電廠自動化防腐噴涂裝置設計和關鍵部件的有限元分析

任學光，賈欣蔚

（1.太原第二熱電廠，山西 太原 030041；2.天津工業大學機械工程學院，天津 300387）

0 引言

電廠運行中存在大量的圓柱或筒狀類型的儲存箱，如圖1所示。為防止儲存箱表面受到環境中的腐蝕性物質的腐蝕，需要定期進行防腐涂料的噴涂[1]。要求涂層厚度能夠保持一致，產品表面無溶劑凸起，表面光潔。為能解決現有電廠的筒狀類型的儲存箱人工噴涂效率低、工作環境惡劣、危險的問題，國內外一些研究機構先后開發了平往復自動噴涂機、垂直往復自動噴涂機、旋轉噴涂機、涂裝機器人等專業噴涂裝置[2]。本文在吸收了國內外的各種自動噴涂技術的基礎上，以電廠的圓筒狀貯箱的表面防腐噴涂為目，設計自動噴涂裝置并對關鍵部件進行有限元分析。

圖1 筒狀貯箱

1 筒狀貯箱自動噴涂裝置結構設計

1.1 運輸車及轉動平臺的設計

筒狀貯箱的噴涂過程是在一個封閉可視的環境，可以有效的防止有毒氣體的揮發。由于筒狀貯箱體積大、重量大，需要運輸車將筒狀貯箱運送到噴涂車間。本文設計重2.5 t，直徑3 000 mm，長12 000 mm的大型筒形貯箱的自動噴涂設備。為了保證運輸車的平穩運行，采用軌道的方式，運輸車底部安裝有軌車輪，車身結構采用桁架結構。為了保證筒狀貯箱噴涂油漆時可以順利在運輸車上轉動，設計了轉動平臺，滾輪架用于筒狀貯箱的回轉，它是通過滾輪對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現筒狀貯箱旋轉[3、4]。運輸車結構如圖2所示。

圖2 筒狀貯箱運輸車及轉動平臺結構圖

1.2 自動油漆噴槍的結構設計

為了實現筒狀貯箱的自動噴涂，根據噴涂工藝要求，噴涂機構需具有噴槍沿Y軸伸縮、X軸左右、Z軸上下移動來實現貯箱全方位自動噴涂。由于筒狀貯箱的長度和直徑都很大，考慮齒輪齒條傳動可以滿足大行程、低速平穩運動的要求，所以X軸和Z軸方向采用電機驅動的齒輪齒條傳動；Y軸的行程不大，為了節省Y軸的徑向空間，采用雙同步帶的直線運動方式。自動油漆噴槍的結構設計如圖3所示。

圖3 自動油漆噴槍的結構圖

2 運輸車及轉動平臺關鍵部件的有限元分析

轉動平臺中的滾輪架是保證筒狀貯箱可以平穩轉動的關鍵部件，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

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

圖5 關鍵部件的網格劃分、約束及載荷

滾輪支架、滾輪軸、滾輪支架軸的靜力學分析如圖6所示。

圖6 應力云圖與位移云圖

由Ansys分析可知，滾輪架的最大應力發生在軸孔處，應力值為68.815 MPa，滾輪架的最大變形發生在滾輪架的側板處，變形量為0.005 mm；滾輪軸的最大應力發生在滾輪軸的中心位置處，應力值為149.844 MPa，最大變形發在軸的兩端，變形量為0.059 mm；滾輪架軸最大應力發生在靠近軸兩端的位置處，最大應力為169.794 MPa，最大變形發生在軸的兩端變形量為0.028 mm.滾輪架、滾輪軸、滾輪架軸受到的應力都遠遠小于材料的許用應力，故滿足設計要求。

3 結束語

本文設計的筒狀貯箱自動噴涂裝置可以通過運輸小車將筒狀貯箱平穩的運送到噴涂車間；自動油漆噴槍可以實現X軸左右、Y軸伸縮、Z軸上下三個方向的直線運動，滿足全自動噴涂的需要；利用Ansys軟件對轉動平臺中的滾輪支架、滾輪軸、滾輪支架軸進行了有限元分析，得到了其應力分布情況，并找到了各自最大應力出現的位置及原因，驗證了本設計滿足使用要求。

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