机头设计

机头设计（共7篇）

机头设计 篇1

0 引言

常见塑料管材机头的类型有支架式机头、弯管式机头、篮网式机头和螺旋芯式供料机头 (螺旋芯棒式管材机头) 。相对于其它3种机头, 螺旋芯式机头用于管材挤出成型, 不仅可避免产品表面产生熔接痕, 壁厚偏差小, 产品性能均匀, 而且缩短了机头的轴向长度, 压力消耗少, 这对于大管径的机头表现得更为显著。

螺旋芯棒式管材机头流道几何形状比较复杂, 影响熔体流动行为的结构参数众多, 为了设计出性能良好的机头, 本文在之前工作的基础上[1], 运用有限元分析软件Polyflow对螺旋芯棒式管材机头流场进行数值模拟计算, 采用正交试验, 以螺旋分配系统出口速度均匀性作为目标, 实现了螺旋芯棒式管材机头的优化设计, 同时此设计方法可被其它模具设计过程所借鉴和采纳。

1 模型的建立

1.1 物理模型

在Pro/Engineer软件里建立螺旋芯棒式管材机头的流道模型, 如图1所示。为了方便描述, 将机头分为4段:入口段、螺旋分配段、压缩段和成型段。本例螺旋芯棒式管材机头主要结构参数如表1所示。

1.2 数学模型

为了便于数学运算, 对机头中的塑料熔体作如下假设:

1) 流动为层流, 处于定常状态;2) 重力和惯性力等体积力远小于黏滞力, 可以忽略不计;3) 熔体为黏性不可压缩流体, 且流场为等温场。根据上述假设, 熔体在机头中流动的控制方程为:

连续性方程:

动量方程:

式中:v为速度;P为压力;τ为应力张量。

本构方程:

式中:η为黏度;γ觶为剪切速率;D为形变速率张量。

熔体黏度采用广义牛顿流体的Power Law模型, 其表达式为

式中:K为熔体稠度;n为非牛顿指数。

2 数值模拟运算

1) 网格划分。螺旋芯棒式管材机头的流道模型呈旋转周期性, 计算时选取其一个周期单元即1/4模型来进行网格划分和计算。具体网格划分方案详见文献[1]、文献[2]。

2) 物性参数。本研究选取高密度聚乙烯 (HDPE) 为挤出材料, 挤出温度为195℃。其物性参数为:K=21 694.27Pa·sn, n=0.41。

3) 边界条件。边界包括壁面、入口、出口和周期性边界。固体壁面采用无滑移边界, 即熔体在与模壁接触面上速度为零;入口边界为充分发展的流动, 并给定入口流量。

4) 求解运算。使用Polyflow软件进行数值模拟计算, 由后处理软件Fluent/Post显示计算结果。由于材料物性参数中非牛顿指数n较小, 因此采用Picard迭代法进行求解计算。

3 螺旋芯棒式管材机头的优化设计

以上对螺旋芯棒式管材机头内熔体流动特性进行了数值模拟与分析, 结果详见文献[1]。可以看出, 螺旋分配段是螺旋芯棒式管材机头设计的关键部分, 起着分配熔体的作用, 使熔体的各向性能达到均匀。螺旋分配段设计的合理与否直接关系到螺旋芯棒式管材机头的性能, 因此, 设计螺旋芯棒式管材机头的关键就是螺旋分配段的结构参数的确定, 由此才能保证熔体均匀地挤出成型。

螺旋芯棒式管材机头除了螺旋分配段以外, 还包括压缩段和成型段。本文重点对螺旋分配段进行研究 (不考虑压缩段和成型段) , 基于正交试验, 以螺旋分配段出口速度均匀性为目标, 实现了螺旋芯棒式管材机头的优化设计。

采用正交试验的目的是通过少次数的模拟试验, 获得能反映全面情况的不同结构参数组合下对应螺旋分配段的模拟计算值, 并且利用正交表计算、分析各个几何参数对出口速度均匀性的影响, 通过比较从而获得最优方案。

3.1 指标的确定

机头的优化设计目标是使熔体在机头流道出口时分布均匀, 以保证制品力学性能和表面质量的均匀性。对于数值模拟方法来说, 其计算结果得到的是机头流道出口处各单元节点的流动速度。

本文重点研究螺旋分配段流道出口的熔体出口速度分布均匀性, 其直接影响到管膜制品厚度的均匀性和挤出的稳定性。出口速度越均匀则机头越好, 使螺旋分配段的分配效果好, 这样才能挤出厚度均匀的管膜, 生产的管材壁厚均匀一致。

借鉴于参考文献[3], 熔体出口速度分布均匀性通过均匀性指数UI (Uniformity Index) 来衡量。UI定义为熔体出口速度分布均匀度, 由下面的公式来计算:

式中:ui为第i个节点的出口速度;N为总节点数;u軈为N个节点出口速度的算术平均值。

当熔体出口的速度完全理想均匀时, UI=1, 当均匀度降低时, UI变小, 偏离1越远, 则出口速度分布越不均匀。

3.2 因素和水平的确定

1) 因素的确定。螺旋分配段结构比较复杂, 参数众多。本文参考有关文献, 选取芯棒锥角β, 螺槽初始面积S0, 螺旋升角Φ, 螺旋消退角ψ总共4个因素。

2) 水平的确定。每一个几何参数选取3个值, 采用3水平。

3.3 正交表的选择

考虑4因素3水平的试验, 选用L9 (34) 正交表安排试验[4]。按照9组参数分别建立流道模型, 进行数值模拟, 对指标进行考核。

参考文献和经验, 对4个因素在可能变化的范围内进行取值。各因素水平的取值如表2所示。

其他主要结构参数保持不变, 即芯棒直径为90 mm, 螺槽个数为4个。

4 结果分析与讨论

4.1 正交试验结果分析

按照正交试验安排的各组模型参数组合以及试验结果的计算分析结果如表3所示。表3中:Kij表示第j列上水平号为i的各试验结果之和;s为第j列上水平号i出现的次数;表示第j列的因素取水平i时, 进行试验所得试验结果的平均值;

表示第j列的极差或其所在因素的极差。

根据极差大小排出4个因素对指标 (出口速度分布均匀度) 影响的重要性的主次顺序为:C>B>A>D。

可以看出, 在螺旋分配段的设计中, 螺旋升角准是对出口速度分布均匀性影响最重要的结构参数, 接着依次是螺槽初始面积、芯棒锥角、螺旋消退角。

本次正交试验中, 指标越大越好, 故应选取使指标大的水平, 即各列中最大的那个水平, 从而可以得到最优方案为A3B3C1D2, 即螺旋芯棒锥角β=3.5°, 螺槽初始面积S0=160.97 mm2, 螺旋升角Φ=12.4°, 螺旋消退角ψ=4°。

4.2 最优方案的数值模拟验证

通过上述分析获得的最优方案A3B3C1D2, 并不包含在已做过的9个试验方案之中, 体现了正交设计的优越性。但是, 它是不是真正的最优方案呢?本文按最优方案A3B3C1D2来建立流道模型, 进行模拟计算, 得到出口速度分布均匀度UI=0.987, 均大于9个试验方案的UI值, 从而证实了该方案是最优的。

因此, 按最优方案A3B3C1D2来设计螺旋芯棒式管材机头, 从而实现了本例的优化设计。表4所示为螺旋芯棒式管材机头经过优化设计后的主要几何参数。

5 结论

本文提出了一种挤出模具的优化设计方法。运用有限元分析软件Polyflow对螺旋芯棒式管材机头流场进行模拟计算, 采用正交试验, 以螺旋分配系统出口截面处速度分布均匀性为目标, 实现了螺旋芯棒式管材机头的优化设计, 同时此设计方法可被其它模具设计过程借鉴采纳。

摘要：螺旋芯棒式机头在塑料管材生产中应用广泛。文中提出了一种挤出模具的优化设计方法。运用有限元分析软件Polyflow对螺旋芯棒式管材机头流场进行模拟计算, 采用正交试验, 以螺旋分配系统出口截面处速度分布均匀性为目标, 实现了螺旋芯棒式管材机头的优化设计, 同时此设计方法可被其它模具设计过程借鉴采纳。

关键词：螺旋芯棒式机头,管材,优化设计,数值模拟,Polyflow

参考文献

[1]陈开源, 周南桥, 刘斌, 等.螺旋芯棒式管材机头内熔体流动的数值模拟[J].塑料科技, 2010, 32 (5) :74-77.

[2]陈开源.聚烯烃管材脉动挤出制备及自增强机理研究[D].广州:华南理工大学, 2010.

[3]Huang C C.A systematic approach for the design of a spiral mandrel Die[J].Polym Eng Sci, 1998, 38 (4) :573-582.

[4]庄楚强, 吴亚森.应用数理统计基础[M].2版.广州:华南理工大学出版社, 2005:427-446.

带式输送机过渡机头的设计与应用 篇2

1 问题提出

石壕煤矿于2005年4月恢复了一区的生产。一区巷道比较复杂, 在胶带巷道末端是一条130 m长的急倾巷道, 倾角约为+22°。一区在最初生产时, 采用在二部胶带机尾后铺设1部130 m长的40 t刮板机与之搭接。2006年后, 由于生产的需要, 胶带要不断向后延伸。胶带采用钢丝绳牵引式胶带, 在延伸的过程中, 为节省设备投入, 减少动力环节的影响, 从而更好地发挥效能作用, 满足生产的需要, 决定减少机尾后130 m长的刮板机的使用。

经过测量与设计, 决定把二部胶带向后延长130 m, 代替130 m长刮板机的使用。延长后, 整个胶带全长将为495 m, 前365 m巷道为+7°的坡度, 胶带为上山胶带, 后130 m巷道为+22°的坡度, 胶带为下山胶带。

但这样设计遇到3个问题:①后130 m长的巷道坡度为22°, 倾角过大, 超出了胶带输送机适用的倾角。②前365 m巷道坡度为+7°, 胶带要在下坡中运行, 由于后面倾斜角过大, 难以保证胶带安全运转。③由于受巷道条件的限制, 空间较小, 给此处过渡造成困难。为了能够达到倾斜变坡点的良好过渡, 必须设计安装一个胶带过渡机头。

2 过渡机头设计

过渡机头 (俗称假机头) 设计如图1所示。

在变坡点处投入3个滚筒实现此处的平稳过渡。在上胶带分别安装过渡滚筒和导向滚筒, 在下胶带安装压带滚筒。上胶带的过渡滚筒的安装能够减小胶带在下山中的倾斜角, 使胶带坡度变缓, 胶带的运行也会较平稳。导向滚筒的安装使胶带运行方向发生改变, 实现了由急倾角度大的下山胶带到平稳胶带的衔接。过渡滚筒和导向滚筒的安装, 使胶带由急倾角度大的下山胶带到平稳胶带实现了平稳的过渡。在下胶带压带滚筒的安装, 有效地防止了上、下胶带在变坡点处飘浮的现象, 也保护了胶带在此处不被刮坏。

3 过渡机头改造

该过渡机头设计完成投入运行后, 仍旧存在问题:①由于负荷过大, 导向滚筒轴承容易坏, 加上胶带比较长, 在更换过程中难度大, 会影响生产。②煤中杂质大, 矸石在该处往往容易堵塞, 因此该处必须安排专人看管。

为了解决上述问题, 经过观察测量, 对该处假机头进行了进一步改造。如图2所示, 在过渡机头底侧钢梁上安装支撑梁固定, 把导向滚筒去掉, 把过渡滚筒当作托带滚筒, 增大该处的受力强度, 再将滚筒前后两侧各敷设1根钢丝绳, 安装3节滚筒, 对上胶带构成支撑。加工制作高度不等的H支架, 安装直滚托住下边回空胶带, 能有效防止下胶带在此处的飘浮。经过改造后, 通过加工的大量的不同高度的H支架和直滚, 对下胶带构成支撑, 压带滚筒防止下胶带飘浮。

4 效益分析

该过渡机头改造后一直使用到工作面结束, 运行良好, 保证了安全生产的需要, 同时也产生了可观的经济效益:

(1) 减少一部刮板机的投入使用 (130 m) 约为26万元。

(2) 减少一部刮板机的电耗 (302 400 kWh) , 节约电费154 224元。

(3) 节约刮板机材料费、设备费用, 每年在12万元左右。

(4) 节约3个人的工资费, 每年72 000元。

共计每年节省60万元左右。

与改造前相比, 该处的坡度变得更小, 能更有效地解决变坡巷道中胶带运输的问题, 同时此处能够承受更大的负荷。改造后不仅解决了该处易出现的堵塞问题, 也节省了人力。

摘要：针对义煤集团公司石壕煤矿在急倾斜巷道原煤胶带运输中存在的问题, 结合生产实际, 对该矿胶带装置进行改造, 设计了胶带过渡机头, 并针对过渡机头运行过程中出现的问题进行了改进。改进后, 过渡机头运行时减少了刮板机的使用, 从设备和人力上节省资源, 提高了经济效益。

机头设计 篇3

各种类型的刮板输送机的主要结构和组成的部件基本是相同的, 它由机头、中间部和机尾部等三个部分组成。在日常运行中, 刮板输送机磨损比较严重, 因此需要经常进行更换。在磨损严重后, 现在采取的处理措施是将刮板输送机的机头轮、机尾轮组件整体更换。现在通用的机头轮、机尾轮组件结构示意图如图1和图2所示。

在现场使用中, 磨损的只是刮板输送机机头轮、机尾轮组件中与链条及刮板接触的部分, 即机头齿板和机尾槽板部分, 因此没必要将刮板输送机机头轮、机尾轮组件整体更换。在整体更换时, 首先需要拆除刮板输送机机头轮、机尾轮罩子, 然后拆除机头轮、机尾轮组件的固定座与刮板输送机机头轮、机尾轮架子之间的固定。安装时用天车或手拉葫芦将机头轮、机尾轮组件吊装到位后, 需要对轴进行找水平, 还要对固定座进行调整使刮板输送机的机头轮、机尾轮的轴互相平行且垂直于刮板链, 特别是对于机头轮还要对与电机相连接的联轴器进行找齐, 因此安装过程耗费很长时间。

经过如图3和图4所示改进, 将刮板输送机机头轮、机尾轮组件中的机头齿板和机尾槽板模块化设计, “模块化机头齿板”和“模块化机尾槽板”如图5、图6和所示。刮板输送机在磨损严重后, 只需要更换模块化机头齿板或模块化机尾槽板即可。这样首先避免了因为整体更换使得其他完好的部件也被一起废弃, 造成不必要浪费的情况的发生, 节约了材料成本;次之模块化的机头齿板或机尾槽板重量小, 徒手即可搬动, 并通过螺栓连接, 安装方便快捷, 同时还可以免除使用起吊设备进行吊装作业的过程, 省略了找平找齐的程序, 从而减少了检修时间、减轻了工人的劳动强度。

刮板输送机在日常运行中, 容易发生错链等意外情况, 造成“模块化机头齿板”和“模块化机尾槽板”受力变得非常大, 可能造成“新型轴上的固定盘”部分出现断裂。因此在图3刮板输送机模块化机头齿板结构示意图和图4刮板输送机模块化机尾槽板结构示意图中, 不仅“新型轴上的固定盘”的厚度不能取的太小, 而且图中特别标出的圆角R在不影响固定用“螺栓”的情况下, 圆角R要做的尽量大, 使得“模块化机头齿板”和“模块化机尾槽板”承受的力能够通过“新型轴上的固定盘”均匀有效的传递到“轴”上, 这样处理后可以有效的防止生产意外发生时引起“新型轴上的固定盘”断裂的发生, 保证了生产的安全有序进行。

模块化机头齿板和模块化机尾槽板结构示意图如图5、图6所示。为了既能保证整个机头齿板或机尾槽板能够承受足够大的拉力, 又能保证现场安装方便, 所以便将整个机头齿板或机尾槽板切割成两半。对于机头齿板或机尾槽板在切割成两半时, 有两种切割方式, 如图5或图6所示, 可以沿着A-A线切割或者沿着B-B线切割。但在切割时, 首先要避免螺栓固定孔被切割, 因为螺栓固定孔被切割后切割孔处的螺栓固定效果就大大降低了, 可能造成所有固定螺栓被切断, 使模块化机头齿板从机头轮粥上脱离, 引发生产事故;其次要防止切割齿高处, 因为切割后分成两半的齿受力能力也会有很大的降低, 容易造成齿的受力变形, 影响生产正常进行。

综上所述, 这里将如图5、图6中所示沿着B-B线切割, 这样既能保证了齿能承受较大的受力又保证了模块化机头齿板或机尾槽板与机头或机尾轴的牢固固定。

模块化机头齿板或机尾槽板固定螺栓孔的数量不可以选择的过少或过多, 因为过少了则容易使得每条固定螺栓的受力过大, 造成螺栓被切断的现象发生, 而过多时则模块化机头齿板或机尾槽板上的固定螺栓孔之间间距过小, 从而受力变小, 造成两个固定螺栓孔之间间距被拉豁。示意图中以XZG-80刮板输送机为例采用14个孔为宜。

邢台矿洗煤厂总共有刮板输送机18条, 平均每年每条刮板输送机更换机头轮2件、机尾轮1件, 以XZG-10刮板输送机为例, 1套机头轮组件价格约为8200元, 1套机尾轮组件价格约为5900元, 而1套 (4半) 模块化机头齿板约价格约为1300元, 1套 (4半) 模块化机尾槽板约价格约为1200元, 节约材料成本约84.1%和79.7%, 每年大约节约刮板输送机材料成本82.7%, 共计333000元。更换机头轮、机尾轮时, 需要6个人工作4个小时, 合计需要24个工时, 更换模块化机头齿板或机尾槽板时, 只需要2个人工作1.5个小时, 合计需要3个工时。

由此可见, 通过对刮板输送机的机头轮、机尾轮易磨损部分进行模块化设计, 不仅节约了材料成本、而且大幅度减少了检修所用的工时和工人的劳动强度, 取得了良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]李文星.材料力学.北京:电子工业出版社, 2011.

[2]成大先.机械设计手册.北京:化学工业出版社, 2004.

[3]谢锡纯, 李晓豁.矿山机械与设备.徐州:中国矿业大学出版社, 2000.

机头设计 篇4

刮板输送机及刮板转载机是井下综采工作面的重要设备，也是井下运煤的关键设备。端卸式机头要安装驱动装置并连接机头过渡槽，是刮板输送机的重要部件，在刮板输送机运煤和落煤至刮板转载机的过程中处于核心部件地位，而刮板转载机的排布直接影响其接煤效果。

2 刮板输送机端卸式机头设计

(1)驱动装置选型

刮板输送机驱动装置是整机的动力部分，由于是煤矿井下的运行设备，电动机及减速机等电器设备应具备防爆证及其他必要证件。电动机功率大小的确定取决于刮板输送机运行阻力及刮板机链速，参考公式：

K-电机功率备用系数，F-刮板机运行阻力，v-刮板机链速，η-刮板机传动效率。

刮板输送机运行阻力越大、刮板机链速越大，电动机额定功率需求就越大。根据刮板输送机的类型、驱动连接方式及井下煤矿条件等，电动机又可选单速电动机和双速电动机，单速电动机转速固定，体积比多速电机小，接线更容易，适用于中小型刮板输送机，双速电动机可以在启动时输入较小的电流，获得较大的转矩，高速运转时随电流增加到额定值，获得最大转矩，具有低速启动高速运转的优点，适用于大功率重型刮板输送机。

刮板输送机要用刮板机专用减速机，目前刮板机专用减速机主要有齿轮减速机和行星减速机两种，一般中小型刮板输送机使用齿轮减速机就可以满足要求，装机功率在500kW以上的重型刮板输送机由于传动部对重量和体积的限制，一般采用重量轻、体积小、传动比范围大的行星减速机。

(2)机头架设计

机头架主要由压块、侧板、底板、中板组件、舌板组件等部分构成(见图1)，整个结构是一个焊接组件，其中侧板、中板组件和底板是机头架的主要结构件。

为了卸载煤炭方便，侧板前端底部可以设计为台阶式、与链轮之间也要预留一定的过链空间，这样机头架就可以与刮板转载机良好地搭接，也能保证刮板链能顺畅地通过。在焊接过程中由于两侧板较大，要采取防变形焊接措施，设计机头架焊接工装时要考虑这方面因素，焊前可以先加焊若干辅助横梁固定两侧板间距，然后单边对称焊接。

1.压块2.侧板3.底板4.中板组件5.舌板组件

中板组件上中板是刮板运行的直接接触面，材质应具有很好的耐磨性能。中板组件的角度α直接限制机头架的长度L和过渡槽中板弯曲度β，刮板机卸载高度一定时，中板组件的角度α越小，则机头架长度L越长，机头架过长不利于过渡槽推移点布置，中板组件的角度α越大，则过渡槽中板弯曲度β越大，刮板链在过渡槽中运行的平顺性就越差，这样过渡槽中板和沿板就易磨损，并且会加大跳链情况的发生，所以根据配套图推移位置的布置选择合理的中板组件角度也十分重要。

3 刮板转载机布排

刮板转载机是综合机械化采煤工作面运输设备中的重要组成部分，在工作面运输巷中接收工作面刮板输送机卸下的煤流，不停顿地转运到可伸缩带式输送机上去。刮板转载机在下巷中的布排位置直接影响其接煤效果，合理的布置刮板转载机与刮板机机头架的位置成为关键。

煤炭在刮板输送机与刮板转载机之间的转运其实就是煤流的抛物线运动，当刮板转载机与刮板机机头链轮之间的水平距离设计不合理时，容易造成漏煤或易拉回头煤等现象。下面分析卸载高度H确定时，怎样来确定刮板转载机与刮板机机头链轮之间的水平距离L。

图中H为刮板机卸载高度;h为落地段转载机中板离地面高度;R为刮板机链轮齿顶圆半径;B为巷道中行人空间;L为转载机与刮板机机头链轮之间的水平距离。

如果刮板机的链速为υ，机头架中板组件角度为α，将链速υ分解为竖直方向初速度为v0=-υsinα的自由落体运动和水平方向的匀速直线运动L=υtcosα，当工作面无倾角时，根据加速度运动位移与时间的关系H+R-h=υ0t+gt2/2求得，取正值代入L=υtcosα中得出：

当刮板机机头位置仰角铺设时，式中的中板组件角度α还需加上铺设仰角，当刮板机机头位置俯角铺设时，式中的中板组件角度α则需减去铺设俯角。

4 结语

刮板输送机端卸机头是刮板输送机重要部件之一，设计中不仅要考虑其本身结构的合理性，还应该考虑整个机头传动部运行的平稳性和可靠性，而刮板转载机在三机配套中的布置位置不仅要考虑刮板输送机链速及煤层倾角，还应考虑其离巷道的距离，保证适当的行人空间。

摘要：根据刮板输送机的型号及其他配套设备,选型刮板机驱动装置,优化设计端卸式机头架;根据工作面条件及其他若干参数来布置刮板转载机在三机配套中的位置。

关键词：减速机,机头架,工作面,三机配套,接煤效果

参考文献

^[1^]谢锡纯^,李晓豁.矿山机械与设备^[M^].徐州^:中国矿业大学出版社^,2000.

机头设计 篇5

当泥料离开绞刀被推向机头时, 一般外圈泥料运动速度较快, 里圈泥料运动速度慢, 那么怎样才能平衡机头中泥流的速度呢, 由于泥流在机头中属于半流体状态, 我们是否可以借鉴一下流体调节速度的原理, 即固定压力下流量和出口面积成正比 (比如:水龙头调节口越大, 流量越大) , 因此要调节速度就要控制出泥口的面积, 这是毫无疑问的, 但由于泥料流动性比较差完全仿效水龙头的控制 (阀板调节) 必定不可取, 必定压力集中, 阻力迅速增大。能否用棒材组成周圈栅栏状 (如图1) 代替阀板来改变此问题呢。图1中序号1指的是绞刀中心, 序号2是机头部分, 在1和2之间的环形区域3是泥流区域, 在此区域由于绞刀旋转, 线速度不同泥流速度由内向外是逐层增快的, 我们控制的重点就是把外圈的速度降低, 使内外圈泥流速度基本保持一致。为平衡速度差, 我们把阻泥棒做成锥形。序号4是阻泥棒调节装置。每个阻泥棒可以独立控制, 可深可浅也可以组成类似方形、长方形等形状。需要调节时候只需要调节序号4, 阻泥棒插入泥流中阻力增大, 阻泥棒收回阻力减少。需要说明的是在泥流能正常出坯的时候尽量减少阻力以节约能耗提高产量。

1-绞刀中心;2-机头部分;3-泥流区域;4-阻泥棒调节装置

链篦机头轮装配的改进 篇6

一、两代链篦机之间的改进

针对江苏德龙镍业有限公司在我公司定制用于180万吨/年氧化球团线YQL4.3×66型链篦机, 基于传统YQL4.0×42型链篦机的基础之上进行头轮装配的改进。

传统YQL4.0×42型链篦机的头轮装配结构主要由主轴、头部链轮、定位套、定位销、键、隔热套、密封架和轴承座等组成。头部链轮采用节圆直径为Φ1004.56mm, 因主轴直径比较大的缘故, 考虑空间问题, 头部链轮只能采用整体结构。基于头部链轮与主轴的周向和轴向定位问题, 本台链篦机共采用三种6个头部链轮, 三种头部链轮的主要区别在于中心孔尺寸有所不同, 分别为Φ370mm、Φ390mm, Φ410mm, 而主轴主要采用逐级阶梯式。因此头部链轮与主轴的周向定位采用键和定位销定位, 利用轴间和定位套进行链轮与主轴的轴向定位, 此种定位结构在装配时工作也比较繁琐。头部链轮对于整台链篦机而言是易损件, 长时间的工作就会使链轮的轮齿出现磨损及点蚀现象, 需要更换6个头部链轮中的几个或者全部。此种头轮装配结构所面临的严重问题就是在更换头部链轮时十分复杂、工作量非常大。若想更换头部链轮必须先将驱动装置、轴承座和密封架先拆除, 才能完成头部链轮的更换。即使是要更换6个头部链轮中的一个也需要完成以上的全部过程才能实现最终的链轮更换, 这样在很大程度上加大了更换的工作量。在更换头部链轮过程中, 还有可能带来不必要的破坏性损失 (如拆卸轴承座时轴承意外损坏、驱动装置拆卸时的意外损坏等) 。因头部链轮更换备件的繁琐不仅会耗费大量的人力、物力和财力, 还会影响到整条生产线的生产能力, 给用户带来不小的经济损失。

基于以上问题, 在设计YQL4.3×66型链篦机头轮装配时, 将头部链轮的齿数在原来的基础上增加了2个, 使头部链轮节圆直径变为Φ1168.43mm, 这样就增加了链轮节圆与主轴之间的空间尺寸, 在设计头部链轮时可以考虑将其进行分半设计 (如图1所示) , 整体采用螺栓把合 (如图2所示) 。整台链篦机6个头部链轮的中心孔尺寸均可采用Φ370mm, 这样头部链轮与主轴之间的轴向定位就可以完全采用周间进行定位, 仍然采用键进行头部链轮与主轴的周向定位。进而改变主轴的结构。这样在主轴和头部链轮的加工上也得以简化。新的头轮装配结构主要由主轴、头部链轮、键、隔热套、密封架和轴承座等组成。因头部链轮采用了分体结构, 在更换头部链轮备件时就可以避免以上问题的出现, 为维修工程节省了大量的时间、物力及财力, 同时在原结构的基础上提高了轴承及驱动的使用寿命。因主轴的最大直径也在原来的基础上得到了合理的优化, 使头轮装配的整个结构重量也减轻了0.1%。此结构的改动会为我公司大型链篦机在市场竞争中处于有利的地位, 得到用户的认可。

二、成果的实施步骤和主要做法

(1) 首先按照具体要求确定设计方案, 进行精确计算, 确定零部件材质、结构及几何尺寸。

(2) 其次进行设计、制造。

(3) 经检验无问题后, 再投入正式生产制造。

三、经济效益分析和应用前景展望

新增利润每台2万, 若扩大市场, 利润会增加更多。

综上所述, 作为链篦机主要的转动机构—头轮装配, 在改进后, 其自身及相关件的使用性能均有明显提升, 也得到用户认可, 为以后大型链篦机设计奠图1 头部链轮半体结构图定了很好的基础, 为开拓更广的市场提供了有力支持。

经实践分析, 通过此结构的改进, 可以新增利润每台2~3万, 同时得到了用户的好评, 为链篦机市场的推大提供了保障。

参考文献

[1]西安重型机械研究所编制, 重型机械标准[S].国家机械工业委员会重型机械局, 1987.

[2]成大先.机械设计手册 (第四版) [M].北京:化学工业出版社2002.

机头设计 篇7

近年来,随着压铸工业不断快速发展,国内压铸企业在引进国外先进技术的同时,也在不断地进行技术创新,提高压铸机的工作性能。机器和结构部件的失效大多数是由于发生疲劳造成的[1,2,3],而压铸机为动载工况下的加工机械,其零部件80%以上为疲劳破坏[4],因此,对于压铸机的疲劳分析及寿命估计是至关重要的。

头板是压铸机最重要的零件之一,在工作中受到交变载荷的作用,在开合模运动过程中不断产生冲击,经过一定的循环次数以后容易产生疲劳破坏[5]。

本研究基于Solidworks Simulation软件对头板进行疲劳分析,预测头板的疲劳寿命并改进头板结构,实现头板的优化设计。

1 理论基础

Solidworks Simulation是一款基于有限元(即FEA数值)技术的设计分析软件,它能直接在二维建模界面里完成其设计方案的分析工作,为用户得到高质量分析结果提供简单而高效的方法,同时满足高端用户在简单的FEA软件中实现完全的分析控制的需求[6]。Simulation一般包括前处理,求解和后处理3个部分,即几何模型的建立、定义材料属性、加载、网格的划分、求解和结果分析[7]。它基于应力-寿命(S-N)的方法进行疲劳分析,其中含有一些有限元基本理论:

(1) 单轴应力-寿命:

(2) 单轴应变-寿命曲线:

式中 σf′—疲劳强度系数;εf′—疲劳延展系数;b—疲劳强度指数;c—疲劳延展指数;E—弹性模量。

(3) 单轴应力的应变-寿命:

(4) Von Mises应变:

2 三维模型的建立

本研究建立了160t型号压铸机头板的三维几何模型,如图1所示,并忽略头板上一些对整体受力影响不大的小孔,对其进行简化[8,9]。

3 静态分析

在进行结构疲劳分析前,必须对头板进行静态有限元分析。

(1) 定义头板材料为45钢,其中弹性模量E=205

GPa,泊松比为0.29,屈服强度和张力强度分别为355 MPa和600 MPa,选取材料的疲劳S-N曲线(如图2所示),插值选择双对数,应力比率R=-1;

(2) 设置边界条件:

对底板螺栓处进行完全固定约束,对4个台阶孔X和Y方向固定,限制其X和Y方向的自由度,而Z方向的自由度由头板的4个圆孔限制,对3个支撑杆凸台完全固定约束;

(3) 加载条件:

头板受到模具施加的反作用力大小为1 600 kN,模具受力面积为1 344 cm2,4个哥林柱拉杆由于变形而产生锁模力,故对每个台阶孔施加400 kN的作用力;

(4) 网格划分:

模型使用高品质单元创建网格,网格整体单元大小为44.993 mm,单元数为31 724个,节数为49 272个(如图3所示);解码器采用FFEPlus算法,对模型进行静态分析。求解结果如图4(应力图解)和图5所示(合位移图解)。

从图4中可以看出,压铸机最大的等效应力Von Mises[10]为242.7 MPa,发生在支撑杆凸台处,小于材料的屈服强度355 MPa,有一定的安全系数,故模型是安全的。

4 疲劳分析

疲劳寿命是指疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数。疲劳破坏的过程是:零部件在循环载荷作用下,在局部的最高应力处,最弱及应力最大的晶粒上形成微裂纹,然后发展成宏观裂纹,裂纹继续扩展,最终导致疲劳断裂。目前,疲劳分析的方法主要有3种:名义应力法、局部应力应变法和损伤容限设计法[11]。名义应力法以名义应力为设计参数,从材料的S-N曲线出发,考虑各种因素影响,得出零件的S-N曲线,并根据零件的S-N曲线进行疲劳设计,主要用于对弹性变形居主导地位的高周疲劳。局部应力应变法是一种高/低周疲劳都适用的用于估算疲劳寿命的方法。损伤容限设计是以断裂力学理论为基础,以无损伤检测技术和断裂韧性与疲劳裂纹扩展速率的测定技术为手段,以有初始缺陷或裂纹零件的剩余寿命估算为中心,以断裂控制为保证,确保零件在使用期内能够安全使用的一种疲劳设计方法[5]。

SolidWorks Simulation软件对于单个零件疲劳分析是基于名义应力法的,其分析过程首先根据载荷谱确定零件危险部位的应力谱;而后采用材料的S-N曲线,经过计算结构危险部位的应力集中系数,结合材料的疲劳极限图,通过插值将材料的S-N曲线转化为零件的S-N曲线;最后再由载荷谱确定的应力谱根据Miner线性损伤累积规则计算零件的寿命[11,12,13]。

创建疲劳算例,添加事件中循环周期输入150 0000,相关联事件为上述已经分析过的静态分析,比例为1。在疲劳属性窗口中,确定恒定振幅事件交互作用为随意交互作用,计算交替应力的手段设定为对等应力(von Mises),平均应力纠正为无,最后运行疲劳分析,损坏图解和生命总数图解分别如图6、图7所示。

由图7可以看出,头板经过1 500 000次承载循环后,其最大生命周期为1.000×1015,而最小生命周期为1.239×105,发生在支撑杆凸台处。

5 有限元分析

利用Solidworks Simulation软件对压铸机头板进行疲劳分析,头板上支撑杆凸台在频繁的开/合模过程中产生应力集中,最容易发生疲劳破坏。故在设计中应当考虑降低应力集中问题,对其结构优化改进,在头板上侧对称分布两个凸台,与中线距离为186 mm,使用圆角过渡,用来减小应力,重新进行有限元分析,以提高其疲劳寿命。改进后的三维实体模型,如图8所示。

对模型进行静力结构分析和疲劳分析,得出损坏图解(如图9所示)和生命图解(如图10所示)。

由图10可知,头板的最小生命图解为6.679e+007,可以看出通过结构优化后头板寿命显著增加了。

6 结束语

本研究通过有限元软件Solidworks Simulation对压铸机头板进行疲劳分析,得出头板的对等应力以及生命周期等相关数据,得知头板凸台处为薄弱区,对其进行结构改进后,重新进行有限元分析,提高了头板的生命周期。

研究结果表明,该研究为压铸机头板的优化设计及安全评估提供了一定的理论依据,在实际工程应用上具有一定的指导意义。