網(wǎng)板式壓榨輥關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與分析

（唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，唐山 063000）

0 引言

壓榨機(jī)是制取堿纖維素的主機(jī)設(shè)備，其作用是將經(jīng)堿浸漬后的漿粕通過(guò)壓榨作用把多余的堿壓出，同時(shí)也把半纖維素和雜質(zhì)分離出來(lái)，從而得到符合工藝要求的堿纖維素[1,2]。壓榨機(jī)輥?zhàn)邮菈赫C(jī)中最重要的機(jī)構(gòu)之一，通過(guò)兩個(gè)輥?zhàn)拥臐L動(dòng)來(lái)帶動(dòng)原材料的流動(dòng)并進(jìn)行壓榨，因?yàn)閴赫ポ伒墓ぷ鲏毫^高，工作環(huán)境為堿液環(huán)境，工作時(shí)間長(zhǎng)，故網(wǎng)板磨損大，軸承負(fù)荷大，網(wǎng)板易破壞發(fā)生故障。

傳統(tǒng)的網(wǎng)板式壓榨輥組裝方法為平板卷制圓弧板，壓板壓緊后人工敲擊將網(wǎng)板緊固于輥體上，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)工，且輥體表面擦傷使網(wǎng)板能承受的轉(zhuǎn)矩較小；或采用熱裝并焊接的方法進(jìn)行安裝，但焊接處易發(fā)生破壞，造成故障的發(fā)生[3]。

為解決以上問(wèn)題，擬采用網(wǎng)板與襯板間的過(guò)盈配合保證網(wǎng)板與輥體的貼合，使其達(dá)到連接簡(jiǎn)單，定心精度高，而且承載能力高，在沖擊振動(dòng)載荷下也能較可靠的工作。并對(duì)所設(shè)計(jì)網(wǎng)板式壓榨輥的過(guò)盈配合以及關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析。

1 輥體設(shè)計(jì)

壓榨輥的軸體是壓榨機(jī)輥?zhàn)拥闹匾慵?，其主要作用是承受工作中需要的轉(zhuǎn)矩與彎矩[4]，支撐其它回轉(zhuǎn)件，并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。根據(jù)已知條件對(duì)榨輥軸體進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

1.1 幅板設(shè)計(jì)

幅板是連接軸體與襯板的零件，幅板焊接在軸體上，對(duì)襯板起支撐作用。

圖1 幅板結(jié)構(gòu)

考慮幅板對(duì)壓榨出水份的引流作用，在幅板上設(shè)計(jì)槽口，如圖1所示，并在圓周上設(shè)計(jì)U型槽。幅板材料采用Q235，使幅板綜合性能較好，強(qiáng)度、塑性和焊接等性能可以得到較好的配合。

1.2 襯板設(shè)計(jì)

網(wǎng)板式壓輥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為網(wǎng)孔式，鑄鋼輥體上包覆一層3mm厚的不銹鋼板（為了使網(wǎng)板利于卷圓成桶裝并有足夠的強(qiáng)度選用3mm厚的鋼板），考慮到從網(wǎng)板孔流下的堿液都可以從襯板的孔流下而不造成積累，根據(jù)同一尺寸上的網(wǎng)板孔和襯板上溝槽即孔的面積比，使襯板均勻密布φ10的孔，如圖2所示。

圖2 圓孔分布

在圖2中，為了減小精加工面積和利于裝配，在襯板上采用環(huán)形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)與幅板配合。為利于被擠出堿液的流動(dòng)和排除，在襯板的圓周上開(kāi)設(shè)環(huán)狀U型槽，在U型槽上均勻的分布著圓孔，以供堿液流入輥?zhàn)觾?nèi)部，相鄰的兩個(gè)U型槽內(nèi)的圓孔有一定的偏移角度，以防止削弱襯板的強(qiáng)度，且留出網(wǎng)板焊接處的位置。此外考慮端蓋的安裝以及與兩端幅板的可靠定位，在貼合處設(shè)置環(huán)形槽，其襯板的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 襯板結(jié)構(gòu)圖

由于輥?zhàn)颖容^長(zhǎng)，考慮到襯板的安裝，襯板可拆分為三段，襯板與幅板之間采用過(guò)盈連接，熱裝裝配，其中兩側(cè)襯板與幅板的配合選用Φ535H8/s7，中間襯板與幅板的配合選用Φ537H8/s7，以保證中間襯板的順利裝入。襯板材料選用ZG230-450，鑄件應(yīng)進(jìn)行退火處理。

1.3 網(wǎng)板的設(shè)計(jì)

網(wǎng)板是壓榨的工作表面，網(wǎng)板與襯板之間采用過(guò)盈連接，熱裝裝配。網(wǎng)板材料選用0Cr19Ni9，網(wǎng)板外表面最終加工采用磨削，以滿足其加工精度要求。

圖4 網(wǎng)板上圓孔分布

網(wǎng)板上的焊接在卷圓機(jī)上采用連續(xù)焊接，設(shè)計(jì)考慮分為11段，這些網(wǎng)板的11條縱向焊縫在圓周上相錯(cuò)30°，同時(shí)考慮到壓榨效率和堿纖維可順利流入圓孔不造成網(wǎng)孔堵塞，在網(wǎng)板開(kāi)Φ0.9的圓孔，其分布如圖4所示。

1.4 軸的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)軸的傳動(dòng)為一根帶有相同模數(shù)和頭數(shù)、旋向相反的蝸桿軸，帶動(dòng)兩個(gè)相同模數(shù)、旋向相反的蝸輪，將動(dòng)力通過(guò)鍵連接傳遞給壓輥，以保證兩輥的同步。根據(jù)電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速以及傳動(dòng)的減速比，確定軸的材料35鋼與最小直徑190mm。由于軸承跨距較大，其工作中的熱變形會(huì)比較大，所以軸承的配置采用一端固定一端游動(dòng)的方式。其固定端設(shè)有軸承調(diào)整墊，通過(guò)調(diào)整其厚度可使軋輥的位置移動(dòng)以滿足兩輥間的相對(duì)位置要求。軸承型號(hào)選擇調(diào)心滾子軸承23138CCK/W33，可承受較大的徑向力和振動(dòng)載荷的作用[5]。

根據(jù)軸承的支點(diǎn)位置確定軸的支承跨距為l=2065mm，按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度符合材料的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，因無(wú)較大的應(yīng)力集中截面所以無(wú)需進(jìn)行軸的疲勞強(qiáng)度校核且無(wú)大的瞬時(shí)過(guò)載及嚴(yán)重的應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱性，故可省略去靜強(qiáng)度校核，確定軸的尺寸如圖5所示。

圖5 軸的基本尺寸

2 模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，建立壓榨輥的三維模型如圖6所示，輥?zhàn)臃譃槎松w、襯板、網(wǎng)板和軸體，軸體又包括軸和幅板。

圖6 壓榨機(jī)輥?zhàn)拥慕M成

圖6中，壓榨機(jī)輥?zhàn)邮怯蓪?shí)心軸以及軸上套有的幅板組成的輥體和安裝在幅板上的襯板（中部襯板上帶有連續(xù)排列的排液孔），以及最外部裝有的不銹鋼網(wǎng)板組成。整套輥?zhàn)佑烧{(diào)心圓柱滾子軸承支撐。兩個(gè)壓輥平行配置，轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，堿纖維素在兩輥?zhàn)娱g受到壓榨，壓榨后由刮刀從壓輥表面剝離，經(jīng)預(yù)粉碎打手開(kāi)松，再由輸送機(jī)構(gòu)送入粉碎機(jī)。

采用不對(duì)稱邊界條件對(duì)模型取六分之一（模型可以分為六個(gè)相同的部分）進(jìn)行簡(jiǎn)化。選取網(wǎng)板長(zhǎng)度為17mm，襯板長(zhǎng)度26mm，襯板的外圈和網(wǎng)板的內(nèi)圈在幾何上部分彼此重疊，重疊的部分即為過(guò)盈量，選取分析比較方便且準(zhǔn)確度較高的設(shè)置接觸單元實(shí)常數(shù)方式進(jìn)行過(guò)盈量的設(shè)置。選取襯板材料為ZG230-450，網(wǎng)板材料為0Cr19Ni19，設(shè)置模型材料屬性如表1所示。

根據(jù)Solid185單元具有塑性、超彈、應(yīng)力剛化、大變形以及大應(yīng)變等特性[6]，選用Solid185單元類型來(lái)建立本例，計(jì)算時(shí)目標(biāo)面和接觸面都是柔性的，將使用接觸單元TARGE170及CONTA174來(lái)模擬接觸面。網(wǎng)格劃分后網(wǎng)板與襯板的有限元模型如圖7所示。單元數(shù)116032，節(jié)點(diǎn)數(shù)30998。

表1 材料屬性

圖7 網(wǎng)板與襯板裝配的有限元模型

3 結(jié)果分析

選取三個(gè)不同的過(guò)盈量（0.077、0.088、0.1mm）進(jìn)行分析，其在最小過(guò)盈時(shí)的總位移圖如圖8所示，由圖可見(jiàn)在截?cái)嗝嫣帟?huì)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，總位移最大可達(dá)0.14×10-3。

圖8 節(jié)點(diǎn)總位移圖

沿襯板與網(wǎng)板過(guò)盈配合面處圓周方向順序平均選取5個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)表中結(jié)果計(jì)算網(wǎng)板與襯板在三個(gè)過(guò)盈量時(shí)Von Mises等效應(yīng)力與切向位移變化量，如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)切向位移與等效應(yīng)力變化量

切向位移隨過(guò)盈量的變化如圖9所示，Von Mises等效應(yīng)力隨過(guò)盈量的變化如圖10所示。

圖9 節(jié)點(diǎn)切向位移隨過(guò)盈量的變化

圖10 節(jié)點(diǎn)Von Mises等效應(yīng)力隨過(guò)盈量的變化

由圖9與圖10可知，網(wǎng)板最外層節(jié)點(diǎn)在力矩不變的情況下，其切向位移呈減小趨勢(shì)，且變化率逐漸變大。而其Von Mises等效應(yīng)力則與節(jié)點(diǎn)的位置有關(guān)，在應(yīng)力比較集中的區(qū)域應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，在應(yīng)力比較小的區(qū)域則按先增大后減小的趨勢(shì)變化。

將幅板的內(nèi)表面全約束；在幅板的半個(gè)外表面加徑向壓強(qiáng)。根據(jù)壓榨機(jī)壓榨力F=1.5×105N，幅板個(gè)數(shù)為10，幅板半徑r=268.5mm，幅板厚度t=36mm，得到幅板的Von Mises等效應(yīng)力如圖11所示，總位移變化如圖12所示。

圖11 幅板Von Mises等效應(yīng)力

圖12 幅板總位移變化

由圖可知幅板的等效應(yīng)力最大值為13.2MPa，遠(yuǎn)小于幅板的屈服強(qiáng)度390MPa，因此幅板并不會(huì)被破壞；最大位移發(fā)生在加載力為對(duì)稱軸的5點(diǎn)與7點(diǎn)方向，最大值0.48×10-5mm，在允許范圍內(nèi)，所以幅板的設(shè)計(jì)滿足要求。

4 結(jié)論

根據(jù)壓榨輥的靜力學(xué)分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)中提出的網(wǎng)板式結(jié)構(gòu)和過(guò)盈連接的可行性。結(jié)論如下：

1）過(guò)盈連接可以替代以前的焊接，來(lái)保證網(wǎng)板與襯板的位置關(guān)系，選擇網(wǎng)板與襯板過(guò)盈量時(shí)，應(yīng)在網(wǎng)板不被破壞的前提下選擇較大的過(guò)盈量，以減小切向位移引起的焊縫處的破壞；

2）得到了網(wǎng)板與襯板不同過(guò)盈量下切向位移與等效應(yīng)力變化趨勢(shì),等效應(yīng)力在應(yīng)力比較集中的區(qū)域應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，在應(yīng)力比較小的區(qū)域則按先增大后減小的趨勢(shì)變化；

3）得到了幅板應(yīng)力與切向位移的最大數(shù)值與發(fā)生位置，滿足設(shè)計(jì)要求。

本設(shè)計(jì)對(duì)網(wǎng)板與襯板的最優(yōu)過(guò)盈量以及網(wǎng)板孔的最優(yōu)尺寸有待進(jìn)一步準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)和分析，在以后的工作中繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。