干粉投加機(jī)進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)計(jì)及有限元分析

高艷紅

(唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山 063000)

干粉投加機(jī)進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)計(jì)及有限元分析

高艷紅

(唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山 063000)

結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論，對(duì)進(jìn)料機(jī)進(jìn)行三維造型；基于有限單元法，對(duì)主要受力部件螺旋體和攪拌器進(jìn)行了受力分析，得到了其應(yīng)力分布場(chǎng)；對(duì)攪拌軸進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了螺旋軸的各階頻率。

投加機(jī)；螺旋軸；進(jìn)料攪拌系統(tǒng)；有限單元法；應(yīng)力場(chǎng)

0 引言

螺旋進(jìn)料機(jī)是干粉固體顆粒搬運(yùn)系統(tǒng)機(jī)械化和自動(dòng)化不可缺少的部分，是現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要標(biāo)志之一。進(jìn)料系統(tǒng)主要由螺旋軸、進(jìn)料攪拌系統(tǒng)、料槽和驅(qū)動(dòng)裝置組成。工作時(shí)，物料由螺旋軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向推力沿軸向推至卸料口卸出。本文根據(jù)經(jīng)典理論和經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)進(jìn)料機(jī)的螺旋軸、進(jìn)料攪拌系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置，用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)進(jìn)料機(jī)進(jìn)行三維造型，并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析。

1 三維造型

三維造型不僅直觀，而且可以校驗(yàn)機(jī)械零部件是否存在運(yùn)動(dòng)干涉、裝配干涉現(xiàn)象，還可以為進(jìn)一步做有限元分析、運(yùn)動(dòng)分析等打下基礎(chǔ)。

1.1 設(shè)備主要參數(shù)

本文所設(shè)計(jì)的螺旋進(jìn)料機(jī)使用條件如下：

輸送物料為干粉固體顆粒；

額定輸送量Q=20 t/h；

輸送距離L=2 m；

物料的堆積密度λ=0.86 t/m3。

1.1.1 螺旋直徑D的確定

螺旋直徑可參考以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到：

式中：D-螺旋直徑；

k1-物料綜合特性系數(shù)；

φ-物料填充系數(shù)；

λ-物料的堆積密度；

C-傾斜輸送系數(shù)。

本文中物料為高分子聚合物，根據(jù)物料性質(zhì)，確定物料綜合特性系數(shù)為0.041 5[1]326，物料填充系數(shù)為0.33[2]。考慮到螺旋進(jìn)料機(jī)水平布置，確定傾斜輸送系數(shù)為1[1]328。將已確定參數(shù)代入上式并根據(jù)螺旋葉片直徑的標(biāo)準(zhǔn)系列最終確定螺旋直徑為250mm。

1.1.2 螺距的確定

螺距的大小直接影響物料輸送，當(dāng)輸送量和直徑一定時(shí)，物料運(yùn)動(dòng)的滑移面會(huì)隨著螺距的變化而改變，直接導(dǎo)致物料運(yùn)動(dòng)速度分布發(fā)生變化。合理螺距的確定需考慮螺旋面與物料的摩擦關(guān)系以及速度各分量間的適當(dāng)分布關(guān)系，參考經(jīng)驗(yàn)公式，螺距又在200～250mm之間，因此取螺距為200mm。

1.1.3 殼體內(nèi)徑與螺旋軸直徑的確定

殼體內(nèi)徑=D+30=280mm；

螺旋軸直徑d≈0.4D=100mm。

1.2 三維造型

進(jìn)料機(jī)最終三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 進(jìn)料機(jī)三維模型

2 關(guān)鍵部件有限元分析

螺旋體、攪拌器及螺旋軸是進(jìn)料機(jī)的關(guān)鍵受力部件，本文基于ANSYS對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

2.1 螺旋體靜力分析

2.1.1 實(shí)體模型從前述三維造型導(dǎo)入，模型及網(wǎng)格劃分情況如圖2中a，b所示。

圖2 螺旋體的模型與網(wǎng)格劃分

2.1.2 有限元模型

基于前述，建立有限元模型。

單元類(lèi)型：根據(jù)實(shí)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，選用8節(jié)點(diǎn)線性三維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元Solid45。

材料模型：材料為Q235，屈服點(diǎn)бs=235 MPa，波松比為0.3，彈性模量E=2.06E5，密度為7.85E-6 kg/mm3。

約束施加：螺旋軸固定的一端施加全約束；螺旋葉片上施加通過(guò)計(jì)算得到的壓強(qiáng)，為109 038 Pa。

2.1.3 分析結(jié)果

典型位移云圖如圖3所示，應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖3 螺旋體位移云圖

圖4 螺旋體應(yīng)力云圖

結(jié)果討論：分析結(jié)果表明最大位移變化量在螺旋葉片外緣，螺旋葉片外緣易發(fā)生變形，螺旋葉片根部基本不會(huì)發(fā)生變形。最大應(yīng)變值為0.266×10-3，螺旋葉片的變形量在允許的范圍內(nèi)。螺旋葉片在根部應(yīng)力有最大值16 MPa，滿足使用強(qiáng)度要求。

2.2 攪拌器靜力分析

2.2.1 單元材料

攪拌器采用10節(jié)點(diǎn)線性三維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元Solid187，材料為45。

2.2.2 約束施加

物料攪拌器被固定的一端施加全約束；攪拌器表面所受的壓強(qiáng)為71 665 Pa。

攪拌器網(wǎng)格劃分情況如圖5所示。

圖5 物料攪拌器網(wǎng)格劃分圖

2.2.3 分析結(jié)果

物料攪拌器典型位移云圖如圖6所示，應(yīng)力云圖如圖7所示。結(jié)果表明物料攪拌器在主梁上易發(fā)生變形；應(yīng)力在物料攪拌器中間固定端有最大值，易發(fā)生破壞，最大值為38.8 MPa，滿足使用強(qiáng)度要求。

圖6 物料攪拌器位移云圖

圖7 物料攪拌器應(yīng)力云圖

2.3 螺旋軸模態(tài)分析

對(duì)螺旋軸進(jìn)行模態(tài)分析，以避免設(shè)計(jì)的振動(dòng)頻率在其固有頻率的范圍內(nèi)。

2.3.1 施加載荷

在軸的兩個(gè)對(duì)稱節(jié)點(diǎn)上施加力，根據(jù)扭矩計(jì)算得到施加在節(jié)點(diǎn)上的力為11 460 N。

2.3.2 分析結(jié)果

螺旋軸頻率如圖8所示。

圖8 螺旋軸前六階的振動(dòng)頻率

從各階的頻率和振型可以看出，各階的振型量相對(duì)都較大，雖然校核剛度符合要求，但是從螺旋軸固有頻率考慮，其剛度需進(jìn)一步提高，可設(shè)計(jì)為大截面小厚度的空心軸。

一階和二階頻率接近，三階和四階頻率接近，頻率均較低；五階和六階頻率相差較大，頻率均高。所以一定要及時(shí)地監(jiān)控激勵(lì)頻率的范圍，防止發(fā)生共振。

3 結(jié)論

(1)運(yùn)用三維軟件對(duì)進(jìn)料機(jī)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，既提高了設(shè)計(jì)效率，又保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

(2)螺旋體、螺旋軸、物料攪拌器是進(jìn)料機(jī)主要受力部件。對(duì)螺旋體和攪拌器進(jìn)行了靜力分析，得出了應(yīng)力云圖，分析了它們的可靠性；對(duì)攪拌軸進(jìn)行了模態(tài)分析，得到螺旋軸的頻率，為結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1] 陶珍東，鄭少華.粉體工程與設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] 盧壽慈.粉體設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：541-543.

(責(zé)任編校：白麗娟)

Design and Finite Element Analysis of the Feeding System of the Dry Powder Adding Machine

GAO Yan-hong

(Department of Mechanical Engineering， Tangshan College， Tangshan 063000， China)

The author of this paper made a three-dimensional model of the adding machine， guided by modern design theories， conducted a stress analysis of the spiral body and the agitator， established the stress distribution field， with the finite element method， performed a modal analysis of the stirring shaft and attained the frequency bands of the screw axis.

adding machine； screw shaft； feeding mixing system； FEM； stress field

TP391.99

A

1672-349X(2015)03-0059-02

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.020