基于ANSYS的拋丸器前曲葉片受力的有限元分析*

吳 凡，唐東林，趙 江，王 斌，羅賢輝，張文文，郭長柱

(1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，四川成都 610500;2.金牛工程建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834008)

0 引言

拋丸除銹技術(shù)是防腐保溫管生產(chǎn)三大關(guān)鍵技術(shù)之一，拋丸除銹技術(shù)決定著管道母體除銹質(zhì)量和除銹效率，其中除銹質(zhì)量的好壞影響管道母體對防銹底漆、環(huán)氧粉末的錨固能力以及整個防腐保溫層的機械強度，除銹效率的高低影響整個防腐保溫管生產(chǎn)的能耗［1］。管道拋丸除銹是指通過拋丸機械對彈丸做功的方法，將彈丸加速到一定速度后，以一定的角度拋射到管道壁上，讓管道壁面受到彈丸的強烈沖擊，利用彈丸的沖擊力使管道表面的氧化皮、焊渣、銹蝕等雜物脫落而達(dá)到除銹效果，并獲得具有一定粗糙度的光潔表面。

一套拋丸除銹系統(tǒng)主要由工件預(yù)熱傳送系統(tǒng)、拋丸機主體、控制系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和丸砂循環(huán)系統(tǒng)等組成。其中拋丸器是拋丸除銹系統(tǒng)的核心，由進(jìn)丸管、定向套、分丸輪、拋丸葉片和圓盤等部件構(gòu)成。拋丸器的質(zhì)量和使用壽命主要取決于葉片，葉片受力是研究葉片失效和壽命的基礎(chǔ)，筆者采用ANSYS軟件對前曲葉片的受力狀況進(jìn)行有限元仿真，以進(jìn)一步明確葉片的受力，為延長葉片使用壽命，實現(xiàn)高效拋丸除銹提高理論基礎(chǔ)。

1 前曲葉片受力分析

拋丸器葉片的結(jié)構(gòu)形式，直線葉片、前曲葉片和后曲葉片有3種。葉片的內(nèi)徑、外徑以及曲率半徑是決定葉片工作平面結(jié)構(gòu)的3個主要參數(shù)。葉片的結(jié)構(gòu)分為底座部分、葉片工作曲面和凸臺部分。筆者采用前曲葉片進(jìn)行分析，前曲葉片是指葉片沿著旋轉(zhuǎn)方向向前彎曲的葉片。受力如圖1所示［2］。

圖1 前曲葉片受力圖

其中:m為單個彈丸的質(zhì)量，kg;Ft為切向分力，N;Fn為法向分力，N;Ff為彈丸受到葉片的摩擦力，N;N為彈丸受到葉片的壓力，N;RB為葉片的外徑，mm;Rb為葉片的內(nèi)徑為彈丸的牽連加速度，彈丸的科氏加速度為彈丸的相對加速度，m/s2;ρ為彈丸位置徑向尺寸，mm;ω為彈丸相對質(zhì)心的角速度為彈丸的相對速度，m/s;為彈丸的牽連速度，m/s;l為葉片的曲率半徑，mm;f為彈丸和葉片間摩擦因素。

由牛頓第二定律有:

某一點的切線方向:

某一點的法向方向:

所以可以得到:

壓力為:

由上式可以看出N≥0，所以不存在彈丸會不經(jīng)過前曲葉片的端部而提前飛出葉片的情況。因此其摩擦力為:

葉片不僅要受到彈丸的壓力和摩擦力，還受到自身的重力。在進(jìn)行有限元分析時，首先要做的靜態(tài)分析，如果把葉片看成是靜止的，那么葉片還應(yīng)受到自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力。但實際上葉片受到的壓力和摩擦力是動態(tài)的。由于葉片是高速旋轉(zhuǎn)的，所以當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)到定向套的窗口時，彈丸瞬間布滿葉片，此時葉片受到彈丸的壓力和摩擦力。由于彈丸對葉片產(chǎn)生瞬間的沖擊，所以可以把這兩個力看成是階躍的［3］。T為葉片旋轉(zhuǎn)一周所用的時間。假設(shè)葉片上點受到壓力和摩擦力是同時的，用Ni表示任一點的摩擦力或壓力，在葉片工作過程中，則任一點受到周期力作用，公式如下所示:

2 葉片有限元仿真分析

2.1 仿真主要參數(shù)

筆者用拋丸機的轉(zhuǎn)速ω=2 200 r/min，使用前曲葉片，其曲率為l=200 mm，內(nèi)徑Rb=59 mm，外徑RB=169 mm，材料是高鉻鑄鐵，其 E=1.57 ×1011Pa，泊松比 μ =0.27，密度 ρ=7.8 ×103kg/m3，彈丸與葉片之間的摩擦系數(shù)為f=0.2，彈丸選擇直徑為1 mm的鋼丸，其質(zhì)量 m=3.14 ×10－5kg。

筆者采用兩種葉片的實體模型進(jìn)行有限元仿真分析，一種忽略底座，另一種考慮全底座，即考慮底座長度與葉片工作曲面長度相同，覆蓋整個葉片底部。其有限元實體模型分別如圖2、3所示。

圖2 無底座葉片實體模型

圖3 全底座葉片實體模型

2.2 單元類型選擇

在Ansys中有100多種單元，不同的單元適合于解決不同的實際問題。葉片是一個彈性力學(xué)中的空間問題，由葉片的受力分析知，葉片的工作表面不同點的受力大小不同、方向不同，因此選用SOLID45單元和表面效應(yīng)單元SURF154。SOLID45單元是應(yīng)用于三維實體的結(jié)構(gòu)分析，筆者先用SURF154在葉片工作表面劃分網(wǎng)格，然后再利用SOLID45單元對葉片的實體劃分網(wǎng)格。另外，由于此拋丸機使用的是直徑為1 mm的彈丸，為了施加的載荷更符合實際情況，需要在劃分網(wǎng)格之前設(shè)定工作面的各邊的單元尺寸是1 mm。劃分網(wǎng)格如圖4、5所示［4］。

圖4 無底座葉片網(wǎng)格劃分

圖5 全底座葉片網(wǎng)格劃分

2.3 無底座的葉片仿真分析

首先，分析去掉凸臺和底座的葉片。考慮到忽略了葉片底座，必須在葉片與底座相連的部分施加固定約束。另外，葉片還受到彈丸對葉片工作表面的壓力和摩擦力以及葉片旋轉(zhuǎn)引起的慣性力［5］。無底座葉片施加載荷和約束，如圖6所示。

通過ANSYS運算后，葉片的整體應(yīng)力分布和葉片的整體位移變形如圖7、8所示。

由圖7、8可知:葉片的大部分都處于應(yīng)力較低的狀態(tài)，但在忽略底座而施加固定約束的區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大應(yīng)力值約為σB=138 MPa;最大位移位置在葉片出口端的頂部處，與理論方面的分析結(jié)果相互吻合，其值約為0.338 mm。

圖6 施加載荷和約束

圖7 葉片整體應(yīng)力分布

圖8 葉片整體位移變形圖

2.4 考慮底座的葉片仿真分析

對葉片實體模型施加載荷和約束，如圖9所示。通過ANSYS運算后，葉片的整體應(yīng)力分布和葉片的整體位移變形如圖10所示。

圖9 考慮底座的葉片受載荷和約束

圖10 葉片整體應(yīng)力分布圖

由圖10、11可知:在考慮底座長度為葉片工作表面全長時，整個葉片絕大部分處于應(yīng)力較低的狀態(tài)，僅僅在葉片與底座相連，以及葉片底座與葉輪相連的一端應(yīng)力值較大，出現(xiàn)了小應(yīng)力值的應(yīng)力集中點。整個葉片上低應(yīng)力值的范圍大約在30 MPa以下，而應(yīng)力集中部位處最大的應(yīng)力值為338 MPa。而在葉片底部與底座相連的部分其應(yīng)力值約為80～110 MPa;最大位移量仍然出現(xiàn)在葉片出口端的頂部處，其值為0.354 mm。

圖11 葉片整體位移變形圖

3 結(jié)論

(1)無論是忽略底座還是考慮底座，葉片均處于應(yīng)力較低的狀態(tài)，其最大應(yīng)力和最大位移量均不大，葉片在工作條件下可以安全使用。

(2)底座長度不同，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的條件下，全長底座葉片有應(yīng)力變化范圍更大、應(yīng)力集中程度小且最大應(yīng)力值較小的優(yōu)點。但底座過長會導(dǎo)致拋丸輪的結(jié)構(gòu)尺寸增大，重量增加。因此在設(shè)計和選擇葉片結(jié)構(gòu)時應(yīng)考慮最合適的底座長度。

［1］ 王澤恒，劉 峰，王艷華.管道防腐生產(chǎn)工藝方案研究［J］.焊管，2010(12):44－48.

［2］ 李 微.拋丸機葉片的設(shè)計及分析［D］.長春:吉林大學(xué)，2007.

［3］ 閻蔭槐，龐維誠.彈丸在拋丸器內(nèi)運動過程的新探討［J］.中國鑄機，1993(1):38－41.

［4］ 張紅松，胡仁喜.ANSYS13.0有限元分析從入門到精通［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011

［5］ 姜青河，于茂旺，陳 鳳，等.拋丸器拋丸葉片失效原因淺析［J］.鑄造設(shè)備研究，2007(6):1－2.