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        基于SIMULATION的制粒機(jī)環(huán)模數(shù)值模擬及設(shè)計(jì)優(yōu)化

        2012-06-08 03:16:00徐煒陸敏周梅英劉春華談曉東
        飼料工業(yè) 2012年21期
        關(guān)鍵詞:有限元分析

        徐煒 陸敏 周梅英 劉春華 談曉東

        (江蘇正昌糧機(jī)科研所,江蘇 溧陽 213300)

        制粒是將粉料通過機(jī)械或化學(xué)的方法,將其聚合成型的過程。飼料制成顆粒后有提高飼料的消化吸收轉(zhuǎn)化率,防止動(dòng)物挑食,殺滅沙門氏菌,便于貯存和運(yùn)輸?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)。制粒工藝主要是通過制粒機(jī)這種關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。常見的制粒機(jī)有螺旋擠壓式、平模式、環(huán)模式等結(jié)構(gòu)形式,因環(huán)模制粒機(jī)制粒質(zhì)量好,顆粒硬度高,所以適用性最廣且最為普遍。本文重點(diǎn)對(duì)SZLH428普通畜禽料制粒機(jī)的環(huán)模進(jìn)行分析和優(yōu)化。

        1 環(huán)模制粒機(jī)工作原理

        1.1 制粒原理

        粉料進(jìn)入制粒室,在高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)模帶動(dòng)下,粉料由于離心力的作用緊貼環(huán)模內(nèi)壁并隨環(huán)模一起轉(zhuǎn)動(dòng)從而被帶入到環(huán)模與壓輥之間的楔形區(qū)域,在受到環(huán)模和壓輥的擠壓后成型為顆粒并從環(huán)模的孔中擠出,在環(huán)模外部切刀的作用下被切成短小顆粒,從而完成制粒過程,如圖1和圖2所示。

        圖1 制粒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        圖2 制粒原理

        1.2 環(huán)模

        環(huán)模是周身布滿圓孔的環(huán)類零件,其材質(zhì)、尺寸參數(shù)、加工質(zhì)量對(duì)顆粒質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要的影響。環(huán)模是易損件且在實(shí)際工作中受力情況復(fù)雜,新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)的鄧勇認(rèn)為,環(huán)模失效的原因主要為磨損和疲勞斷裂,其中以磨損失效為主要形式。但經(jīng)過大量實(shí)踐證明,多數(shù)環(huán)模在磨損失效之前就應(yīng)力性破損,所以本文著重從環(huán)模工作受力方面進(jìn)行研究。

        2 環(huán)模有限元仿真分析

        本研究對(duì)象為SZLH428普通畜禽料制粒機(jī)環(huán)模,其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

        表1 環(huán)模參數(shù)

        2.1 建模

        環(huán)模結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,在建模時(shí)去掉部分螺紋孔、倒角、圓角等對(duì)分析結(jié)果影響不大的細(xì)節(jié)且忽略所有??讕淼挠绊?。簡化后采用SIMULATION軟件進(jìn)行三維實(shí)體單元網(wǎng)格劃分,并在局部細(xì)化網(wǎng)格。劃分節(jié)點(diǎn)總數(shù)61218個(gè),單元總數(shù)37408個(gè),劃分最小單元1.71 mm,最大單元20.1 mm,雅克比4,網(wǎng)格品質(zhì)高。其網(wǎng)格模型如圖3所示。

        圖3 環(huán)模網(wǎng)格劃分

        2.2 載荷分析

        環(huán)模主要受電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩M,壓輥的擠壓力N以及物料的摩擦力F,如圖4所示。

        圖4 環(huán)模受力情況

        假設(shè)環(huán)模是勻速轉(zhuǎn)動(dòng),合力矩為0,根據(jù)公式

        式中:M——電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩(N·m);

        P——主電機(jī)功率(kW);

        f——粉料與環(huán)模的摩擦因子,取0.3;

        n——環(huán)模轉(zhuǎn)速(r/min);

        R——環(huán)模內(nèi)半徑(mm)。

        計(jì)算得 N=193771 N,F(xiàn)=58131 N,M=26740 N·m

        對(duì)于環(huán)模內(nèi)表面的一點(diǎn),在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi),除驅(qū)動(dòng)力矩M是長期存在外,N與F只會(huì)出現(xiàn)兩次,是典型的周期性接觸應(yīng)力問題,見圖5。

        圖5 接觸應(yīng)力圖解

        根據(jù)接觸應(yīng)力(赫茲應(yīng)力)公式:

        式中:b——接觸帶半寬(mm);

        L——接觸線長,即環(huán)模寬度(mm);

        R1——壓輥半徑(mm),取110;

        R2——環(huán)模半徑(mm),取230;

        μ1、μ2——材料泊松比,此處都取0.3;

        E1、E2——材料彈性模量,取E1=E2(N/m2)。

        由此可計(jì)算出b=1.853 mm,2b=3.706 mm,即可確定擠壓力N的受力區(qū)域。

        最大接觸應(yīng)力

        計(jì)算得 σmax=458.72 MPa≤[σHLP]≈1500 MPa;

        同時(shí) σmax≤[σ-1]≈566 MPa。

        式中:[σHLP]為許用線接觸強(qiáng)度;[σ-1]為 10-7循環(huán)次數(shù)下材料的疲勞強(qiáng)度極限。

        最大切應(yīng)力 τ45°≈0.33σmax=151.38 MPa,出現(xiàn)位置坐標(biāo)為z=0.786b=1.46 mm,y=0處。周期性接觸應(yīng)力會(huì)引起環(huán)模的接觸疲勞破壞。圖6為環(huán)模載荷圖。

        圖6 環(huán)模載荷

        2.3 結(jié)果及分析

        經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),環(huán)模非正常破裂主要有如下三種形式:

        ①傳動(dòng)鍵槽根部開裂并伴有鍵槽頂部剝落現(xiàn)象,見圖7;

        ②環(huán)模法蘭面45°縱深裂紋,見圖8;

        ③突發(fā)性斷裂,見圖9。

        圖7 傳動(dòng)鍵槽根部開裂并伴有頂部剝落現(xiàn)象

        圖8 45°方向縱深裂紋

        圖9 突發(fā)性斷裂

        主要原因分析如下:

        ①環(huán)模主要靠鍵槽驅(qū)動(dòng),鍵槽根部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,見圖10和圖11。

        圖10 VonMises應(yīng)力云圖

        圖11 鍵槽處VonMises應(yīng)力云圖

        鍵槽根部存在應(yīng)力集中,平均應(yīng)力約352 MPa,鍵槽頂部出現(xiàn)最大應(yīng)力,其值約為804.7 MPa。

        圖12 合位移云圖

        ②圖13顯示了環(huán)模受擠壓部位的應(yīng)力分布,擠壓處的平均應(yīng)力約為348 MPa。

        圖13 受擠壓處應(yīng)力云圖

        受擠壓部位的平均應(yīng)力值小于材料的屈服強(qiáng)度(約835 MPa),但卻接近材料的疲勞強(qiáng)度極限(循環(huán)下約566 MPa),因此對(duì)此環(huán)模進(jìn)行疲勞分析。

        環(huán)模彎矩

        如圖14所示。

        圖14 環(huán)模彎矩

        材料的S-N曲線如圖15所示。

        圖15 合金鋼的S-N曲線

        循環(huán)次數(shù)107次,加載比率-0.572。

        在經(jīng)歷最多2231次循環(huán)后,環(huán)模受擠壓部位即出現(xiàn)疲勞破壞。

        ③對(duì)于突發(fā)性的環(huán)模破裂,主要是由于制粒室內(nèi)進(jìn)入了金屬塊或石塊等雜物而造成的,在設(shè)備運(yùn)行前注意清理雜物即可。

        圖16 疲勞壽命

        3 優(yōu)化方案

        ①鍵槽根部倒圓角R3,鍵槽頂部倒角C3,如圖17所示。

        圖17 鍵槽處優(yōu)化方案

        圖18 優(yōu)化后的VonMises應(yīng)力云圖

        優(yōu)化后,鍵槽部位最大應(yīng)力值僅為419.6 MPa,為原最大應(yīng)力的52.1%,根部平均應(yīng)力為280 MPa,僅為原來的79.5%。

        ②改善熱處理工藝,嚴(yán)格控制熱處理工藝質(zhì)量,精確把握滲碳碳勢、淬回火溫度和時(shí)間,控制合金鋼表面硬度不超過62HRC(有理論認(rèn)為,對(duì)于合金鋼,接觸疲勞壽命在一定范圍內(nèi)隨硬度的增加而增加,但在62HRC處出現(xiàn)拐點(diǎn))。

        ③改善環(huán)模加工質(zhì)量,特別是鍵槽處和內(nèi)表面的粗糙度要盡可能低,建議在??捉K擴(kuò)后加一道精修內(nèi)面的工序。

        ④優(yōu)化顆粒壓制生產(chǎn)工藝,重視粉料配方中油脂的添加和作用,油脂可在兩接觸體之間形成流體動(dòng)壓油膜,能顯著增加疲勞壽命,但要注意油脂的腐蝕性,否則可能反而會(huì)降低其疲勞壽命。

        4 小結(jié)

        環(huán)模作為制粒機(jī)上昂貴的易損件,其材質(zhì)成分、熱處理工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)、加工質(zhì)量對(duì)制粒機(jī)效能的發(fā)揮有著關(guān)鍵的影響,如何降低環(huán)模非正常破損率,延長其使用壽命,一直是一個(gè)困撓企業(yè)的難題。實(shí)踐證明,一個(gè)普通畜禽料制粒機(jī)環(huán)模的使用壽命若延長100 h,即可為一個(gè)小型飼料加工企業(yè)帶來數(shù)十萬的經(jīng)濟(jì)效益。通過對(duì)環(huán)模的研究可以得到如下結(jié)論。

        ①應(yīng)力集中和接觸疲勞破壞是環(huán)模破損的主要原因所在,利用有限元分析技術(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),改善熱處理及加工工藝可以有效減少環(huán)模破損率,延長環(huán)模使用壽命。

        ②優(yōu)化粉料配方也可以提高環(huán)模的使用壽命。

        ③本研究中忽略了??讕淼挠绊懀瑢?shí)際上??椎某叽纭⒎植记闆r、總數(shù)對(duì)環(huán)模強(qiáng)度亦有影響,且可以推斷是負(fù)面影響。鑒于研究??讓?duì)于環(huán)模強(qiáng)度的影響時(shí)運(yùn)算量過于龐大(約4500個(gè)???,計(jì)算機(jī)配置要求過高,所以相關(guān)討論會(huì)在日后的研究中逐漸完善。

        ④環(huán)模磨損模型的建立及分析亦是后續(xù)研究的內(nèi)容之一。

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