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        水平移動式拋丸機葉片受力的有限元分析



        水平移動式拋丸機是一種在歐美發達國家廣泛應用的表面處理設備,既可以清除瀝青路面的附著 物(如燃油、機油),保證行走安全,提高路面的附著 力和使用壽命,又可以用于水泥路面的表面清理以 及公路標志線的清除與鋪設‘1。2I。拋丸器作為拋丸機的關鍵部件,其質量與使用壽命主要取決于葉 片【3】。近年來,為研制使用壽命更長的葉片,國內 研究人員做了大量的研究和努力,在使用鋼丸的情 況下,目前國內生產的拋丸機葉片平均使用壽命為 400 h。葉片受力情況是研究葉片使用壽命的基礎,建立前曲葉片的有限元模型 并加以仿真分析,以期進一步明確葉片的失效機理, 為提高其使用壽命提供理論基礎。

        1葉片受力分析
        水平移動式拋丸機工作時,利用電機產生的負 壓,將表面處理過程中產生的雜質及灰塵吸納到配 套的除塵設備,經分離后,可再次利用的丸料儲存于 儲料斗,雜質及粉塵經軟管進入除塵設備過濾后排 人大氣‘4|。圖1為水平移動式拋丸機的工作原理。
        圖1水平移動式拋丸機工作原理
        前曲葉片是指葉片沿旋轉方向向前彎曲,其受 力情況如圖2所示。
        圖2前曲葉片彈丸受力分析
        由牛頓運動第二定律有



        式中:m——單個彈丸的質量,kg;F,——切向分力,N; 只——法向分力,N; fV二一彈丸受葉片的法向壓力,N; B一彈丸受葉片的切向摩擦力,N; 移,——彈丸相對葉片的速度,即相對速度,m/s; %——彈丸所在位置的葉片速度,即彈丸的牽 連速度,m/s; %——彈丸的絕對速度,m/s; o:——相對速度在f方向的分量,m/s2; 口:——相對速度在n方向的分量,m/s2; 口:——彈丸牽連加速度的切向分量,m/s2; 口:——彈丸牽連加速度的法向分量,m/s2; 口?!獜椡璧目剖霞铀俣?,m/s2; 月b——葉片的內徑,衄; f-葉片的曲率半徑,姍; p——彈丸所在位置的回轉半徑,姍; ——彈丸相對質心的角速度,rad/s; r—-1,。與口。所夾的鈍角,rad/s。

        由式(1)可知前曲葉片0,所以不存在彈丸 不經葉片端部提前飛出葉片的情況。作用在葉片上 的摩擦力為 F,=fN=2mfo)2Rb肛+掣, 式中:.廠_彈丸與葉片之間的動摩擦系數。式(1)表示單個彈丸對葉片的壓力,而實際上 葉片高速旋轉至定向套窗口時,要承接大量由定向 套涌出的彈丸,此時彈丸相對葉片的運動是隨機的, 有的會一直沿葉片運動,直至較后拋出。有的會與 葉片碰撞,較終由葉片邊緣拋出。因葉片高速旋轉, 彈丸瞬間布滿整個葉片,考慮葉片整體受力情況, 假設:
        (1)所有彈丸均沿葉片運動,直至較后拋出。
        (2)回轉半徑相同處,葉片受彈丸的壓力和摩 擦力相等,其值為葉片給彈丸的壓力和摩擦力。
        (3)由于葉片各點受力與葉片在寬度方向的位 置無關,故葉片在寬度方向的壓力和摩擦力相等。
        (4)根據拋丸機的工作原理,拋丸器內的氣 導入ANSYS軟件,如圖4所示。 體很少,近于真空狀態,故忽略氣流對葉片的 作用。

        2重力、慣性力和摩擦力的影響
        葉片不僅受彈丸的壓力和摩擦力,而且受自 身的重力及旋轉產生的慣性力。慣性力和重力是 恒量,而壓力和摩擦力是動態的。高速旋轉的葉 片旋轉到定向套窗口時,瞬間布滿彈丸,葉片所受 彈丸的壓力和摩擦力并不是完整周期,而是階躍 的,其作用時間與定向套的角度有關,即t=( 360)r,其中a是定向套的角度,一般a=60。,T是 葉片旋轉一周所用的時間。令札為第i個節點對 葉片的摩擦力或壓力,則葉片工作過程中,任意一 點所受的周期力為


        3有限元模型
        拋丸機葉片分為底座、工作面(內凹的曲面) 和凸臺三個部分,如圖3所示。底座用于固定葉 片到葉輪上,工作面是承受彈丸施加載荷的主要 部分,而凸臺則可防止彈丸從側面溢出,其受力很 小,可以忽略。當葉片布滿直徑為1 mm的鋼質彈 丸時,間隔1 mm的各點受到彈丸的壓力和摩擦力 作用。
        圖3葉片結構
        葉片主要參數:外徑RB=169 mm,內徑Rb= 59 mm,曲率半徑Z=200 mm,材料為高鉻鑄鐵,彈 性模量E=1.571011 Pa,泊松比盧=0.27,密度 P27.8103 kg/m3。

        由使用情況可知,葉片的失效均發生在葉片上。 建立有限元模型時,可將底座與葉片連接面由固定 端代替。葉片實體模型由CATIA軟件實現哺〕,然后 圖4導入ANSYS的葉片模型,如圖4所示。

        圖4導入ANSYS的葉片模型

        4有限元分析
        4.1單元劃分
        由葉片的受力分析知,葉片工作面上各點受力 的大小和方向均不相同,且力的大小為非線性【7】。 故選用SOLID45及SURFl54單元。SOLIIM5單元 適于三維實體的結構分析,8個節點,在單元坐標系 的xy、z方向,每個節點均有移動自由度。圖5為 SOLIIM5單元實體劃分網格。
        圖5 SOLID45單元實體劃分
        SURF154用于在三維實體結構表面施加壓力, 且壓力非均勻分布,并隨結構表面位置變化。劃分 單元有兩種選擇:一是用SOLID45實體單元劃分葉 片;二是采用SOLIIM5實體單元與SURFl54表面效 應單元共同劃分葉片。 由于彈丸直徑為1 mill,所以葉片工作表面的網 格尺寸小于1 ITlnl時,施加載荷后才較為切合實際。 用SURFl54和SOLIIM5單元共同劃分網格時,先要 用SURFl54劃分葉片的工作表面,然后再用SOL- IIM5劃分整個實體,如圖6所示。
        圖6、SURF154和solid45共同劃分葉片網格

        4.2施加載荷與約束
        4.2.1工作表面施加載荷
        ANSYS中,既可以將載荷施加于實體模型(關 鍵點、線、面),也可以施加于單元模型(單元或單元 的節點)。由于彈丸和葉片間為點和面接觸,屬于 集中力,故加載方式選取節點載荷更加符合 實際。

        4.2.2 葉片施加固定約束
        簡化葉片分析模型時,未考慮葉片底座。因此, 需要對與底座相連的節點施加固定約束,如圖7 所示。
        圖7施加的固定約束
        4.2.3葉片施加慣性約束

        由Main Menu>Solution>Define Loads>Struc— tral>Inertia>Angular velo設置旋轉引起的慣性力。 由Main Menu>Solution>Define Loads>Struetral> Inertia>Gravity設置葉片的重力。

        4.3結果分析
        圖8為SOLIIM5劃分單元情況,其等效應力的較 大值為617.795 MPa。圖9為SOLID45和SURFlM 共同劃分單元情況,其等效應力的較大值是679.651 MPa。除應力值稍有不同外,其應力分布基本一致, 但SOLIIM5劃分的部分單元過于扭曲,會產生一定誤 差。SOLIIM5和SURFl54共同劃分的網格更加合適 (圖6),生成的單元不致過于扭曲。
        圖8 SOLID4¥單元劃分的等效應力

        圖9 SOLID45與SURFlS4單元劃分的等效應力
        總體而言,葉片總體上為低應力分布,但圖8、9 存在明顯的作用區域。這是由于葉片從底部有約束 狀態突變到沒有約束,導致葉片該位置的應力集中。 高速回轉的葉片受彈丸的周期壓力,因疲勞導致應 力集中點*先發生塑性變形,葉片表面產生裂紋,裂 紋的不斷延伸較終導致其斷裂。因此應力集中是導 致葉片疲勞斷裂失效的原因之一。 葉片工作于高速旋轉的葉輪中,既要承受彈丸 磨料的磨損,又要承受高速丸料的沖蝕磨損。葉片 受彈丸壓力的較大值位于葉片邊緣,其值為 1090.85 N。此處摩擦力的較大值為174.536 數值與葉片的曲率半徑有關。因此,實際使用中葉片邊緣磨損較為嚴重。正壓力過大是導致葉片磨損 失效的另一原因。提高葉片的使用壽命,除了選用 合適的材料、提高葉片的耐磨性外,還需要設計合理 的葉片形狀,降低較大正壓力的影響。


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