高效节能水刺法非织造布缠结加固工艺技术的研究.doc

本人声明了文中特别加不包含为获得的同志对本研学位论文作者本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权盟王些去堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名:,勺移,剥程名.歹颦玉弋签字日期:朋年月肜日学位论文的主要创新点、通过大型流体计算软件对高压水腔内流场进行数值模拟,得出结论:狭缝式水刺头较多孔式水刺头工作时内腔压力和速度分布都比较均匀,且水腔内平均压力小,无涡流,湍动能耗散率小。通过对狭缝式无筋板和长圆孔式有筋板两种结构水刺头进行有限元分析,得出结论:两种水刺头在通水压后,总体变形相差不大,但有筋板的结构应力不如狭缝式均匀,且主要集中在筋板周围。由以上结论作为支持,在总结以往使用经验的基础上,借鉴国外结构,设计出狭缝式水刺头,并对其进行了受力分析。二、通过优化抽吸辊筒内部结构,提高抽吸腔体刚性,降低运行故障率,从而降低生产运行成本。减小抽吸狭缝宽度,改善结构安装形式,在不提高抽吸风机功率的前提下,提高了抽吸真空度,进而提高了缠结效率,并且降低水刺布干基含水率,降低烘燥能耗。三、在研究了水循环系统供水方式和水针缠结纤维的能量转换原理后,通过对水针压力、流量的计算,得出水刺工艺对能量的需求,改进了高压泵供水方式,由一泵供一水刺头改为一泵供多水刺头,在各支路上配置比例阀调节水刺头压力,以适应不同工艺的要求。供水方式改进后减少了大功率高压泵的设备投入,提高设备效率,降低能耗。摘要水刺法非织造布具有手感柔软、蓬松透气、吸湿性好、强度高、呈现传统纺织品的外观等优点,广泛应用于医疗卫生领域。随着其技术的不断提高和产业结构的调整,产品逐渐从民用向产业用拓展,如:合成革基布、揩拭材料、过滤材料、汽车内饰等等。水刺法非织造布生产线的技术关键在于尽量节约用水和用电的基础上,提高产品的缠结效果,确保产品的纵、横向强力符合要求。只有这样,才能降低能耗、减少运行成本,提高产品市场竞争力。水刺法非织造布生产线中大部分的能耗主要集中在水刺加固工艺阶段,其中通过高压泵向水刺头连续不断的提供高压水流、将留存在布中的水分通过抽吸系统充分去除和水循环清洁系统的动力消耗占整个水刺生产线的%。本课题针对水刺生产线中缠结加固单元水刺头腔体结构、水刺头增压方式和抽吸辊筒真空腔结构三个方面进行了技术改造和实验,为降低水刺布生产能耗、提高水刺布产品质量和减少设备资金投入,提高生产企业效益提供理论依据和生产指导。通过使用大型流体计算软件对高压水腔内流场进行数值模拟计算,得出结论:狭缝式结构水刺头与多孔式结构水刺头相比在高压工作状态下内腔压力和水流速度分布都比较均匀,且水腔内平均压力小,无涡流,湍动能耗散率小。然后对狭缝式无筋板和长圆孔式有筋板两种结构水刺头进行有限元分析,得出结论:两种水刺头在通水加压后,水刺头总体变形相差不大,但有筋板的结构应力不如狭缝式结构均匀,且主要集中在筋板周围。根据以上研究分析结果,优化设计出狭缝式结构水刺头。通过改善抽吸辊简内部结构、减小抽吸狭缝宽度,改善结构安装形式的优化设计,提高了抽吸辊筒腔体刚性,提高了运行可靠性,提高了布的缠结效果,并且在不提升抽吸风机功率的前提下提高了抽吸风机的真空度,达到降低生产线能耗的目的。通过对水针压力、流量的计算,得出不同水刺工艺条件下对高压泵能量的需求量,进行不同高压泵的合理配置。通过改进水刺头供水方式,减少了大功率高压泵的设备投入,提高设备效率,降低能耗。关键词:水刺,非织造,高压供水,水刺头,抽吸辊筒,节能降耗. ,. ., . , : .,?, ? , , ,. ?, ,.% %., .:, ,.?.:., , . ? , .?,. :?, ? ,.水刺工艺与设备?.影响水刺缠结效果的因素?.纤维性能对水刺效果的影响.纤网预湿工艺对水刺效果的影响?.水刺工艺压力对水刺效果的影响.生产速度对水刺效果的影响一.水针板质量对水刺效果的影响?一.水处理循环系统对水刺效果的影响?第三章 高效节能水刺头的优化设计.水刺头的结构特点及类型?.水刺头的结构特点及工作原理?.水刺头的主要类型一.狭缝式水刺头的研究?.水刺头腔体内应力和变形?.水刺头水腔结构.水刺头材料特性.建立数学模型?一.边界条件与载荷.结果与讨论?.水刺头的受力分析和强度计算.设定已知条件?.腔体挠度变形计算?.腔体内侧面的受压变形计算?。.结果分析.高压水刺试验系统的研制?.高压水刺试验系统流程?.试验系统主要技术参数?.高压水刺试验系统的构成.压力试验.结果与分析第四章抽吸辊筒和负压抽吸系统的优化设计?.抽吸辊筒的作用及结构?.目前结构抽吸辊筒存在的问题.新型抽吸辊筒的结构特点?.负压抽吸系统?.负压抽吸系统的构成.抽吸辊筒的真空度.抽吸风机功率计算?.第五章高压泵配置的优化设计?.水刺头增压方式的研究.水刺头供水系统.高压泵选型计算?.水刺头供水方式. .结果与讨论?.第六章水处理循环系统的研究?.水处理系统的基本组成.带式过滤和袋式过滤?.气浮过滤.砂过滤?.第七章结论一参考文献发表论文和其它研究成果?殳 谢第一章前言前言第一章.水刺缠结工艺技术特点水刺法又称水力缠结法,是将经开松、梳理铺成的纤网利用高压微细水流喷刺直径为.,压力为一,使纤维互相缠结,形成具有一定强力和密度的非织造布。水刺非织造布因其加工方法的特殊性,使其拥有其它产品不可替代的优越性:原料使用广泛,不含化学粘合剂、无环境污染、不掉屑、不易起毛、不损伤纤维、悬垂性好、手感柔软、蓬松透气吸湿性好、强度高,布面外观与传统纺织品相似。水刺非织造布广泛于医疗卫生领域,最常见的有医用手术帽、医用手术衣、手术包覆布、口罩、医用纱布、绷带等等?;除此之外还可用于揩拭材料如:湿面巾、婴儿尿布、妇女卫生巾、一次性内衣裤、台布、餐巾、镜片擦拭布等,合成革基布如:、合成革基布、功能性涂层基布、鞋料、工业过滤材料、汽车工业用布等,以及空气滤材、蓄电池隔板、屋顶防水材料等等【】。.水剌法非织造生产线典型工艺流程水刺生产线工艺流程一般由纤网准备、水刺加固包含水处理、烘燥及后整理等几部分组成。纤网大多采用干法短纤梳理或气流成网,也可以采用聚合物直接纺丝成网,除此之外还可以和其它加固工艺进行复合。.千法水刺生产线流程干法水刺生产工艺以梳理成网居多,其次是气流成网。干法水刺工艺流程中纤维准备阶段大多相似,沿用了传统纺织的开松混合工艺,只是在成网方式上略有差别。对于医用卫生材料等纵横向强力差别要求不高且定量小的产品可采用梳理后直接水刺如图.,而对于皮革基布、过滤材料等要求纵横向强力差异小且定量高的产品需采用梳理后交叉铺网或气流成网【。采用复合工艺生产湿揩布产品,包括、和复合产品梳理成网,木浆,纺粘,木浆卷,加筋,降低了原材料成本并增强了水刺产品的使用性能【】。天津工业大学硕士学位论文圈。一往生氰骼帆下翻窭一图干法水刺生产线流程.纺粘水刺生产线流程纺丝成网法具有流程短、生产效率高、成本低、织物强力大、应用范围广泛等特点。它是以合成高聚物切片为原料,经过熔融纺丝后直接成网。纺粘水刺工艺不但能够用于涤纶、丙纶、锦纶、氨纶等普通型和异型纤维】,还可用于双组份纤维。由/合成的瓣菊型中空纤维经高压水针穿刺后充分裂解为单纤纤度.的超细纤维,纤维相互缠结,进而可生产出纺粘水刺非织造布】。纺粘水刺技术的优点是生产速度高可达/以上,幅宽宽最大可达,产量大、产品强力高、手感柔软、透气吸湿性好等。可广泛用于医疗、卫生、个人护理、家用揩布、服装衬布、合成革基布、绝缘材料等各个领域。弹。”姓枫。单二蔫一:瞥,转曲;吼三乩 兰爿嘲翻吹且 ?,静失凡柚凡置可飞罗 飞罗飞一卤黛凶饕卷蠢机成网枫拳舅氟蠕触图.双组份纺粘水刺生产线流程第一章前言双组份纺粘水刺裂解法在国外已有产业化生产,产品性能和表观均能达到预期要求,产品的附加值非常高。近几年国内非织造布企业也竞相开发,但由于一些核心技术还不是很成熟,致使如开纤率、纤网纵横向强力比等指标达不到使用要求,目前都还处于试验阶段】。.针刺水刺复合工艺流程目前国内外耐高温过滤材料主要以为原料,采用针刺加固方式,广泛应用于燃煤锅炉、冶炼、垃圾焚烧炉、化工、火电等行业,在高温恶劣的工况条件下,它是一种优质高效耐高温滤料【】。针刺水刺复合工艺是将短纤经梳理或气流成网,再经杂乱或定向铺网,然后经预针刺加固后,再经水刺加固,使纤维在高压水流的作用下相互缠结,最终形成具有高强力的过滤材料。针刺水刺复合工艺既融合了针刺和水刺各自的优点,又克服了两者各自的缺点。如普通针刺法对过滤材料中基布纤维损伤较大,损伤一般达到%,致使滤料的经向强力明显低于纬向强力;而水刺的柔性缠结弥补了针刺加固过程中大量长丝被切断而造成的滤袋机械强度下降的缺陷,并且提高了过滤效率和过滤精度。同时也避免了单纯采用水刺工艺加固厚重产品,存在剩余含水量太高,不易烘干等难题【】囝一圈一囤一回一匾匝一圈一回一图.针刺水刺过滤材料生产线流程.国内外水刺工艺发展状况我国水刺技术虽起步较晚,但无论从生产还是消费方面都发展迅速。尤其在“十一五”期间,水刺产品质量稳步提高,应用领域和产量不断扩大,逐渐成为亚洲乃至全球水刺非织造布生产大国。近十年来,水刺生产能力增长速度每年都超过%,年水刺生产能力约为.万吨,实际产量约为.万吨。“十一五”期间水刺生产线平均每年递增条,到年水刺生产线数量达到条。是我国各类非织造布工艺中产量增速最快的加工工艺【。“十一五”期间,结合行业转型升级,水刺技术得到了突飞猛进的发展,水刺产品的应用也得到了扩展,逐步深入到过滤、汽车内饰等领域,实现了民用到产业用的拓展和升级。近两年国内又出现了新一轮争上生产线的热潮,根据调查年上半年新签约水刺生产线约条,新增产能约万吨。天津工业大学硕士学位论文国内生产线%为国产设备,国产设备与进口设备还存在一定差距,主要表现在产量、能耗、产品质量和可靠性上。进口设备单条线产能可达近万吨,配单台梳理机也可达吨/年,而国产线单线不超过吨/年。在能耗方面,立达年后推出.,每公斤水刺布耗能已降为.度均以/水刺布为准,产品质量亦显著提高【】。表. 国内外主要水刺设备结构和性能对比恒天重工序号 比较项 德国福来司拿 法国立达幅宽 最宽 最宽 最宽/ / /车速抽 结构 通轴式 通轴式 通轴式具有可更换抽吸条吸吸口 不可调 不可调抽吸口调整辊外网 镍网或不锈钢丝 镍网或不锈 镍网、不锈钢丝筒网、铜网 钢丝网 网、铜网宽度承压水窄缝 窄缝窄缝 窄缝 带筋 窄缝刺双腔体、内孔直径头结构 单腔体,内孔直径单腔体,内孔直径、滤芯 带滤芯 不带滤芯 带滤芯纠偏机构 气囊 气囊气缸模拟量控制德国 德国水针板 意大利意大利 意大利厚度的不锈钢墙板 厚度的不锈钢板 厚度的不锈钢板板气囊同步轴同步网帘张紧 气囊同步轴同步齿轮 同步轴手动提升机构齿轮下铺地轨 下铺地轨 整体框架安装形式地脚化学螺栓固定 地脚化学螺栓固定 地脚化学螺栓固定电机 交流电机变频调节 交流电机变频调节 交流电机变频调节第一章前言.本课题的意义和研究内容.课题研究的意义由于水刺工艺的特殊性,其单位产出的水、电消耗量较大。例如每吨克/平方米的革基布的耗水量约为,用电量约为。“十一五”末期,地方政府因为突击完成节能减排任务,纷纷采取限制用电措施,企业的正常生产经营受到严重的干扰和制约。因此,减少设备投资成本,控制生产过程中的原料损耗,降低电、热能源消耗和水处理系统运转成本,设备维护方便,机物料消耗少等是进一步优化水刺生产工艺和设备的关键】。水刺法非织造布生产线中大部分的能耗主要集中在水刺加固工艺阶段,其中通过高压泵向水刺头连续不断的提供高压水流、将留存在布中的水分通过抽吸系统充分去除和对水进行处理进行循环使用的清洁系统的动力消耗占整个水刺生产线的%。如何在保证基布缠结效果的前提下,降低水刺缠结工艺阶段的用水、用电能耗,成为提高水刺法生产线工艺技术的核心和关键。.课题研究的主要内容本课题围绕水刺生产线中缠结加固单元设备和工艺进行了研究,主要针对水刺头腔体结构、水刺头增压方式和抽吸辊筒真空腔结构设计三个环节在降低运行成本用水和用电、提高水刺布产品质量和减少设备配置资金投入方面进行了研究和实验。通过使用大型流体计算软件对高压水腔内流场进行数值模拟计算,得出结论:狭缝式结构水刺头与多孔式结构水刺头相比在高压工作状态下内腔压力和水流速度分布都比较均匀,且水腔内平均压力小,无涡流,湍动能耗散率小。然后对狭缝式无筋板和长圆孔式有筋板两种结构水刺头进行有限元分析,得出结论:两种水刺头在通水加压后,水刺头总体变形相差不大,但有筋板的结构应力不如狭缝式结构均匀,且主要集中在筋板周围。根据以上研究分析结果,优化设计出狭缝式结构水刺头。通过改善抽吸辊筒内部结构、减小抽吸狭缝宽度和结构安装形式的优化设计,提高抽吸辊筒腔体刚性,提高了运行可靠性,降低了运行故障率,改善布的缠结表面质量,并且在不提升抽吸风机功率的前提下提高了抽吸风机的真空度,达到降低生产线运行成本的目的。通过对水针压力、流量的计算,得出不同水刺工艺条件下对高压泵能量的需求量,进行不同高压泵的合理配置。通过改进高压泵供水方式,在运行中降低了高压泵的开启率和实际功率的消耗,节约了电能。天津工业大学硕士学位论文第二章水刺加固工艺控制第二章水刺加固工艺控制.水刺加固原理水刺法采用高压产生的多股微细水射流喷射纤网,水射流穿过纤网后,受托持网帘的反弹,再次穿插纤网,由此,纤网中纤维在不同方向高速水射流穿插的水力作用下,产生位移、穿插、缠结和抱合,从而使纤网得到加固【】。水针对纤维的碰撞不会对纤维造成损伤,纤维】。一般发生永久形变或弹性形变,纤维之间为柔性缠结【图.水刺加固原理.高压水腔.水针.纤维网.托网帘.抽吸辊筒.抽水装置.真空密封.回收水水刺加固的基本条件是要具有足够大的水针能量,这样纤维才能克服空间位能和扭矩,产生扭曲、弯蓝和拉伸,并同其它纤维产生穿插和纠缠,形成空间网络结构。经水针板孔口射出的高压水针属孔口出流现象,根据流体动力学可知,在水针板距纤网距离内,水针是以自由流线为界的射流形式喷出【临,根据伯努利定理可得到水流体沿流线各流动量之间的关系式:去矿驴乃:“常数二式中:一水针压力一重力加速度?一水流平均速度.一水基准面高度由上式可知,要提高水针的速度,就要提高水泵的压力,也即提高水循环系统中的泵功率。水刺缠结效果主要和水针能量、水针直径、托网帘结构性能和速度、纤网的克重等多种因素有关,理论上,有人总结出以上几个因素的经验关系式【:天津工业大学硕士学位论文.乃易彩/功百式中:一水注射能量,也叫单位能量,?/;力一水刺头长度上的喷水孔数;忍一水刺头内水压,;仍一每个喷水孔水流量,/;一输送帘的纤网速度,/彦一水刺后纤网重量,/;刀一水刺道数。在水针完成对纤维的缠结过程中总共经历了三次能量转换。首先高压泵将水增压,然后高压水从针孔中喷出形成“水针”,将高压势能转变为动能,最后“水针”和反射“水针”动能释放促使纤维相互缠结。水针的动能越大对纤维的穿透作用越大。.水刺工艺与设备水刺设备主要包括机架、水刺头、纤网托持装置辊筒托持和平面托持、抽吸脱水装置、气动和电气控制系统等【】,分为平网式水刺机图.、转鼓式水刺机图.、转鼓和平网结合式水刺机图。水利非织造布、;。锤差兰要三兰瓠 .一谨魉鬯/ /,争/ 。/ ,哥/图.转鼓平网式水刺机平网式水刺机结构简单,占地面积大。输网帘在运行过程中,由于松边、张力变化、导辊不平行等原因都会造成网帘横向移动跑偏,需要用纠偏装置来保持网帘居中。转鼓式水刺机的水刺头沿转鼓圆周排列,纤网吸附在转鼓上,不存在跑偏现象,有利于高速生产。由于其托持纤网的辊筒对水针的反射效率高,且纤网呈圆弧状弯曲,导致纤网外周体积密度较小,内周体积密度较大,利于水针穿透,因而缠结效果好,且结构紧凑,占地面积小。但转鼓套更换困难且价格昂贵,转鼓表面的微孔结构不适宜加工网孔清晰的非织造布。转鼓加平刺式水刺机结合了二者的优点。如图,转鼓、套有金属网或镍网,配合其上的水刺头完成对纤网的加固:转鼓外可以选用带有花纹图案的镍网实现对水刺布的自身提花,见图.。水刺头、配合托网帘主要用来加工网孔非织造材料或表面修饰。天津工业大学硕士学位论文扩。、囊:一。爨誊;翳毯:丛互耋生:童丝;。耋辔鍪霪塑篷鬓鏊缮图.提花布和镍网包二二一:磐薯藿鼍霉霉誊霉嘲棚羹,圳誓,童一目,霉嘲垂,羹毫,蕈纛量图.托网帘编织结构与纤网外观结构效果.影响水刺缠结效果的因素.纤维性能对水刺效果的影响水刺法非织造布%的物性主要取决于原料。水刺生产的原料一般采用常规纤维,见表。除此之外还有如纤维、纤维、锦纶、维纶、丙纶、木浆纤维、聚乳酸纤维、甲壳素纤维、玻璃纤维等。表. 常用纤维性能及其可应用产品纤维类型 纤维特性 常用产品聚 酯 强度高,回复性好,热定型性 膏药底布、合成革基布、衬布、绝缘材好,弹性好,电绝缘性能好。 料、家具覆盖布、装饰布、贴墙布。粘 胶 可使皮肤舒适,生理安全,可 医用纱布、敷料、膏药底布、手术材料、分解,易后整理,悬垂性好, 手术台布、屏障布、病人床上用品、窗一般与聚酯不起球。混纺 帘、湿面巾、洁肤巾、美容巾、婴儿尿布、揩布、家用擦布、装饰用布、农业用布,以及卫生巾、卫生护垫、失禁垫等产品的包覆材料。聚丙烯 耐磨性好,弹性好,无毒,无 湿面巾、婴儿洁肤巾、美容巾、工业擦味,对人体皮肤无刺激,无过 布、卫生材料的包覆材料等。一般与粘胶混纺 敏,蓬松手感好,廉价。脱脂棉 吸水性好,亲和皮肤,柔软, 纱布、医用敷料、绷带、湿面巾、洁肤保水,手感好,耐热性好,稳巾、化装棉、食品过滤材料。定性好,可自然呼吸。纤网预湿的目的是使蓬松的纤网经预加湿处理后,纤维的抗弯模量和弹性回复率下降,纤维表面摩擦系数增大,在高压水针的作用下能更有效的吸收水针能量,加强纤维缠结效果,并且避免纤维在水流的冲击下滑移而影响布面美观。水刺的预湿工艺和纤维种类、吸湿性能、纤网面密度、生产速度有关,避免过大冲散纤网过小无预湿效果,同时设备配置要简洁合理,尽量减少设备投入和运行成本。乱鼍喜鼍器加卯如如加加成品克重/图.成品克重与预水刺压力的配置关系【】.水刺工艺压力对水刺效果的影响水刺缠结加固是借助高压水针对纤维网多方向穿刺而形成的自身加固,水刺布的质量和性能主要取决于水刺工艺的控制。其中水针压力对水刺布强力和表面质量的影响最大,在一定压力范围内,水针压力越高,水针的能量就越大,纤维网缠结越好,强度也就越高。但水针压力高过一定值时,水针压力的变化对纤维网强力影响并不明显,而且有时甚至会出现反作用使产品强度下降,同时会导致生产能耗增加,生产成本提高【。根据水刺工艺要求,水针压力分低压、中压、高压,低压一般小于,中压为,高压大于。克重不同适用的水针压力不同,这样才能保证布的撕裂强度、拉伸强度、手感和厚度等。.生产速度对水刺效果的影响生产速度越高,纤维网接受水刺能量的时间越短,在水针压力设置不当的情况下,提高车速会降低产品的强力和缠结效果。天津工业大学硕七学位论文.水针板质量对水刺效果的影响选用高质量的水针板是保证水刺产品质量的前提,对针孔的光洁度、垂直度、针板的平面度、硬度、耐腐蚀性等都有较高要求。水针孔径、孔距等也要随纤维的纤度、长度、产品的克重、外观、手感及其用途等因素确定。.对于常规产品,一般选用喷水板的规格为:孔径 ,孔间距.,宽度.,厚度.】。.水处理循环系统对水刺效果的影响水刺生产线需要通过对水流的不断高压输送到水刺头,缠结后通过抽吸辊筒和负压抽吸系统把基布中的水分排出,如果排出的水一次性放掉,对水的使用量太大,生产线运行成本高的惊人,所以循环水的处理质量对水刺缠结的效果和生产线的运行效率起到非常关键性的作用,本研究课题对相应部分给以简要介绍,便于更好的理解。除此之外,托网帘的结构、水针孔到纤网的距离等都对水刺效果有一定影响。第三章高效节能水刺头的优化设计第三章高效节能水刺头的优化设计.水刺头的结构特点及类型。.水刺头的结构特点及工作原理水刺头又称为水力喷射器,主要由内部带有通水孔道的集流腔体水腔体、压板和水针板构成,是产生高压高速柱状喷射水针的重要装置。水腔体、压板和水针板组合后形成高压密闭区,高压水经水针板上的微孔形成极细的高压水针,实现对纤网的穿刺。高压水腔体的结构不但影响水针的压力、速度、均匀稳定性,而且对水能量的利用效率有一定影响。.水刺头的主要类型【】水刺头的类型先后出现了油加压密封式、过渡型和水压自密封式水刺头。油加压密封式水刺头油加压密封式水刺头主要有水腔体、压紧油缸、水针板、水过滤网等主要元件组成。工作原理见图.所示,当油缸通油后活塞上升带动压板和压紧螺栓上升,从而使压板压紧水针板和水针水腔条以防漏水。当高压水进入水过滤网后,通过过滤网和匀流腔,利用水针板上的微孔形成水针。在水刺生产初期国内水刺头大多采用油加压密封系统,但该系统存在结构复杂,加工和安装精度要求高,维修不便,油缸及活塞易磨损等缺点,尤其是几十个活塞及油缸的加工、装配和维修要求更高,并且高压油一旦泄露,极易污染布面,因此油压密封式结构现在已经很少使用。图.过渡型水刺头图.油加压密封式水刺头天津工业大学硕士学位论文过渡型水刺头过渡型水刺头是在油加压结构的基础上,改油压加紧为水压夹紧,对应的油缸活塞改为水囊,避免了漏油造成水刺布污染的缺陷。工作原理如图.所示,当水囊通水后压板上升,压紧螺栓受到向上的轴向拉力,从而使下压板压紧水针板和水针水腔条,起到密封作用。水压自密封式水刺头水压自密封式水刺头靠工作水压实现自密封。其工作原理如下:当高压水经过滤网进入水腔体后,水针板受到高压水作用向下压,同时带动水腔条下移,见图.,密封条被压缩变形,进而实现对水腔条四周高压水的密封。水腔体主要有两种典型结构,一种是单集流腔,水腔内含有过滤网,高压水流经滤网上数万个微孔到达集流腔,水在得到过滤的同时还起到匀流效果:一种是双集流腔,过滤装置不在集流腔内,而是独立安装在水腔体外,见图.,高压水经上集流腔流入下集流腔,起到稳流作用。此外还有由以上两种结构派生出来的简易水刺头,见图.,大多采用不锈钢管焊接而成,用于低压水刺头。图.单集流腔结构 图?双集流腔结构一钐您一彳厂场胤套.缴警。.陪心愍趟胖皴翱燃图.简易水刺头.狭缝式水刺头的研究实验表明:水刺头高压水腔结构与水射流的速度、水针的均匀稳定性相关,不但直接影第三章高效节能水刺头的优化设计响水刺缠结效果,并且水腔结构的合理性对降低供水压力、提高能源利用率起着至关重要的作用。本课题研究的新型水刺头主要解决能耗及高压水流产生的紊流问题,同时改善水针整齐度。在上面几个水刺头结构图中,连接上下水腔或水腔与水针板的匀流通道有两种结构形式:狭缝式和多孔式【】,见图,图?。图多孔式水刺头 图.狭缝式水刺头通过大型流体计算软件对高压水腔内流场进行数值模拟,分别计算了在流量/,压力;/,压力;/,压力条件下多孔式和狭缝式高压水腔内压力、速度和湍动能耗散率,得出如下结论:狭缝式水腔内压力除入口端附近外,其它区域压力和速度分布都相当均匀,无涡流,湍动能耗散率小:多孔式水腔压力变化梯度明显,上下水腔之间的圆孔明显降低了水的压力和速度,同时也造成了下腔内压力和水流速度分布不均匀。相同流量和压力条件下,狭缝式水腔内平均压力低于多孔式水腔内平均压力。本课题研究的高压水刺头原来结构为单集流腔多孔式,针对以上结论为了减少高压水流的干扰和能量的损耗,须对原结构进行优化设计,变多孔式为狭缝式。本环节研究的重点是高压水腔内通入高压水后应力及变形情况以及密封螺栓的受力分析。.水刺头腔体内应力和变形由于高压水刺头结构复杂且成本昂贵,难以通过实验的方法来研究各结构参数对流场流动特征的分布,本研究通过三维有限元分析法准确的获取水流的流动特征,为优化水腔结构和水刺工艺提供了可视化的研究手段。根据上述结论,并充分考虑到结构强度和加造问题,结合国内外高压水刺头水腔体结构,设计了两种水腔体结构:狭缝式介于狭缝式和多孔式之间的带筋板式或叫长圆孔式。天津工业大学硕士学位论文图长圆孔式水刺头.水刺头水腔结构水刺头的结构形状如图所示,主要由水腔体、压板、水针板、密封板、螺栓连接而成。本次计算在水腔体中加载压力的情况下,分析水腔体零件和压板整体弯曲变形和应力,螺栓的应力和剪应力等。分析的水腔体长为.米,分析腔体内直径分别为、时,在水腔体中分别加、的水压力,以及有无筋板情况下变形及应力情况,是否满足设计的要求。缓隧丁孬鼋霹醺圈圈团 图水刺头结构图.水刺头材料特性表.材料物理参数表主要零件 材料 弹性模量 泊松比密度/州 . . .水腔体烈 . . .压板. . .密封块单元选择带中间节点的 。该单元是维节点实体。该元素是的高次形式。能够用于不规则形状,而且不会在精度上有任何损失。该元素具有位移协调形状,适用于模拟弯曲边界。该元素由个节点定义,每个节点个自由度:,方向。该元素具有空间的任何方向。并具有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形、大应变能力。网格模型见图.。图.有限元网格模型.边界条件与载荷在水刺头的两端各个螺栓孔处施加固定约束,见图.,图.,在零件连接部位施天津工业大学硕士学位论文加接触,水腔体过水面根据分析施加相应压力。图一带筋板、直径为、下的边界载荷情况图一无筋板、直径为,、下的边界载荷情况.结果与讨论结果本课题进行了系列工况的分析计算,水刺头的弯曲变形和应力分布如表.和表.。表.水刺头的晟大变形数据水腔体零件总体变形 方向变形 压板方向变形变形单位:方向变形有筋板 . . . .水压 无筋板 . . .腔体直径有筋板 . . . .水压 无筋板 . . ,.有筋板 . . .第三章高效节能水刺头的优化设计水压 . . . .无筋板. . . .有筋板水压 . . . .无筋板. . . .腔体直径 有筋板【 水压 . . . .无筋板. . . .有筋板水压 . . . .无筋板表.水刺头的最大应力数据螺钉平面 螺钉主应总体综合水腔体零件压板零件综应力单位:应力 综合应力 合应力 剪切应力 力. . . .有筋板【. . . . .无筋板. .有筋板腔体直径【. . .无筋板. .有筋板. . .无筋板. . . . .有筋板【. . . . .无筋板. . . . .有筋板腔体直径【 . . . . .无筋板. . . . .有筋板. . .无筋板讨论.水刺头的变形主要在两个方向变形,一个方向是垂直向下,即方向;另一个方向是在压力作用下向两边撑开变形,即方向变形,如图.。从表.看出,同样的压力下,水刺头有筋板和无筋板总体变形相差不是太大,而且随着压力的增加变形量也比较有规律平缓地增加,如图.和图.。豳天津工业大学硕士学位论文图.变形方向图示水腔体直径为由时不同水压变形图.爿?./.互/.一历磊杉/.吖.俨?一青筋扳?一无蕲扳图.水腔体直径为时不同水压变形图一.水腔体直径为时不同水压变形图.在方向即水平向两边撑开方向有较大的差别,表.中数据显示的方向变形是单侧的变形量,无筋板时变形比有筋板的变形较大,相差到倍。.从表?及图图.可看出,无筋板时最大应力出现在压板两端的开口交接处,有局部的应力集中,但其它部位都相对较/;有筋板时最大应力出现在中间筋板上,有局部的应力集中,其它部位应力相对较小。图一.水腔体零件带筋板、直径为、下的综合应力嚣絮:.黧 。盎图.带筋板、直径为、下的水腔体零件综合应力第三章高效节能水刺头的优化设计?翌图.带筋板直径为、下的水腔体综合应力图.无筋板直径为、下的水腔体综合应力螺钉的剪切应力和最大主应力在压力时较大,而且主要集中在内侧图略。.水刺头的受力分析和强度计算根据上述结论,本课题研究内容为在原有带筋板式水刺头基础上优化尺寸,改为长狭缝式结构,型号为。通过受力分析建立力学模型,计算其挠度变形、加载后变形和应力校核鲫。.设定已知条件图.为简化后的水刺头结构,水腔体孔径,水压,腔内所受压力为,腔/,体内不含筋;材料,一/,。.。水刺头主要尺寸:如图.为水刺头外形图,根据水刺头的使用情况建立力学模型。天津工业大学硕士学位论文图.水刺头简化力学模型.腔体挠度变形计算建立力学模型:一端简支另一端固定梁。见图.。,/船图.腔体挠度变形受力分析,.一?.:上一型.、 . .。 . .?:. :.腔体内侧面的受压变形计算由于结构对称,取虚线框住部分一半结构进行分析:倚。支自由/? /?图受力分析图最大挠度在自由边的中点处,仁.参.一:.,.,.,.:.。则:.堕鼻黑:.“.最大弯曲应力发生在长边中心的点及点处,点处: / ,:、.。厂,.。、点处:胁:笔.删黑.枷:瑙天津工业大学硕士学位论文变形量可以参考,实际厚度比模型厚倍,变形量应更小,、点应力却相差较大。看作一端简支一端固定的梁口叭图.受力分析图/,.,卜丝:?.?.:.“一一一. .丛.丝掣墼:.口.咱此模型运算结果与试验相差太多,模型不准确。看作悬臂梁图?受力分析图./生:兰:望:.。一一,。 ,. 一仁艺罴器.一. 口 .此模型结果与模型相差不多,对实际有参考价值。一一一,册第三章高效节能水刺头的优化设计.腔体背面应力及强度校核腔体连接处面积:通腔侧向受力面积:;长圆孔侧向受力总面积: :腔体处受力:。:腔体顶部连接处强度校核:/ .螺钉强度校核螺钉数量个,规格为 .级,其./,则【】痂. /,【】./。.剪切校核:单侧面总受力剪巧设有一半作用在螺钉上另一半作用在腔体上方连接处,则:单个螺钉受剪力剪:.剪/.烈单个螺钉受剪应力剪/./嘲拉伸校核:所受总拉力:扣单个螺钉受拉力:拉/.单个螺钉受拉应力缔/天津工业大学硕士学位论文.【】.结果分析水腔体背部或称顶部和筋板在使用过程中会出现开裂现象,主要原因与背部尺寸厚度、材料性能、使用压力等有关。本课题研究的水腔体设计难点在于高压情况下的结构设计,该设计无样机可参考。通过对前期承受以下水压水刺头的使用效果和结构分析,再通过在压力情况下的受力分析和强度计算,最后确定了水刺头的结构,关键零件主腔体的尺寸为:宽,高 ,压板尺寸为:宽 ,高.。与原主腔体的尺寸为:宽 ,高 ,压板尺寸为:宽,高相比均有加强。除此之外,水刺头内部结构设计时,增加水腔体匀流效果,进一步解决水针发散问题,从而达到改善水针的目的。.高压水刺试验系统的研制高克重水刺布的加固和双组分纺粘水刺裂解工艺需要更高水针压力,国内水刺机经过不断改进和完善,在产品性能上已有很大提高,但与世界上先进水平德国公司和法国立达公司相比,在水刺头压力、水刺辊筒结构、负压抽吸系统等水刺关键技术上仍有较大差距,严重制约了国产水刺机产品的技术进步。为了更系统、更科学的进行水刺机主关件设计、加工及水刺工艺的研究