碳纖維干燥機的結構設計研究

丁杰源，吳群彪，卞鴻飛，楊 成

(江蘇科技大學蘇州理工學院 機電與動力工程學院，江蘇 蘇州 215600)

0 引言

纖維干燥機是中、高密度纖維生產線的關鍵設備，其工作性能好壞將直接影響纖維干燥質量、纖維干燥能力和產品質量[1,2]。目前纖維干燥熱定型設備干燥效率低、操作不便，影響纖維綜合性能，且存在箱體強度不高、軸承密封效果不好等問題[3]。干燥機的關鍵部件是干燥輥，干燥輥損壞程度和頻率加劇，嚴重影響裝置的正常生產[4]，所以對干燥輥的外形、尺寸和內部結構進行大量改進設計，保證能夠適應液壓油加熱方式。黃淑琴等[5]發明了一種蒸汽加熱式九輥筒的碳纖維干燥機，但體積較大，耗材較多，成本較高。本文設計了一種液壓油加熱的七輥筒碳纖維干燥機，使用液壓油解決加熱效率低的問題。并利用ANSYS對干燥機的結構部件進行靜力學分析，確保結構合理性和安全性[6]。

1 七輥筒碳纖維干燥機的結構設計

1.1 總體方案

目前大多數碳纖維干燥機采用九輥筒結構、蒸汽加熱方法，能量損失較多。本文設計的干燥機采用液壓油加熱方式，能在低壓力下獲得較高溫度，有較好的熱穩定性，能有效地克服蒸汽加熱系統熱效率不高、循環利用率低等諸多不利因素[7]。七輥筒干燥機輥筒排列方式如圖1所示。

圖1 七輥筒干燥機輥筒排列方式

1.2 輥筒的結構設計

干燥輥筒包含外筒、內筒和連接法蘭。其中外筒長度為746 mm、外直徑為750 mm、壁厚為18 mm；內筒長度為746 mm、外直徑為684 mm、壁厚為8 mm；連接法蘭直徑為750 mm、厚度為93 mm、油液通路直徑為18 mm。

目前常見的碳纖維干燥機工作過程中會出現絲束纏繞，導致絲束受到損傷或者干燥不充分，所以對輥筒外壁進行開槽處理。槽深為3 mm、寬為15 mm，槽間隔為60 mm。

輥筒內壁與外壁之間留有15 mm間隙用于導入液壓油，在接近輥筒軸一側設置4個進油槽，用于導入液壓油。

輥筒內設有輥筒軸，要求輥筒軸直徑d滿足：

(1)

其中：[τ]為軸材料許用切應力，由于輥筒軸受彎矩較大，輥筒取[τ]=12 MPa；p為軸傳遞的功率，p=11 kW；n為軸的轉速，n=12 r/min。

將數值代入式(1)計算得d≥155.42 mm。

輥筒軸上設有平鍵槽，需增大5%的直徑，為保證軸徑的強度和剛度，取d=170 mm。

干燥輥筒軸如圖2所示。

圖2 干燥輥筒軸

高溫液壓油通過液壓泵進入到總管道中，經壓力作用進入分管道，進入分管道的液壓油經過D型回轉接頭的進油方向進入無縫鋼管中。油液通過無縫鋼管導入法蘭盤，在法蘭盤中部與內部設4個油液通路。油液從連接法蘭的導油孔進入到輥筒內、外壁夾層中，達到輥筒加熱的效果，同時輥筒開始旋轉對碳纖維絲束進行加熱。油液從D型回轉接頭進、出控制加熱溫度，保證加熱效果。干燥輥筒結構和進油方式如圖3所示。

圖3 干燥輥筒結構和進油方式

1.3 碳纖維干燥機箱體的設計

根據干燥輥筒的尺寸確定箱體的總寬為727 mm、高度為2 500 mm、總長為 5 000 mm。

傳動箱體由304板材焊接而成，為防止箱體的變形，在箱體下方位置焊接5個三角形加強筋板以提高箱體的強度。

箱體底架上安裝兩個固定裝置以保證箱體底架的穩定性。液壓油接口側增設電機底座臺，干燥輥筒下方增加三個空心底座，在保證箱體底座平衡的同時限制外物的干擾，并保證輥筒能夠安全正常地運行。

2 碳纖維干燥機結構部件校核

2.1 輥筒軸的靜力學分析

輥筒軸位于輥筒中心，要保證其強度，避免發生安全事故，下面對輥筒軸做靜力學分析，分析其結構性能。

輥筒軸、大端法蘭盤和小端法蘭盤材料都采用Q235，其密度為7.85 g/cm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.33，抗拉強度為250 MPa。

輥筒軸受到自身重力大約為2 800 N，每個輥筒通孔的受力為400 N，齒輪自身的重力為680 N，輥筒軸受到的轉矩為5 000 N·m。

碳纖維干燥機輥筒軸采用兩組軸承軸向固定的方式，對輥筒軸安裝軸承處施加圓柱面約束。

利用ANSYS對輥筒軸進行靜力學分析，得到的變形和應力云圖如圖4所示。輥筒軸的最大變形量為0.000 8 mm，滿足要求。輥筒軸的最大等效應力為1.887 8 MPa，完全滿足要求。

圖4 碳纖維干燥機輥筒軸變形和應力云圖

2.2 箱體的靜力學分析

碳纖維干燥機箱體主要受到了輥筒軸的壓力，對每個安裝大孔施加3 480 N的壓力。靜力學分析得到的箱體變形和應力云圖如圖5所示。箱體的最大變形量為0.000 03 mm，滿足要求。箱體的最大等效應力為0.014 MPa，完全滿足要求。

圖5 碳纖維干燥機箱體變形和應力云圖

3 結論

針對碳纖維干燥需求，設計了一款碳纖維干燥機，并對核心部件進行了強度校核，得到以下結論：

(1) 干燥機采用導熱油系統結合高溫液壓油加熱方式，相比傳統蒸汽加熱方式提升了干燥效果，減少了能源浪費。

(2) 對干燥機結構部件進行了設計，同時進行了靜力學分析，分析結果驗證了結構的合理性和可行性，滿足工作要求。