電廠自動(dòng)化防腐噴涂裝置設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件的有限元分析

任學(xué)光，賈欣蔚

（1.太原第二熱電廠，山西 太原 030041；2.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

0 引言

電廠運(yùn)行中存在大量的圓柱或筒狀類型的儲(chǔ)存箱，如圖1所示。為防止儲(chǔ)存箱表面受到環(huán)境中的腐蝕性物質(zhì)的腐蝕，需要定期進(jìn)行防腐涂料的噴涂[1]。要求涂層厚度能夠保持一致，產(chǎn)品表面無溶劑凸起，表面光潔。為能解決現(xiàn)有電廠的筒狀類型的儲(chǔ)存箱人工噴涂效率低、工作環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)的問題，國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)先后開發(fā)了平往復(fù)自動(dòng)噴涂機(jī)、垂直往復(fù)自動(dòng)噴涂機(jī)、旋轉(zhuǎn)噴涂機(jī)、涂裝機(jī)器人等專業(yè)噴涂裝置[2]。本文在吸收了國內(nèi)外的各種自動(dòng)噴涂技術(shù)的基礎(chǔ)上，以電廠的圓筒狀貯箱的表面防腐噴涂為目，設(shè)計(jì)自動(dòng)噴涂裝置并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析。

圖1 筒狀貯箱

1 筒狀貯箱自動(dòng)噴涂裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)輸車及轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

筒狀貯箱的噴涂過程是在一個(gè)封閉可視的環(huán)境，可以有效的防止有毒氣體的揮發(fā)。由于筒狀貯箱體積大、重量大，需要運(yùn)輸車將筒狀貯箱運(yùn)送到噴涂車間。本文設(shè)計(jì)重2.5 t，直徑3 000 mm，長12 000 mm的大型筒形貯箱的自動(dòng)噴涂設(shè)備。為了保證運(yùn)輸車的平穩(wěn)運(yùn)行，采用軌道的方式，運(yùn)輸車底部安裝有軌車輪，車身結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)。為了保證筒狀貯箱噴涂油漆時(shí)可以順利在運(yùn)輸車上轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，滾輪架用于筒狀貯箱的回轉(zhuǎn)，它是通過滾輪對(duì)筒狀貯箱的支撐并借助筒狀貯箱與滾輪之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)筒狀貯箱旋轉(zhuǎn)[3、4]。運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 筒狀貯箱運(yùn)輸車及轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.2 自動(dòng)油漆噴槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)筒狀貯箱的自動(dòng)噴涂，根據(jù)噴涂工藝要求，噴涂機(jī)構(gòu)需具有噴槍沿Y軸伸縮、X軸左右、Z軸上下移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)貯箱全方位自動(dòng)噴涂。由于筒狀貯箱的長度和直徑都很大，考慮齒輪齒條傳動(dòng)可以滿足大行程、低速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的要求，所以X軸和Z軸方向采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪齒條傳動(dòng)；Y軸的行程不大，為了節(jié)省Y軸的徑向空間，采用雙同步帶的直線運(yùn)動(dòng)方式。自動(dòng)油漆噴槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 自動(dòng)油漆噴槍的結(jié)構(gòu)圖

2 運(yùn)輸車及轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵部件的有限元分析

轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)中的滾輪架是保證筒狀貯箱可以平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，其中滾輪架主要包括滾輪支架、滾輪軸、滾輪支架軸。首先建立滾輪架的簡化模型，如圖4所示。

圖4 滾輪架的簡化模型

滾輪架在工作時(shí)主要受來自滾輪軸的作用力，在對(duì)滾輪架進(jìn)行有限元分析時(shí)，在Ansys軟件中對(duì)滾輪架軸孔進(jìn)行約束，并對(duì)滾輪軸孔施加載荷，滾輪支架的材質(zhì)Q235；滾輪軸在工作時(shí)主要受到來自滾輪的作用力，在對(duì)滾輪軸進(jìn)行有限元分析時(shí)，在Ansys軟件中對(duì)滾輪軸兩端進(jìn)行約束，限制其回轉(zhuǎn)自由度，并在軸中心位置施加載荷，滾輪軸的材質(zhì)為45#鋼；滾輪支架軸在工作中主要受到來自滾輪架的作用力，在對(duì)滾輪支架軸進(jìn)行有限元分析時(shí)，在Ansys軟件中對(duì)滾輪支架軸兩端約束，限制其回轉(zhuǎn)自由度，并在靠近軸端的兩側(cè)施加載荷，滾輪支架軸材質(zhì)為45#鋼。滾輪支架、滾輪軸和滾輪架軸的網(wǎng)格劃分、約束及載荷如圖5所示。

圖5 關(guān)鍵部件的網(wǎng)格劃分、約束及載荷

滾輪支架、滾輪軸、滾輪支架軸的靜力學(xué)分析如圖6所示。

圖6 應(yīng)力云圖與位移云圖

由Ansys分析可知，滾輪架的最大應(yīng)力發(fā)生在軸孔處，應(yīng)力值為68.815 MPa，滾輪架的最大變形發(fā)生在滾輪架的側(cè)板處，變形量為0.005 mm；滾輪軸的最大應(yīng)力發(fā)生在滾輪軸的中心位置處，應(yīng)力值為149.844 MPa，最大變形發(fā)在軸的兩端，變形量為0.059 mm；滾輪架軸最大應(yīng)力發(fā)生在靠近軸兩端的位置處，最大應(yīng)力為169.794 MPa，最大變形發(fā)生在軸的兩端變形量為0.028 mm.滾輪架、滾輪軸、滾輪架軸受到的應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，故滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的筒狀貯箱自動(dòng)噴涂裝置可以通過運(yùn)輸小車將筒狀貯箱平穩(wěn)的運(yùn)送到噴涂車間；自動(dòng)油漆噴槍可以實(shí)現(xiàn)X軸左右、Y軸伸縮、Z軸上下三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，滿足全自動(dòng)噴涂的需要；利用Ansys軟件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)中的滾輪支架、滾輪軸、滾輪支架軸進(jìn)行了有限元分析，得到了其應(yīng)力分布情況，并找到了各自最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置及原因，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)滿足使用要求。

[1]朱相榮.海洋腐蝕與防護(hù)的重要性[C]//1998年全國水環(huán)境腐蝕與防護(hù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.濟(jì)南：1998：41-43.

[2]沈惠平，蔣益新，宋瑞宏，等.物件內(nèi)壁全自動(dòng)噴涂機(jī)的設(shè)計(jì)與研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，26（2）：76-78.

[3]劉皓陽.焊接滾輪架結(jié)構(gòu)、性能、特點(diǎn)比較[J].機(jī)械，2004，4（2）：21-23.

[4]李 超，李 明，鄧 航.大型焊接滾輪架控制系統(tǒng)故障分析與改造[J].科協(xié)論壇（下半月），2013（10）：89-90.