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        基于疲勞分析的螺旋軸有限元分析

        2014-05-29 00:52:14路原睿馬耀宏郭少華左振京
        化工機械 2014年3期
        關(guān)鍵詞:軸頭螺旋載荷

        路原睿 馬耀宏 郭少華 左振京

        (1.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司;2.南京天華化學(xué)工程有限公司;3.中國紡織科學(xué)研究院)

        螺旋輸送機作為輸送物料的設(shè)備,適宜輸送各種粉料、粒狀和小塊的物料,但不宜輸送易變質(zhì)、粘性大和易結(jié)塊的大塊物料[1]。螺旋加料器具有結(jié)構(gòu)簡單、橫截面尺寸小、密封性能好、便于中間進料/出料、操作安全方便及制造成本低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于采礦、化工、建材、冶金、機械制造、輕紡織工業(yè)及糧食等行業(yè)。螺旋結(jié)構(gòu)可按使用場合的不同分為實體螺旋、帶式螺旋和葉片螺旋。實體螺旋適宜輸送干燥、粒度小的顆粒或粉狀物料,其螺距等于直徑的0.8倍;帶式螺旋適宜輸送塊狀物料或粘性中等物料,其螺距等于直徑;葉片螺旋適宜輸送粘性大和可壓縮性物料,其螺距等于直徑的1.2倍。

        決定螺旋輸送機的工作性能、生產(chǎn)效率和使用壽命的主要零部件是螺旋軸。螺旋軸一般由空心軸管外焊螺旋葉片和管兩端裝配軸頭組成,軸頭部位由軸承支撐,中間懸空。螺旋軸主要受自身重力所產(chǎn)生的彎矩作用力、傳動端扭矩作用力和軸向作用力。螺旋軸每轉(zhuǎn)動一周,軸上對應(yīng)點的應(yīng)力完成一個周期循環(huán),所以螺旋軸長期處在交變應(yīng)力作用下進行工作,即使最大應(yīng)力遠低于材料的許用應(yīng)力,在沒有發(fā)生塑性變形的情況下也會發(fā)生疲勞斷裂。

        1 螺旋軸結(jié)構(gòu)

        螺旋軸結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由軸頭、軸管和螺旋葉片組成,兩端軸頭通過軸承支撐,在傳動端軸頭裝有驅(qū)動裝置用以提供軸體轉(zhuǎn)動所需的動力,轉(zhuǎn)動的軸體通過螺旋葉片推動所需輸送物料流動。

        圖1 螺旋軸結(jié)構(gòu)簡圖

        2 有限元模型的建立

        螺旋軸受到的力有4個主要來源:由自重產(chǎn)生的應(yīng)力;傳動端軸頭受到驅(qū)動而在軸體上產(chǎn)生的扭矩作用;進料口物料由高處掉落而產(chǎn)生的沖擊載荷;輸送物料過程中物料對螺旋軸產(chǎn)生的反作用力??紤]到螺旋軸結(jié)構(gòu)和受力的復(fù)雜性,并長期處于交變循環(huán)應(yīng)力環(huán)境下,采用常規(guī)的經(jīng)驗公式無法準(zhǔn)確計算螺旋軸各處的應(yīng)力及其壽命,筆者利用有限元軟件ANSYS[2],采用參數(shù)化建模的研究方法,對螺旋軸的應(yīng)力分布狀況、變形情況進行分析,并通過疲勞分析法準(zhǔn)確預(yù)測其壽命情況。

        筆者以某化工企業(yè)螺旋輸送機螺旋軸為研究對象,螺旋軸轉(zhuǎn)速約為40r/min,葉片外徑為800mm,軸管規(guī)格為φ180mm×20mm,軸承支撐跨距為6 198mm,螺旋輸送機所輸送物料為CTA,螺旋軸各部件所用材料及其特性見表1。

        表1 螺旋軸各部件所用材料及其特性

        三維有限元數(shù)值分析可以準(zhǔn)確地描述螺旋軸的受力情況,使應(yīng)力的計算更為精確[3],螺旋軸有限元模型如圖2所示,為了方便同類結(jié)構(gòu)軸體的分析計算,筆者利用ANSYS的參數(shù)化建模方法和APDL代碼建立了完整的螺旋軸有限元模型,所選用的有限元單元均為三維實體單元SOLID45[4],為了保證求解的準(zhǔn)確性,筆者通過特有的建模方式,確保有限元模型中全部網(wǎng)格均為求解性能良好的六面體網(wǎng)格。

        圖2 螺旋軸有限元模型

        3 邊界條件的加載

        螺旋軸所受載荷有自重、物料作用力、傳動端所施加的扭矩、來自上游的物料沖擊載荷和物料對螺旋軸的腐蝕作用??紤]到有限元模型所用單元類型為solid45,施加豎直方向的重力加速度即可,該螺旋軸所加重力載荷為988kg。物料施加在螺旋葉片上的力按作用在葉片上的壓力施加于葉片表面,物料密度為1 050kg/m3,填充率為30%,該壓力載荷沿整個螺旋軸長度均勻分布,物料載荷的施加情況如圖3所示。傳動軸功率為14.8kW,傳動軸轉(zhuǎn)速為40r/min,故傳動端所受扭矩為3 533N·m。物料墜落高度按4.5m考慮,計算得到上游物料跌落對螺旋軸的沖擊力為4 725N。由于物料具有腐蝕性,在計算中軸管和葉片考慮1.5mm的腐蝕裕量。軸頭與軸管采用過盈配合的連接方式,在本計算中通過設(shè)置接觸單元來實現(xiàn)過盈配合。

        圖3 模型物料載荷的施加

        4 計算結(jié)果

        在所施加載荷的作用下,螺旋軸豎直方向的最大變形約為1.586mm,該最大變形位于螺旋軸的中點,是螺旋軸的最大撓度,如圖4所示。螺旋葉片與軸管連接部位的應(yīng)力分布云如圖5a所示,應(yīng)力最大位置位于螺旋軸最中間位置,最大應(yīng)力為13.0MPa,根據(jù)JB 4732-1995應(yīng)力強度的定義[5],螺旋葉片與軸管連接處應(yīng)力幅為6.50MPa。軸頭位置的應(yīng)力分布云如圖5b所示,最大應(yīng)力值位于軸頭直徑最大端的第一個軸肩處,其值為49.80MPa;軸管位置的應(yīng)力分布云如圖5c所示,軸管的應(yīng)力最大值位于軸管與軸頭過盈配合的最外側(cè),應(yīng)力最大值為91.00MPa。

        圖4 螺旋軸撓度分布云圖

        a. 螺旋葉片與軸管連接部位

        b. 軸頭

        c. 軸管圖5 螺旋軸應(yīng)力分布云圖

        筆者所研究螺旋軸的轉(zhuǎn)速為40r/min,壽命按10年考慮,故所研究的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1.92×108次,按照文獻[5]附錄 C4進行應(yīng)力評價,考慮到焊縫削弱的影響,軸管與葉片焊接部位的焊縫許用應(yīng)力幅為28.75MPa,根據(jù)上述計算結(jié)果,此處應(yīng)力幅只有6.50MPa,遠遠小于焊縫許用應(yīng)力幅;同樣,軸頭與軸管連接處的許用應(yīng)力為115.00MPa,而根據(jù)計算結(jié)果,此處的最大應(yīng)力分別為49.80MPa與91.00MPa,也小于許用應(yīng)力。

        5 結(jié)束語

        對螺旋軸的結(jié)構(gòu)特點和受力狀況進行了分析,考慮到疲勞斷裂是螺旋軸損壞的主要因素,以常規(guī)強度校核為主的設(shè)計手段無法對螺旋軸壽命進行準(zhǔn)確預(yù)測。筆者建立螺旋軸有限元模型進行分析計算,通過疲勞循環(huán)應(yīng)力評定的方法對螺旋軸使用壽命進行預(yù)測,確保所研究的螺旋軸在使用工況下完全達到設(shè)計壽命要求,對實際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。

        [1] 劉相東,于才淵,財?shù)氯?常用工業(yè)干燥設(shè)備及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

        [2] 商躍進.有限元原理與ANSYS應(yīng)用指南[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

        [3] 付光杰,甄東芳,邢建華.開關(guān)磁阻電機的三維有限元分析及性能研究[J].化工自動化及儀表,2010,37(6):68~71,75.

        [4] 博弈創(chuàng)作室.ANSYS 9.0經(jīng)典產(chǎn)品高級分析技術(shù)與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

        [5] JB 4732-1995,鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國機械工業(yè)出版社,2005.

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