电厂自动化防腐喷涂装置设计和关键部件的有限元分析

任学光，贾欣蔚

（1.太原第二热电厂，山西 太原 030041；2.天津工业大学机械工程学院，天津 300387）

0 引言

电厂运行中存在大量的圆柱或筒状类型的储存箱，如图1所示。为防止储存箱表面受到环境中的腐蚀性物质的腐蚀，需要定期进行防腐涂料的喷涂[1]。要求涂层厚度能够保持一致，产品表面无溶剂凸起，表面光洁。为能解决现有电厂的筒状类型的储存箱人工喷涂效率低、工作环境恶劣、危险的问题，国内外一些研究机构先后开发了平往复自动喷涂机、垂直往复自动喷涂机、旋转喷涂机、涂装机器人等专业喷涂装置[2]。本文在吸收了国内外的各种自动喷涂技术的基础上，以电厂的圆筒状贮箱的表面防腐喷涂为目，设计自动喷涂装置并对关键部件进行有限元分析。

图1 筒状贮箱

1 筒状贮箱自动喷涂装置结构设计

1.1 运输车及转动平台的设计

筒状贮箱的喷涂过程是在一个封闭可视的环境，可以有效的防止有毒气体的挥发。由于筒状贮箱体积大、重量大，需要运输车将筒状贮箱运送到喷涂车间。本文设计重2.5 t，直径3 000 mm，长12 000 mm的大型筒形贮箱的自动喷涂设备。为了保证运输车的平稳运行，采用轨道的方式，运输车底部安装有轨车轮，车身结构采用桁架结构。为了保证筒状贮箱喷涂油漆时可以顺利在运输车上转动，设计了转动平台，滚轮架用于筒状贮箱的回转，它是通过滚轮对筒状贮箱的支撑并借助筒状贮箱与滚轮之间的摩擦力来实现筒状贮箱旋转[3、4]。运输车结构如图2所示。

图2 筒状贮箱运输车及转动平台结构图

1.2 自动油漆喷枪的结构设计

为了实现筒状贮箱的自动喷涂，根据喷涂工艺要求，喷涂机构需具有喷枪沿Y轴伸缩、X轴左右、Z轴上下移动来实现贮箱全方位自动喷涂。由于筒状贮箱的长度和直径都很大，考虑齿轮齿条传动可以满足大行程、低速平稳运动的要求，所以X轴和Z轴方向采用电机驱动的齿轮齿条传动；Y轴的行程不大，为了节省Y轴的径向空间，采用双同步带的直线运动方式。自动油漆喷枪的结构设计如图3所示。

图3 自动油漆喷枪的结构图

2 运输车及转动平台关键部件的有限元分析

转动平台中的滚轮架是保证筒状贮箱可以平稳转动的关键部件，其中滚轮架主要包括滚轮支架、滚轮轴、滚轮支架轴。首先建立滚轮架的简化模型，如图4所示。

图4 滚轮架的简化模型

滚轮架在工作时主要受来自滚轮轴的作用力，在对滚轮架进行有限元分析时，在Ansys软件中对滚轮架轴孔进行约束，并对滚轮轴孔施加载荷，滚轮支架的材质Q235；滚轮轴在工作时主要受到来自滚轮的作用力，在对滚轮轴进行有限元分析时，在Ansys软件中对滚轮轴两端进行约束，限制其回转自由度，并在轴中心位置施加载荷，滚轮轴的材质为45#钢；滚轮支架轴在工作中主要受到来自滚轮架的作用力，在对滚轮支架轴进行有限元分析时，在Ansys软件中对滚轮支架轴两端约束，限制其回转自由度，并在靠近轴端的两侧施加载荷，滚轮支架轴材质为45#钢。滚轮支架、滚轮轴和滚轮架轴的网格划分、约束及载荷如图5所示。

图5 关键部件的网格划分、约束及载荷

滚轮支架、滚轮轴、滚轮支架轴的静力学分析如图6所示。

图6 应力云图与位移云图

由Ansys分析可知，滚轮架的最大应力发生在轴孔处，应力值为68.815 MPa，滚轮架的最大变形发生在滚轮架的侧板处，变形量为0.005 mm；滚轮轴的最大应力发生在滚轮轴的中心位置处，应力值为149.844 MPa，最大变形发在轴的两端，变形量为0.059 mm；滚轮架轴最大应力发生在靠近轴两端的位置处，最大应力为169.794 MPa，最大变形发生在轴的两端变形量为0.028 mm.滚轮架、滚轮轴、滚轮架轴受到的应力都远远小于材料的许用应力，故满足设计要求。

3 结束语

本文设计的筒状贮箱自动喷涂装置可以通过运输小车将筒状贮箱平稳的运送到喷涂车间；自动油漆喷枪可以实现X轴左右、Y轴伸缩、Z轴上下三个方向的直线运动，满足全自动喷涂的需要；利用Ansys软件对转动平台中的滚轮支架、滚轮轴、滚轮支架轴进行了有限元分析，得到了其应力分布情况，并找到了各自最大应力出现的位置及原因，验证了本设计满足使用要求。

[1]朱相荣.海洋腐蚀与防护的重要性[C]//1998年全国水环境腐蚀与防护学术交流会论文集.济南：1998：41-43.

[2]沈惠平，蒋益新，宋瑞宏，等.物件内壁全自动喷涂机的设计与研制[J].机械设计，2009，26（2）：76-78.

[3]刘皓阳.焊接滚轮架结构、性能、特点比较[J].机械，2004，4（2）：21-23.

[4]李 超，李 明，邓 航.大型焊接滚轮架控制系统故障分析与改造[J].科协论坛（下半月），2013（10）：89-90.