譚昭怡

楚 廣

（中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所） （中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院）

小型干冰造粒機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

譚昭怡*

楚 廣

（中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所） （中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院）

干冰清洗技術(shù)已經(jīng)在諸多行業(yè)得到推廣應(yīng)用，獲得了滿意的清洗結(jié)果。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室用的小型干冰造粒機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，在分析比較的情況下，進(jìn)行了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)，對(duì)重要的部件——連桿進(jìn)行了有限元分析。經(jīng)試制和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

干冰 造粒機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng) 曲柄 連桿

0 引言

干冰清洗技術(shù)是將液態(tài)二氧化碳通過干冰造粒機(jī)制成干冰顆粒，再通過干冰清洗機(jī)噴射到被清洗物體表面，利用固體干冰顆粒高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力，結(jié)合干冰本身溫度低以及升華所產(chǎn)生熱力膨脹等，使被清洗表面的雜物迅速被剝離清除。干冰清洗后被清洗物體表面干燥潔凈，不存在殘留清洗介質(zhì)；同時(shí)，剝離下來的污垢處于低溫固化狀態(tài)，便于及時(shí)清理，不會(huì)產(chǎn)生任何環(huán)境污染問題；對(duì)被清洗物體表面不會(huì)造成任何傷害。因此，干冰清洗技術(shù)有著清洗速度快、效率高、價(jià)格便宜、操作簡易方便等優(yōu)點(diǎn)。

干冰清洗技術(shù)雖然在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著成效，但對(duì)不同清洗對(duì)象的清洗工藝研究還存在不足之處，需通過實(shí)驗(yàn)研究提供所需的參數(shù)。現(xiàn)有的干冰造粒設(shè)備均為大型設(shè)備，采用的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)配套設(shè)施復(fù)雜、體積大，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行維修保養(yǎng)，不適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室的小型干冰造粒機(jī)。本文對(duì)適用于小型干冰造粒機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)裝置進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。

1 小型干冰造粒機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型干冰造粒機(jī)通常由壓冰室、傳動(dòng)系統(tǒng)、模頭、儀表以及控制系統(tǒng)幾部分組成。1.1 小型干冰造粒機(jī)結(jié)構(gòu)

考慮實(shí)驗(yàn)室條件下的應(yīng)用，小型干冰造粒機(jī)生產(chǎn)能力為30～50 kg/h。設(shè)定壓冰室的結(jié)構(gòu)由網(wǎng)狀內(nèi)缸、承壓外缸和中間排氣室組成，壓冰室腔室內(nèi)徑Di＝45 mm，外徑Do=80 mm。壓冰室腔室設(shè)計(jì)長度為100 mm，其中活塞行程40 mm。

1.2 傳動(dòng)方案的選定

在保證設(shè)備有足夠的安全系數(shù)且能長期正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，小型干冰造粒機(jī)選用結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低廉的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)功能可分為減速和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換兩部分。綜合本機(jī)多方面因素考慮，采用普通V帶的皮帶輪減速方案，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換部分采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)的小型干冰造粒機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)見圖1。

圖1 造粒機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

1.3 原動(dòng)機(jī)的選定

壓縮干冰時(shí)，活塞上所受阻力F為：

曲軸上可能出現(xiàn)的最大扭矩為：

電機(jī)所需提供的最大功率為：

取一定的安全系數(shù)和傳動(dòng)效率，并取電機(jī)功率為4 kW，選取Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)Y112M-4。

1.4 減速部分設(shè)計(jì)

壓冰室腔室的容積 （即整個(gè)壓縮過程中干冰雪花的最大體積）為：

要求將干冰粉末壓實(shí)到密度在1.5 g/cm3以上，設(shè)干冰密度為1.6 g/cm3。將干冰壓縮成密度為1.6 g/cm3的成型干冰塊，其壓縮比為0.219，故一次壓縮最終產(chǎn)生的干冰其質(zhì)量為：

本干冰造粒機(jī)的設(shè)計(jì)要求是30～50 kg/h，因此每小時(shí)應(yīng)壓縮的次數(shù)為：

參考 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取大帶輪節(jié)圓直徑D大帶輪=385 mm，小帶輪節(jié)圓直徑D小帶輪=90 mm，傳動(dòng)比i=385/90=4.278。選定4根普通A帶。

查 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》V帶輪的結(jié)構(gòu)形式和輻板厚度圖，得到大、小帶輪的結(jié)構(gòu)形式及各項(xiàng)基本參數(shù)如下。

小帶輪：實(shí)心輪，ds=28 mm，d=90 mm，da=96 mm，B=68 mm。

大帶輪：四孔板輪，ds=40 mm，dh=80 mm，d0=200 mm， dr=320 mm， d=385 mm， B=68 mm，S=16 mm，B=68 mm。

1.5 曲軸的設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取 [γ]min＝10°。

已知滑塊的行程為40 mm，易知曲柄長20 mm，易求得連桿AB長135 mm。

干冰壓縮缸中心線通過曲軸中心O，OB為曲柄，AB為連桿，點(diǎn)B為曲柄銷中心，點(diǎn)A為連桿小頭孔中心 （或滑塊中心），滑塊又與活塞桿直接相連，故活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全一致。

整個(gè)曲柄連桿組結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 曲柄連桿組結(jié)構(gòu)

圖3 曲軸結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)中，曲軸上兩滾動(dòng)軸承間距離取為160 mm。曲軸采用整體式全支撐結(jié)構(gòu)，材料為45優(yōu)質(zhì)碳素鋼，主要尺寸見圖3。

1.6 連桿的設(shè)計(jì)

連桿AB小頭與滑塊銷釘相連接，與滑塊一起做變速直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭與曲柄銷相連，和曲軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，連桿體除有圓弧曲線運(yùn)動(dòng)外，還上下擺動(dòng)，做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。

為了保證連桿有足夠的剛度和強(qiáng)度，采用45模鍛鋼制造，具體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 連桿結(jié)構(gòu)

圖5 連桿有限元模型

銷釘材料為合金鋼45Mn2，表面滲碳處理，許用剪切應(yīng)力 [τ]=150 MPa。

當(dāng)活塞壓縮干冰到缸筒底部時(shí)，銷釘上承受最大的剪切力Fmax′=3.18 kN，考慮最大剪切應(yīng)力及安全系數(shù)，取銷釘直徑為d=15 mm。

為改善磨損狀況，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯套，厚度取δ=2 mm，則小頭孔直徑取d1=19 mm，外徑D1=30 mm。

連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身到小頭和大頭處均采用圓角過渡。

連桿大頭采用整體式套入曲柄銷，無連接螺栓等部件，大頭孔直徑d2=94 mm，外徑D=120 mm。

2 連桿的有限元應(yīng)力分析

2.1 計(jì)算模型

由于連桿對(duì)于其中剖面具有對(duì)稱性，因此取連桿中剖面一側(cè)的部分 （即連桿的1/2部分）建立ANSYS有限元模型。為提高其計(jì)算精度，選用20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)186單元進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格劃分如圖5所示。材料為45鋼，其彈性模量為E=2.09×105N/mm2，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度為355 MPa。模型總共有96 408個(gè)節(jié)點(diǎn)，45 701個(gè)單元。

2.2 工況設(shè)計(jì)及載荷處理

根據(jù)連桿的實(shí)際工作情況，按連桿的最大拉伸和最大壓縮兩種工況進(jìn)行計(jì)算。最大壓縮工況載荷處理如下。

（1）壓冰過程中，活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)附近，以壓冰室最大爆發(fā)壓力2 MPa計(jì)算，連桿小頭承受的最大壓縮面載荷Py施加于小頭端內(nèi)側(cè)；

（2）往復(fù)慣性力：通過耦合以集中力的方式施加于有限元模型，方向由連桿大頭指向連桿小頭；

（3）旋轉(zhuǎn)慣性力：通過耦合以集中力的方式施加于有限元模型，方向?yàn)榇箢^運(yùn)動(dòng)的切線方向；

（4）裝配載荷：襯套和連桿小頭過盈配合產(chǎn)生的壓緊力。襯套的裝配過盈量定為0.01 mm。

最大拉伸工況載荷處理如下。

（1）壓冰完成后，活塞在上止點(diǎn)附近，連桿小頭承受的最大拉伸面載荷Pl施加于小頭端內(nèi)側(cè)；

（2）往復(fù)慣性力；

（3）旋轉(zhuǎn)慣性力：連桿所受慣性力同最大壓縮工況一致，只是慣性力的方向相反；

（4）裝配載荷：所受裝配載荷與前述相同。

2.3 結(jié)果分析

由圖6、圖7可知，連桿在最大壓縮工況時(shí)，在小頭孔、小頭與襯套接觸部位以及小頭與桿身過渡連接處產(chǎn)生較高的應(yīng)力。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在小頭與襯套接觸部位。最大位移為0.013 6 mm，最大Mises應(yīng)力為182.65 MPa。

圖6 壓縮變形

圖7 壓縮應(yīng)力

由圖8、圖9可知，連桿在最大拉伸工況時(shí)，在小頭孔、小頭與襯套接觸部位以及小頭與桿身過渡連接處產(chǎn)生較高的應(yīng)力。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在小頭與襯套接觸部位。最大位移為0.010 7 mm，最大Mises應(yīng)力為179.08 MPa。

圖8 拉伸變形

通過小型干冰造粒機(jī)連桿的有限元計(jì)算表明，無論是在最大壓縮工況下，還是在最大拉伸工況下，最大應(yīng)力均在45鋼的屈服強(qiáng)度許用范圍內(nèi)。因此從連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上看，連桿是安全可靠的。

圖9 拉伸應(yīng)力

3 結(jié)束語

依照上述參數(shù)制造的小型干冰造粒機(jī)樣機(jī)，在水泥地面上用四個(gè)膨脹螺栓固定就能使用。經(jīng)過試驗(yàn)檢測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。表明該小型干冰造粒機(jī)設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡單、維修保養(yǎng)簡便、機(jī)動(dòng)性好，且大幅度降低了制造成本，在實(shí)驗(yàn)室和中小型企業(yè)有廣闊的應(yīng)用前景。

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Research Design for Transmission System of Small Dry Ice Granulator

Tan Zhaoyi Chu Guang

Dry ice purge technology has been popularized and applicated in many industries， and has got satisfactory cleaning results.We designed a mechanical drive system for the small dry ice granulator used in laboratory by comparison analysis.We did a finite element analysis for the important component-connecting rod.Through trial and experimental testing,the connecting rod had reached the design requirement.

Dry ice；Granulator；Transmission system；Crank； Connecting rod

TQ 050.3

*譚昭怡，男，1976年12月生，副研究員，碩士。綿陽市，621900。

2011-04-17）