李廉明 周佳立

(?嘉興新嘉愛(ài)斯熱電有限公司 嘉興 314016)

(??浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 杭州 310023)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn),市政和工業(yè)產(chǎn)生的污泥日益劇增[1],當(dāng)前我國(guó)對(duì)污泥的處理方式仍以填埋為主,而該手段對(duì)農(nóng)田、水土、環(huán)境、大氣、民生等造成較大的危害[2]。污泥干化焚燒技術(shù)是解決這一困境的創(chuàng)新途徑,是污泥減量化、穩(wěn)定化、資源化的優(yōu)選方案[3-4]。污泥干化過(guò)程中的含水量是干化機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的重要指標(biāo),直接決定了干化污泥的燃燒熱值,其水分自動(dòng)檢測(cè)裝置可進(jìn)行污泥含水量實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)控,并與干化機(jī)進(jìn)行低時(shí)延溫控反饋,實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)、補(bǔ)償及自動(dòng)控制等,對(duì)提升干化污泥燃燒熱值具有重要意義[5]。

呂國(guó)鈞等人[6]針對(duì)污泥干化焚燒系統(tǒng)開(kāi)展了熱效率實(shí)驗(yàn)研究并進(jìn)行了能質(zhì)平衡計(jì)算,通過(guò)提高干化機(jī)的處理量和調(diào)整干化蒸汽消耗量等方式,顯著提高了干化焚燒的整體運(yùn)行效率。劉澤慶[7]對(duì)污泥干化系統(tǒng)中不同外熱及內(nèi)熱比例進(jìn)行熱平衡計(jì)算,并結(jié)合安全、物料輸送等方面進(jìn)行了綜合分析。裴鋒初等人[8]開(kāi)展了不同工況下循環(huán)風(fēng)特性的數(shù)值計(jì)算研究,極大地降低了整個(gè)系統(tǒng)的能耗。錢(qián)柯貞等人[9]深入研究了熱值、一次風(fēng)溫度等參數(shù)對(duì)污泥燃燒溫度和輔助燃料需要量等的影響,結(jié)果表明干化-焚燒系統(tǒng)的輔助燃料需要量隨著入爐含水率的減少而增加。劉平元等人[10]提出了一種基于機(jī)械蒸汽再壓縮的兩級(jí)污泥干化系統(tǒng),深入分析了干化系統(tǒng)污泥出口含水率對(duì)系統(tǒng)能耗及外來(lái)補(bǔ)充蒸汽量的影響。

當(dāng)前學(xué)者們的研究主要針對(duì)污泥干化機(jī)干化過(guò)程中的工藝方法、工況參數(shù)、燃燒溫度等方面進(jìn)行研究,關(guān)于干化機(jī)中污泥含水率自動(dòng)檢測(cè)方面的研究較少,而污泥含水率是工藝方法、工況參數(shù)、燃燒溫度等綜合影響的結(jié)果,是提升干化污泥燃燒熱值的重要參考指標(biāo),具有重要的理論研究意義。同時(shí),污泥干化水分自動(dòng)檢測(cè)裝置需實(shí)時(shí)對(duì)污泥干化機(jī)中的污泥進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與檢測(cè),長(zhǎng)期處于高溫高濕、連續(xù)沖擊的工作環(huán)境,其沖擊振動(dòng)與疲勞壽命等方面仍有待進(jìn)一步研究。鄭利本[11]通過(guò)EDEM 方法數(shù)值模擬研究了不同形狀的煤炭顆粒的法向和切向裝載沖擊載荷特性,得出了箕斗襯板沖擊磨損規(guī)律。潘青等人[12]通過(guò)離散元EDEM 仿真技術(shù),分析了流槽坡度、底部攔擋結(jié)構(gòu)角度和顆粒級(jí)配對(duì)固體顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程及沖擊性能的影響。由前人研究成果可知,結(jié)合離散元和有限元方法,可高效準(zhǔn)確地分析取料機(jī)構(gòu)的落料沖擊特性與疲勞壽命。

因此,本文采用離散元和有限元方法(discrete element method-finite element method,DEM-FEM),基于DEM-FEM 對(duì)污泥干化水分檢測(cè)裝置模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和數(shù)值仿真分析,結(jié)合裝置的實(shí)際工程應(yīng)用需求,對(duì)污泥干化水分自動(dòng)檢測(cè)裝置取料機(jī)構(gòu)進(jìn)行落料沖擊與疲勞壽命等特性的分析,得到了不同顆粒粒度下的沖擊載荷分布、不同取料角度下的沖擊特性、不同激勵(lì)下的模態(tài)振型、幅頻響應(yīng)變化規(guī)律以及不同載荷下的疲勞壽命分布和安全系數(shù)分布規(guī)律。

1 水分自動(dòng)檢測(cè)裝置取料機(jī)構(gòu)

污泥干化水分自動(dòng)檢測(cè)裝置的取料機(jī)構(gòu)示意圖如圖1 所示,機(jī)構(gòu)由料斗、電機(jī)、連接桿、支撐板、直線推桿、固定底座等部分組成。取料機(jī)構(gòu)正常取料時(shí),由電機(jī)2 旋轉(zhuǎn)推動(dòng)直線推桿使得料斗完成伸出和收縮動(dòng)作;取料機(jī)構(gòu)正常放料時(shí),由電機(jī)1 旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連接桿轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)料斗完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

圖1 取料機(jī)構(gòu)示意圖

2 落料沖擊特性分析

利用EDEM 顆粒仿真方法,計(jì)算污泥流顆粒的完整運(yùn)動(dòng)和沖擊過(guò)程,開(kāi)展落料過(guò)程中沖擊特性研究。在EDEM 離散元仿真分析中,接觸模型用于表征相互接觸的單元體之間的接觸行為,針對(duì)污泥落料過(guò)程的離散元仿真計(jì)算,污泥顆粒與料斗之間的接觸模型選用Hertz-Mindlin 模型,獲得仿真計(jì)算過(guò)程中顆粒體對(duì)幾何實(shí)體的法向沖擊載荷和切向沖擊載荷。料斗沖擊載荷模擬示意見(jiàn)圖2。

圖2 料斗沖擊載荷模擬示意圖

本文運(yùn)用控制變量法,選取對(duì)落料過(guò)程及沖擊特性影響較大的2 個(gè)因素作為自變量,即取料角度α以及污泥顆粒粒度φ。EDEM 離散元仿真分析中,準(zhǔn)確的土壤顆粒形狀是保證結(jié)果精度的基礎(chǔ),常見(jiàn)的土壤顆粒的結(jié)構(gòu)形式有球形顆粒、柱狀顆粒、核狀顆粒,如圖3 所示。由于土壤在干化過(guò)程中,處于旋轉(zhuǎn)攪拌狀態(tài),土壤顆粒與攪拌槽的碰撞以及土壤顆粒之間的碰撞,導(dǎo)致顆粒不規(guī)則,故落料仿真實(shí)驗(yàn)中污泥顆粒設(shè)置為核狀顆粒,該土壤顆粒模型能更好地反映出工程實(shí)際中污泥顆粒的狀態(tài)。污泥顆粒粒度φ設(shè)置為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm,取料角度α設(shè)置為15 °、30 °、45 °。

圖3 土壤顆粒模型

取料機(jī)構(gòu)所有組成部件的材質(zhì)均勻連續(xù),料斗/取料機(jī)構(gòu)模型材料參數(shù)如表1 所示。

表1 相關(guān)材料參數(shù)

2.1 污泥顆粒粒度對(duì)沖擊載荷的影響

裝載速度10 m·s-1、裝載量為0.1 kg 時(shí),不同污泥顆粒粒度對(duì)料斗沖擊載荷的分布規(guī)律如圖4 所示。

圖4 不同顆粒粒度沖擊載荷分布規(guī)律

從圖4 可以看出,污泥顆粒粒度對(duì)料斗沖擊載荷有著顯著影響,隨著污泥顆粒粒度增大,料斗所受的法向沖擊載荷及切向沖擊載荷均呈增大趨勢(shì)。顆粒粒度為1 mm 時(shí),污泥顆粒粒度對(duì)料斗沖擊載荷最小,其法向沖擊載荷在小于0.1 N 范圍內(nèi)分布最多,切向沖擊載荷也集中在小于0.1 N 范圍內(nèi);隨污泥顆粒粒度增大,污泥顆粒粒度對(duì)料斗的沖擊載荷也隨之增大,2 mm、3 mm 顆粒粒度對(duì)應(yīng)的法向沖擊載荷都集中分布于0.5～1 N、1～5 N 范圍內(nèi),而切向沖擊載荷分別集中分布于0.1～0.5 N、1～5 N 范圍內(nèi);顆粒粒度增加到4 mm 時(shí),1～5 N 范圍內(nèi)的法向沖擊載荷和切向沖擊載荷接觸數(shù)量占比最高,法向沖擊載荷接觸數(shù)量高達(dá)2289,切向沖擊載荷接觸數(shù)量高達(dá)1389;顆粒粒度增大到5 mm 時(shí),污泥顆粒粒度對(duì)料斗的沖擊載荷最大,10～100 N 的法向沖擊載荷和切向沖擊載荷的接觸數(shù)量占比都最高,法向沖擊載荷接觸數(shù)量高達(dá)2165,切向沖擊載荷接觸數(shù)量高達(dá)1774,最大法向沖擊載荷為99.6 N,最大切向沖擊載荷為20.7 N;結(jié)果表明,污泥顆粒粒度對(duì)料斗的法向沖擊載荷總體大于切向沖擊載荷。

2.2 取料角度對(duì)沖擊特性的影響

2.2.1 取料角度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)速度的影響

圖5 為裝載速度為2 m·s-1、裝載量為0.1 kg時(shí),不同取料角度α下污泥顆粒運(yùn)動(dòng)速度時(shí)程曲線。觀察到落料角度α越小,污泥顆粒的運(yùn)動(dòng)速度峰值越高,污泥顆粒越慢到峰值;且峰值越高,同時(shí)后續(xù)速度也相應(yīng)越高。經(jīng)分析,認(rèn)為增加落料角度變相增大了污泥顆粒的下落行程,由于重力加速度的作用,影響了污泥顆粒的運(yùn)動(dòng)速度峰值。

圖5 不同取料角度下污泥顆粒運(yùn)動(dòng)速度時(shí)程曲線

2.2.2 取料角度對(duì)沖擊力的影響

圖6 所示為裝載速度為2 m·s-1、裝載量為0.1 kg時(shí),不同取料角度α下污泥顆粒沖擊力時(shí)程曲線。觀察到?jīng)_擊力峰值集中在t=0.1 s 附近,隨后時(shí)間內(nèi),沖擊力處在一個(gè)較低范圍內(nèi),偶爾出現(xiàn)相對(duì)較高值。這是由于在t=0.1 s 附近,最先下落的污泥顆粒到達(dá)落料盤(pán),對(duì)其產(chǎn)生直接沖擊,此時(shí)落料盤(pán)受最大沖擊力。隨后下落的污泥顆粒在落料過(guò)程中與其他顆粒產(chǎn)生碰撞、堆積,造成力的分散,對(duì)落料盤(pán)產(chǎn)生間接沖擊,故后續(xù)沖擊力處在相對(duì)較低范圍。由于最先下落的污泥顆粒未將落料盤(pán)表面完全覆蓋,后續(xù)時(shí)間內(nèi)下落的一些污泥顆粒直接沖擊落料盤(pán)裸露的表面,產(chǎn)生了偶爾出現(xiàn)的相對(duì)較高值。

圖6 不同取料角度下污泥顆粒沖擊力時(shí)程曲線

此外,落料角度α越小,污泥顆粒沖擊力峰值越高,15 °時(shí)沖擊力峰值達(dá)到10.2 N。同上一節(jié)分析,增加落料角度變相減小了污泥顆粒的下落行程,由于重力的作用,影響了污泥顆粒的沖擊力峰值。

3 沖擊振動(dòng)特性分析

3.1 取料機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析

利用有限元法對(duì)取料機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,可以高效快速地得到機(jī)構(gòu)的固有頻率和各階振型,指導(dǎo)結(jié)果對(duì)控制取料機(jī)構(gòu)的激勵(lì)頻率、避免激勵(lì)頻率造成的結(jié)構(gòu)共振具有重要意義[13]。在取料機(jī)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,再對(duì)取料機(jī)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析,不僅可以進(jìn)一步分析特定沖擊或外界激勵(lì)對(duì)取料機(jī)構(gòu)的影響,還可以利用諧響應(yīng)分析獲得取料機(jī)構(gòu)在不同沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的幅頻關(guān)系。

3.1.1 邊界條件

在數(shù)值模擬求解過(guò)程中,沖擊振動(dòng)特性與機(jī)構(gòu)的材料參數(shù)有重要關(guān)聯(lián),取料機(jī)構(gòu)的主要材料物理性能參數(shù)如表2 所示。

表2 取料機(jī)構(gòu)的主要材料物理性能參數(shù)

將取料機(jī)構(gòu)的三維模型導(dǎo)入到數(shù)值模擬軟件ANSYS 中,設(shè)定取料機(jī)構(gòu)的固定底座面為固定邊界條件,同時(shí)采用四面體/六面體混合劃分方法對(duì)取料機(jī)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分[14-15],以獲得高質(zhì)量網(wǎng)格,取料機(jī)構(gòu)網(wǎng)格如圖7 所示。

圖7 取料機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分

3.1.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

本文對(duì)取料機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格劃分策略是整體劃分、分區(qū)域調(diào)整,對(duì)電機(jī)、連接桿和料斗網(wǎng)格較為復(fù)雜的部位進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整,采用分塊控制策略進(jìn)行精細(xì)控制,總體網(wǎng)格單元數(shù)為101 409,節(jié)點(diǎn)數(shù)為76 913。根據(jù)取料機(jī)構(gòu)料斗實(shí)際工況下的取樣承載,對(duì)料斗盤(pán)施加2 N 的垂向載荷進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,并將取料機(jī)構(gòu)整體的最大總應(yīng)變作為評(píng)價(jià)指標(biāo),總應(yīng)變圖如圖8 所示。因?yàn)楦鱾€(gè)部件的變形量級(jí)相差較大,取料機(jī)構(gòu)本體結(jié)構(gòu)大部分變形量較小,僅在受垂直載荷的料斗及連接桿部分存在明顯變形,但最大變形量約為1.2 mm。

圖8 總體應(yīng)變圖

為了進(jìn)一步分析取料機(jī)構(gòu)本體結(jié)構(gòu)變形大小,單獨(dú)提取出與固定底座進(jìn)行剛性連接的直線推桿外殼進(jìn)行分析,可以看出最大變形量約為0.298 ×10-3mm,如圖9 所示。這一變形量的尺度相較于取料機(jī)構(gòu)本體結(jié)構(gòu)整體尺寸的尺度,存在巨大的量級(jí)差,該變形量對(duì)取料機(jī)構(gòu)本體結(jié)構(gòu)的影響較小。

圖9 直線推桿外殼的應(yīng)變圖

在上述分析的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了不同網(wǎng)格數(shù)量下的取料機(jī)構(gòu)最大應(yīng)變數(shù)值計(jì)算,不同網(wǎng)格數(shù)下的總應(yīng)變對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)對(duì)比表3 中不同網(wǎng)格的最大應(yīng)變結(jié)果和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證分析可得到結(jié)論如下。當(dāng)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行處理后,觀察5 萬(wàn)、10 萬(wàn)、25 萬(wàn)級(jí)別下網(wǎng)格的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理之后,求解偏差并不大,偏差大概在1.7%～2.4%左右。因此,可以認(rèn)為當(dāng)網(wǎng)格總體數(shù)量達(dá)到10 萬(wàn)級(jí)別左右時(shí),已經(jīng)獲得網(wǎng)格無(wú)關(guān)解,后續(xù)的分析可以采用此網(wǎng)格數(shù)經(jīng)行網(wǎng)格劃分。

在開(kāi)展取料機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析時(shí),有如下2 個(gè)假設(shè)。

(1) 模態(tài)分析的邊界條件與靜力學(xué)分析時(shí)邊界條件相同。

(2) 取料機(jī)構(gòu)工作時(shí),鋁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)屬于線性振動(dòng),結(jié)構(gòu)的阻尼很小,可忽略不計(jì)[16]。

根據(jù)取料機(jī)構(gòu)料斗實(shí)際工況下的沖擊特性,設(shè)定結(jié)構(gòu)的外界激勵(lì)頻率為0～50 Hz,所以在分析時(shí)選擇頻率范圍為0～80 Hz 已經(jīng)能夠滿足要求。利用ANSYS 軟件的模態(tài)分析模塊,求解得到結(jié)構(gòu)在此頻率范圍內(nèi)共有6 階模態(tài)[17]。前6 階模態(tài)振型如圖10 所示。

圖10 取料機(jī)構(gòu)前六階振型

取料機(jī)構(gòu)在工作時(shí)所受的外界激勵(lì)源包括以下2 個(gè)方面。

(1) 取料時(shí)取料機(jī)構(gòu)前進(jìn)時(shí)的電機(jī)頻率f1為50 Hz。f1與取料機(jī)構(gòu)的第四階頻率38.013 Hz 相近,二者相差=24.0%。

由分析結(jié)果可以看出,取料機(jī)構(gòu)工作時(shí)各激勵(lì)源產(chǎn)生的頻率與共振頻率相差甚遠(yuǎn),對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的影響并不大。

3.2 取料機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析

取料機(jī)構(gòu)在執(zhí)行取料動(dòng)作時(shí),污泥的落下會(huì)對(duì)料斗產(chǎn)生一定的沖擊力,在諧響應(yīng)分析時(shí)將沖擊力等效作用在料斗盤(pán)中心節(jié)點(diǎn)處。根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果,諧響應(yīng)分析的強(qiáng)制頻率范圍為0～80 Hz,定義頻率步數(shù)為20 步,即設(shè)置均勻分布的20 個(gè)激振頻率點(diǎn)[18],分別為4 Hz、8 Hz、12 Hz、16 Hz、20 Hz、24 Hz、28 Hz、32 Hz、36 Hz、40 Hz、44 Hz、48 Hz、52 Hz、56 Hz、60 Hz、64 Hz、68 Hz、72 Hz、76 Hz、80 Hz。

在數(shù)值模擬分析過(guò)程中,總體變形在X、Y、Z3 個(gè)方向上得到的幅頻響應(yīng)曲線如圖11 所示。

圖11 幅頻響應(yīng)曲線

綜合3 個(gè)位置的幅頻響應(yīng)曲線可以發(fā)現(xiàn),取料機(jī)構(gòu)在X向、Y向的響應(yīng)幅值小于Z向的響應(yīng)幅值,這是因?yàn)槭┘拥耐饨鐩_擊振動(dòng)方向?yàn)閆方向。根據(jù)X向幅頻響應(yīng)曲線,取料機(jī)構(gòu)在二階固有頻率(28 Hz)、三階固有頻率(31 Hz、35 Hz)附近有3 處響應(yīng)點(diǎn),說(shuō)明當(dāng)激勵(lì)頻率在二、三階固有頻率處,機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生X向共振。根據(jù)Y向幅頻響應(yīng)曲線,取料機(jī)構(gòu)在二階固有頻率(20 Hz)、三階固有頻率(35 Hz)附近有2 處響應(yīng)點(diǎn),說(shuō)明當(dāng)激勵(lì)頻率在二、三階固有頻率處,機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生Y向共振。根據(jù)Z向幅頻響應(yīng)曲線,取料機(jī)構(gòu)在一階固有頻率(15Hz)、二階固有頻率(20 Hz)、三階固有頻率(35 Hz)附近有3 處響應(yīng)點(diǎn),說(shuō)明當(dāng)激勵(lì)頻率在二、三階固有頻率處,機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生Z向共振。綜上所述,機(jī)構(gòu)最有可能在第二、三階發(fā)生共振,通過(guò)模態(tài)分析結(jié)果驗(yàn)證了取料機(jī)構(gòu)前進(jìn)時(shí)電機(jī)的頻率(50 Hz)與結(jié)構(gòu)的第四階固有頻率(38.013 Hz)的避開(kāi)率為24%,因此該激勵(lì)頻率不會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生共振[19]。

基于上述取料機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果,得到了機(jī)構(gòu)的前六階固有頻率和振型,根據(jù)得到的結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)在激勵(lì)源影響下不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。另外,利用模態(tài)疊加法對(duì)取料機(jī)構(gòu)進(jìn)行了諧響應(yīng)分析,得到機(jī)構(gòu)總體在沖擊下的幅頻響應(yīng)曲線。根據(jù)幅頻響應(yīng)曲線,確定機(jī)構(gòu)在前幾階頻率段3 個(gè)方向發(fā)生共振時(shí)的激勵(lì)頻率,驗(yàn)證了取料機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性可行。

4 疲勞壽命分析

疲勞是材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下,在一處或幾處產(chǎn)生永久性累計(jì)損傷,經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或者突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程[20]。大多數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅僅承受靜載荷,往往還要承受交變載荷的作用,交變載荷是機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞的重要原因之一,因此機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程必須考慮交變載荷對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響[21]。污泥干化水分自動(dòng)檢測(cè)裝置取料機(jī)構(gòu)在取樣時(shí)會(huì)受到污泥下落時(shí)的沖擊,取料機(jī)構(gòu)會(huì)承受一定的交變載荷。隨著使用年限的增加,可能將導(dǎo)致取料機(jī)構(gòu)發(fā)生疲勞失效。若取料機(jī)構(gòu)發(fā)生疲勞失效,將對(duì)整個(gè)污泥干化水分自動(dòng)檢測(cè)裝置產(chǎn)生重大影響,甚至直接導(dǎo)致裝置損壞和整機(jī)停工。因此,本文以取料機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,重點(diǎn)開(kāi)展在脈動(dòng)循環(huán)載荷作用和對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷作用下的疲勞壽命分析。

4.1 有限元模型及初始條件

將污泥干化水分自動(dòng)檢測(cè)裝置取料機(jī)構(gòu)的材料屬性定義為鋁合金,材料的S-N 曲線如圖12 所示。

圖12 鋁合金的S-N 曲線

材料屬性定義之后,根據(jù)實(shí)際載荷情況,對(duì)模型設(shè)置接觸和施加約束是影響結(jié)果精度的關(guān)鍵因素[22]。本文對(duì)取料機(jī)構(gòu)接觸的設(shè)置按照實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置,對(duì)4 個(gè)底部固定支架上施加固定支撐約束,平均應(yīng)力修正理論采用Goodman 理論[23]。根據(jù)取料機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作需求,取料機(jī)構(gòu)每次取樣量較少,所受的沖擊載荷的振幅變化并不大,因此可近似等效為恒定振幅載荷,載荷類(lèi)型為脈動(dòng)循環(huán)載荷。對(duì)取料機(jī)構(gòu)受到的沖擊力等效作用在料斗盤(pán)中心處,在輕度載荷情況下,等效載荷大小設(shè)定為2 N,如圖13 所示。

圖13 等效載荷作用圖

本節(jié)對(duì)取料機(jī)構(gòu)在2 種載荷作用下進(jìn)行疲勞分析,第1 種是輕度載荷,大小為2 N,以驗(yàn)證取料機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)的疲勞性能;第2 種是重度載荷,大小為100 N,以驗(yàn)證取料機(jī)構(gòu)在受到重度沖擊作用下的疲勞性能。

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 輕度載荷下的疲勞分析

污泥干化水分自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)壽命一般為25～30 a,以裝置每年工作12 個(gè)月,每個(gè)月工作24 d,每天工作8 h,污泥干化水分自動(dòng)檢測(cè)裝置應(yīng)力循環(huán)一次大約需要180 s,以最高設(shè)計(jì)壽命30 a 計(jì)算,則壽命范圍內(nèi)總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為30 ×12 ×24×8 ×60 ×60 ÷180=1.38 ×106次。

圖14 所示為取料機(jī)構(gòu)在脈動(dòng)循環(huán)載荷下的壽命分布云圖,從圖中可得知取料機(jī)構(gòu)各處所能夠承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1 ×108,大于設(shè)計(jì)壽命1.38 ×106次。結(jié)果表明,該取料機(jī)構(gòu)滿足30 a 的設(shè)計(jì)壽命要求[24-25]。

圖15 所示為取料機(jī)構(gòu)在脈動(dòng)循環(huán)載荷下的安全系數(shù)分布圖,從圖中可以看出取料機(jī)構(gòu)各處的安全系數(shù)均為15。取料機(jī)構(gòu)考慮到溫度和腐蝕等條件對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響,許用安全系數(shù)取1.5。取料機(jī)構(gòu)各處安全系數(shù)均大于1.5,故滿足設(shè)計(jì)要求。

圖15 輕度載荷下取料機(jī)構(gòu)安全系數(shù)分布圖

4.2.2 重度載荷下的疲勞分析

圖16 和圖17 為施加100 N 重度載荷下,取料機(jī)構(gòu)的疲勞壽命分布和安全系數(shù)分布圖。

圖16 重度載荷下取料機(jī)構(gòu)疲勞壽命分布圖

圖17 重度載荷下取料機(jī)構(gòu)安全系數(shù)分布圖

如圖16 和圖17 所示,在施加100 N 載荷下取料機(jī)構(gòu)的疲勞性能出現(xiàn)了大幅降低,主要集中在與料斗盤(pán)連接的連接桿上,且在連接桿的支撐部位表現(xiàn)較為明顯。此時(shí)最大應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1 ×108,最小應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為58 051,最小安全系數(shù)也較低,約為0.54。綜合分析可以得出:取料機(jī)構(gòu)的薄弱部位為連接桿,在受到重度沖擊載荷時(shí)較易發(fā)生疲勞失效甚至斷裂[26-27]。因此在使用過(guò)程中要注意對(duì)連接桿的保護(hù),防止其受到重度沖擊。

基于上述分析,在2 種不同大小的載荷下,取料機(jī)構(gòu)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和安全系數(shù)相差較大,載荷越大,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和安全系數(shù)越小,其中安全系數(shù)下降較大,危險(xiǎn)部位主要集中在連接桿上,在設(shè)備定期維護(hù)過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注[28]。

5 結(jié)論

通過(guò)基于DEM-FEM 的數(shù)值模擬方法,開(kāi)展了污泥干化水分自動(dòng)檢測(cè)裝置取料機(jī)構(gòu)的落料沖擊與疲勞壽命等特性研究,對(duì)沖擊載荷分布、沖擊特性、模態(tài)振型、幅頻響應(yīng)、疲勞壽命以及安全系數(shù)分布等方面進(jìn)行了深入分析,具體結(jié)論如下。

(1) 隨著污泥顆粒粒度增大,料斗所受的法向沖擊載荷及切向沖擊載荷均呈增大趨勢(shì),且污泥顆粒粒度對(duì)料斗的法向沖擊載荷總體大于切向沖擊載荷。

(2) 落料角度α越小,污泥顆粒的運(yùn)動(dòng)速度峰值越高,且峰值越高,同時(shí)后續(xù)速度也相應(yīng)越高。落料角度α越小,污泥顆粒沖擊力峰值越高,15 °時(shí)沖擊力峰值達(dá)到10.2 N。

(3) 取料機(jī)構(gòu)前進(jìn)時(shí)電機(jī)的頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率的避開(kāi)率可達(dá)到24%,在正常輕度載荷工作情況下,各處的安全系數(shù)均為15,能承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1 ×108,滿足各項(xiàng)疲勞壽命要求;在100 N 重載下,最小應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為58 051,最小安全系數(shù)約為0.54,薄弱部位為連接桿,易發(fā)生疲勞失效甚至斷裂。