大型连续生产线中辊筒的优化

大型连续生产线中辊筒的优化

甘书林

乐凯华光印刷科技有限公司设计室

内容提要

CTP（Computer-to-Plant）版材已逐步取代传统版材，广泛应用于整个印刷行业，其中热敏CTP板材占据了90%的市场份额。辊筒作为制版设备中及其重要的基础原件，对其进行优化改进并提高其各方面的性能就显得尤为重要。本文总结归纳了典型的CTP版材生产线中辊筒的失效形式，从几个方面进行优化处理，并对优化结果进行检验。

计算机辅助设计和工程（Computer Aided Design and Engineering，CAD/CAE）技术是结合了现代机械设计、计算机工程、电子信息技术等的一门综合性学科，CAD/CAE集成化则是发展的大势所趋。本文依照CTP版材生产线烘版炉段中的辊筒图纸，利用SolidWorks 2014软件进行了3D建模，并将之导入Ansys Workbench14.5软件中进行了有限元分析，由分析结果可直观看出变形量较大的部位、应力应变集中的部位。根据实际生产的限制，排除了一部分优化方案，提出采用新材料改进辊筒性能的方案，并再次应用CAD/CAE集成软件对更换材料之后的碳纤维辊筒进行了有限元分析，由分析结果可直观看出采用碳纤维辊筒时变形量明显减小、应力应变也有所减小，初步认为优化方案可行。

关键词：热敏CTP版材；辊筒；碳纤维；优化；印刷

1、辊筒研究使用现状及特点

辊筒广泛应用于印刷、包装、造纸、运输等各类传动输送系统中，在大型化连续生产线中有着必不可少的重要作用。在CTP版材生产线中，辊筒同样承担着基础却必不可少的作用，不同化学段对辊筒的要求也不仅相同，比如烘版炉中温度高于化学段，再比如精度较高的涂布段，对辊筒的要求就高于化学段。

辊筒传送系统一般由主动辊和被动传送辊组成，这两种辊筒都是依靠摩擦力进行传递运动的。如何合理优化辊筒的各项性能，确保系统中主动辊和被动传送辊都能正常稳定的运行，对维持生产线的稳定、保持版材质量的稳定、提高生产效率、降低动力能耗等都有着重要的意义。

2、用ANSYS对辊筒模型进行有限元计算

图1辊筒简图

图1的辊筒简图是某条生产线中的辊筒。

最终划分网格的辊筒详见图2。

图2  辊筒网格划分

辊筒变形结果如图3所示。

图3 辊筒变形

辊筒应力分布结果如图4，图5。

图4辊筒应力分布

图5辊筒应力分布

辊筒应变分布结果如图6。

图6辊筒应变结果

在当前稳定运行的车速35m/ min的情况下来看，辊筒的变形量不大，轴头变形量大致是从轴承处到与筒体的连接处逐渐增大，筒体的变形量是两边大，中间小；辊筒的应力最大处是轴头和筒体的连接处；辊筒的应变最大处也是轴头和筒体的连接处。

由于该辊筒是筒体加轴头加双腹板这种形式的，轴头和筒体的连接方式是焊接，故此处应力集中现象较为严重。

根据以上有限元分析结果，从辊筒与碳纤维辊筒应力、应变图中可以直观的看出，采用碳纤维作为辊筒材料，其变形量、应力应变均明显减小，因为，从辊筒结构上来说，采用碳纤维辊筒是可行的。碳纤维辊筒由于其结构特点很好的综合了刚度大和重量轻的特点，非常符合工况要求，碳纤维辊筒惯性矩小，有优良的耐腐蚀性和耐油性，由于其质量轻可以非常方便地进行安装、拆卸、清洁、存放。

3、结语

通过对CTP版材生产线中使用的辊筒的运行状况及故障原因进行收集、整理，提出改进方案，并验证其改进成果，优化设计。结合生产实践，采用计算机辅助设计与工程的方法，利用CAD/CAE集成化的思路，对辊筒进行了有限元分析。其结论总结如下：

利用CAD/CAE集成化的思路，对某条生产线中特殊化学段的辊筒进行了有限元分析，并依据直观结果找出需要改进的地方，提出优化方案，用有限元分析的方法验证方案的可行性。根据CAD图纸在Solidworks中做出辊筒草图，导入Ansys Workbench中进行网格划分、条件设定等一系列操作，最终得出辊筒的应力应变。根据分析结果，在充分了解碳纤维材料的基本特性之后，选取碳纤维材料做为辊筒的新材料进行优化，并将优化之后的碳纤维辊筒重新用Ansys Workbench进行有限元分析，经历和之前一样的操作之后，得出新材料碳纤维辊筒的应力应变。

本篇所讨论的问题，不仅仅适用于热敏CTP版材生产线中的辊筒，对于连续化大型生产线中类似的辊筒也有一定的参考价值。辊筒虽然是非常简单的零件，但是它的稳定运行与整条连续化大型生产线的稳定息息相关，在印刷业、造纸业、农机加工业等行业中，都需要广泛地用到辊筒。各行业之间对辊筒的要求不尽相同，有一些相通的地方可以互相借鉴参考。

参考文献

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