生物質(zhì)顆粒機(jī)環(huán)模固定螺栓斷裂分析及改進(jìn)

(湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 吉首 416000)

某型生物質(zhì)顆粒機(jī)環(huán)模，其內(nèi)徑尺寸為Φ560，厚度為40 mm，固定螺栓數(shù)量為8個(gè)，螺栓的規(guī)格為M20×80，性能等級(jí)為8.8級(jí)。顆粒機(jī)在制粒工作過(guò)程中，固定環(huán)模的螺栓經(jīng)常斷裂失效，螺栓斷裂部位主要位于兩個(gè)斷面，一個(gè)斷面位于環(huán)模與底座的結(jié)合面，此斷面螺栓斷裂數(shù)量占總斷裂數(shù)量的2/3，第二個(gè)斷裂面是螺栓頭部。環(huán)模及斷裂的螺栓如圖1所示。

1 螺栓斷裂的原因及分析

1.1 環(huán)模受力分析

物料擠壓成型過(guò)程如圖2所示。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的物料由物料傳送系統(tǒng)送入環(huán)模內(nèi)，在環(huán)模內(nèi)壓輥系統(tǒng)離心力的作用下物料被拋向環(huán)模內(nèi)壁，隨著壓輥的旋轉(zhuǎn)，物料在壓輥與物料之間所產(chǎn)生摩擦力的作用下，物料運(yùn)動(dòng)并被擠壓進(jìn)環(huán)模內(nèi)孔，物料的密度隨著壓力的增加不斷增大，物料內(nèi)部粒子受到擠壓而互相結(jié)合，產(chǎn)生不可逆的黏塑性變形，隨著壓輥的不斷旋轉(zhuǎn)，物料被不斷擠壓進(jìn)環(huán)模內(nèi)孔并被擠壓出環(huán)模，由環(huán)模外部切斷裝置切斷成一定長(zhǎng)度的顆粒，最后從顆粒機(jī)排出進(jìn)入收集系統(tǒng)[1-4]。

通過(guò)對(duì)物料在擠壓成型區(qū)的受力分析可知，成型區(qū)的受力變化大，要準(zhǔn)確確定成型區(qū)受力的大小難度很大，將成型區(qū)簡(jiǎn)化看成A、B兩點(diǎn)，則環(huán)模受力如圖3所示，環(huán)模內(nèi)壁主要受擠壓力Fa、Fb及摩擦力fa、fb的作用。

圖1 環(huán)模及斷裂螺栓

圖2 物料擠壓成型示意圖

從圖3環(huán)模受力簡(jiǎn)圖可知，在理想狀態(tài)下，擠壓力Fa和Fb大小相等、方向相反并作用在一條直線上，對(duì)環(huán)模整體的作用力為0；摩擦力fa和fb大小相等、方向相反，為一對(duì)平行力，對(duì)環(huán)模整體施加一恒定旋轉(zhuǎn)力矩，這一力矩由固定螺栓產(chǎn)生的摩擦力等予以平衡，環(huán)模受力平衡，不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

圖3 環(huán)模受力簡(jiǎn)圖

1.2 螺栓靜力學(xué)分析

環(huán)模用8個(gè)規(guī)格為M20×80、性能等級(jí)為8.8級(jí)的螺栓固定在基座上。螺栓擰緊時(shí)施加預(yù)緊力來(lái)克服壓輥旋轉(zhuǎn)作用于環(huán)模的力矩，保持環(huán)模固定不動(dòng)。

壓輥旋轉(zhuǎn)的力矩計(jì)算公式為：T=9 550p/n，p為電機(jī)功率，n為轉(zhuǎn)速。本顆粒機(jī)電機(jī)的功率為90 kW，壓輥的轉(zhuǎn)速為100 r/min，故T為8 595 N·m。

假定這一力矩由壓輥經(jīng)生物質(zhì)傳遞給環(huán)模，要確保環(huán)模靜止不動(dòng)，螺栓預(yù)緊使環(huán)模和底座之間的壓力為Fn，摩擦力Ff=Fn×u，u為環(huán)模與底座之間的摩擦系數(shù)，則螺栓預(yù)緊所產(chǎn)生的摩擦力矩為Ff×d，即Fn×u×d，當(dāng)Fn×u×d≥T時(shí)，環(huán)模處于靜止?fàn)顟B(tài)。查資料可知鋼與鑄鐵之間的摩擦系數(shù)為0.2～0.3，取u=0.2，計(jì)算得n≥76 741 N，8個(gè)螺栓均分，每個(gè)螺栓所需要的正壓力為9 592 N。

從上述計(jì)算可知，只要螺栓的預(yù)緊力大于9 592 N即可，經(jīng)計(jì)算可知性能等級(jí)為8.8規(guī)格M20的螺栓，所能承受拉力約為188.41 kN，螺栓所需的預(yù)緊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于螺栓的抗拉強(qiáng)度，按靜態(tài)計(jì)算連接螺栓強(qiáng)度完全滿足要求。

1.3 螺栓斷裂原因分析

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于壓輥兩邊物料添加的不均衡，物料在離心力的作用下被拋向環(huán)模內(nèi)壁導(dǎo)致在高度方向也不均衡，以及環(huán)模內(nèi)壁與壓輥之間的間隙不相同等各種原因，致使環(huán)模內(nèi)壁A、B兩處所受的擠壓力及摩擦力并不相等。在極限狀態(tài)下，A、B兩處可能一處受力而另一處不受力，即Fa或Fb=0，擠壓力作用在環(huán)模的一端，受力不平衡將導(dǎo)致環(huán)模振動(dòng)。

由于壓輥不停地旋轉(zhuǎn)，環(huán)模所受不平衡力隨壓輥的旋轉(zhuǎn)而不斷變化，因此，在生物質(zhì)顆粒擠壓過(guò)程中，環(huán)模受連續(xù)不斷變化橫向載荷的作用，導(dǎo)致環(huán)模橫向振動(dòng)，根據(jù)王威等[5-7]的研究，橫向載荷比縱向載荷更容易引起螺栓松動(dòng)，振動(dòng)幅值大易引起螺栓松動(dòng)，螺栓松動(dòng)則容易斷裂。

2 改進(jìn)措施

2.1 環(huán)模減振

為減輕環(huán)模的振動(dòng)，從環(huán)模的安裝、制粒工藝等方面加以改進(jìn)，解決措施有以下幾個(gè)方面。

2.1.1 在環(huán)模和基座之間加裝墊片，降低環(huán)模橫向振動(dòng)的幅度

本型號(hào)的生物質(zhì)制粒機(jī)，環(huán)模立式安裝在圓形基座內(nèi)。由于加工制造誤差、裝配等原因，環(huán)模和基座之間存在一定的間隙，一般為1 mm左右。由于間隙的存在，環(huán)模工作過(guò)程中擠壓力Fa和Fb不相等，產(chǎn)生橫向竄動(dòng)，加劇了環(huán)模的振動(dòng)。在安裝環(huán)模時(shí)，先檢測(cè)環(huán)模和基座之間的間隙，購(gòu)置相應(yīng)厚度的墊片裝在兩者之間，使環(huán)模和基座之間的間隙盡可能減小，大幅降低環(huán)模橫向移動(dòng)的距離。

2.1.2 準(zhǔn)確調(diào)整環(huán)模與兩個(gè)壓輥之間的間隙

環(huán)模安裝固定后，用塞尺檢查并調(diào)整壓輥與環(huán)模之間的間隙，應(yīng)盡量做到壓輥和環(huán)模之間的間隙一致，以保證環(huán)模受力均勻。

2.1.3 調(diào)整送料口位置及送料速度

在安裝調(diào)整送料機(jī)構(gòu)時(shí)，送料口應(yīng)位于環(huán)模上部正中間，以盡量保證壓輥兩邊均衡進(jìn)料，減少由于進(jìn)料不均衡而導(dǎo)致的壓輥受力不均。合理調(diào)節(jié)送料速度，避免物料在環(huán)模內(nèi)堆積過(guò)多。

2.2 連接螺栓及預(yù)緊工藝改進(jìn)

原機(jī)器固定環(huán)模采用的是性能等級(jí)為8.8的單頭螺栓，螺栓為車(chē)加工制造，并為全螺紋結(jié)構(gòu)，螺栓選擇不合理。環(huán)模內(nèi)螺紋孔深為20 mm，一是采用全螺紋結(jié)構(gòu)，螺栓根部的強(qiáng)度變差，由于應(yīng)力集中等因素，導(dǎo)致螺栓容易從根部斷裂；二是螺紋經(jīng)過(guò)環(huán)模底部和基座之間的結(jié)合面，該斷面除了受拉應(yīng)力外還受剪應(yīng)力的作用，易于斷裂，從實(shí)際使用結(jié)果來(lái)看螺栓主要從該斷面斷裂。經(jīng)分析論證，連接螺栓由原來(lái)的單頭螺栓改為雙頭螺栓，性能等級(jí)仍為8.8，一端螺紋長(zhǎng)度為18 mm，使螺栓在環(huán)模底部和基座的結(jié)合面上是光桿而不是螺紋。

原機(jī)器采用單頭螺栓連接，沒(méi)有防松彈簧，改為雙頭螺栓，預(yù)緊時(shí)按對(duì)稱原則，分3～4次預(yù)緊。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)減小環(huán)模與基座之間的間隙、調(diào)整環(huán)模與壓輥之間的位置、改進(jìn)連接螺栓等措施，降低了環(huán)模的振動(dòng)幅度，提高了環(huán)模連接螺栓的使用壽命。半年來(lái)的使用情況統(tǒng)計(jì)表明，螺栓的使用壽命比原來(lái)提高3～5倍，取得了較好的效果。