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本科毕业设计说明书（论文） 第 25页 共 25 页1 引言1.1 碳纤维应用现状及其发展前景碳纤维号称军民两用的材料之王：同钛、钢、铝等金属材料相比，在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等优点，广泛应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、GOLF球棒等体育休闲领域。国际碳纤维供给难以满足旺盛的需求：飞机制造等军工领域、风力发电等工业领域是03年以来碳纤维需求快速增长的主要原因，同时由于碳纤维技术主要掌握在日本三大巨头之中，扩产估计要到07年以后能够完成，碳纤维前景仍然看好。我国碳纤维企业力争突破：我国碳纤维现阶段绝大部分依赖进口，但华皖碳纤维、少数科研院所及山东光威集团都力争在碳纤维生产方面获得突破。吨净利25万元碳纤维盈利分析：目前军工级碳纤维(3-6K)的售价为200万元/吨，民用碳纤维(12K)的售价为55万元/吨，而碳纤维的生产成本为18万元/吨，如以民用碳纤维为例，其毛利为37万元/吨，即便加上3万吨的营业费用和33%的所得税率，民用碳纤维的净利润也用25万元/吨，如果考虑军品销价和33%的所得税减免，则其吨净利将达到170万元/吨。为了摆脱长期受制于人的局面，提高新型复合材料领域的生产工艺和技术水平从而促进国防和民用工业的技术进步，近年来，国家有关部委已将碳纤维技术的产业化进程作为我国的一项战略任务，并列入“863”计划。上世纪90年代以来，国内陆续成立了几家碳纤维企业，致力于实现这一高技术材料的国产化，但到目前都没有突破性进展。碳纤维，顾名思义，纤维中碳的成份占有90以上。从分子组成来看，是属于无机纤维。但目前主要通过有机高分子纤维后处理来获得驱逐，后处理过程主要是要驱逐非碳元素，使之形成高度结晶的石墨结构。对于高强度碳纤维T800H、T1000抗张强度达到67GPa，模量达到294GPa更是如此。有关聚丙烯睛原丝预氧化、碳化的过程比较复杂，研究的文献很多。但高性能碳纤维与原丝性能的关系文献中很少涉及，更没有高性能原丝买卖发生。但几乎达成一致的共识是：生产高性能碳纤维必须要有高性能原丝。同时可以认为进行超高分子量聚合体的制备及其干湿法细旦高强PAN基原丝的纺丝成形和后处理工艺研究是当务之急，问题的关键所在1。1.2 碳纤维后处理设备市场背景当前，除极个别单位外，大多数准备引进项目的技术和设备水平属国际中下等，产品碳纤维也是这个档次，引进后的消化、吸收与创新是面临的重大课题。因此，在引进的同时应该组织自己的技术队伍，在消化吸收的基础上求创新。如果只是沿着别人的脚印前进，就永远是跟在别人后面，不会占据制高点。从大量国外资料可以清楚地看出，即使他们生产的碳纤维质量和产量占据世界榜首，但其新思维、新方法、新设备、新成果仍不断涌现，而不是墨守成规。日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝公司的小丝束碳纤维产量占世界总产量的74左右(表1)，而这3个公司发表的专利也相当多。例如：东丽公司目前生产的碳纤维T1000，抗拉强度最高 ( 7.02GPa)、单丝直径最细(5.3um)，可代表世界先进水平，但公司最新专利报道，其实验室已研制出新一代碳纤维，抗拉强度已达到9.03GPa，比T1000提高了28.6；单丝直径降到3.2um，比T1000细了39.6。同时，该公司还开发截面形状为三叶形的PAN原丝及碳纤维，以拓宽其用途。 基础研究是创新之源，已引起各级领导和有关单位的重视，上下认识一致，有的已开始实施，这是提高我国碳纤维工业技术水平的关键之一。目前国家“863 计划”以及有关部委都在关心我国碳纤维工业的发展及其产业化步伐，并给予强有力的支持。许多材料和设备专家也扎扎实实的做了大量工作。无疑，“十一五”将是我国碳纤维工业产业化的黄金时代。1.3 本课题研究的主要内容碳纤维是适应宇航、航空、原子能等尖端工业技术发展的需要而研制开发的一种新材料，具有高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、耐高温、抗烧蚀、耐腐蚀、高导电和热导、低热膨胀、自润滑和生物体相容性好等综合性能，是理想的耐烧蚀、结构和功能性复合材料组元，已成为开发各种高性能复合材料(ACM)不可缺少的原料，是发达国家梦寐以求的第四代工业原材料。 目前碳纤维的制备方法可分为两种：一种是有机纤维前驱体法，另一种是气相生长法。当今工业化生产的主要是前者，由有机纤维(原丝)在一定的张力、温度下，经过一定时间的预氧化、炭化处理等过程制成。中国纺织机械协会长期致力于化纤后处理设备的研究开发及制造。在碳纤维原丝设备的设计和制造加工上目前处于国内领先地位，先后为山东威海、吉林、安徽等地研究开发了21辊联合牵伸机、蒸汽加热箱、热水牵伸机组、上油机、水洗机等碳纤维原丝制备设备，为碳纤维的研究开发作出了积极的贡献2。2 干燥机总体设计2.1 拟定设计方案2.1.1 根据设计任务书及工艺要求简图尺寸确定设计方案(1) 机构的型式：在后处理联合机中，热辊干燥机是关键技术，涉及到干燥和定型效果，并直接影响到纤维的质量。因此确定设计方案十分重要，根据设计任务书要求，并考虑到实际设备加工和制造及运输等诸多因素，采取将26只干燥定型辊筒分布于两台机上，一台九辊机，一台十七辊机，其中十七辊又一分为二，即由九辊+八辊组成，通过装配结合在一起3 。(2) 干燥辊的排列：辊筒布置和尺寸根据任务书提供的工艺要求确定。辊筒的排列有卧式和立式两种。卧式结构特点是操作简便。立式结构特点是占地面积较少。考虑到操作方便需要，因此采用卧式结构4。干燥机(组)型式及排列如图2.1所示十七辊干燥机 九辊干燥机图2.1 干燥机(组)型式及排列(3) 干燥辊的加热：根据纤维的品种、旦数和加工速度等条件的不同，通常采取的加热方式有电加热、蒸汽加热或油加热等几种，根据厂方公用工程情况，采用热水和蒸汽加热。由于蒸汽加热温度反应迅速，测量准确，所有辊筒设计均按采用蒸汽加热方式。蒸汽加热是利用其汽化热，当蒸汽压力不变时，汽化热高，温度稳定。辊筒内可通0.02.5Mpa的循环饱和蒸汽，调节蒸汽压力，以达到不同工艺温度要求，辊筒温度一般在110180之间。蒸汽压力达到2.5Mpa时，辊筒温度达到最高为180。可由温度检测系统测得并由温度显示器显示出来。蒸汽由进气管沿三个方向(120均分)进入辊筒内，沿辊筒母线迂回加热后由排气管排出。(4) 干燥辊的结构原理：通常采用的是虹吸原理。由于虹吸弯管不能承受较大的冲击力，受到震动和机械应力后易变形，需要经常更换。同时虹吸管加热时辊筒表面因旋转造成辊筒表面温度不均匀，而影响碳纤维的干燥和定型效果，所以我采用了最新研制的加热方式夹套式加热，即干燥辊为可拆式结构，用不锈钢无缝钢管制作，表面镀硬铬，借助法兰连接在辊轴上，当通入热水或蒸汽加热时，热水或蒸汽从辊轴内孔中的一无缝钢管进入，经内隔套加热辊内壁，然后从干燥辊轴孔内另一无缝钢管间隙内流出，由于辊筒轴与排气管之间有一空气隔层，以使蒸汽不与辊筒轴直接接触，不仅可以降低热量损失，还能降低辊轴和箱提温度。由于辊轴回转，故在轴端进出水接头处采用新型旋转接头。这种加热方式可使辊筒表面温度恒定，误差可控制在0.55。辊筒空气隔层如图2.2所示图2.2 辊筒空气隔层1-进气 2-排气 3-空气隔层 4-辊筒轴2.1.2 确定干燥机结构形式及传动方式 干燥机组分为两台设备组成，各单机结构形式一致，以便于设计和制造，设计时将干燥机主要分为三大部分：主机部件、保温部件和润滑部件。根据要求和方便设备维修，确定传动方式为：电机摆线针轮减速器主机(传动轴辊筒轴)，这样使得主机的结构简化，便于制造和检修，摆线针轮减速器系通用标准件，质量有可靠保证，减速系统出现故障可以直接通过更换减速器来完成，不会因本干燥机组维修停车而造成整条生产线的长时间停止运行，可以极大地提高生产效率。干燥机结构型式及传动方式如图2.3所示图2.3 干燥机结构型式及传动方式2.2 技术设计和工作设计2.2.1 根据拟定方案绘制总装图和各部件图干燥机(组)总装图一张、九辊干燥机主机部件图一张、保温部件图一张、润滑部件图一张，十七辊干燥机主机部件图一张、保温部件图一张、润滑部件图一张。2.2.2 主要零部件的设计及校核 (1) 主机部件(a) 传动箱体参照同类牵伸机箱体和根据辊筒宽度确定箱体宽度，根据纤维工艺要求和辊筒排列尺寸确定箱体长度，根据丝束进出高度确定箱体高度6。箱体材料采用Q235-A钢板焊接，设有油标、放油螺塞，箱盖(加垫)，设呼吸型加油孔及箱盖密封垫。箱体留有热油循环的进出口。箱体侧面有观察口(有机玻璃)。考虑可加工性，十七辊干燥机箱体结构一分为二，即八辊、九辊各一台，各用一台动力。安装时组合在一起，安装在调整垫铁上，垫铁上设有U形槽安装孔(用于设备调整，调整距离50mm)、高度微调孔M12，调节高度8mm 7 8。传动箱体结构示意图如图2.4所示图2.4 传动箱体结构示意图(b) 传动轴：由于辊筒轴内要通蒸汽，所以轴后需要安装旋转接头或者其它接口部件，因此增加一传动轴，将动力传递至箱体内。考虑到使用寿命和加工方便，传动齿轮尺寸大小与干燥辊轴上齿轮大小保持一致，即速比i=1：19。(c) 干燥辊部件设计及校核干燥辊结构：通常干燥辊多为悬臂式，也有采用双支承式的，考虑到实际操作和使用方便，选用悬臂式。干燥辊部件结构如图2.5所示图2.5 干燥辊部件结构1-旋转接头 2-后盖 3-隔套 4-齿轮 5-挡油环 6-进气管 7-前盖 8-轴 9-辊筒 11-端盖轴承：进口轴承，轴承公差等级6级。齿轮：硬面斜齿轮(45#)，螺旋角=15，制造精度6级。齿轮传动噪音50dB。(齿轮设计及强度校核略)速比：箱体内1：1 (九辊配减速器i=104，十七辊配减速器i=121)干燥辊尺寸：6000.03400mm1#机干燥辊内通80，0.3Mpa热水，2#机干燥辊内通0.3Mpa蒸汽。辊筒表面设计温度：110180 C。结构：二进二出夹套式，外圆直槽通道夹层结构，旋转接头供水、汽并有回路。 运动精度：装配后辊部径向最大跳动0.05mm材料：辊部及辊侧面为1Cr18Ni9Ti，轴件为45。轴的辊颈部位(辊的内侧面与传动箱体侧面之间的一段)焊接不锈钢夹套，夹套壁厚2.5mm。靠近干燥辊一侧的轴承端盖也为不锈钢材料，主要是为了防锈防腐和美观。表面处理：辊部表面镀硬铬后精磨并抛光处理，粗糙度Ra0.2，感官镜面，铬层保留厚度0.05mm。辊筒呈悬臂式，通过双列向心球面滚子轴承(耐高温，大间隙)固定在箱体上。它包括封口法兰、内、外套、隔条、进出水法兰部分。内套由无缝钢管加工而成，外套采用不锈钢无缝钢管，两者过盈量为0.30mm。由于无缝钢管与20钢的焊接性能好，封口法兰、隔条、进出水法兰均采用20钢。焊后回火处理，以消除内应力，并进行气密试验，耐压2.5Mpa。辊筒外表面镀耐磨硬铬，镀层厚度为0.070.08 mm。600mm表面抛光。辊筒轴采用45钢，经调质处理达到HB24025，辊筒轴与辊筒采用大法兰连接，以便于拆卸。进、排气管与辊筒连接处采用聚四氟乙烯板进行密封10。 受力分析丝束进入干燥机以后，经过最初几个干燥辊时，它会在辊筒表面打滑，随着干燥辊数的增加，打滑呈逐渐减小的趋势，最后以干燥辊的线速度同步前进。在一般情况下，越在后面的干燥定型机构，其负载越大，所以在对辊轴进行受力分析时，选择第二干燥机(十七辊)作为对象。下图为第二干燥机的受力图。丝束绕经第一个干燥辊后，其张力由T0逐渐减小到T1，绕经第二个干燥辊后，其张力由T1逐渐减小到T2由于张力渐次变小，所以在整个干燥辊筒中，前面两个受力较大。考虑到丝束与辊筒表面间存在相对的摩擦运动，丝束的张力可以用下式计算出来： T1=T0e-u (2.1) 式中：T0 第一牵伸辊前的丝束张力； 1第一牵伸辊后的丝束张力； e2.718(自然对数的底)； 摩擦系数； 丝束与辊筒之间的包角。同理可得 T2=T1e-uT3=T2e-u 牵伸辊受力图如图2.6所示图2.6 牵伸辊受力图已知T0=200Kg，取0.23，经计算得=2.705则 T1=200e-0.232.705=2000.537=107.4(Kg)有 T2=107.4e-0.232.705=107.40.537=57.7(Kg)强度计算在设计干燥定型设备时，干燥辊是一个比较重要的部件，因为它是整个机器的核心，必须要对它的强度进行校核计算，同时也要对其挠度进行校核。以第二干燥机的第二个干燥辊为例，作用在干燥辊上的力有：丝束进、出牵伸辊时的张力T1、T2，牵伸辊外伸部分的重量G等，其合力设定为“P”。干燥辊受力图如图2.7所示图2.7 干燥辊受力图用图解法，计算合力P的值11。根据丝束绕经辊筒的前进路线，将辊筒所受的力作用点假想成E点，如牵伸辊受力图示，得出各作用力的方向与大小如下图所示。对牵伸辊的受力进行合成，T1与T2合力为T，T与G合力为P，T1与T2已通过计算得出， 注：D0为干燥辊的直径。C处的等效弯矩M为： M=(MC+ Mc2+Tc2)2 (2.2)=(2238.22+2238.222+146.122)2=2240.6 NmC处的等效扭矩T为： T= Mc2+Tc2 (2.3)=2238.222+146.122=2242.98 NMC处的弯曲应力及扭转应力分别为：=M/W (2.4)=T/Wn (2.5)式中 W抗弯断面模量已知轴的直径为0.17米，内孔0.06米，其值 W=(D04-d04) (2.6) =(0.174-0.064) =4.7510-4m3 Wn抗扭断面模量。其值 Wn= (D04-d04) (2.7) =(0.174-0.064) =9.510-4m3 则有 =2240.6(4.7510-4) =4.71106(N/m2) =4.71 N/mm2 =2242.98(9.510-4) =2.36106(N/m2) =2.36 N/mm2查表知，对于45#钢：=54 N/mm2 =3040N/mm2根据计算所得的危险截面应力小于所用材料的许用应力，因此轴的强度足够。挠度计算干燥辊外伸端的挠度，一般由以下四个部分的挠度迭加而成，即：由于载荷P引起D处的挠度1为： 1= (x-l1)2l1l2+3l2(x-l1)(x-l1)2 (2.8)=(1.015-0.731)20.7310.4965+30.4965(1.015-0.731)(1.015-0.731)2查得弹性模量E=2.11010Kg/m2而惯性矩J=(0.174-0.064)64=4.0410-5(m4)式中 X支承A至截面D的距离；l1两支承间的距离。代入，得1=2.7410-5(m) 0.0274mm载荷P引起D处的转角1为：1=(Pl22/2EJ)1+()2=(P0.496522EJ)1+()2其中，L为干燥辊长度，代入，得1=5.3410-5由于转角1而产生的形变增量2为： 2=1L (2.9)=10.425 =2.2710-5(m) =0.0227mm将干燥辊筒看成受均布载荷P/L的悬臂梁，干燥辊外伸端的挠度3为：3=PL3/8EJ (2.10)=P0.42538EJ代入，得 3=0.0052mm作用在第二干燥辊和相邻各辊筒上的丝束张力差，产生齿轮B上的各周向力。它们沿力P方向的分力为F，在点D产生的转角2为： 2= (2.11)=F0.54(0.191+0.54)0.7316EJ通过图解法(见下图)，求出F的大小。 F=160.02 Kg代入，得 2=1.6910-5由于转角2而产生的形变量4为： 4=-2(L+Xl2) (2.12)=-2(0.425+1.0150.4965) =-1.5910-5(m) =-0.0159mmT1、T2在合力P上的分力TP如图2.8所示图2.8 T1、T2在合力P上的分力TP牵伸辊外伸端的总挠度为： =1+2+3+4 (2.13) =0.0274+0.0227+0.0052-0.0159 =0.0394mm一般情况下，在不计滚动轴承处的间隙时，辊长不超过1米的辊筒，其外伸端的最大挠度若小于0.5毫米，则符合要求12。通过以上计算，干燥辊部件的强度及挠度，均符合安全规范。(d) 齿轮设计和强度校核13计算齿轮的工作转矩T1T1= T2=9.55106b=9.551060.99 (2.14)=5.72106Nmm=5720 Nm齿轮材料 ：硬面斜齿轮(45#)，螺旋角=15。s=539N/mm2根据齿轮可能出现的最低硬度HRC45，查机械设计附录图8-1C的M线，取Hlim=970N/mm2计算主要参数：因为辊间距已经由工艺限定，因此确定齿轮直径需要按照工艺尺寸计算，参考表8-6，取mn=6，齿数Z1= Z2=d/mcos112，齿宽b1=b2=80 mm精确计算两齿轮分度圆直径d1=d2=695.7mm；圆周速度V=0.46m/s 考虑到齿轮传动噪音50dB，所以仍然采用6级制造精度。接触疲劳强度校核许用应力 Hp=HlimZNZWZfZx/SH (2.15)应力循环次数N1= N2=203008601500=43.2108参照图8-28，ZN1=ZN2=1；取ZW=1，Zf=0.85，Zx=1，SH =1.05故Hp1=Hp2=785 N/mm2接触应力:H=ZEZZHZ (2.16)ZE=189.8N1/2/mm;ZH=2.47; KA=1.1;vz/100=0.46112/100=0.52，由图8-44，Kv=1.04；由图8-16，K=1.27；由图8-22，1.01，得Z=(1/)1/2=0.995；Z=(cos15)1/2=0.983。H= 189.80.9952.470.983 =135.65 N/mm2Hp，故安全。弯曲疲劳强度校核查附录图8-2c的M线，Flim1=Flim2=235 N/mm2。ZV1= ZV2=Z1/cos3=112/ cos315=124.27，由图8-25及图8-26，YF1= YF2=2.15，YS1= YS2=1.83。Flim1/ YF1YS1=Flim2/ YF2YS2=235/2.151.83=59.73许用应力Fp1=Fp2=Flim1YSTYN1YYRYx/SF (2.17)由图8-29，YST=2.0，YN1=1，Y=1，YR=1，Yx=1，SF=1.42。Fp1=Fp2=Flim1YSTYN1YYRYx/SF=2352.01111/1.42 =331 N/mm2弯曲应力F1=F2=(2KAKVKKT1/bd1mn)YFYSYY (2.18)KA=1.1；KV=1.04； K=1.06；由图8-16，K=1.27； YF1=2.58；由图8-26，YS=1.61；Y=0.25+0.75/=0.99；Y=1-/120=0.875F1=F2=21.11.041.061.275720000/(80695.76)2.581.610.990.875=189.84 N/mm2Fp1，故安全通过以上计算，可以得出齿轮的强度完全符合使用要求。(e) 轴承型号选择及寿命校核14传动轴轴承：选3624型轴承。轴承寿命校核(略)干燥辊轴轴承：前轴承选3534型，后轴承选用3528型。考虑到前轴承受载最大，承受主要负荷，选择对其进行寿命校核。查表25-22得Cr=705000N，Cor=745000N。由前计算结果知轴承承受的径向负荷Fr=(20005720/695.7cos15)tan20/cos15+(460+210+135)9.8=14303N (2.19)轴向负荷Fa=(20005720/695.7cos15)tan15=4561N。 (2.20)考虑生产能力扩大提高空间，对所有负荷均乘以2.0系数计算。已知轴的转速n=1500/121=12.4r/min。轴径d=170mm，载荷平稳，要求轴承寿命为20年(2036524=175200h)，现校核轴承寿命。因Fa/ Cor=0.0124，由表25-22查得e0.20由于Fa/ Fr=4561/14303=0.32e0.20由表25-22查得 X=0.56 Y=3.0当量动负荷为Pr=XFr+YFa=0.56143032+345612=43386N (2.21)由表25-11，当n=12.4r/min，Cr/Pr=705000/43386=16.3时，查得L10h=300000 h175200h满足要求，故前轴承应用3534型轴承。(2) 保温部件(a) 框架：用10#槽钢焊接而成，通过螺栓与传动箱体联接固定在一起。(b) 保温壁结构：干燥室的各向保温壁为空心夹结构，内部加筋以增加整体强度，内衬保温材料超细玻璃棉；保温壁内外表面由不锈钢板制造，内部支撑结构为碳钢材料。所有干燥辊均置于干燥室内，干燥室相对密闭，尤其保温部件与箱体衔接处均填上石棉布。靠近干燥辊一侧的传动箱体侧面有不锈钢夹层结构的保温壁。干燥室的顶棚为保温结构，开有排气孔，并配闭合蝶阀。干燥室两侧面为不锈钢夹层保温结构，分别根据委托方要求开有进丝、出丝口，方便操作15。(c) 保温门：干燥室正面设计为若干扇保温门，其中九辊为5扇门、17辊为8扇门，门的运动方向与辊轴线方向一致，门的运动行程设计为2000mm，闭合状态下门的内壁与干燥辊外侧面距离小于120mm，这主要考虑到打开后箱内温度较高而操作人员需要到中间操作的状况，保温门上设有把手。16方案：轨道在地面上，门下装有滚轮，可沿轨道前后推拉 (图略) 。方案：导轨在上面，门上方装滚轮，悬挂在顶架上，可沿轨道前后推拉。保温门结构如图2.9所示图2.9 保温门结构1-门 2-导向滚轮 3-支架 4-拉手 5-保温棉 6-调节螺栓两种方案比较：方案的优点是结构简单、成本较低，操作方便；缺点是轨道在地面上，操作人员在上面迅速行走不便，影响生产线运行，而且时间长了地面轨道上容易积累杂物，造成移动门开关困难。方案的缺点是结构复杂些、成本增加，优点是同样操作方便。同时轨道在上方，不会影响到操作人员的行走、工作，且不容易有杂物进入。两种方案比较，采取第种方案。(d) 导轨：考虑到距离较长，且所有保温门均悬挂在导轨上，因此采用无缝钢管与矩形钢管联结在一起的焊接结构，无缝钢管起导向作用。矩形钢管起加强刚性和防止变形作用。(3) 润滑部件(a) 润滑方式及润滑装置的选择：由于稀油润滑一般来讲摩擦系数低，选择具有冷却作用，而且不必拆开机件就可更换润滑油。考虑到干燥机温度高和委托方厂房的实际情况，采取两台设备共用热油冷却循环装置(稀油润滑站，含循环管路系统)一套，集中连续压力润滑方式。稀油润滑站外置，由油箱、油泵、过滤器、阀等组成，通过管子输送定量的润滑油到干燥机内各润滑点17。稀油润滑站原理图如图2.10所示图2.10 稀油润滑站原理图1-油箱 2-过滤器 3-透气孔盖 4-电动机 5-齿轮油泵6-溢流阀 7-单向阀 8-截断阀 9-单向节流阀(b) 稀油集中润滑系统的设计计算： 润滑油的选择：由于循环润滑系统要求润滑油抗氧化安定性较高、机械杂质要少，以保证系统长期的清洁。根据设备的工作范围(运动速度、载荷大小、运动情况)、周围环境(温度、潮湿条件、尘屑状况)、摩擦副表面(间隙、加工精度、表面位置)等因素，通常选用普通国产机械油。国产机械油是一种工业用中质润滑油，广泛用于纺织工业的纱锭、各种机床及其它各种机械的润滑。根据润滑油泵类型可选用运动粘度50厘斯左右的50 #机械油：HJ-50 GB443-64 。但由于干燥机工作温度较高，环境温度在38-80之间，考虑到设备高温条件的状况，所以选用4402-1号热定型机润滑油，此润滑油具有良好的高温性能和材料适应性，无毒，不腐蚀金属，并可与酚醛石墨绸纹板匹配使用，在高温条件下结焦极少，适宜于印染工业热定型机的针链及其它类似机械的润滑，使用温度可达220 18。耗油量Q：Q=Q1+Q2+Q3 (2.22)齿轮啮合处耗油量Q1= (2.23)齿轮传动摩擦损失所产生的热量TS1=860(1-1)N=860(1-0.98)7.5=129(千卡/小时) (2-27)箱体表面排散至周围空气中的热量TC，根据散热表得58千卡/小时；润滑油的比热Cy0.45千卡/公斤度；润滑油的重度ry0.88公斤/升；润滑油的温升t允许值取14度；润滑油的利用系数Ky0.65。因此Q1=25.07升/小时轴承耗油量Q2= (2.24)轴承摩擦损失所产生的热量TS2=860(1-2)N=860(1-0.99)7.5 (2.25)=64.5(千卡/小时) Q2=22.78升/小时润滑油飞溅或搅动时的耗油量Q3= (2.26)润滑油飞溅或搅动时产生的热量TS3=860(1-3)N=860(1-0.98)7.5=129(千卡/小时)Q3=45.56升/小时所以耗油量Q=Q1+Q2+Q3 =25.0726+22.7858+45.563 =2109.74(升/小时)=35.16升/分考虑到干燥辊轴内有蒸汽通道，造成运行过程中温度升高，需要冷却降温，因此将计算出的耗油量Q乘以1.5的系数，即总耗油量为52.74升/分。油管直径及油流速度的确定(略)(c) 油泵选择：根据总耗油量Q选择低压齿轮油泵，规格Q=63升/分，工作压力25公斤/厘米2，配3.3KW电机(1450r/min)，可以确保设备的正常运行。设计上，配两台齿轮油泵，其中一台辅助或备用。(d) 油箱设计：油箱主要用途是贮油，同时起沉淀、散热和散发气体作用。Q=63升/分油泵通常配置油箱容量为1.25m3，结合委托方提供油槽基础尺寸参数：3200长(沿传动箱体长度方向)1000宽800深，“1000宽”尺寸不允许变化，其长、高可自定，确定油箱尺寸： 2.8m长0.9m宽0.78m高。油箱结构如图2.11所示图2.11 油箱结构1-放油螺栓 2-油标 3-盖板支座 4-滤油网座 5-箱体油箱中设置有吸油滤油器，注油器也设有过滤装置。油箱底部作成适当斜度5，安设放油塞，以方便清洗。油箱侧壁设计有油位指示计，指示油位高低。油箱上设有通气孔，保证在最大吸油量和回油量时能在正常气压下供油。吸油管与回油管远远隔开，吸油管离箱底距离2倍管径，距箱边3倍管径。为防止回油时带入空气，回油管插入最低油面以下，距箱底距离2倍管径，油的排口面向箱壁，管端斜切成45。吸油侧和回油侧用隔板隔开，以分离回油带来的气泡与赃物。油箱内壁涂刷耐油涂料，以防锈、防冷凝水。(e) 过滤装置形式、选择及计算：过滤要求：一般过滤器的过滤精度可分为四类：粗的(d0.1毫米)，普通的(d0.01毫米)，精的(d0.005毫米)，特精的(d0.001毫米)。为了避免由于相对运动引起杂质对零件的磨损，要求油液中的杂质必须小于油膜的厚度，而油膜的厚度取决于油的粘度、作用力及其产生的压力和相对运动零件的速度。滤油器的选择和计算根据选择滤油器的基本要求：过滤精度应满足设计系统的要求；过滤能力应满足设计系统的要求，并具有一定的裕度。安装在油泵吸入侧的滤网，其过滤能力约为泵容量的两倍以上；容易清洗和更换；价钱低廉等。本干燥机选择方式金属滤网过滤装置，网号150目/英寸，有效面积34.6%。实际滤网面积S=596800/100=3840cm2则有效过滤面积为：A=384034.6%=1328.64 cm2所以过滤流量Q=Ap/=1328.641.11/(8000.4) (2.27)=4.567L/S=274L/min计算结果表明：滤油装置过滤流量大于两台Q=63升/分油泵流量的两倍，因此符合设计规定和使用要求。2.2.3 电气控制设计(1) 电机控制方式选择：变频调速是通过变频技术把50Hz的工频电源变换成频率可以改变的交流电源，从而调节异步电动机转速的一种方法，是目前交流电动机一种较好的调速方法。它既能在宽广的范围内实现无级调速，又可获得良好的运行特性，是现代传动的一个重要发展方向。本干燥机(组)动力为三台7.5KW交流电机，采用变频调速，可以方便地实现电机同步要求和变速需要。(2) 三相电动机变频调速原理分析：下图中T1-T6组成三相逆变器，U相、V相和W相参考电压分别为Uru、Urv、Urw，它们对三角波进行脉宽调制，得到逆变电路的一组控制电压UG1、UG3、UG5，分别驱动功率管T1、T3、T5；另一组互补电压UG2、UG4、UG6分别与UG1、UG3、UG5反向，分别驱动T2、T4、T6。当T1与T4导通时，uUV=Ud；当T2与T3导通时，uUV=-Ud；uVW和uWU可类似地求得。于是可以画出变频器输出电压(即电动机输入电压)uUV、uVW、uWU的波形图。从电压波形图可以看出，电动机输入端等效电压为正弦三相电压。该三相电压的频率可以通过调节三相正弦参考电压的频率来改变。因此只要改变三相参考电压的频率，就可以对三相电动机实现变频调速。三相变频器原理图如图2.12所示图2.12 三相变频器原理图变频电路中驱动逆变器的正弦波脉宽调制控制电路已大量采用数字集成电路，它具有功能全、可靠性高、体积小、功耗低等特点，同时还有完善的保护以及程序控制等功能，给应用带来了极大的方便。现在，计算机技术和变频技术已经互相融合，并形成一体化的变频装置。(3) 变频器控制及接线：本机控制电路采用目前化纤设备广泛采用的变频控制技术。根据实践使用，控制精度高，调速方便，广泛适合各种纤维的不同工艺速度要求。一般根据用户情况可选用国产或进口变频器，如蓝波希岛、三肯、富士、三菱、松下等。本干燥机(组)选用富士变频器。以下为富士系列交流变频器的内部方框图及外部接线图。图中主电路中包括整流器和由IGBT构成的逆变器。以16位微处理器为中心的控制电路具有产生三相准正弦波脉宽调制驱动信号、过电流和欠电压保护、转速控制和转向改变、转速指示和通信等多种功能19。交流变频器内部方框图及外部接线图如图2.13所示图2.13 交流变频器内部方框图及外部接线图该系列变频器能驱动1.111.0KW的三相异步电动机。其输入电压有三相200230V和380460V两种，电源频率为50/60Hz。输出电压在0输入电压范围内可调，输出电压频率在0.01400Hz范围内可进行编程调节。变频器的输出电压是输出频率的函数，输出电压和频率的比率可由用户编程设定。变频器的接线方法如图所示。变频器的R、S、T端接三相交流电源，U、V、W端接三相异步电动机。其输入控制功能包括起动、停止、反转、点动和速度预置(可以利用开关1、2、3的不同组合在0400Hz范围内，设置七个预定频率)。还可以接受远程电位器输入、直流010V或420mA的模拟信号输入，实现频率调节。变频器能提供两路可设定的输出信号，一路为继电器触点输出，另一路为晶体管集电极开路输出，并提供一路直流010V的模拟信号输出(用于表示频率)。通过串行接口外接的通信模块可以将变频器和上位控制站相连进行通信。人机接口模块(手持编程器)一方面可用于对变频器进行编程(输入编程信号)，另一方面可用于显示变频器的运行状态和诊断数据。 由于可编程序控制器PLC可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，因此用PLC对整条碳纤维生产线的多机实行自动控制，确保设备同步运行的工艺速度要求19。 结束语毕业设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和参考过程。在这几个月的时间里，虽然花的时间比较多，过程也是比较辛苦，可是看到自己的劳动成果还是比较欣慰的。展望未来，航空、风力发电推动碳纤维需求日益增长，随着世界经济的发展，机械制品对于碳纤维等高端材料的需求也在不断增长，碳纤维除了一些优于金属材料的性质外，还具有耐腐蚀性，减轻质量，便于现场安装等优点。在汽车领域可以替代钢材，制造CNG瓶、保险杆、底盘等汽车配件，使汽车质量降低40%以上，从而节省燃油7%，符合有效节能的未来发展优势。由此可见，进行碳纤维碳化、石墨化设备及后处理装置设备的工程化开发具有广阔的发展前景，今后对于这些设备的研制开发、形成规模化生产能力、在保证质量的基础上降低成本，将进一步推动不断发展的市场需求。目前，国内研究开发以及生产碳纤维的呼声很高，发展趋势令人鼓舞，为此，碳纤维相关设备的研制也一定具有广阔的发展前景。我们要以适应时代需求，生产出更佳产品为目标，遵照国家“十一、五”规划要求，按照可持续发展的科学发展观不断创新，扩大能力，提高产品性能，开发新的应用领域，为我国的国防和经济建设添砖加瓦。回顾这次毕业设计，从选题到定稿，从理论到实践，在这段毕业设计期间里，可以说得是苦多于甜。通过本次毕业设计，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。在设计过程中也遇到了很多困难，诸如有的知识以前没有学好，给设计进度造成影响，还有许多想要得到资料查不到等问题，在克服一切困难，完成毕业设计后倍感自己在动手能力方面得到了很大的提高。培养了思考解决困难的好习惯，有利于我今后的进一步学习。在以后遇到困难、挫折的时候
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