碳纤维干燥机的结构设计分析

2022-09-21 16:39:44 来源:写作指导

碳纤维干燥机的结构设计分析

摘要:针对现有的碳纤维干燥机存在加热效率低、结构复杂等问题,设计了一种液压油加热的七辊筒碳纤维干燥机,使用液压油解决了加热效率低的问题。利用ANSYS对干燥机的结构部件进行静力学分析,分析结果表明各部件均满足设计要求。

关键词:碳纤维;结构设计;干燥机

0引言

纤维干燥机是中、高密度纤维生产线的关键设备,其工作性能好坏将直接影响纤维干燥质量、纤维干燥能力和产品质量[1,2]。目前纤维干燥热定型设备干燥效率低、操作不便,影响纤维综合性能,且存在箱体强度不高、轴承密封效果不好等问题[3]。干燥机的关键部件是干燥辊,干燥辊损坏程度和频率加剧,严重影响装置的正常生产[4],所以对干燥辊的外形、尺寸和内部结构进行大量改进设计,保证能够适应液压油加热方式。黄淑琴等[5]发明了一种蒸汽加热式九辊筒的碳纤维干燥机,但体积较大,耗材较多,成本较高。本文设计了一种液压油加热的七辊筒碳纤维干燥机,使用液压油解决加热效率低的问题。并利用ANSYS对干燥机的结构部件进行静力学分析,确保结构合理性和安全性[6]。

1七辊筒碳纤维干燥机的结构设计

1.1总体方案

目前大多数碳纤维干燥机采用九辊筒结构、蒸汽加热方法,能量损失较多。本文设计的干燥机采用液压油加热方式,能在低压力下获得较高温度,有较好的热稳定性,能有效地克服蒸汽加热系统热效率不高、循环利用率低等诸多不利因素[7]。七辊筒干燥机辊筒排列方式如图1所示。

1.2辊筒的结构设计

干燥辊筒包含外筒、内筒和连接法兰。其中外筒长度为746mm、外直径为750mm、壁厚为18mm;内筒长度为746mm、外直径为684mm、壁厚为8mm;连接法兰直径为750mm、厚度为93mm、油液通路直径为18mm。目前常见的碳纤维干燥机工作过程中会出现丝束缠绕,导致丝束受到损伤或者干燥不充分,所以对辊筒外壁进行开槽处理。槽深为3mm、宽为15mm,槽间隔为60mm。辊筒内壁与外壁之间留有15mm间隙用于导入液压油,在接近辊筒轴一侧设置4个进油槽,用于导入液压油。辊筒内设有辊筒轴,要求辊筒轴直径d满足:d≥39.55×100.2[τ]p槡n.(1)其中:[τ]为轴材料许用切应力,由于辊筒轴受弯矩较大,辊筒取[τ]=12MPa;p为轴传递的功率,p=11kW;n为轴的转速,n=12r/min。将数值代入式(1)计算得d≥155.42mm。辊筒轴上设有平键槽,需增大5%的直径,为保证轴径的强度和刚度,取d=170mm。干燥辊筒轴如图2所示。图2干燥辊筒轴高温液压油通过液压泵进入到总管道中,经压力作用进入分管道,进入分管道的液压油经过D型回转接头的进油方向进入无缝钢管中。油液通过无缝钢管导入法兰盘,在法兰盘中部与内部设4个油液通路。油液从连接法兰的导油孔进入到辊筒内、外壁夹层中,达到辊筒加热的效果,同时辊筒开始旋转对碳纤维丝束进行加热。油液从D型回转接头进、出控制加热温度,保证加热效果。干燥辊筒结构和进油方式如图3所示。

1.3碳纤维干燥机箱体的设计

根据干燥辊筒的尺寸确定箱体的总宽为727mm、高度为2500mm、总长为5000mm。传动箱体由304板材焊接而成,为防止箱体的变形,在箱体下方位置焊接5个三角形加强筋板以提高箱体的强度。箱体底架上安装两个固定装置以保证箱体底架的稳定性。液压油接口侧增设电机底座台,干燥辊筒下方增加三个空心底座,在保证箱体底座平衡的同时限制外物的干扰,并保证辊筒能够安全正常地运行。

2碳纤维干燥机结构部件校核

2.1辊筒轴的静力学分析

辊筒轴位于辊筒中心,要保证其强度,避免发生安全事故,下面对辊筒轴做静力学分析,分析其结构性能。辊筒轴、大端法兰盘和小端法兰盘材料都采用Q235,其密度为7.85g/cm3,弹性模量为210GPa,泊松比为0.33,抗拉强度为250MPa。辊筒轴受到自身重力大约为2800N,每个辊筒通孔的受力为400N,齿轮自身的重力为680N,辊筒轴受到的转矩为5000N•m。碳纤维干燥机辊筒轴采用两组轴承轴向固定的方式,对辊筒轴安装轴承处施加圆柱面约束。利用ANSYS对辊筒轴进行静力学分析,得到的变形和应力云图如图4所示。辊筒轴的最大变形量为0.0008mm,满足要求。辊筒轴的最大等效应力为1.8878MPa,完全满足要求。

2.2箱体的静力学分析

碳纤维干燥机箱体主要受到了辊筒轴的压力,对每个安装大孔施加3480N的压力。静力学分析得到的箱体变形和应力云图如图5所示。箱体的最大变形量为0.00003mm,满足要求。箱体的最大等效应力为0.014MPa,完全满足要求。

3结论

针对碳纤维干燥需求,设计了一款碳纤维干燥机,并对核心部件进行了强度校核,得到以下结论:(1)干燥机采用导热油系统结合高温液压油加热方式,相比传统蒸汽加热方式提升了干燥效果,减少了能源浪费。(2)对干燥机结构部件进行了设计,同时进行了静力学分析,分析结果验证了结构的合理性和可行性,满足工作要求。

作者:丁杰源 吴群彪 卞鸿飞 杨成 单位:江苏科技大学苏州理工学院 机电与动力工程学院

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