小型干冰造粒机传动系统的研究设计

谭昭怡

楚 广

（中国工程物理研究院核物理与化学研究所） （中南大学冶金科学与工程学院）

小型干冰造粒机传动系统的研究设计

谭昭怡*

楚 广

（中国工程物理研究院核物理与化学研究所） （中南大学冶金科学与工程学院）

干冰清洗技术已经在诸多行业得到推广应用，获得了满意的清洗结果。针对实验室用的小型干冰造粒机的传动系统，在分析比较的情况下，进行了机械传动系统的研究设计，对重要的部件——连杆进行了有限元分析。经试制和实验检测达到了设计要求。

干冰 造粒机 传动系统 曲柄 连杆

0 引言

干冰清洗技术是将液态二氧化碳通过干冰造粒机制成干冰颗粒，再通过干冰清洗机喷射到被清洗物体表面，利用固体干冰颗粒高速运动产生的冲击力，结合干冰本身温度低以及升华所产生热力膨胀等，使被清洗表面的杂物迅速被剥离清除。干冰清洗后被清洗物体表面干燥洁净，不存在残留清洗介质；同时，剥离下来的污垢处于低温固化状态，便于及时清理，不会产生任何环境污染问题；对被清洗物体表面不会造成任何伤害。因此，干冰清洗技术有着清洗速度快、效率高、价格便宜、操作简易方便等优点。

干冰清洗技术虽然在实际应用中取得了显著成效，但对不同清洗对象的清洗工艺研究还存在不足之处，需通过实验研究提供所需的参数。现有的干冰造粒设备均为大型设备，采用的液压传动系统配套设施复杂、体积大，需要专业的技术人员进行维修保养，不适应实验室的小型干冰造粒机。本文对适用于小型干冰造粒机的机械传动装置进行了研究设计。

1 小型干冰造粒机结构设计

小型干冰造粒机通常由压冰室、传动系统、模头、仪表以及控制系统几部分组成。1.1 小型干冰造粒机结构

考虑实验室条件下的应用，小型干冰造粒机生产能力为30～50 kg/h。设定压冰室的结构由网状内缸、承压外缸和中间排气室组成，压冰室腔室内径Di＝45 mm，外径Do=80 mm。压冰室腔室设计长度为100 mm，其中活塞行程40 mm。

1.2 传动方案的选定

在保证设备有足够的安全系数且能长期正常运转的前提下，小型干冰造粒机选用结构简单、体积小、价格低廉的机械传动系统。该系统根据功能可分为减速和运动转换两部分。综合本机多方面因素考虑，采用普通V带的皮带轮减速方案，运动转换部分采用曲柄连杆机构。设计的小型干冰造粒机机械传动系统见图1。

图1 造粒机的机械传动系统

1.3 原动机的选定

压缩干冰时，活塞上所受阻力F为：

曲轴上可能出现的最大扭矩为：

电机所需提供的最大功率为：

取一定的安全系数和传动效率，并取电机功率为4 kW，选取Y系列三相异步电动机Y112M-4。

1.4 减速部分设计

压冰室腔室的容积 （即整个压缩过程中干冰雪花的最大体积）为：

要求将干冰粉末压实到密度在1.5 g/cm3以上，设干冰密度为1.6 g/cm3。将干冰压缩成密度为1.6 g/cm3的成型干冰块，其压缩比为0.219，故一次压缩最终产生的干冰其质量为：

本干冰造粒机的设计要求是30～50 kg/h，因此每小时应压缩的次数为：

参考 《机械设计手册》，取大带轮节圆直径D大带轮=385 mm，小带轮节圆直径D小带轮=90 mm，传动比i=385/90=4.278。选定4根普通A带。

查 《机械设计手册》V带轮的结构形式和辐板厚度图，得到大、小带轮的结构形式及各项基本参数如下。

小带轮：实心轮，ds=28 mm，d=90 mm，da=96 mm，B=68 mm。

大带轮：四孔板轮，ds=40 mm，dh=80 mm，d0=200 mm， dr=320 mm， d=385 mm， B=68 mm，S=16 mm，B=68 mm。

1.5 曲轴的设计

根据经验取 [γ]min＝10°。

已知滑块的行程为40 mm，易知曲柄长20 mm，易求得连杆AB长135 mm。

干冰压缩缸中心线通过曲轴中心O，OB为曲柄，AB为连杆，点B为曲柄销中心，点A为连杆小头孔中心 （或滑块中心），滑块又与活塞杆直接相连，故活塞的运动规律与滑块的运动规律完全一致。

整个曲柄连杆组结构如图2所示。

图2 曲柄连杆组结构

图3 曲轴结构

设计中，曲轴上两滚动轴承间距离取为160 mm。曲轴采用整体式全支撑结构，材料为45优质碳素钢，主要尺寸见图3。

1.6 连杆的设计

连杆AB小头与滑块销钉相连接，与滑块一起做变速直线往复运动，连杆大头与曲柄销相连，和曲轴一起做旋转运动。因此，连杆体除有圆弧曲线运动外，还上下摆动，做复杂的平面运动。

为了保证连杆有足够的刚度和强度，采用45模锻钢制造，具体结构见图4。

图4 连杆结构

图5 连杆有限元模型

销钉材料为合金钢45Mn2，表面渗碳处理，许用剪切应力 [τ]=150 MPa。

当活塞压缩干冰到缸筒底部时，销钉上承受最大的剪切力Fmax′=3.18 kN，考虑最大剪切应力及安全系数，取销钉直径为d=15 mm。

为改善磨损状况，小头孔中以一定过盈量压入耐磨衬套，厚度取δ=2 mm，则小头孔直径取d1=19 mm，外径D1=30 mm。

连杆杆身从弯曲刚度和锻造工艺性考虑，采用工字形断面，杆身到小头和大头处均采用圆角过渡。

连杆大头采用整体式套入曲柄销，无连接螺栓等部件，大头孔直径d2=94 mm，外径D=120 mm。

2 连杆的有限元应力分析

2.1 计算模型

由于连杆对于其中剖面具有对称性，因此取连杆中剖面一侧的部分 （即连杆的1/2部分）建立ANSYS有限元模型。为提高其计算精度，选用20节点固体结构186单元进行计算，网格划分如图5所示。材料为45钢，其弹性模量为E=2.09×105N/mm2，泊松比μ=0.3，屈服强度为355 MPa。模型总共有96 408个节点，45 701个单元。

2.2 工况设计及载荷处理

根据连杆的实际工作情况，按连杆的最大拉伸和最大压缩两种工况进行计算。最大压缩工况载荷处理如下。

（1）压冰过程中，活塞运动到上止点附近，以压冰室最大爆发压力2 MPa计算，连杆小头承受的最大压缩面载荷Py施加于小头端内侧；

（2）往复惯性力：通过耦合以集中力的方式施加于有限元模型，方向由连杆大头指向连杆小头；

（3）旋转惯性力：通过耦合以集中力的方式施加于有限元模型，方向为大头运动的切线方向；

（4）装配载荷：衬套和连杆小头过盈配合产生的压紧力。衬套的装配过盈量定为0.01 mm。

最大拉伸工况载荷处理如下。

（1）压冰完成后，活塞在上止点附近，连杆小头承受的最大拉伸面载荷Pl施加于小头端内侧；

（2）往复惯性力；

（3）旋转惯性力：连杆所受惯性力同最大压缩工况一致，只是惯性力的方向相反；

（4）装配载荷：所受装配载荷与前述相同。

2.3 结果分析

由图6、图7可知，连杆在最大压缩工况时，在小头孔、小头与衬套接触部位以及小头与杆身过渡连接处产生较高的应力。最大压应力出现在小头与衬套接触部位。最大位移为0.013 6 mm，最大Mises应力为182.65 MPa。

图6 压缩变形

图7 压缩应力

由图8、图9可知，连杆在最大拉伸工况时，在小头孔、小头与衬套接触部位以及小头与杆身过渡连接处产生较高的应力。最大压应力出现在小头与衬套接触部位。最大位移为0.010 7 mm，最大Mises应力为179.08 MPa。

图8 拉伸变形

通过小型干冰造粒机连杆的有限元计算表明，无论是在最大压缩工况下，还是在最大拉伸工况下，最大应力均在45钢的屈服强度许用范围内。因此从连杆结构设计上看，连杆是安全可靠的。

图9 拉伸应力

3 结束语

依照上述参数制造的小型干冰造粒机样机，在水泥地面上用四个膨胀螺栓固定就能使用。经过试验检测，各项技术指标都达到了设计目标。表明该小型干冰造粒机设计合理、结构简单、维修保养简便、机动性好，且大幅度降低了制造成本，在实验室和中小型企业有广阔的应用前景。

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[6] 徐灏.机械设计手册（第四卷）[M].北京：机械工业出版社，1991.

Research Design for Transmission System of Small Dry Ice Granulator

Tan Zhaoyi Chu Guang

Dry ice purge technology has been popularized and applicated in many industries， and has got satisfactory cleaning results.We designed a mechanical drive system for the small dry ice granulator used in laboratory by comparison analysis.We did a finite element analysis for the important component-connecting rod.Through trial and experimental testing,the connecting rod had reached the design requirement.

Dry ice；Granulator；Transmission system；Crank； Connecting rod

TQ 050.3

*谭昭怡，男，1976年12月生，副研究员，硕士。绵阳市，621900。

2011-04-17）