光纖預制棒取棒裝置的研發應用

(山東富通光導科技有限公司，山東 濟南 250119)

0 引言

中國光纖光纜行業經過40多年的發展，取得了較豐碩的成果。隨著國內光纖預制棒企業不斷地提高產能和效率，探索降低光纖預制棒制造成本，OVD技術受到了越來越多的企業認可，并逐漸應用到大規模生產中。相應的配套國產化設備也在不斷地應用到生產中[1]。根據生產工藝的需求，配套設計了光纖預制棒取棒裝置。

1 裝置的結構方案及工作原理

根據光纖預制棒取棒裝置的功能任務需求，暫定光纖預制棒取棒裝置由4大模塊組成，分別是機架及移動模塊、升降機構模塊、旋轉機構模塊和夾持機構模塊[2-3]。如圖1所示，各個模塊的功能動作及結構在設計上是獨立的。

圖1 結構設計方案

光纖預制棒取棒裝置是在包層沉積工序后使用的裝置設備。主要作用是將沉積完成的預制棒疏松體從沉積設備中取出，轉入燒結爐或儲存箱。其工作原理如下：待預制棒疏松體在沉積系統中沉積完成后，首先取棒裝置對中，支撐夾持部分送入沉積系統腔體；之后調整好高度，預制棒夾持鎖緊，卸棒，裝置后退，取出疏松體；然后升降系統升高到指定高度，拔掉水平安全銷，旋轉預制棒到垂直位置，插上垂直安全銷；再然后預制棒疏松體被送入燒結爐，或是臨時儲存箱中；最后裝置復位到原始位置，完成1次取棒過程，準備下次拆卸工作。

2 結構設計及制造工藝確定

2.1 旋轉和升降系統

升降機構通過滑塊滑軌和T型絲桿完成升降過程。升降機構安裝在機架上的2條固定滑軌上，并由絲桿驅動上下移動，有效保證了傳動精度和自鎖特性。由于工作模式不同，疏松體手動升降功能除了考慮動作的平穩性，還要兼顧快速升降和慢速調整，所以綜合工藝和操作的便利性，確定絲杠導程為5 mm，以使升降機每轉動1圈，疏松體升高5 mm。

疏松體的旋轉機構安裝在升降機構上，旋轉機構和升降機構是2個獨立功能單元，工作時互不干擾。旋轉機構主要完成沉積疏松體的旋轉過程。考慮操作的便利性，確定旋轉減速機手動每旋轉1圈，疏松體旋轉15°。

2.2 疏松體支撐夾持系統

疏松體通過把手管被裝載在夾持部件上，而夾持部件安裝在裝置的運動系統上。裝置拆卸棒功能的可靠性是由夾持系統和支撐部件實現的。

工作時，疏松體夾持系統需要送入到沉積腔體內，沉積腔體內時常會有殘存的HCl和Cl2，所以該部件就需要擁有一定的耐酸性能。設計時優先選用了壓鑄鋁合金材質，表面陽極氧化處理。內部V型墊塊選用耐高溫、耐酸及具有冷流性的聚四氟乙烯材質。保證夾持系統的安全、高壽命使用。

由于裝置支撐軸所承載的徑向剪切力矩較大，容易導致支撐軸變形。為了保證支撐系統在夾持疏松體過程中受壓變形小，在結構設計中增加了相應的輔助支撐(如圖1所示輔助支撐)。

在結構設計中，除了盡量減少裝置的自身重量，疏松體支撐軸必須具有良好的剛度和強度性能。為了同時滿足以上2方面的工藝需求，疏松體支撐軸材料選擇高強度的42CrMO軸承鋼作為基礎材料，然后在其表面進行防酸腐鍍層處理。

2.3 設備機架及移動系統

為了減少裝置的維修及對環境的影響，裝置的輪子采用靜音硅膠輪，其他部件材料大多采用強度高、耐腐蝕的金屬材料。但由于OVD車間內可能會有SiCl4和Cl2等腐蝕性氣體泄漏事故的發生，所以裝置材料采用耐腐蝕材料或外表面噴塑處理。

由于取棒裝置是人工移動的設備，其質量大小、重心位置對設備的穩定性影響很大，故在滿足強度和剛度要求的同時，質量應盡可能小，重心盡可能低。根據對接設備的使用空間，使用SolidWorks三維軟件對各零件不斷地進行優化設計、迭代計算。減少了設備的總重，降低設備的重心，加大了機架底盤設計，避免了配重塊的使用。

3 三維模型仿真分析

裝置采用SolidWorks進行三維建模設計，利用其插件SolidWorks Simulation對取棒裝置進行有限元靜力分析，并不斷優化驗證[4-7]。

3.1 材料的選擇

根據潔凈車間設備使用材料經驗，暫定取棒裝置主要受力部件使用材料為：機架(Q345/ 1Cr18Ni9Ti)、旋轉軸(42CrMo)和夾具(鋁合金6061)。各種零件材料的特性如表1所示。

表1 材料特性表

3.2 約束與受力

建立好分析的簡化模型后，確定裝置受力(光纖預制棒疏松體的質量約45 kg)。添加各零件相觸面組，約束固定輪子底座，將450 N的集中載荷簡化等效作用于V型墊塊上。

3.3 單元網格的劃分

為了保證模擬分析的準確性，盡可能地接近真實受力狀態，選擇良好的網格密度。有限元網格劃分模型如圖2所示。

其中，網格參數選擇基于曲率的網格，最大單元大小為20.251 2 mm，最小單元大小為4.050 2 mm，圓中最小單元數為8，單元大小增長比率為1.2，節總數為2 374 001，單元總數為1 312 696，雅可比點為4。簡化取棒裝置有限元分析零件，忽略對有限元分析影響極小的凸臺、圓角和倒角等造型細節，以使有限元模型易生成較大應力的部位網格密度趨于合理，并且減少不必要的細分網格，這樣不僅可有效保證分析的精度，而且縮短了有限元分析時間。

圖2 有限元網格模型

3.4 運行求解

各項設置設定好后，運行此算例，得到取棒裝置的靜力分析應力云圖(圖3)和靜力分析位移云圖(圖4)。

從圖3可以得出，受力后取棒裝置最大應力出現在旋轉軸的懸臂起點處，大小為67.174 MPa。設計結構能夠滿足強度的標準，即計算材料的許用應力為

(1)

σi為材料的許用應力；σs為材料的屈服應力極限；ni為安全系數，本裝置的安全系數選擇3。

由式(1)可以確定，機架的材質選用1Cr18Ni9Ti就能滿足要求。懸轉軸材質確定為42CrMo，其他關鍵部件的材料特性如表1所示，許用引力均小于相應材料的最大安全應力[8]，所以取棒裝置在材料的強度上是滿足要求的。最大形變位移為1.693 mm，也滿足設備的運行精度要求。

綜上所述， 經有限元靜力計算求解后,不僅可以獲得變形云圖和應力云圖, 還能清晰地判斷最大變形和最大應力所在的部位及具體數值,從而找到危險結構部位和結構強度較為薄弱的部位。

圖3 靜力分析應力云圖

圖4 靜力分析位移云圖

4 結束語

光纖預制棒取棒裝置是針對預制棒疏松體在沉積設備內空間狹小、工序產品脆弱、勞動力需求較大等技術問題，設計出的一種設計合理、成本低廉，能較好對接下道工序的設備裝置。

光纖預制棒取棒裝置投入使用后，運行可靠穩定，減少了純人工操作勞動力及危險概率。為OVD技術雙軸沉積系統拆卸疏松體提供了較好的解決方案。在光纖光纜行業具有廣泛的推廣和應用價值。