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        高性能涂布試驗(yàn)機(jī)的涂布輥設(shè)計(jì)研究

        2023-08-29 04:11:36黃學(xué)佳包能勝馬秀欠許鵬佘鍔楨
        中國設(shè)備工程 2023年15期
        關(guān)鍵詞:輥的輥?zhàn)?/a>試驗(yàn)機(jī)

        黃學(xué)佳,包能勝,馬秀欠,許鵬,佘鍔楨

        (1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,廣東 汕頭 515078;2.汕頭大學(xué)機(jī)械電子工程系,廣東 汕頭 515063;3.汕頭市華鷹軟包裝設(shè)備總廠有限公司,廣東 汕頭 515064)

        1 前言

        由于涂布機(jī)制造大多屬于單件定做產(chǎn)品,各個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不公開,涂布技術(shù)的發(fā)展一直受到限制。隨著一些專業(yè)制造涂布設(shè)備廠家的出現(xiàn)和發(fā)展,企業(yè)對涂布技術(shù)的原理性分析和理論指導(dǎo)需求越來越迫切。而根據(jù)動態(tài)相似性原理,小型的實(shí)驗(yàn)性涂布機(jī)能夠準(zhǔn)確地預(yù)測真實(shí)的生產(chǎn)涂布機(jī)的運(yùn)行情況,所以,幾乎所有的業(yè)內(nèi)專家都認(rèn)為:用實(shí)驗(yàn)性涂布機(jī)來模擬真實(shí)涂布機(jī)工作過程的某些部分是非常重要和必需的。

        涂布模塊作為涂布試驗(yàn)機(jī)的核心單元,直接影響涂布質(zhì)量的好壞。涂布輥是涂布模塊中的重要部件,因此,本文將其作為重點(diǎn)研究對象。在深入研究分析涂布機(jī)功能和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對涂布輥的具體參數(shù)做了細(xì)致的研究,建立了三維模型,在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行力學(xué)分析,最后通過有限元分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的有效性。本文的所有工作,旨在建立一套完整的涂布機(jī)的輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)與分析方法,使今后涂布試驗(yàn)機(jī)的涂布模塊設(shè)計(jì)更加方便、高效。

        2 工作機(jī)理

        逆轉(zhuǎn)輥涂布機(jī)是一種仿行涂布機(jī),即基材上涂布溶液層的形狀與涂布輥上涂布溶液層的形狀是一樣的。在這種涂布機(jī)中,它可以在基材表面上涂一層非常均勻的涂布液薄膜。三輥逆向涂布頭(見圖1)是由3 個(gè)輥?zhàn)咏M成,且每兩個(gè)輥?zhàn)釉谄湎嗲悬c(diǎn)的運(yùn)動方向都是相逆的,并且兩個(gè)輥之間的間隙寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其中任意一輥的半徑。其中,涂布輥部分直接浸在料槽中,在轉(zhuǎn)動過程中把涂布液帶到涂布輥與計(jì)量輥之間的計(jì)量間隙中。為使涂布均勻,在涂布輥上再增加一條計(jì)量輥,使涂料更均勻,計(jì)量輥結(jié)構(gòu)與涂布輥相同,直徑小于涂布輥和襯輥。襯輥的作用是壓住基材,使基材在涂布過程中與涂布輥均勻無縫隙接觸。并采用底部供料方式,即供料槽從下面供應(yīng)涂布液體。此外,刮刀用來將計(jì)量輥表面的液體刮掉。

        圖1 底部供料三輥逆向涂布示意圖

        逆轉(zhuǎn)輥涂布的原理主要滿足以下兩點(diǎn)要求:第一,計(jì)量輥與涂布輥的旋轉(zhuǎn)方向相反,且兩輥之間保持一個(gè)精確的計(jì)量間隙,基材表面薄膜的厚度由輥隙和計(jì)量輥與涂布輥的表面速度調(diào)節(jié)。第二,基材由彈性背輥支撐,薄膜從涂布輥轉(zhuǎn)移到基材上。

        3 涂布輥設(shè)計(jì)與有限元分析

        3.1 COSMOSWorks 有限元靜力分析步驟

        應(yīng)用COSMOS 分析問題時(shí),通常有3 個(gè)基本步驟:①前處理;②求解;③后處理。其中前處理包括模型處理、定義分析類型、添加材料屬性、施加載荷、網(wǎng)格劃分。后處理主要是對結(jié)果進(jìn)行分析,其流程圖見2。下面逐一進(jìn)行介紹。

        (1)模型處理。在分析之前,我們需要對模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化與處理,以滿足網(wǎng)格劃分的要求。這種修改包括特征消隱、理想化或清除等方法。利用這些處理可簡化網(wǎng)格,保證網(wǎng)格順利劃分。

        (2)新建算例。要生成算例,請右鍵單擊COSMOS AnalysisManager 樹中的頂部圖標(biāo),然后單擊“算例”。按照名稱、網(wǎng)格類型、分析類型和屬性定義算例。

        (3)添加材料屬性。在右擊COSMOS AnalysisManager樹中“實(shí)體”/“殼體”中定義材料,打開對話框,可從SolidWorks、COSMOS 材料庫中選取,用戶還可自定義。

        (4)定義約束和載荷。用戶可通過“載荷與約束”添加所需的載荷與約束形式,COSMOS 提供了豐富的載荷與約束形式。

        (5)網(wǎng)格劃分。用戶根據(jù)需要選擇合適的網(wǎng)格類型、大小和精度,進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

        (6)求解。

        (7)后處理。運(yùn)行完成后,“結(jié)果”文件夾將出現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、位移圖解,用戶還可根據(jù)需要添加其他圖解,如安全系數(shù)圖解等。

        3.2 設(shè)計(jì)

        根據(jù)日本某試驗(yàn)機(jī)所用直徑為φ160 的涂布輥和生產(chǎn)機(jī)所用直徑為φ230 的涂布輥,在同樣的工藝下,用于測試后得出涂布量及涂布條件基本相同。而且文獻(xiàn)[3]顯示,改變輥的半徑對逆輥涂布影響很小,而且重力還可以忽略不計(jì)。試驗(yàn)機(jī)的結(jié)論還指出用不同直徑的輥來涂布時(shí),小直徑涂的效果更好,主要是因?yàn)樾≈睆酵坎驾伜突慕佑|部分的面積較小,如圖2a所示,夾在基材和輥之間的顆粒狀涂布液體變得很穩(wěn)定,從而涂布面也變得穩(wěn)定、均勻、光滑;并且對直徑比較大的涂布輥,基材面和輥表面太接近,液體切落不好,如圖3a 所示。而對小直徑涂布輥,涂布液切落好如圖3b 所示。

        圖2 Cosmosworks 有限元靜力分析流程圖

        圖3 大小直徑涂布輥比較

        圖4 不同的輥半徑比R2/R1 對涂布量的影響

        根據(jù)工廠的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和理論校核,涂布輥輥身用φ165×12.5 的無縫鋼管制作,輥徑為φ160,兩端用封頭和軸頭連接起來,輥身表面鍍鉻,鍍鉻厚度為0.02 mμ,鍍鉻后要進(jìn)行研磨,研磨后它的無縫光潔度應(yīng)達(dá)到0.102 mμ。輥?zhàn)拥木确浅V匾?/p>

        根據(jù)文獻(xiàn)[4]知,三輥逆向涂布中涂層厚度H 對計(jì)量輥與涂布輥之間的間隙C 的偏導(dǎo)數(shù)是

        式中,H 為涂布前干涂層厚度,m;C 為涂布輥與計(jì)量輥之間的間隙,m;VT為涂布輥的線速度,m/min;VB為襯輥的線速度,m/min;VJ為計(jì)量輥的線速度,m/min;K為涂層濕干比。假設(shè)涂布輥和計(jì)量輥涂布時(shí)的圓跳動為ΔT、ΔJ,顯然?Cmax=ΔT+ΔJ。

        在三輥逆向涂布中,已知涂層的橫向和縱向均勻度是±4%,涂層濕最小厚度為5g/m2,則?H為0.2μm。假設(shè)所有的工作參數(shù)都是在臨界狀態(tài)下,即VT=350m/min,VB=700m/min,VJ=350m/min,K=5/1.5,則由式(1)得

        通過查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊:涂布輥的圓跳動公差等級是1 級,大小為0.002mm;結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),涂布輥的圓柱度公差等級是3 級,大小為0.002mm;同軸度公差等級是1 級,大小為0.002mm。

        3.3 受力分析

        涂布輥和涂布液接觸時(shí),液體和涂布輥固體分子之間相互吸引,形成液體對固體壁面的附著力,即剪切力。由于涂布液是屬于非牛頓流體中的黏彈性流體(viscoelastic fluid),文獻(xiàn)[5]指出屬于粘彈性流體的涂布液本構(gòu)方程類似于擬塑性流體,由牛頓內(nèi)摩擦定律導(dǎo)出,其切應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系是:

        式中,τ表示切應(yīng)力,;du dy表示流體的剪切變形速率;μ表示二者之間的比例系數(shù),又稱為流體的動力黏度(consistency index);n表示流變指數(shù)(flow behavior index),無因次,一般為0.8 ~0.15;流變指數(shù)n 和動力黏度μ之值由實(shí)驗(yàn)確定。

        剪切力計(jì)算公式:

        式中,F(xiàn) 為剪切力,N;τ表示切應(yīng)力,Pa(N/m2);S 為剪切面積,m2。

        已知三輥逆向涂布常用涂布液動力黏度范圍是0.01~10Pa·s,試驗(yàn)機(jī)涂布液動力黏度按照最大μ=10Pa·s來計(jì)算;涂布液體的流變指數(shù)n=0.53,涂布液剪切變形速度為350m/min,計(jì)量輥與涂布輥之間的可調(diào)間隙范圍10 ~1000μm,涂布輥直徑160mm。

        所以,由公式(2)和(3)得涂布液體的剪切力F=287.5N。

        3.4 有限元分析

        涂布輥在工作時(shí)受到涂布液的剪切力,在其所受的剪切力方向上進(jìn)行荷載分析?,F(xiàn)采用solidworks2007中COSMOSworsks 進(jìn)行荷載模擬分析。

        (1)涂布輥材料為鍍鉻鋼輥,涂布輥的質(zhì)量特性與材料屬性見表1。

        表1 涂布輥材料屬性

        (2)應(yīng)用不可移動的約束,對涂布輥的兩端軸承處加“不可移動”約束。

        (3)加載壓力,涂布輥受涂料剪切力287.5N。

        (4)劃分網(wǎng)格,使用“高”品質(zhì)單元劃分網(wǎng)格,修改“單元大小”及“公差”分別為7.587mm和0.37935mm,雅可比高斯點(diǎn)為4。經(jīng)過網(wǎng)格劃分為112593 個(gè)節(jié)數(shù),68875 個(gè)單元數(shù)。

        (5)運(yùn)行該算例,得出分析數(shù)據(jù)見表2 和圖5,圖5(a)為涂布輥位移圖,圖5(b)為涂布輥應(yīng)力圖。

        表2 涂布輥應(yīng)力與位移參數(shù)

        圖5 涂布輥強(qiáng)度分析圖

        從以上數(shù)據(jù)分析可以看出,其最大應(yīng)力為1.84789e+006N/m2,小于屈服強(qiáng)度2.2059e+008,變形位移最大為1.5μm。由于涂布輥是與襯輥微接觸的,根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知,襯輥包覆的彈性層的彈性變化可平衡涂布輥如此小的位移量,所以涂布輥符合設(shè)計(jì)使用剛度要求。

        4 結(jié)語

        用高性能涂布試驗(yàn)機(jī)來模擬真實(shí)涂布機(jī)工作過程的某些部分是非常重要和必需的。本文對涂布輥設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行討論,建立模型,對其進(jìn)行有限元分析,最后分析所得結(jié)果。通過這一完整過程建立了一套高性能涂布試驗(yàn)機(jī)的輥?zhàn)拥脑O(shè)計(jì)分析方法。下一階段將在涂布輥?zhàn)拥幕A(chǔ)上研究建立涂布模塊設(shè)計(jì)的方法,探索出一套快速有效的涂布試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)的理論體系。

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