基于ANSYS的多層振動篩側(cè)板開裂研究

蔣文志,劉云飛,薛　闊,李晨光,高　陽(長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實驗室,陜西西安　710064)

基于ANSYS的多層振動篩側(cè)板開裂研究

蔣文志,劉云飛,薛闊,李晨光,高陽
(長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實驗室,陜西西安710064)

摘要:針對某廠家生產(chǎn)的瀝青攪拌設(shè)備多層振動篩的側(cè)板開裂問題,提出通過增大振源板與側(cè)板的接觸面積的解決方案,在ANSYS中對改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行熱固耦合仿真分析,并進(jìn)行相關(guān)理論計算。結(jié)果表明,該改進(jìn)方案能有效降低振源板與側(cè)板鉚釘圓孔周圍的應(yīng)力,且接觸部分整體的應(yīng)力分布較均勻,能防止振動篩側(cè)板開裂。

關(guān)鍵詞:瀝青攪拌設(shè)備;振動篩側(cè)板;振源板;有限元分析

振動篩是將提升機(jī)送來的骨料按照不同的粒徑重新分離的設(shè)備［1]。它將提升機(jī)送來的骨料按照不同的粒徑重新分離,為拌和前進(jìn)行精確計量做準(zhǔn)備,以便生產(chǎn)出合理級配的瀝青混合料。直線式振動篩具有結(jié)構(gòu)簡單、功率消耗小、成本低廉且處理量大等諸多優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于筑路、礦山和煤炭等工程領(lǐng)域［2－3]。振動篩篩體主要由振源板、側(cè)板、支撐橫梁、預(yù)緊橫梁、接料斗等組成,側(cè)板作為篩體的基本組成部分,在整個振動篩的工作過程中起著連接振源板,并將激振力傳導(dǎo)至篩網(wǎng)的重要作用。如果側(cè)板出現(xiàn)裂縫,將會發(fā)生疲勞破壞,影響整個振動篩的正常運(yùn)行［4]。因此,對振動篩側(cè)板開裂進(jìn)行研究具有重要的意義。

某5000型瀝青攪拌設(shè)備用振動篩在試驗測試過程中發(fā)現(xiàn)其側(cè)板沿著部分鉚釘孔發(fā)生開裂。根據(jù)分析,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因可能為:側(cè)板的材料屬性不滿足在實際使用過程中的需求;振源板與側(cè)板的連接孔過密導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象;振源板與側(cè)板的連接面積過小引起二者貼合情況不好,使得鉚釘?shù)氖芰μ蟆１疚睦肁NSYS軟件仿真分析該瀝青攪拌設(shè)備振動篩開裂的原因。

1　仿真分析

1.1建模

1)選取側(cè)板及振源板材料

由于該5000型瀝青攪拌設(shè)備用振動篩在工作過程中,側(cè)板處于140～150℃的高溫環(huán)境中,并且要承受較大的往復(fù)激振力作用,因此需要具備較高的強(qiáng)度,從機(jī)械力學(xué)性能、工作條件以及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮［5],選取16Mn作為側(cè)板和振源板的材料。

2)增大側(cè)板與振源板的接觸面積

具體方式為:沿著激振力方向?qū)⒄裨窗宓拈L度增大至第五層橫梁位置處,與激振力垂直方向的寬度基本保持不變,改進(jìn)后通過鉚釘將振源板與側(cè)板及支撐橫梁連接為一個整體,以消除鉚釘孔附近應(yīng)力集中現(xiàn)象并改善整體的應(yīng)力分布。有效改善振動篩側(cè)板開裂的問題。

在PRO/E中分別對改進(jìn)前后的側(cè)板和振源板進(jìn)行建模,將二者合并為一個組件,并保存副本X-T格式,然后將其導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行靜力學(xué)熱固耦合分析。其中,材料的各項屬性分別設(shè)定為:彈性模量E =210 GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7 800 kg/m3,熱膨脹系數(shù)為1.17×10－5/K,熱導(dǎo)率為50.3 W/(m2·K)。改進(jìn)前后的模型簡化如圖1、2所示。

圖1　改進(jìn)前模型　

圖2　改進(jìn)后模型

1.2模型加載及結(jié)果

由于激振器產(chǎn)生的激振力隨著時間不斷變化,為了優(yōu)化振源板和側(cè)板的結(jié)構(gòu)參數(shù),將施加在模型上的激振力F取其峰值Fmax,以保證應(yīng)力滿足使用要求。為分析方便,取一塊振源板和一塊側(cè)板(單邊)進(jìn)行建模,然后進(jìn)行加載與受力分析。為保證施加的激振力大小和方向與實際工況一致,將激振力均勻地加載在振源板軸孔周圍的24個螺栓孔上,為便于施加表面壓力載荷,將螺栓孔簡化為半截面形式,每個孔半截面面積

式中: d為振源板軸孔周圍的24個螺栓孔的直徑;δ為振源板的厚度。

每個孔需要施加的均布壓力載荷P = Fmax/(48S)。

根據(jù)現(xiàn)場的測試情況將溫度場通過switch/thermal to structure導(dǎo)入結(jié)構(gòu)靜力學(xué)中進(jìn)行分析,按照材料屬性定義及加載方式進(jìn)行求解,得到改進(jìn)前后溫度場云圖以及振源板和側(cè)板接觸部分的等效應(yīng)力云圖分別如圖3、4所示(圖3中單位為℃,圖4中單位為MPa)。

圖3　改進(jìn)前、后溫度分布云圖

圖4　改進(jìn)前、后等效應(yīng)力分布云圖

1.3結(jié)果分析

如圖3、4所示,靜力學(xué)熱固耦合仿真分析結(jié)果表明,改進(jìn)前的最大應(yīng)力位于第三排鉚釘孔靠近進(jìn)料端處,為149 MPa,改進(jìn)后的最大應(yīng)力位于與第一層橫梁連接的鉚釘孔附近,為125 MPa,這是由溫度應(yīng)力及振動應(yīng)力共同作用的結(jié)果。可以看出,當(dāng)增大振源板和側(cè)板的接觸面積時,改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)鉚釘圓孔附近的應(yīng)力相對于改進(jìn)前減少24 MPa,且其接觸部分整體的應(yīng)力分布也較均勻;上述總應(yīng)力小于16Mn(在150℃時)材料的許用應(yīng)力170 MPa,滿足使用要求,因此,改進(jìn)方案是有效可行的。

圖5　熱應(yīng)力理論分析模型

2　理論計算

由熱應(yīng)力理論可知,物體溫度發(fā)生變化時,物體由于外在約束以及物體內(nèi)部之間相互約束產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力［6],可見,應(yīng)力不僅由外力的作用產(chǎn)生,溫度的變化也能夠產(chǎn)生應(yīng)力。由于該5000型振動篩的篩體在工作過程中,篩體內(nèi)部具有溫度梯度,會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。由于瀝青攪拌設(shè)備中振動篩的工作對象溫度較高,振動篩在工作過程中處于振動應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用狀態(tài),導(dǎo)致側(cè)板的工作壽命較短,經(jīng)常出現(xiàn)裂紋甚至斷裂［7－9],ANSYS靜力學(xué)熱固耦合仿真分析說明改進(jìn)后的方案是有效的,為了驗證改進(jìn)方案的可行性,對改進(jìn)方案進(jìn)行理論計算,校核其強(qiáng)度是否滿足要求。

2.1振源板熱應(yīng)力

由于振動篩工作時篩箱內(nèi)的溫度基本相同,熱應(yīng)力主要產(chǎn)生在有溫度梯度的振源板上,因而此處只考慮振源板上部分(圖中沿y方向)的溫度應(yīng)力,其理論分析模型如圖5所示。

首先假設(shè)振源板板端固定,在x方向產(chǎn)生的熱應(yīng)力計算公式為:

式中:α為材料的線膨脹系數(shù),α=1.17×10－5/K; t(y)為y方向的溫差,K,t(y)= ky,(0＜y＜L),其中k為系數(shù),與L有關(guān)。

采用“阻止應(yīng)變法”來計算板端自由無約束時的熱應(yīng)力分布［10],具體方法為:在兩端施加αEt(y)的分布拉應(yīng)力,由此引起的應(yīng)力與σx1相疊加便是溫差按照t(y)變化而板端為自由時薄板內(nèi)的熱應(yīng)力。其中分布拉應(yīng)力合力計算式為:

式中δ為振源板的厚度。

在板端較遠(yuǎn)的截面上近似的分布拉應(yīng)力σx2、彎曲應(yīng)力σx3分別為:

式中: Mz為σx2產(chǎn)生的彎矩,為截面對z軸的慣性矩。

振源板截面上的合成熱應(yīng)力為:

可求得:σx=94.25 MPa。

2.2鉚接孔處應(yīng)力

在改進(jìn)方案中,與側(cè)板直接接觸的振源板下半部分由于鉚釘圓孔較多且排列不規(guī)則,在這里考慮圓孔的影響,取截面削弱系數(shù)K =0. 9。因此,在沒有考慮圓孔導(dǎo)致應(yīng)力集中的前提下振源板所受應(yīng)力σy= 0.5Fmax/(Kbδ)。其中b為垂直于激振力方向振源板的寬度。

由于振源板上圓孔比較多,在圓孔附近會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。圓孔附近區(qū)域,最大應(yīng)力與物體的幾何形狀、加載方式等因素有關(guān)［11]。根據(jù)彈性力學(xué)［12]知,最大局部應(yīng)力σmax為:

式中: Kt為應(yīng)力集中因數(shù),由于圓孔尺寸遠(yuǎn)小于側(cè)板與振源板的尺寸,可以看成無限大平板模型,取Kt= 3;σn為距離圓孔較遠(yuǎn)的名義應(yīng)力,σn=σy。

計算得σmax=38. 47 MPa。

由于激振力大小方向在不斷變化,校核激振力方向分別向上和向下時的應(yīng)力是否滿足材料的許用應(yīng)力要求即可。當(dāng)激振力方向向上時,σmax為拉應(yīng)力,取正值,當(dāng)激振力方向向下時,σmax為壓應(yīng)力,取負(fù)值,根據(jù)第四強(qiáng)度理論相當(dāng)應(yīng)力σr4應(yīng)滿足:

計算得到σr4=118.3 MPa＜170 MPa(16Mn在150℃的許用應(yīng)力),強(qiáng)度滿足要求。

2.3振源板與側(cè)板間摩擦力分析

鉚接良好的振源板和側(cè)板之間應(yīng)該有足夠的摩擦力使工作過程中兩者之間不得有滑移現(xiàn)象發(fā)生,因此有必要對兩者的貼合情況進(jìn)行校核。該型號的振動篩采用17 mm環(huán)槽鉚釘緊固［13－14],設(shè)單個鉚釘?shù)你T接力為FNi,總壓力

式中n為振源板與側(cè)板之間的鉚接鉚釘數(shù)量。

鋼與鋼之間在無潤滑條件下的摩擦系數(shù)μ取0.15,故振源板與側(cè)板之間的摩擦力

可以得出Ff=766 kN,而單邊激振力為Fmax/2 =240 kN。由于Ff＞Fmax/2,因此可以認(rèn)為改進(jìn)方案的振源板與側(cè)板的貼合情況良好,從而使鉚釘本身直接承受激振力的現(xiàn)象很難發(fā)生,也使孔與鉚釘直接接觸加劇孔邊應(yīng)力集中的現(xiàn)象很少發(fā)生。

3　結(jié)語

該廠家生產(chǎn)的振動篩振源板與側(cè)板接觸面積太小,且環(huán)槽鉚釘?shù)姆植歼^于密集,從而導(dǎo)致該處應(yīng)力集中,在振動篩持久的高強(qiáng)度工況下,該接觸部位容易疲勞破壞,影響其使用壽命。

在滿足使用要求的前提下,確定了振源板與側(cè)板的材料均為16Mn板,提出通過增大振源板與側(cè)板的接觸面積的方式來解決振動篩側(cè)板開裂問題的方案,在ANSYS中對改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析及理論計算,得到二者有效接觸面積的增大使得應(yīng)力減小且分布更加均勻,證明了此方案的可行性,這有利于提高振動篩的使用壽命。

參考文獻(xiàn):

［1]李自光,展朝勇.公路工程機(jī)械［M].北京:人民交通出版社,2008.

［2]王永巖,張則榮.振動篩試驗?zāi)Ｐ秃驮拖嗨圃囼炑芯浚跩].機(jī)械工程學(xué)報,2011,47(5):101－105.

［3]王正浩,范改燕.振動篩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的現(xiàn)狀［J].沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報,1999,42(3):79－82.

［4]王鐵慶,楊勇.間歇式瀝青混合料攪拌設(shè)備振動篩篩網(wǎng)配置研究［J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2005(3):15－17.

［5]王從曾,劉會亭.材料性能學(xué)［M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2007.

［6]李維特,黃寶海,畢仲波.熱應(yīng)力理論分析及應(yīng)用［M].北京:中國電力出版社,2004.

［7]高旭,崔文好.振動篩側(cè)板強(qiáng)度分析［J].鞍山鋼鐵學(xué)院學(xué)報,1999,22(2):102－106.

［8]方治華,趙爽.基于ANSYS的振動篩篩箱強(qiáng)度的有限元分析及改進(jìn)設(shè)計［J].煤礦機(jī)械,2008,29(12):143－144.

［9]PENG Liping,LIU Chusheng,LI Jun,et al.Static-deformation based fault diagnosis for damping spring of large vibrating screen［J].Journal of Central South University,2014,21(4):1313－1321.

［10]孟彩茹,馮忠緒,李磊,等.瀝青攪拌設(shè)備振動篩在受熱狀態(tài)下的應(yīng)力計算［J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,36(6):916－921.

［11]胡本潤,劉建中,陳劍峰.疲勞缺口系數(shù)與理論應(yīng)力集中系數(shù)之間的關(guān)系［J].材料工程,2007(7):70－73.

［12]徐秉業(yè).彈性力學(xué)［M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

［13]黃志超,陳偉達(dá),程雯玉,等.復(fù)合材料連接技術(shù)進(jìn)展［J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2013,30(4):1－6.

［14]黃志超,夏令君,劉偉燕,等.實心釘鉚接與螺栓連接強(qiáng)度對比試驗研究［J].鍛壓技術(shù),2012,37(1):70－72.

(責(zé)任編輯:郭守真)

Study on Cracking in Multi-Layer Vibrating Screen Side Plate Based on ANSYS

JIANG Wenzhi,LIU Yunfei,XUE Kuo,LI Chenguang,GAO Yang
(Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Chang'an University,Xi'an 710064,China)

Abstract:Aiming at the problem of side plate cracking of multi-layer vibrating screen of asphalt mixing equipment,this paper puts forward a scheme to solve the cracking problem by increasing the area of the vibration source plate and side plate.Then it makes a simulation analysis of thermosetting coupling for the structure model before and after the improvement in ANSYS and also makes the relevant theoretical calculation.The result shows that the improved scheme can effectively reduce the stress around the round hole of the heat source plate and side plate rivet with the uniform stress distribution of entire contact part and prevent the cracking problem of vibrating screen.

Key words:asphalt mixing equipment; vibrating screen side plate; vibration source plate; finite element analysis

作者簡介:蔣文志(1991—),男,湖北十堰人,長安大學(xué)碩士研究生,主要研究方向為機(jī)械設(shè)計及理論.

收稿日期:2015－07－08

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.016

文章編號:1672－0032(2015)03－0078－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:U415.52