碳纖維干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

丁杰源，吳群彪，卞鴻飛，楊 成

(江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院 機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215600)

0 引言

纖維干燥機(jī)是中、高密度纖維生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，其工作性能好壞將直接影響纖維干燥質(zhì)量、纖維干燥能力和產(chǎn)品質(zhì)量[1,2]。目前纖維干燥熱定型設(shè)備干燥效率低、操作不便，影響纖維綜合性能，且存在箱體強(qiáng)度不高、軸承密封效果不好等問題[3]。干燥機(jī)的關(guān)鍵部件是干燥輥，干燥輥損壞程度和頻率加劇，嚴(yán)重影響裝置的正常生產(chǎn)[4]，所以對(duì)干燥輥的外形、尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量改進(jìn)設(shè)計(jì)，保證能夠適應(yīng)液壓油加熱方式。黃淑琴等[5]發(fā)明了一種蒸汽加熱式九輥筒的碳纖維干燥機(jī)，但體積較大，耗材較多，成本較高。本文設(shè)計(jì)了一種液壓油加熱的七輥筒碳纖維干燥機(jī)，使用液壓油解決加熱效率低的問題。并利用ANSYS對(duì)干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，確保結(jié)構(gòu)合理性和安全性[6]。

1 七輥筒碳纖維干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

目前大多數(shù)碳纖維干燥機(jī)采用九輥筒結(jié)構(gòu)、蒸汽加熱方法，能量損失較多。本文設(shè)計(jì)的干燥機(jī)采用液壓油加熱方式，能在低壓力下獲得較高溫度，有較好的熱穩(wěn)定性，能有效地克服蒸汽加熱系統(tǒng)熱效率不高、循環(huán)利用率低等諸多不利因素[7]。七輥筒干燥機(jī)輥筒排列方式如圖1所示。

圖1 七輥筒干燥機(jī)輥筒排列方式

1.2 輥筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

干燥輥筒包含外筒、內(nèi)筒和連接法蘭。其中外筒長(zhǎng)度為746 mm、外直徑為750 mm、壁厚為18 mm；內(nèi)筒長(zhǎng)度為746 mm、外直徑為684 mm、壁厚為8 mm；連接法蘭直徑為750 mm、厚度為93 mm、油液通路直徑為18 mm。

目前常見的碳纖維干燥機(jī)工作過程中會(huì)出現(xiàn)絲束纏繞，導(dǎo)致絲束受到損傷或者干燥不充分，所以對(duì)輥筒外壁進(jìn)行開槽處理。槽深為3 mm、寬為15 mm，槽間隔為60 mm。

輥筒內(nèi)壁與外壁之間留有15 mm間隙用于導(dǎo)入液壓油，在接近輥筒軸一側(cè)設(shè)置4個(gè)進(jìn)油槽，用于導(dǎo)入液壓油。

輥筒內(nèi)設(shè)有輥筒軸，要求輥筒軸直徑d滿足：

(1)

其中：[τ]為軸材料許用切應(yīng)力，由于輥筒軸受彎矩較大，輥筒取[τ]=12 MPa；p為軸傳遞的功率，p=11 kW；n為軸的轉(zhuǎn)速，n=12 r/min。

將數(shù)值代入式(1)計(jì)算得d≥155.42 mm。

輥筒軸上設(shè)有平鍵槽，需增大5%的直徑，為保證軸徑的強(qiáng)度和剛度，取d=170 mm。

干燥輥筒軸如圖2所示。

圖2 干燥輥筒軸

高溫液壓油通過液壓泵進(jìn)入到總管道中，經(jīng)壓力作用進(jìn)入分管道，進(jìn)入分管道的液壓油經(jīng)過D型回轉(zhuǎn)接頭的進(jìn)油方向進(jìn)入無縫鋼管中。油液通過無縫鋼管導(dǎo)入法蘭盤，在法蘭盤中部與內(nèi)部設(shè)4個(gè)油液通路。油液從連接法蘭的導(dǎo)油孔進(jìn)入到輥筒內(nèi)、外壁夾層中，達(dá)到輥筒加熱的效果，同時(shí)輥筒開始旋轉(zhuǎn)對(duì)碳纖維絲束進(jìn)行加熱。油液從D型回轉(zhuǎn)接頭進(jìn)、出控制加熱溫度，保證加熱效果。干燥輥筒結(jié)構(gòu)和進(jìn)油方式如圖3所示。

圖3 干燥輥筒結(jié)構(gòu)和進(jìn)油方式

1.3 碳纖維干燥機(jī)箱體的設(shè)計(jì)

根據(jù)干燥輥筒的尺寸確定箱體的總寬為727 mm、高度為2 500 mm、總長(zhǎng)為 5 000 mm。

傳動(dòng)箱體由304板材焊接而成，為防止箱體的變形，在箱體下方位置焊接5個(gè)三角形加強(qiáng)筋板以提高箱體的強(qiáng)度。

箱體底架上安裝兩個(gè)固定裝置以保證箱體底架的穩(wěn)定性。液壓油接口側(cè)增設(shè)電機(jī)底座臺(tái)，干燥輥筒下方增加三個(gè)空心底座，在保證箱體底座平衡的同時(shí)限制外物的干擾，并保證輥筒能夠安全正常地運(yùn)行。

2 碳纖維干燥機(jī)結(jié)構(gòu)部件校核

2.1 輥筒軸的靜力學(xué)分析

輥筒軸位于輥筒中心，要保證其強(qiáng)度，避免發(fā)生安全事故，下面對(duì)輥筒軸做靜力學(xué)分析，分析其結(jié)構(gòu)性能。

輥筒軸、大端法蘭盤和小端法蘭盤材料都采用Q235，其密度為7.85 g/cm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.33，抗拉強(qiáng)度為250 MPa。

輥筒軸受到自身重力大約為2 800 N，每個(gè)輥筒通孔的受力為400 N，齒輪自身的重力為680 N，輥筒軸受到的轉(zhuǎn)矩為5 000 N·m。

碳纖維干燥機(jī)輥筒軸采用兩組軸承軸向固定的方式，對(duì)輥筒軸安裝軸承處施加圓柱面約束。

利用ANSYS對(duì)輥筒軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到的變形和應(yīng)力云圖如圖4所示。輥筒軸的最大變形量為0.000 8 mm，滿足要求。輥筒軸的最大等效應(yīng)力為1.887 8 MPa，完全滿足要求。

圖4 碳纖維干燥機(jī)輥筒軸變形和應(yīng)力云圖

2.2 箱體的靜力學(xué)分析

碳纖維干燥機(jī)箱體主要受到了輥筒軸的壓力，對(duì)每個(gè)安裝大孔施加3 480 N的壓力。靜力學(xué)分析得到的箱體變形和應(yīng)力云圖如圖5所示。箱體的最大變形量為0.000 03 mm，滿足要求。箱體的最大等效應(yīng)力為0.014 MPa，完全滿足要求。

圖5 碳纖維干燥機(jī)箱體變形和應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

針對(duì)碳纖維干燥需求，設(shè)計(jì)了一款碳纖維干燥機(jī)，并對(duì)核心部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，得到以下結(jié)論：

(1) 干燥機(jī)采用導(dǎo)熱油系統(tǒng)結(jié)合高溫液壓油加熱方式，相比傳統(tǒng)蒸汽加熱方式提升了干燥效果，減少了能源浪費(fèi)。

(2) 對(duì)干燥機(jī)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，分析結(jié)果驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，滿足工作要求。