徐江濤

（河南省交通高級(jí)技工學(xué)校，河南 駐馬店 463000）

基于ANSYS的烘干筒攪拌臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐江濤

（河南省交通高級(jí)技工學(xué)校，河南 駐馬店 463000）

文章首先建立了攪拌臂的受力模型，并計(jì)算出瀝青混凝土的作用力為1 011.6 N；然后利用ANSYS軟件對(duì)烘干筒攪拌臂進(jìn)行強(qiáng)度分析，通過(guò)分析最大變形量和最大應(yīng)力值，判斷是否滿足許用應(yīng)力要求；最后通過(guò)增加攪拌臂直徑來(lái)提高剛度的方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以滿足強(qiáng)度要求。

ANSYS；烘干筒；攪拌臂；攪拌葉片

雙滾筒式瀝青攪拌設(shè)備烘干筒由內(nèi)筒和外筒組成，其中內(nèi)筒既可以烘干冷骨料，又可以在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候起到攪拌作用。烘干筒在正常工作狀態(tài)下其內(nèi)筒可以看成一個(gè)巨大的攪拌軸，外壁均勻分布一系列攪拌臂，其作用主要是把瀝青、熱骨料和礦粉等在內(nèi)外滾筒中間的空隙拌和區(qū)均勻混合，以滿足施工的級(jí)配要求。瀝青混合料的生產(chǎn)過(guò)程中，攪拌臂對(duì)混合料作出剪切、旋轉(zhuǎn)和輸送運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到物料不同程度的沖擊和載荷，這些沖擊和載荷關(guān)系到攪拌臂的使用壽命和可靠性，因此對(duì)其進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

ANSYS有限元分析是一種常用的結(jié)構(gòu)分析方式，常用于判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，并通過(guò)優(yōu)化不同的參數(shù)設(shè)置找出最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，以縮減設(shè)計(jì)成本和周期、降低材料消耗等。有限元分析方法通常依托計(jì)算機(jī)對(duì)各種試驗(yàn)方案進(jìn)行模擬，分析并找出機(jī)械結(jié)構(gòu)容易失效的位置，其目的是在滿足許用應(yīng)力等約束條件下，找出滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)最經(jīng)濟(jì)合理的參數(shù)[1]。

1 攪拌臂的力學(xué)模型

瀝青混合料是在一定溫度下，由骨料、礦粉和瀝青等組成的黏彈性流體，具有典型的流動(dòng)和變化特性。由于瀝青混合料在混合攪拌時(shí)的流動(dòng)是三維非定常且不可壓縮的黏彈性流體流動(dòng)，攪拌臂不僅要均勻拌和瀝青混凝土，還要依靠葉片推力將攪拌好的混凝土推送至卸料口，因此受力十分復(fù)雜，需要運(yùn)用力學(xué)相關(guān)理論建立起其受力模型[2]。

1.1 攪拌臂的速度分析

瀝青混凝土在烘干筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度可以分為沿烘干筒軸向和烘干筒周向的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)所分析的瀝青混凝土質(zhì)點(diǎn)在空隙拌和區(qū)半徑r處，相對(duì)于攪拌葉片的速度為V21，移動(dòng)速度為V2，其中可以把V2分解為周向速度Vα和軸向速度Vr，攪拌臂葉片的線速度V1，軸向角為δ，始推角度為α1，如圖1所示。有效拌和區(qū)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，材料塌落度角為α2，設(shè)計(jì)時(shí)通?？梢匀?5°和60°。烘干筒的轉(zhuǎn)速為n，通?？扇≈禐?4 r/min。為方便分析，建立該質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)圖1可得

當(dāng)α=45°時(shí)，可知

1.2 攪拌臂的受力分析

瀝青混凝土在烘干筒內(nèi)周向運(yùn)動(dòng)時(shí)，受攪拌臂作用逐漸移動(dòng)到卸料口。如圖2所示，混凝土受自身重力、攪拌臂推力和剪切力、烘干筒壁的摩擦力和其內(nèi)部微元層間的阻力。其中攪拌臂對(duì)瀝青混合料的推力為dF。dFa為軸向推力、dRa為軸向流動(dòng)阻力、dPa為反向推力、dTa為軸向剪切力；dFr為周向推力、dRr為周向流動(dòng)阻力、dPa為周向剪切力、dTr為反推力。

圖1 混凝土質(zhì)點(diǎn)速度分解圖

圖2 混凝土質(zhì)點(diǎn)的受力圖

對(duì)拌合區(qū)底部運(yùn)動(dòng)運(yùn)用動(dòng)量定理得：

其中：ρ為瀝青混合料的密度，dQa為混合料微元流層的軸向流量?？梢郧蠼獬觯?/p>

在攪拌過(guò)程中，物料會(huì)收到自身重力引發(fā)的周向流動(dòng)阻力。對(duì)混合料微元流層進(jìn)行積分得：

混合料微元被攪拌臂強(qiáng)制攪拌的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周向和軸向的分速度，根據(jù)動(dòng)量守恒定律得：

其中dQr=νrdAr=Lνrdr，一般瀝青混凝土的干密度在1 600～1 800 kg/m3左右，本文計(jì)算時(shí)取中值1 700 kg/m3。代入到上式并進(jìn)行積分可算得：Fa=224.2 N，F(xiàn)r=986.5 N，F(xiàn)=1 011.6 N。

2 攪拌臂的設(shè)計(jì)方案

雙滾筒式瀝青攪拌設(shè)備的烘干筒不同于傳統(tǒng)的間歇式攪拌設(shè)備，其筒內(nèi)烘干筒內(nèi)外壁上都安裝有特殊結(jié)構(gòu)[3]，內(nèi)壁上主要是提料葉片，外壁上主要是攪拌臂。烘干筒在正常工作時(shí)，筒內(nèi)烘干筒充當(dāng)著攪拌軸的角色，但其軸徑比卻遠(yuǎn)大于間歇式攪拌設(shè)備[4]。由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)雙滾筒式瀝青攪拌設(shè)備烘干筒攪拌臂的成熟設(shè)計(jì)理論，目前的設(shè)計(jì)多是參考國(guó)內(nèi)外同型設(shè)備。本文參考國(guó)內(nèi)某公司設(shè)備，經(jīng)過(guò)論證和分析確定攪拌臂模型如圖3所示。

圖3 攪拌臂的CAD模型

3 攪拌臂的仿真分析

攪拌臂的工作條件十分惡劣，對(duì)比之前的失效方式可以發(fā)現(xiàn)，其失效主要是過(guò)度磨損，故在選擇材料時(shí)，選用耐沖擊和耐磨性較好的高錳鋼材料。該材料的彈性模量，泊松比為0.3，許用應(yīng)力[σ]=136 MPa。在劃分網(wǎng)格時(shí)采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格方式，網(wǎng)格單元類型選擇為SOLID92，單元精度為3。把建好的CAD模型導(dǎo)入ICEM CFD中劃分出合適的網(wǎng)格單元，然后在ANSYS中把攪拌臂與烘干筒的連接面定義為全約束類型的約束面，采用面分布形式的載荷并施加在攪拌臂葉片端面，最后進(jìn)行求解計(jì)算得到位移圖和等效應(yīng)力圖如圖4—5所示。

通過(guò)圖4可知，攪拌臂的最大變形量很小，最大變形量出現(xiàn)在攪拌臂葉片頂端位置且僅為0.473 mm，基本可以不予考慮。通過(guò)圖5可知，攪拌臂的最大應(yīng)力出現(xiàn)在與烘干筒外壁的連接位置，最大應(yīng)力值為180.4 MPa。此時(shí)對(duì)比材料的許用應(yīng)力可知攪拌臂的最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力值，正常工作過(guò)程中有斷裂的可能性，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 變形量云圖

圖5 應(yīng)力分布云圖

4 攪拌臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)攪拌臂整體受力不均勻，攪拌臂前端葉片處受力很小。攪拌臂接近烘干筒外壁的連接位置受到的應(yīng)力最大，通過(guò)上述分析可知材料的剛度不能滿足使用要求。根據(jù)材料相關(guān)知識(shí)可知，剛度為材料固有特性，與零件的截面和形狀有關(guān)?，F(xiàn)在提高剛度的方法有很多，比如改變連接位置處的截面形狀或者增加截面面積等[5]。本文選擇增大攪拌臂直徑的方法，把攪拌臂直徑從25 mm增加到30 mm，其他參數(shù)保持不變得到應(yīng)力圖如圖6所示。從圖6可知，優(yōu)化后攪拌臂最大應(yīng)力值僅為51.54 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，滿足強(qiáng)度要求，因此，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)效果顯著。優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法有很多，比如修改連接位置截面形狀，或者增加基座提高接觸面積等。

圖6 優(yōu)化后的應(yīng)力分布

5 結(jié)語(yǔ)

[1]涂秋艷，黨繼輝，溫瑞.基于ANSYS下的壓力機(jī)剪刃結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2014（5）：188-189.

[2]楊艷妮.外燃式混合料加熱滾筒設(shè)計(jì)及熱能利用研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[3]楊向陽(yáng).連續(xù)式與間歇式瀝青攪拌設(shè)備性能比較[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011（12）：57-61.

[4]曹勇濤.雙滾筒連續(xù)式瀝青攪拌設(shè)備方案設(shè)計(jì)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2015（9）：94-96.

[5]王博，徐鵬杰，田建濤.雙臥軸攪拌機(jī)攪拌臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)研究[J].裝備制造技術(shù)，2014（7）：153-154.

Optimum design of stirring arm of drying cylinder based on ANSYS

Xu Jiangtao
（Henan Traf fi c Senior Technical School, Zhumadian 463000, China）

Firstly, the force model of the stirring arm is established and the working force of the asphalt concrete is calculated as 1011.6N.Then, ANSYS software has been used to analyze the strength of the stirring cylinder, and the maximum deformation and the maximum stress have been analyzed to determine whether the allowable stress is satis fi ed. And fi nally by increasing the diameter of the stirring arm,it improves the stiffness of the way to optimize it to meet the strength requirements.

ANSYS; drying cylinder; stirring arm; stirring blade

徐江濤（1983— ），男，河南西平，本科，中級(jí)職稱；研究方向：瀝青攪拌設(shè)備及熱再生設(shè)備烘干筒和能效分析。