碳纤维干燥机的结构设计研究

2022-01-18丁杰源吴群彪卞鸿飞

机械工程与自动化 2021年6期

丁杰源，吴群彪，卞鸿飞，杨成

(江苏科技大学苏州理工学院机电与动力工程学院，江苏苏州 215600)

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。

图1 七辊筒干燥机辊筒排列方式

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746 mm、外直径为750 mm、壁厚为18 mm；内筒长度为746 mm、外直径为684 mm、壁厚为8 mm；连接法兰直径为750 mm、厚度为93 mm、油液通路直径为18 mm。

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3 mm、宽为15 mm，槽间隔为60 mm。

辊筒内壁与外壁之间留有15 mm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：

(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]=12 MPa；p为轴传递的功率，p=11 kW；n为轴的转速，n=12 r/min。

将数值代入式(1)计算得d≥155.42 mm。

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=170 mm。

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。