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user: 3. 结构设计 3.1. 从动带轮结构设计 3.1.1. 从动带轮结构设计方案 改进前的从动带轮是实心结构，不具备排灰功能，要从烟支盒模输送带带轮内部进行在线清洁、排灰，就必须对带轮进行重新设计，如图2所示。 新设计的烟支盒模输送带齿形带轮在每个宽槽的槽底沿齿宽方向都加工有腰型孔，每个正常齿槽的底部也都加工有7个连排小孔，这些通孔起到排灰通道的作用，便于将烟灰和造碎烟丝压入或甩向容灰槽。5个宽槽处腰形孔宽度为6 mm，腰型孔两侧半圆孔的圆心距为12 mm，半圆孔半径为3 mm；其余正常齿槽底部的7个成排小孔直径为3 mm，之所以不设计成腰型孔，是因为受到加工设备和工艺条件的限制。 同时，新设计的烟支盒模输送带齿形带轮在5个均匀分布的宽槽处加工了5个环形均布腰型孔轮腔，是用来收集从上述排灰孔中进入的烟灰和造碎烟丝，起到容灰槽的作用。该5个均匀分布的腰型孔轮腔 Table 1 List of the parts may be damaged due to slippage of the pack model conveyer bel 序号 可能损坏的零部件 损坏原因 1 烟支盒模输送带 拉断 2 烟支盒模 冲击断裂 3 烟支第一推烟板 冲击破损 4 不合格烟组剔除杆 冲击变形 5 烟支第二推进器 冲击变形、断裂 6 一号轮前过渡套口 与第二推进器干涉 表1. 烟支盒模输送带跳齿可能损坏的零部件表 图1. 烟灰进入烟支盒模输送带从动带轮模型 图2. 改进后的烟支盒模输送带从动带轮零件设计图 宽度为13 mm，腰型孔腔两半圆圆心与轮体中心角度为42˚。 原来的从动带轮为铝合金(LY12CZ)材料，铣空后强度不够，因此采用合金钢(40Cr)材料。 3.1.2. 从动带轮力学分析 通过运用ANSYS工程软件分别对使用铝合金(LY12CZ)实心带轮和合金钢(40Cr)空心双幅带轮进行力学分析。 以从动轮上的同步带作为分析对象，当同步带驱动从动带轮转动时，同步带的一边被进一步拉紧，其所受拉力由初拉力逐渐增大，称为紧边；而带的另一边则被放松，其所受拉力由初拉力逐渐降低，称为松边。图3为同步轮上同步带端面受力模型 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 。当带轮转动时，动力传递是通过各带齿对相应的从动带轮齿法向作用力 和带齿顶与带轮齿槽之间的摩擦力 ，各齿所受力的总和构成从动带轮所受的有效圆周力 。 有效圆周力： (1) 紧边拉力： (2) 松边拉力： (3) 根据以上同步带从动带轮的受力模型对改在前后的从动带轮进行应力分析和疲劳寿命仿真，对比改造前后从动带轮的应力分布及疲劳寿命的变化。 (1) 建立模型 分别对改造前后的从动带轮建立模型，运用ANSYS进行模态仿真时，模型的建立有两种方法。一种是运用SolidWorks软件完成三维模型的建立，然后将模型转换为stp格式导入ANSYS软件。另外一种是直接在ANSYS经典GUI界面中建立三维模。本文中由于运动部件为均匀的旋转体，建模简单，因此选择运用SolidWorks软件建立三维模型并导入ANSYS中，如图4、图5所示。 (2) 材料的定义及单元网格的划分 在ANSYS软件中，分别设定改进前的从动带轮的材料为LY12CZ，改进后的从动带轮材料为40Cr。材料力学性能参数如表2所示 [ 6 ] 。 (3) 网格划分 由于分析对象为单个零件，对零件的网格划分选用六面体单元划分网格。并根据带轮的结构特特点对可能出现应力集中的位置进行网格细化，以保证计算结果的精确性。划分网格后的零件模型如图6、图7所示。 (4) 仿真计算 图3. 同步带轮受力模型 图4. 改进前带轮模型 图5. 改进后带轮模型 Table 2 Material properties of the pulle 材料名 弹性模量(E) 密度(ρ) 泊松比(ν) LY12CZ 71 GPa 2700 kg/m 3 0.3 40Cr 211 GPa 7850 kg/m 3 0.277 表2. 带轮材料属性 图6. 改进前带轮的网格划分 图7. 改进后带轮的网格划分 i) 应力仿真 同步带宽度为76 mm，带齿为梯形，齿宽为一般宽度，根据同步带轮的实际工作状态，查询技术参数得到同步带抗拉强度为9120 N [ 7 ] 。从动带轮半径为70 mm，受到的转矩为638.4 ，在分析中采用动静法，将转动状态下对从动带轮的分析转化为静力学分析 [ 8 ] [ 9 ] ，同时，考虑到从动带轮转动过程中离心力产生的离心应力，根据GDX500的设计速度，给从动带轮给定100 r/min的转速。仿真得到改进前后从动带轮的应力分布云图。如图8、图9所示。 图8. 改进前带轮应力分布云图 图9. 改进后带轮应力分布云图 从改造前后的应力分布云图可以看出，改造前从动带轮的最大应力 ，改造后从动带轮的最大应力 ，通过查询LY12CZ和40Cr材料的屈服强度，得到LY12CZ的屈服强度 ，40Cr的屈服强度 ，改进后从动带轮最大应力减小，且小于材料的屈服强度，改进方案满足强度要求。 ii) 疲劳寿命仿真 通过查询相关文献得到40Cr的疲劳曲线(S-N曲线)的采样点数据如表3。 LY12CZ的疲劳曲线(S-N曲线)符合函数 [ 10 ] 。据于此，绘制40Cr和LY12CZ的S-N曲线分别如图10、图11所示。 根据同步带轮的实际工作情况，带轮受到的循环应力为脉动循环，这里我们设定脉动循环函数为半正弦函数，幅值为带轮受到的最大应力。改进前后带轮受到的循环应力图如图12、图13所示。 从动带轮进行疲劳寿命仿真 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] ，仿真结果如图14、图15所示。根据仿真结果可以看出，改进前皮带轮的最低疲劳寿命为 ，改进后由于带轮结构的优化，以及材料的抗疲劳能力的提高，带轮的疲劳寿命为 ，带轮的改进极大的提高了其疲劳寿命。 Table 3 S-N curve sampling points of 40C 组别 应力 循环次数 第1组 610.462 92 3.11E+05 第2组 581.397 44 5.65E+05 第3组 553.281 3 1.03E+06 第4组 526.114 51 1.86E+06 第5组 499.897 06 3.38E+06 第6组 474.628 96 6.13E+06 第7组 450.310 21 1.11E+07 第8组 426.940 81 2.02E+07 第9组 404.520 76 3.66E+07 第10组 383.050 05 6.64E+07 第11组 362.528 69 1.20E+08 第12组 342.956 68 2.19E+08 第13组 324.334 01 3.97E+08 第14组 306.660 69 7.20E+08 第15组 289.936 72 1.31E+09 第16组 274.162 1 2.37E+09 第17组 259.336 82 4.30E+09 第18组 245.460 89 7.80E+09 第19组 232.534 31 1.42E+10 第20组 220.557 07 2.57E+10 表3. 40Cr的S-N曲线采样点 图10. LY12CZ的S-N曲线 图11. 40Cr的S-N曲线 图12. 改进前带轮所受的循环应力图 图13. 改进后带轮所受的循环应力图 图14. 改进前带轮的疲劳寿命分析图 图15. 改进后带轮的疲劳寿命分析图 3.2. 从动带轮边板结构设计 为了增加齿槽底部烟灰和造碎烟丝的排除效果，重新设计出了铣空的带轮边板。齿形带轮两侧边板和齿形带轮通过5颗螺钉联接，其轴向面也做与齿形带轮轴向面轮腔尺寸一致的铣槽处理，保证其槽与齿形带轮轮腔匹配，方便排灰。另外在径向内侧面也与轴向面相对应铣出5个凹槽作为落灰槽，如图16所示。 3.3. 清洁气源正压与负压的选用比较 清洁气源采用负压。优点是对生产环境不会造成噪声污染。缺点主要是由于烟支盒模输送带组件位 置紧凑，无法解决负压收集箱的安装，并且测试后清洁效果不佳，故该方案放弃。 清洁气源采用正压，缺点是吹气是会对生产环境造成轻度噪声污染(低于85分贝)。优点是不用安装收集箱，直接将烟灰吹至废料输送带自动清除，并且测试后清洁效果最佳，故选择该方案。 3.4. 压缩空气清洁装置设计 为了清除齿形带轮容灰槽里的烟灰和造碎烟丝以及烟支盒模输送带上的烟灰、造碎烟丝和断残烟支，该烟灰清除改造系统还设计了压缩空气清洁装置。 压缩空气清洁装置气源设计思路是设备运转时吹气，设备停机则停止吹气，这样既可以节省能源，又可以消除设备停机时气流产生的噪音。通过研究发现，商标纸和内衬纸的气垫输送辊的工作方式就是设备运转时吹气，设备停机则停止吹气，因此可以从该控制气路中引出压缩气，主机输送的压缩气可以达到0.6 MPa左右，气压分配给烟支输送盒模组件喷嘴后不会对气垫输送辊造成影响，如图17所示 [ 14 ] 。 在从动带轮前档板上安装两个M10 × 1.25螺纹气管接头，从气垫输送辊的压缩空气分配器引出两根直径为φ 8 mm气管，在上面引出压缩气向烟支输送盒模组件喷嘴供气，为了控制气流，在喷嘴安装调节阀，可根据实际需要调节风量大小。机器运转时，喷嘴2向带轮容灰槽喷射高压气流，烟灰就从容灰槽通过另一挡块上腰形排灰口3排出，喷嘴1对即将进入带轮的烟支输送带内表面喷射高压气流，从矩形排灰口4吹走烟支模盒输送带上的烟灰，如图18所示。 图16. 带轮边板零件设计图 图17. 喷嘴气路示意图 图18. 改进后齿形带轮组件示意图 Table 4 Statistics of slippages of the D10 machine pack model conveyer belt after the improvemen 改进前 改进后 模盒输送带组件损坏次数(次) 3 模盒输送带组件损坏次数(次) 0 损坏同步齿形带(件) 3 损坏同步齿形带(件) 0 损坏烟支模盒(件) 28 损坏烟支模盒( 件) 0 损坏第一推烟板(件) 4 损坏第一推烟板(件) 0 损坏烟支第二推进器(件) 3 损坏烟支第二推进器(件) 0 损坏烟支过渡套口(件) 2 损坏烟支过渡套口(件) 0 停机时间(小时) 25 停机时间(小时) 0 维修费用(万元) 21.38 维修费用(万元) 0 表4. 改进后D10号机烟支盒模输送带跳齿故障情况统计表