［研究？设计］隧道式连续洗衣机内滚筒设计及强度分析陈宏1，谷献磊1，2，王琪2，陆亚琳1，雷义春（ 1.江苏海狮机械集团，江苏张家港619 2.江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江003）比各种方案的优缺点。在确定一种底部内滚筒设计方式的情况下，利用HyperMesh软件对内滚筒三维模型网格化，施加静力载荷及相关约束，然后进行有限元分析。结果表明：应力云图及位移云图验证此创新结构设计满足强度及刚度要求，故而可以指导国内首创的底部传送隧道式洗衣机的加工生产。图11表1参10文献标志码： A 0引言隧道式连续洗衣机（简称洗衣龙CBW）首次出现于上世纪80年代的美国清洁展会上，后被欧美等发达国家广泛应用，其采用多仓位连续洗涤，将预洗，主洗，漂洗和后处理依次完成，大大提高洗涤效率，并由于期间的水循环合理配置及处理过程的连续性，能够大幅节能节水，是未来工业洗涤的发展方向目前洗衣龙技术主要集中于欧美等发达国家，国内主要依靠进口设备或者采用单机进行布草洗涤，往往造成资金浪费或洗涤效率偏低，国产洗衣龙的自主研发将彻底改变这一现状。

　　内滚筒是洗衣龙的关键部件，其由单个滚筒焊接组合而成，针对不同的洗涤处理要求，选择不同的长度及内滚筒结构。洗涤仓数越多，单位时间内洗衣龙处理布草的能力越强［2］，但是随着洗涤仓的增加，布草在内部的通行及内部结构的设计影响更为突出，同时多仓带来的大跨度变形也会随之增加，对内滚筒的强度及刚度要求更高。与以往进行强度分析的内滚筒相比［3］，此首创的底部传送结构更便于加工制造，且有良好的布草通过性。

　　轻工机械1内滚筒的种类在洗衣龙洗涤过程中，单个或多个洗涤仓共同完成一个洗涤动作（如图1），上个洗涤仓洗涤动作结束时布草被自动推进到下个洗涤仓，推进方式有顶部、底部2种传送方式，其各有优缺点并被不同的处理需求的机型采用。

　　不同的传送方式采用不同的内滚筒结构，在洗涤过程中，由于内滚筒的旋转使布草在滚筒内摩擦、摔打、冲洗，逐步由前仓位推入下一洗涤段位，完成洗涤动作［4］。内滚筒主要结构包括螺旋板、洗涤筋和滚筒壁（如图2），螺旋板结构决定了滚筒内布草的传送方式，合理的设计可以提高洗涤效果1.1底部传送式滚筒设计底部传送是指在洗涤过程中，布草在洗涤滚筒内的传送是由底部推入下一洗涤仓。在内滚筒旋转过程中，布草经特定的内滚筒螺旋板摩擦及滚筒洗涤筋摔打进行洗涤动作，并通过螺旋板上的螺旋出口传送到下级仓位，传送时全部液体同时带到下级仓位，布草通过性好，且滚筒容积比达1： 30，有较好的洗涤效果。

　　1.1.1完全螺旋式结构设计完全螺旋板结构是将螺旋板完全按照阿基米德螺旋线结构设计（如图2），将螺旋叶片分散于滚筒内侧。

　　螺旋板采用逐渐递减式钣金折叠设计，形成搓衣板阶梯式结构，在洗涤过程中，采用滚筒的洗涤转动将布草送入下一洗涤仓位的传送方式。此结构可以增加布草在内滚筒的摩擦，提高洗涤效率，但在加工螺旋板时比较困难［6］，不容易控制钣金加工质量。

　　1.1.2部分螺旋式结构设计螺旋板结构采用部分螺旋线结构设计，部分采用隔离板的方式（如图3）。此结构不仅能保证在洗涤过程中布草的顺利传送，而且加工制造方便，容易控制加工质量。螺旋线结构设计能够确保布草顺利的传送到下一洗涤仓位，在洗涤过程中，滚筒的旋转角度变化，从而布草逐步由螺旋出口进入下一洗涤仓。

　　1.2顶部传送式滚筒顶部传送是采用螺旋叶片收缩于滚筒中心（如图4），滚筒的洗涤转动可以将布草送入下一洗涤仓位的传送方式（如图1所示）。布草通过滚筒圆心处的圆孔传送到下级仓位中，液体会在传送过程留下大部分，从而确保下一仓位的洗涤水的清洁，节省洗涤剂，但在传送过程中，由于螺旋叶片收缩的滚筒中心圆孔的限制，容易造成布草堵塞。当滚筒容积比L/kg达到1∶45以上时，布草的通过率才较高，而此时造成滚筒体积较大，不利于制作成本的控制及节能效果的实现。

　　2阿基米德螺旋线在《论螺线》一书中，阿基米德给出了如下定义：当一点P沿动射线OP以等速率运动的同时，这射线又以等角速度绕点O旋转，点P的轨迹称为阿基米德螺线。它的极坐标方程为P = aθ，这种螺线的每条臂的距离永远等于2πa.

　　在洗衣龙内滚筒内螺旋板的设计中，采用阿基米德螺旋结构可以使布草在洗涤的过程中，确保稳定地传送，并保证布草具有摔打、摩擦等良好的洗涤动作。

　　建立动、静双三维坐标系如图5（ a），动系原点在静坐标OZ轴上运动。将动点N设于动系的x轴上（ r，0，0），动系z轴绕定系Z轴进行匀速旋转，同时让动系原点沿OZ轴方向作直线运动，则动点的轨迹为等导程圆柱螺旋线，即为一种阿基米德螺旋结构。图5（ b）中点M，N和O不在同一条直线上，运动过程中ON始终保持与角φ相等）。

　　令S为t时刻的瞬时导程，圆柱中心点初始坐标为（ X），同时t为转角参数，圆柱螺旋线的参数方程则为当S为变量时，此方程形成变导程螺旋线。当其为常数时，形成等导程螺旋线，不同的滚筒设计采用相应的螺旋线结构。图5（ a）所采用曲线为偏心等导程螺旋线，形成过程为：将母线沿一圆柱或椭圆柱螺旋线运动，且始终与圆柱轴线相交成直角，从而形成为螺旋面。由图5可知，要建立的螺旋面母线为线段MN，其长度MN是转角φ的函数。

　　动线MN参数方程小基圆半径，m为偏心距。由余弦定理可知？

　　德螺旋面方程，此结构可在保证洗涤效果的前提下提高布草的传送效率。

　　3内滚筒有限元分析内滚筒为洗衣龙主要载荷承载体，采用12仓结构，长度达12 m以上，对刚度及强度要求较高。首先用SolidWorks软件进行三维建模，再用HyperMesh软件对其网格化建立有限元模型，然后进行刚度及强度分析，获取等效变形图及应力强度分布图［7］，保证数据在安全要求以内，据此指导洗衣龙的设计生产。

　　3.1结构建模HyperMesh具有的强大有限元划分前处理功能和后处理功能，可以实现在高度交互及可视化的环境下仿真分析。支持直接输入已有的三维CAD几何模型型质量都很高。具有先进的后处理功能，可以形象地显示各种各样的复杂的仿真结果，如云图、曲线标和动画等。

　　实验中分析的洗衣内滚筒结构主要用大量的薄壁件通过点焊连接而成［8］。该机采用首尾两点式支撑结构，滚筒重量主要由滚筒内壁承载，在两端支撑下传递支撑力到底部支撑结构，所以内滚筒的结构直接关系到洗衣龙的正常运转。

　　以图3内滚筒结构进行设计洗衣龙内滚筒，内胆结构参数。

　　名称内滚筒直径单个长度（进出口）单个长度（中间）内滚筒圆周厚度V型筋厚度螺旋板厚度内滚筒挡板厚度参数［研究？设计］陈宏，等隧道式连续洗衣机内滚筒设计及强度分析用HyperMesh软件对内滚筒网格化（如图6），由于大部分为薄壁机构，将V型筋、螺旋板和内滚筒圆周画成壳单元，内滚筒挡板画成实体单元，然后设定连接处为rbe2刚性连接单元［9］，从而保证有限单元的计算。将各结构连接处过渡简化为直角过渡，并进行适当的合并，提高模型的分析计算速度。

　　将12仓内滚筒整体网格化为179 601个节点，158 846个单元数（如图7）。整个内滚筒骨架绝大多数构架的材料是钢材，主要有0Cr18Ni不锈钢和16Mn合金钢，滚筒壁、螺旋板和洗涤筋采用0Cr18Ni钢。

　　3.2刚度及强度分析内滚筒作为载荷承载体，主要承受滚筒内下部的水和布草的重量及其自重。布草载荷设为80 kg，水和布草比例为1∶5，故对内滚筒设置有限元载荷480 kg.

　　洗涤水和布草主要分布在滚筒内下部，水的深度决定了压力的大小，又由于布草在水中的缠绕，压力分布略有不同。此次模拟采用取平均值的方法，即按布草和水重力分布对下部内滚筒施加重力载荷内滚筒由底部的2个滚轮支撑，滚轮内侧和中心固定节点由reb2刚性单元连接，将约束施加在滚轮上，并在中心节点上施加约束。在每个节点施加6个自由度，考虑实际的约束，其中一个节点约束6个自由度，包括3个平动自由度和3个转动自由度另外一个节点约束4个自由度，限制Z方向的平动和绕X方向的转动。

　　洗衣龙进行洗涤工作时，洗涤动作为内滚筒滚动旋转，故主要分析工况为弯曲和扭转。由于部分内滚筒要与外滚筒相连，且带有透水网孔，水的有效作用力全部施加在外滚筒上，故内滚筒各仓载荷分别进行相应添加。

　　弯曲工况下，滚筒壁整体变形云图如图8所示，螺旋板和洗涤筋变形云图如图9所示。从变形云图中可以看出，在内滚筒的中间部位变形*大，符合两端支撑、中间悬空情况下的实际受力情况。在放大5 000倍时，滚筒壁*大变形量为0. 7 mm，螺旋板*大等效应力云图（如图10）所示，内滚筒所受到的*大应力是7.808 MPa，而材料的屈服极限为205 MPa，所以内滚筒的强度满足要求。

　　从内部应力云图（如图11）可以看出，内滚筒骨架的整体应力水平并不高，高应力区域主要集中在内滚筒的中心部位，及在螺旋板与洗涤筋的结合部位，由图可见其应力相对较小。总的来说，弯曲工况下内滚筒的整体强度具有较大的余量［10］，因此满足设计中的应力分布要求。

　　4结语通过对隧道式洗衣机内滚筒分析可知，此底部传送式洗涤筒的布草传送效果较好，容积比适宜，并且加工方便，但易造成洗涤剂的浪费。对照有限元云图，内滚筒的强度、刚度均满足材料的安全要求，验证了大跨度滚筒设计方案的可行性，便于接下来的实验加工生产的进行。鉴于目前的实验设备及技术水平，动载荷下的滚筒运动力学分析更具参考价值，有待进一步研究。

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　　荡现象作了说明。实验结果明确了各测量点压力变化的时间特征和打钉周期，确定了压力变化的幅值，可作为气钉枪流场的数值模拟结果的判断依据。

　　3）设定不同的工作压力进行对比实验，结果表明，打钉力度随工作压力的上升而增大，而活塞回程速度与工作压力并无直接联系。

　　4）为气钉枪产品的打钉力度、打钉速度及耗气量等关键性能指标的后续研究奠定了良好的基础。

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