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.西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500;2.金牛工程建設有限責任公司，新疆克拉瑪依 834008)

0 引言

拋丸除銹技術是防腐保溫管生產三大關鍵技術之一，拋丸除銹技術決定著管道母體除銹質量和除銹效率，其中除銹質量的好壞影響管道母體對防銹底漆、環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。

一套拋丸除銹系統主要由工件預熱傳送系統、拋丸機主體、控制系統、除塵系統和丸砂循環系統等組成。其中拋丸器是拋丸除銹系統的核心，由進丸管、定向套、分丸輪、拋丸葉片和圓盤等部件構成。拋丸器的質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，筆者采用ANSYS軟件對前曲葉片的受力狀況進行有限元仿真，以進一步明確葉片的受力，為延長葉片使用壽命，實現高效拋丸除銹提高理論基礎。

1 前曲葉片受力分析

拋丸器葉片的結構形式，直線葉片、前曲葉片和后曲葉片有3種。葉片的內徑、外徑以及曲率半徑是決定葉片工作平面結構的3個主要參數。葉片的結構分為底座部分、葉片工作曲面和凸臺部分。筆者采用前曲葉片進行分析，前曲葉片是指葉片沿著旋轉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。在進行有限元分析時，首先要做的靜態分析，如果把葉片看成是靜止的，那么葉片還應受到自身旋轉產生的慣性力。但實際上葉片受到的壓力和摩擦力是動態的。由于葉片是高速旋轉的，所以當葉片旋轉到定向套的窗口時，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為葉片旋轉一周所用的時間。假設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

筆者用拋丸機的轉速ω=2 200 r/min，使用前曲葉片，其曲率為l=200 mm，內徑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為f=0.2，彈丸選擇直徑為1 mm的鋼丸，其質量 m=3.14 ×10－5kg。

筆者采用兩種葉片的實體模型進行有限元仿真分析，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單元和表面效應單元SURF154。SOLID45單元是應用于三維實體的結構分析，筆者先用SURF154在葉片工作表面劃分網格，然后再利用SOLID45單元對葉片的實體劃分網格。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，需要在劃分網格之前設定工作面的各邊的單元尺寸是1 mm。劃分網格如圖4、5所示［4］。

圖4 無底座葉片網格劃分

圖5 全底座葉片網格劃分

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力較低的狀態，但在忽略底座而施加固定約束的區域有應力集中現象，其最大應力值約為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力較低的狀態，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力值較大，出現了小應力值的應力集中點。整個葉片上低應力值的范圍大約在30 MPa以下，而應力集中部位處最大的應力值為338 MPa。而在葉片底部與底座相連的部分其應力值約為80～110 MPa;最大位移量仍然出現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 結論

(1)無論是忽略底座還是考慮底座，葉片均處于應力較低的狀態，其最大應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，其它結構參數相同的條件下，全長底座葉片有應力變化范圍更大、應力集中程度小且最大應力值較小的優點。但底座過長會導致拋丸輪的結構尺寸增大，重量增加。因此在設計和選擇葉片結構時應考慮最合適的底座長度。

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

［2］ 李 微.拋丸機葉片的設計及分析［D］.長春:吉林大學，2007.

［3］ 閻蔭槐，龐維誠.彈丸在拋丸器內運動過程的新探討［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］.鑄造設備研究，2007(6):1－2.