碳纤维干燥机的结构设计研究

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。

图3 干燥辊筒结构和进油方式

1.3 碳纤维干燥机箱体的设计

根据干燥辊筒的尺寸确定箱体的总宽为727 mm、高度为2 500 mm、总长为 5 000 mm。

传动箱体由304板材焊接而成，为防止箱体的变形，在箱体下方位置焊接5个三角形加强筋板以提高箱体的强度。

箱体底架上安装两个固定装置以保证箱体底架的稳定性。液压油接口侧增设电机底座台，干燥辊筒下方增加三个空心底座，在保证箱体底座平衡的同时限制外物的干扰，并保证辊筒能够安全正常地运行。

2 碳纤维干燥机结构部件校核

2.1 辊筒轴的静力学分析

辊筒轴位于辊筒中心，要保证其强度，避免发生安全事故，下面对辊筒轴做静力学分析，分析其结构性能。

辊筒轴、大端法兰盘和小端法兰盘材料都采用Q235，其密度为7.85 g/cm3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.33，抗拉强度为250 MPa。

辊筒轴受到自身重力大约为2 800 N，每个辊筒通孔的受力为400 N，齿轮自身的重力为680 N，辊筒轴受到的转矩为5 000 N·m。

碳纤维干燥机辊筒轴采用两组轴承轴向固定的方式，对辊筒轴安装轴承处施加圆柱面约束。

利用ANSYS对辊筒轴进行静力学分析，得到的变形和应力云图如图4所示。辊筒轴的最大变形量为0.000 8 mm，满足要求。辊筒轴的最大等效应力为1.887 8 MPa，完全满足要求。

图4 碳纤维干燥机辊筒轴变形和应力云图

2.2 箱体的静力学分析

碳纤维干燥机箱体主要受到了辊筒轴的压力，对每个安装大孔施加3 480 N的压力。静力学分析得到的箱体变形和应力云图如图5所示。箱体的最大变形量为0.000 03 mm，满足要求。箱体的最大等效应力为0.014 MPa，完全满足要求。

图5 碳纤维干燥机箱体变形和应力云图

3 结论

针对碳纤维干燥需求，设计了一款碳纤维干燥机，并对核心部件进行了强度校核，得到以下结论：

(1) 干燥机采用导热油系统结合高温液压油加热方式，相比传统蒸汽加热方式提升了干燥效果，减少了能源浪费。

(2) 对干燥机结构部件进行了设计，同时进行了静力学分析，分析结果验证了结构的合理性和可行性，满足工作要求。