干粉投加機進料系統設計及有限元分析

高艷紅

(唐山學院 機電工程系，河北 唐山 063000)

干粉投加機進料系統設計及有限元分析

高艷紅

(唐山學院 機電工程系，河北 唐山 063000)

結合現代設計理論，對進料機進行三維造型；基于有限單元法，對主要受力部件螺旋體和攪拌器進行了受力分析，得到了其應力分布場；對攪拌軸進行了模態分析，得到了螺旋軸的各階頻率。

投加機；螺旋軸；進料攪拌系統；有限單元法；應力場

0 引言

螺旋進料機是干粉固體顆粒搬運系統機械化和自動化不可缺少的部分，是現代化生產的重要標志之一。進料系統主要由螺旋軸、進料攪拌系統、料槽和驅動裝置組成。工作時，物料由螺旋軸旋轉產生的軸向推力沿軸向推至卸料口卸出。本文根據經典理論和經驗公式設計進料機的螺旋軸、進料攪拌系統和驅動裝置，用現代設計方法對進料機進行三維造型，并對關鍵零部件進行有限元分析。

1 三維造型

三維造型不僅直觀，而且可以校驗機械零部件是否存在運動干涉、裝配干涉現象，還可以為進一步做有限元分析、運動分析等打下基礎。

1.1 設備主要參數

本文所設計的螺旋進料機使用條件如下：

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驗公式計算得到：

式中：D-螺旋直徑；

k1-物料綜合特性系數；

φ-物料填充系數；

λ-物料的堆積密度；

C-傾斜輸送系數。

本文中物料為高分子聚合物，根據物料性質，確定物料綜合特性系數為0.041 5[1]326，物料填充系數為0.33[2]。考慮到螺旋進料機水平布置，確定傾斜輸送系數為1[1]328。將已確定參數代入上式并根據螺旋葉片直徑的標準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，當輸送量和直徑一定時，物料運動的滑移面會隨著螺距的變化而改變，直接導致物料運動速度分布發生變化。合理螺距的確定需考慮螺旋面與物料的摩擦關系以及速度各分量間的適當分布關系，參考經驗公式，螺距又在200～250mm之間，因此取螺距為200mm。

1.1.3 殼體內徑與螺旋軸直徑的確定

殼體內徑=D+30=280mm；

螺旋軸直徑d≈0.4D=100mm。

1.2 三維造型

進料機最終三維結構如圖1所示。

圖1 進料機三維模型

2 關鍵部件有限元分析

螺旋體、攪拌器及螺旋軸是進料機的關鍵受力部件，本文基于ANSYS對其進行有限元分析。

2.1 螺旋體靜力分析

2.1.1 實體模型從前述三維造型導入，模型及網格劃分情況如圖2中a，b所示。

圖2 螺旋體的模型與網格劃分

2.1.2 有限元模型

基于前述，建立有限元模型。

單元類型：根據實體結構復雜的特點，選用8節點線性三維結構實體單元Solid45。

材料模型：材料為Q235，屈服點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計算得到的壓強，為109 038 Pa。

2.1.3 分析結果

典型位移云圖如圖3所示，應力云圖如圖4所示。

圖3 螺旋體位移云圖

圖4 螺旋體應力云圖

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

2.2 攪拌器靜力分析

2.2.1 單元材料

攪拌器采用10節點線性三維結構實體單元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為71 665 Pa。

攪拌器網格劃分情況如圖5所示。

圖5 物料攪拌器網格劃分圖

2.2.3 分析結果

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

圖6 物料攪拌器位移云圖

圖7 物料攪拌器應力云圖

2.3 螺旋軸模態分析

對螺旋軸進行模態分析，以避免設計的振動頻率在其固有頻率的范圍內。

2.3.1 施加載荷

在軸的兩個對稱節點上施加力，根據扭矩計算得到施加在節點上的力為11 460 N。

2.3.2 分析結果

螺旋軸頻率如圖8所示。

圖8 螺旋軸前六階的振動頻率

從各階的頻率和振型可以看出，各階的振型量相對都較大，雖然校核剛度符合要求，但是從螺旋軸固有頻率考慮，其剛度需進一步提高，可設計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。所以一定要及時地監控激勵頻率的范圍，防止發生共振。

3 結論

(1)運用三維軟件對進料機進行三維設計，既提高了設計效率，又保證了設計質量。

(2)螺旋體、螺旋軸、物料攪拌器是進料機主要受力部件。對螺旋體和攪拌器進行了靜力分析，得出了應力云圖，分析了它們的可靠性；對攪拌軸進行了模態分析，得到螺旋軸的頻率，為結構動力特性的優化設計提供依據。

[1] 陶珍東，鄭少華.粉體工程與設備[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2] 盧壽慈.粉體設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004：541-543.

(責任編校：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