基于ANSYS的多層振動篩側板開裂研究

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

基于ANSYS的多層振動篩側板開裂研究

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

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

關鍵詞:瀝青攪拌設備;振動篩側板;振源板;有限元分析

振動篩是將提升機送來的骨料按照不同的粒徑重新分離的設備［1]。它將提升機送來的骨料按照不同的粒徑重新分離,為拌和前進行精確計量做準備,以便生產出合理級配的瀝青混合料。直線式振動篩具有結構簡單、功率消耗小、成本低廉且處理量大等諸多優點,廣泛應用于筑路、礦山和煤炭等工程領域［2－3]。振動篩篩體主要由振源板、側板、支撐橫梁、預緊橫梁、接料斗等組成,側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,并將激振力傳導至篩網的重要作用。如果側板出現裂縫,將會發生疲勞破壞,影響整個振動篩的正常運行［4]。因此,對振動篩側板開裂進行研究具有重要的意義。

某5000型瀝青攪拌設備用振動篩在試驗測試過程中發現其側板沿著部分鉚釘孔發生開裂。根據分析,出現這一現象的主要原因可能為:側板的材料屬性不滿足在實際使用過程中的需求;振源板與側板的連接孔過密導致應力集中現象;振源板與側板的連接面積過小引起二者貼合情況不好,使得鉚釘的受力太大。本文利用ANSYS軟件仿真分析該瀝青攪拌設備振動篩開裂的原因。

1　仿真分析

1.1建模

1)選取側板及振源板材料

由于該5000型瀝青攪拌設備用振動篩在工作過程中,側板處于140～150℃的高溫環境中,并且要承受較大的往復激振力作用,因此需要具備較高的強度,從機械力學性能、工作條件以及經濟性等方面綜合考慮［5],選取16Mn作為側板和振源板的材料。

2)增大側板與振源板的接觸面積

具體方式為:沿著激振力方向將振源板的長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,改進后通過鉚釘將振源板與側板及支撐橫梁連接為一個整體,以消除鉚釘孔附近應力集中現象并改善整體的應力分布。有效改善振動篩側板開裂的問題。

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

圖1　改進前模型　

圖2　改進后模型

1.2模型加載及結果

由于激振器產生的激振力隨著時間不斷變化,為了優化振源板和側板的結構參數,將施加在模型上的激振力F取其峰值Fmax,以保證應力滿足使用要求。為分析方便,取一塊振源板和一塊側板(單邊)進行建模,然后進行加載與受力分析。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)。

根據現場的測試情況將溫度場通過switch/thermal to structure導入結構靜力學中進行分析,按照材料屬性定義及加載方式進行求解,得到改進前后溫度場云圖以及振源板和側板接觸部分的等效應力云圖分別如圖3、4所示(圖3中單位為℃,圖4中單位為MPa)。

圖3　改進前、后溫度分布云圖

圖4　改進前、后等效應力分布云圖

1.3結果分析

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

圖5　熱應力理論分析模型

2　理論計算

由熱應力理論可知,物體溫度發生變化時,物體由于外在約束以及物體內部之間相互約束產生的應力稱為熱應力［6],可見,應力不僅由外力的作用產生,溫度的變化也能夠產生應力。由于該5000型振動篩的篩體在工作過程中,篩體內部具有溫度梯度,會產生較大的熱應力。由于瀝青攪拌設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力和熱應力的共同作用狀態,導致側板的工作壽命較短,經常出現裂紋甚至斷裂［7－9],ANSYS靜力學熱固耦合仿真分析說明改進后的方案是有效的,為了驗證改進方案的可行性,對改進方案進行理論計算,校核其強度是否滿足要求。

2.1振源板熱應力

由于振動篩工作時篩箱內的溫度基本相同,熱應力主要產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)的溫度應力,其理論分析模型如圖5所示。

首先假設振源板板端固定,在x方向產生的熱應力計算公式為:

式中:α為材料的線膨脹系數,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,與L有關。

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

式中δ為振源板的厚度。

在板端較遠的截面上近似的分布拉應力σx2、彎曲應力σx3分別為:

式中: Mz為σx2產生的彎矩,為截面對z軸的慣性矩。

振源板截面上的合成熱應力為:

可求得:σx=94.25 MPa。

2.2鉚接孔處應力

在改進方案中,與側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則,在這里考慮圓孔的影響,取截面削弱系數K =0. 9。因此,在沒有考慮圓孔導致應力集中的前提下振源板所受應力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,在圓孔附近會產生應力集中現象。圓孔附近區域,最大應力與物體的幾何形狀、加載方式等因素有關［11]。根據彈性力學［12]知,最大局部應力σmax為:

式中: Kt為應力集中因數,由于圓孔尺寸遠小于側板與振源板的尺寸,可以看成無限大平板模型,取Kt= 3;σn為距離圓孔較遠的名義應力,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力是否滿足材料的許用應力要求即可。當激振力方向向上時,σmax為拉應力,取正值,當激振力方向向下時,σmax為壓應力,取負值,根據第四強度理論相當應力σr4應滿足:

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

2.3振源板與側板間摩擦力分析

鉚接良好的振源板和側板之間應該有足夠的摩擦力使工作過程中兩者之間不得有滑移現象發生,因此有必要對兩者的貼合情況進行校核。該型號的振動篩采用17 mm環槽鉚釘緊固［13－14],設單個鉚釘的鉚接力為FNi,總壓力

式中n為振源板與側板之間的鉚接鉚釘數量。

鋼與鋼之間在無潤滑條件下的摩擦系數μ取0.15,故振源板與側板之間的摩擦力

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

3　結語

該廠家生產的振動篩振源板與側板接觸面積太小,且環槽鉚釘的分布過于密集,從而導致該處應力集中,在振動篩持久的高強度工況下,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,確定了振源板與側板的材料均為16Mn板,提出通過增大振源板與側板的接觸面積的方式來解決振動篩側板開裂問題的方案,在ANSYS中對改進前后的結構模型進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。

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(責任編輯: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,長安大學碩士研究生,主要研究方向為機械設計及理論.

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

文獻標志碼:A

中圖分類號:U415.52