濕式混凝土噴射機轉子有限元分析研究

王高升,傅彩明,關耀奇

(湖南工程學院機械工程學院,湘潭411101)

0 引言

濕式轉子式混凝土噴射機是地下和地面工程中,進行臨時或永久性混凝土噴射支護的面廣量大的關鍵設備.因其具有結構簡單、性能可靠、操作方便、適用范圍廣等顯著優(yōu)點,而普遍受到用戶的好評.尤其在目前的噴射混凝土支護工程中,轉子式混凝土噴射機已占到各種類型混凝土噴射機總量的90%以上[1][2].

轉子是轉子式噴射機的核心部件,其結構型式和尺寸大小決定著主機其它部件型式和尺寸,其性能對整機的主要技術性能也有著重大的影響[3].當電機起動后,經減速器通過輸出軸帶動轉子旋轉,混凝土拌料經料斗落入旋轉的轉子孔內,轉子轉過180°后,其料孔與壓縮空氣一次進氣口相通,形成了完整的吹料通道.壓縮空氣迫使混凝土料進入輸料管,同時在出料彎頭處的二次進氣孔加入壓縮空氣促使混凝土料以懸浮狀流體沿輸送管輸送,混凝土料在噴頭處的混合室與液體速凝劑混合后,經噴嘴高速噴射到欲支護的工作面上.由于轉子連續(xù)不斷地旋轉,轉子上有10個均布的料孔不斷地與出料孔和壓縮空氣進氣孔相通,如此不斷循環(huán),完成連續(xù)噴射[4].在此過程中混凝土噴射機的轉子部分的應力應變情況直接關系到噴射機的動態(tài)工作性能.

1 混凝土噴射機的基本參數(shù)及實體模型的建立

該混凝土噴射機噴射能力6 m3/h;骨料最大直徑25 mm;進料水灰比0.4～0.45;最大工作風壓0.6 MPa;最大耗氣量9 m3/min;最大輸送距離40 m;速凝劑添加量3%～5%(水泥重);電機功率7.5 kW;外形尺寸(長寬 高)2142 mm×1441 mm×1336 mm;整機重1480 kg.

轉子的實體模型如圖1所示.

圖1 轉子實體模型

2 材料參數(shù)及有限元網格劃分

施加的載荷為8.98e+4N的均布載荷、扭矩為1.87e+6 Nmm.約束為轉子與下轉子襯板相接觸到的平面之間的固定約束.轉子有限元分析中的材料參數(shù)如表1所示,材料為Steel-ANSI C1020.

表1 材料數(shù)據(jù)表

轉子的有限元模型及網格劃分如圖2所示.在該模型中,單元平均尺寸取12mm,細化部分的平均尺寸根據(jù)實際要求而定,細化部分包括模型的曲面、曲線和細長棱邊處.以下所有的有限元分析中,如無特殊說明,許用網格偏差都取10%.

轉子的有限元模型網格劃分的實際最大偏差值為9.8%,在允許的偏差范圍內.該有限元模型中有34926個單元,有64142個節(jié)點.

圖2 轉子有限元分析網格劃分圖

3 轉子的有限元分析云圖

轉子的有限元分析結果的高等線云圖如圖3～圖8所示.

分析圖3～圖8可知,轉子中心減速器相連處以及轉子上部的應力較大,最大值2.75 e+7 Pa,大大小于材料的最大許用應力3.31 e+8 Pa,該結構的安全系數(shù)為12.04;模型中部應力較小,最小值為1.88 e+4 Pa.模型的最大位移或變形值為0.0117 mm,位于模型上部絲桿安裝處,目前已有的轉子型混凝土噴射機的摩擦板壓緊裝置是采用手工轉動絲桿,由絲桿的一端直接壓緊摩擦板,其受力不均勻,壓緊程度難控制,往往會產生過壓情況,在使用工程當中,操作人員由于沒有標準的儀表測試出當前夾緊裝置所施加壓力的大小,而只能憑經驗來施加壓力,這樣就會產生較大的誤差.因此,降低了摩擦板的使用壽命,另外摩擦板與噴射機轉子上的結合板之間,由于工作過程中摩擦板的磨損所造成的間隙得不到補償,塵埃逸出,所以會加重工作場地的污染程度.而液壓夾緊裝置具有夾緊迅速、壓緊力可調、壓緊力均勻合理的優(yōu)點,當系統(tǒng)壓力不夠時,可以從液壓裝置中及時得到補償,另外系統(tǒng)中的壓力可以通過壓力表直接讀數(shù),從而可以避免產生過壓現(xiàn)象.由于轉子和上、下橡膠襯板之間的夾緊力的大小直接影響整機的使用性能和橡膠密封墊的使用壽命,采用液壓夾緊裝置能提高工效延長橡膠襯板的使用壽命.

4 結 論

目前噴射混凝土支護工程中采用干式噴射,存在粉塵濃度大、回彈高的嚴重缺點,只有將干式噴射改為濕式噴射才是解決問題的根本途徑[5][6].本課題運用虛擬樣機技術及有限元仿真分析來設計開發(fā)濕式混凝土噴射機,通過使用虛擬樣機技術來建立零件實體模型,并在計算機上通過仿真軟件完成轉子有限元仿真及提出結構優(yōu)化方案,以確定噴射機在工作狀態(tài)時轉子的應力、應變及位移情況,這樣可以簡化濕式混凝土噴射機的設計,降低研制成本,縮短新產品的開發(fā)周期.通過設計后的濕式混凝土噴射機將是集環(huán)保型、智能化、自動化、高工作性、高耐久性于一體的新高性能設備.同時本文采用有限元法進行研究,對噴射機關鍵零件進行有限元仿真,得到這些關鍵零件的結構特性,從而提出合理的優(yōu)化方案,使整機性能得到提高.另外課題研究過程當中的分析數(shù)據(jù)為今后該項目的評估和產品的綜合性能評價提供了有力科學的依據(jù).

[1]虞家詳.行標《轉子式混凝土噴射機》的分析[J].煤礦機械.2009,30(10).

[2]張海國,王保民,張金譽.混凝土噴射機轉子密封襯盤的研制[J].機械設計,2007,(9):59-61.

[3]鄒玉霞,董愛群.淺析提高混凝土噴射機密封板工作壽命的措施[J].江蘇煤炭,2003,(2):27-28.

[4]王小寶,楊福真.SPZ-6B型濕式混凝土噴射機的研制[J].礦山機械,2003,(9):32-35.

[5]韓躍文,張咸民.PC6B型潮式混凝土噴射機的特點及應用效果[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2003,(3):58-62..

[6]王秀山,孔祥利,董文昕.HSP6型混凝土噴機的結構設計[J].建筑機械管理,2003,(4):60-62.