決的難題.因此,急需設計一種新的結構來解決這一問題.

1 硅酸鈣板成型機成型筒的工作原理

硅酸鈣板成型機是將輸送帶(工業(yè)毛毯)輸送過來的濕坯料通過胸輥與成型筒的擠壓作用而使坯料之間孔隙減小,結構致密化的設備.從流漿箱均勻流出的料漿,在運行的工業(yè)毛毯上濾水、脫水后形成薄料層纏繞在成型筒上,經(jīng)過多層纏繞達到設定的板坯厚度將其與成型筒脫離[1].成型機理如圖1所示.圖中,A點為導輥軸心,B點為成型筒軸心,C點為胸輥軸心,D點為胸輥軸承座固定架的鉸接中心.其中胸輥通過萬向聯(lián)軸器與電機相連,胸輥帶動毛毯運動,而成型筒的轉(zhuǎn)矩由毛毯及坯料與輥筒之間的摩擦力提供.當處于無坯料狀態(tài)時,成型筒和胸輥軸心、擠壓點及鉸接點之間的連線可以表示為BECD;當有坯料時,胸輥在外載荷作用下開始擠壓坯料,此時C點在反作用力下會繞D轉(zhuǎn)動一定的角度,到達C1點,擠壓點也有E點變?yōu)镋1點,第1圈擠壓狀態(tài)為BE1C1D.同樣地,成型筒進行第2圈坯料擠壓狀態(tài)可以表示為BE2C2D,達到設定圈數(shù)后將坯料與成型筒分離.由此可見,成型筒對于產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量息息相關,出現(xiàn)故障將無法進行后面工序.

圖1 坯料擠壓過程Fig.1 Billet extrusion process

2 原有成型筒結構特點及缺陷

原有成型筒滾筒與主軸的安裝方式主要有如下2種:① 滾筒輪轂與主軸過盈配合安裝,此種方式對加工精度要求較高,對過盈量的選擇很重要,因而加工成本也比較高;② 將主軸分為2段短軸,分別與成型筒的左右輪轂焊接成一體.這2種都是不可拆卸連接形式,且一旦成型筒上的主軸或者筒體發(fā)生損壞均只能更換一整套成型筒設備,但滾筒輥面本身加工較為繁瑣,要求高,耗時長,不利于企業(yè)生產(chǎn)效率的提高和長遠發(fā)展.

3 結構改進及分析

由于成型筒筒體本身強度較高,出現(xiàn)報廢的情況比較少,主要問題出現(xiàn)在主軸與筒體輪轂連接處,為此結合原有成型筒結構存在的缺陷,將原有主軸加工做成通軸,并引入了錐套裝配形式.錐套聯(lián)接形式不僅裝拆方便,裝拆時配合面不易擦傷,而且還比較易于控制過盈量或壓入力,在機械設計中經(jīng)常利用錐面聯(lián)接來緊固兩部件傳遞轉(zhuǎn)矩[2],同時還具有定心性好、承載能力高等優(yōu)點[3].

改進設計后的結構如圖2所示,錐套錐面與主軸錐面配合,圓柱面與成型筒輪轂相配.錐套結構包括均勻布置的緊固光孔和退卸螺紋孔,內(nèi)側為錐面,外側為圓柱面,緊固螺釘穿過緊固光孔與成型筒輪轂上的螺紋孔固定,而退卸螺紋孔則是用來退出錐套(見圖3).由于錐套結構鎖緊是軸向力作用使結合面之間產(chǎn)生結合力(壓強),從而由這一結合力產(chǎn)生的切向摩擦力來傳遞一定的轉(zhuǎn)矩,故為了驗證此結構的可靠性,保證許用轉(zhuǎn)矩大于工作過程所需的最大轉(zhuǎn)矩,且有一定的裕度.

圖2 成型筒結構Fig.2 Molding tube structure

圖3 錐套結構Fig.3 Cone sleeve structure

4 分析計算

4.1錐套受力分析

錐套裝配形式傳遞扭矩,主要是由錐套與錐軸、錐套與筒體結合面之間的結合壓力產(chǎn)生的靜摩擦力來實現(xiàn)扭矩的傳遞,因此，我們主要對錐套進行受力分析(見圖4).為了簡化計算,做如下假設:① 在整個結合面上,結合面壓力為均勻分布的常量;② 結合面應力在彈性范圍內(nèi),無塑性變形;③ 結合面上摩擦力符合庫倫第一摩擦定律;④ 錐套內(nèi)外周面與主軸和成型筒內(nèi)圈周面間的無潤滑動摩擦系數(shù)一致.

圖4 錐套受力圖Fig.4 Cone sleeve force diagram

取錐套一半為分離體分析,在旋緊緊固螺釘過程中,錐套端面受到軸向壓入力,內(nèi)外周面受主軸及成型筒輪轂內(nèi)周面壓力共同作用.由理論力學靜力平衡有[4]

∑Fx=0;∑Fy=0

通過對錐套受力沿x,y方向進行正交分解得

Fa=nF1=F3-F4cosθ+F5sinθ

(1)

F2=F4sinθ+F5cosθ

(2)

由F4=μF5,F3=μF2,代入式(1)和式(2)得

(3)

(4)

式中:θ為錐套半錐角;μ為結合面間的摩擦系數(shù);n為緊固螺釘?shù)挠行?shù)目;F1為單個螺釘預緊力.

4.2承載能力計算

由于錐套是靠與主軸和成型筒輪轂內(nèi)周面產(chǎn)生的抱緊力來傳遞轉(zhuǎn)矩,而抱緊力實質(zhì)為由結合面處的法向壓力產(chǎn)生的摩擦力:錐套內(nèi)周面與主軸間正壓力F5產(chǎn)生切向摩擦力F7,錐套外圓柱面與成型筒輪轂間正壓力F2產(chǎn)生切向摩擦力F6.摩擦力矩為T=μFnr,其中Fn為結合面處正壓力,r為摩擦力到軸心的距離.由此可得

(5)

(6)

將式(3)和式(4)分別代入式(5)和式(6),得

(7)

(8)

式中:T1為錐套錐面所能傳遞的扭矩;T2為錐套圓柱面所能傳遞的扭矩.若取T=min(T1,T2),則T為該錐套結構的最大傳遞扭矩.

4.3螺釘連接軸向力的計算

螺釘在擰緊力矩作用下產(chǎn)生的軸向預緊力即為該錐套結構的軸向壓入力,則由擰緊螺釘產(chǎn)生的軸向預緊力的數(shù)值為[5]

Fa=nF1=

(9)

式中:T0為單個螺釘擰緊力矩,N·m;d2為螺紋中徑,m;ψ為螺紋升角;φv為螺旋副的當量摩擦角;fc為螺釘頭部與錐套端面之間的摩擦系數(shù);D0為螺釘?shù)念^部直徑;d0為錐套法蘭面上光孔直徑.

通過查機械設計手冊得出上述各參數(shù)后,將式(9)簡化為

(10)

式中:[s]為螺釘擰緊力矩安全裕度.

4.4成型筒轉(zhuǎn)矩計算

成型筒的運動是靠毛毯與輥面或坯料之間的摩擦力產(chǎn)生的摩擦力矩提供所需的轉(zhuǎn)矩,其中胸輥為主動輥,拖動輸送帶運轉(zhuǎn)(見圖5).滾筒在啟動瞬間達到均勻轉(zhuǎn)速這一階段轉(zhuǎn)矩最大,在空轉(zhuǎn)啟動過程時,成型筒受正壓力Fn作用,由于輸送帶與輥面接觸區(qū)壓力遠小于Fn,為了簡化分析,不考慮此部分作用力.毛毯所用的主要原料為錦綸短纖維,因其具有優(yōu)異的強度、耐磨和回彈性[6],工業(yè)毛毯與結構鋼之間的動摩擦系數(shù)取0.35～0.50[7],假設T4為成型筒驅(qū)動力矩,則應有

T4=μcFnR

(11)

式中:μc為動摩擦系數(shù);R為成型筒的半徑,R=850 mm;實際生產(chǎn)過程中Fn約為 2.45×105N.

代入式(11),得T4=1.062×105N·m.

圖5 成型筒受力簡圖Fig.5 Force diagram of molding tube

5 可行性分析

為了驗證此結構的可行性,將表1所示結構設計參數(shù)代入上述式(7)～式(10)式中進行驗證.

表1 錐套尺寸結構參數(shù)Tab.1 Taper sleeve dimension structure parameters

查機械設計手冊可知其擰緊力矩一般為686 N·m,取安全系數(shù)為0.7,與主軸和成型筒內(nèi)圈無潤滑動摩擦系數(shù)μ取0.10～0.16.將結構數(shù)據(jù)代入上述各式可得

T=T2=3.71×105N·m

Fa=1.28×106N

(1) 比較T和T4可知:T4

(2) 螺釘強度校核.查機械設計手冊可知8.8級M24螺釘σB=800 MPa,σs=640 MPa,安全系數(shù)S取1.5,則由機械設計中螺釘拉伸強度條件

(12)

代入數(shù)據(jù)計算得σca=369.8 MPa<[σ]=426.7 MPa,因此,滿足強度要求.

6 結論

通過對成型筒上的錐套裝配形式進行了理論分析和計算,得出了采用此錐套結構是完全可以滿足強度要求和成型筒傳遞所需轉(zhuǎn)矩要求.同時,成型筒結構中引入錐套裝配形式還存在如下優(yōu)點:

(1) 摒棄了原有成型筒在軸由損傷或成型筒磨損后需整套設備更換的缺陷,提高了各部件的可替換性,裝配、拆卸方便,節(jié)約了時間和成本;

(2) 由于結合面抱緊力的存在,使得此結構能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩和一定的徑向力;

(3) 加工制造精度相對其他裝配要求較低,定心性好.

目前,引入錐套裝配形式的成型筒已應用于實際生產(chǎn)中,并取得了比較顯著的效果.作為機械傳動中一種比較高效的形式,此種裝配形式應用前景廣闊.

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Theoptimizationdesignandanalysisoftherollerofmake-upmachineforcalciumsilicateboardLAIYuhuo

1，2,ZHANGNanmei1,LIJian1,LIZhimin1

(1.School of Mechanical Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,Guangxi,China; 2.Lushan College,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545000,Guangxi,China)

According to the flaws which should change whole equipment after the main shaft of the roller of make-up machine for calcium silicate board was broken in the actual production,a new assembly form is introduced in the original structure,which use a couple of sleeves to connect the main shaft and cylinder.By the stress analysis of the improved structure,loading capacity of this sleeves are calculated,and the numerical result shows that the reliability of this new structure is satisfied after the strength calibration.Now the new type of roller has been applied in actual industry manufacture,and made a significant effect.

roller; optimization design; sleeve; loading capacity; reliability

TH 16

A

1672-5581(2017)04-0338-04