炭黑輸送螺旋給料器葉片的強(qiáng)度和疲勞分析

楊 釗，辛龍勝，韓 雨

（1. 青島軟控機(jī)電工程有限公司，山東青島 266000；2. 南通潤(rùn)邦重機(jī)有限公司，江蘇南通 226000）

0 引言

螺旋給料器是在橡膠、塑料行業(yè)廣泛應(yīng)用的一種輸送設(shè)備，主要用于輸送粉狀、顆粒狀和小塊狀物料。螺旋輸送機(jī)與其他輸送設(shè)備相比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、橫截面尺寸小、密封性能好、可以中間多點(diǎn)裝料和卸料、操作簡(jiǎn)單、安全方便以及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。螺旋輸送機(jī)調(diào)節(jié)輸送速度非常方便，適用于要求輸送速度可調(diào)及要求有時(shí)進(jìn)行微下料的場(chǎng)合，尤其適合用作粉料稱量時(shí)的輸送和進(jìn)料設(shè)備。

本文分析了一種用于上輔機(jī)系統(tǒng)炭黑輸送的螺旋給料器，為了確保螺旋給料器在工程應(yīng)用中的可靠性，需要對(duì)螺旋葉片進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析。螺旋給料器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，螺旋給料器通過(guò)螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)輸送料倉(cāng)內(nèi)的炭黑物料，其中與螺旋給料器連接的料倉(cāng)分為上部圓筒和下部錐體兩個(gè)部分。

1 螺旋葉片的受力分析

螺旋葉片的受力分析如圖2所示[1]，圖中：F為作用在葉片上的合力；Ff為作用在葉片背側(cè)的力；Fd為作用在葉片驅(qū)動(dòng)側(cè)的力；F1為F的法向分力；F2為F的切向分力；Fda為作用在葉片驅(qū)動(dòng)側(cè)的軸向力；Ffa為作用在葉片背側(cè)的軸向力；αr為螺旋升角；φf(shuō)為炭黑的壁面摩擦角。本文所分析的螺旋給料器主要參數(shù)見(jiàn)表1，炭黑的物料屬性見(jiàn)表2。

根據(jù)螺旋葉片的受力分析圖，得到式（1）～式（5）[1]。螺旋葉片的受力可以分為初始填充狀態(tài)和輸送狀態(tài)下的受力，在這兩種狀態(tài)下，螺旋葉片受到上部料倉(cāng)內(nèi)物料施加的豎直方向應(yīng)力，該應(yīng)力可分別通過(guò)式（6）和式（7）計(jì)算得到[2]。根據(jù)計(jì)算得到的豎直方向應(yīng)力 σvi和σv，可得到作用在螺旋葉片上的合力F。

圖1 炭黑輸送螺旋給料器結(jié)構(gòu)

圖2 螺旋葉片受力

表1 螺旋給料器的主要參數(shù)

表2 炭黑的物料參數(shù)

根據(jù)表1，表2和以上公式，計(jì)算得：在初始填充狀態(tài)下，作用在螺旋葉片上的合力 F=2 353 N，該力和螺旋軸（Z向）的夾角等于55.85°；在輸送狀態(tài)下，作用在螺旋葉片上的合力F=261 N，該力和螺旋軸（Z向）的夾角等于55.85°。

2 螺旋葉片的有限元計(jì)算

2.1 有限元模型

本文使用有限元分析軟件對(duì)不同厚度的螺旋葉片進(jìn)行建模和計(jì)算，計(jì)算模型如圖3所示，單元總數(shù)為3 597，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3 716。施加的載荷和邊界條件如圖4所示，將螺旋軸的兩端固定約束，作用在螺旋葉片上的合力F施加在葉片質(zhì)心處的節(jié)點(diǎn)上[3]。螺旋葉片的材料屬性見(jiàn)表3。

圖3 螺旋葉片的有限元計(jì)算模型

圖4 螺旋葉片的載荷和約束

表3 螺旋葉片的材料屬性

2.2 計(jì)算結(jié)果

4 mm厚度的葉片在初始填充狀態(tài)下的有限元計(jì)算結(jié)果如圖5所示，葉片根部的最大等效應(yīng)力等于130 MPa。不同厚度葉片的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖5 初始填充狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖6 不同葉片厚度下葉片根部的最大應(yīng)力

4 mm厚度的葉片在輸送狀態(tài)下的有限元計(jì)算結(jié)果如圖7所示，葉片根部焊縫處的最大等效應(yīng)力等于14.47 MPa，最小等效應(yīng)力等于5.88 MPa，因此螺旋軸旋轉(zhuǎn)一周，葉片根部同一位置處的最大應(yīng)力幅值近似等于8.59 MPa。

3 基于S-N曲線的螺旋葉片疲勞分析

S-N曲線是根據(jù)疲勞測(cè)試得到的。螺旋葉片和螺旋軸的焊接形式為手工雙面連續(xù)角焊縫，其 S-N曲線如圖8所示[4]。在 109循環(huán)工況下，許用的應(yīng)力幅值為23.28 MPa。本文分析的螺旋給料器主要用于上輔機(jī)系統(tǒng)的炭黑輸送和稱量，根據(jù)密煉機(jī)每天炭黑的用量，計(jì)算得到螺旋給料器每天需工作 4小時(shí)，同時(shí)要求螺旋給料器使用壽命為20年，按照每年工作300天計(jì)算，得到總的循環(huán)次數(shù)為5.9×108次。

圖7 輸送狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖8 S-N曲線

根據(jù)螺旋葉片的有限元計(jì)算結(jié)果，得到不同葉片厚度葉片根部角焊縫位置處的最大應(yīng)力幅值，如圖9所示。

圖9 不同葉片厚度下葉片根部的最大應(yīng)力幅值

4 結(jié)論

1）螺旋給料器在炭黑物料的輸送狀態(tài)下，螺旋葉片根部角焊縫位置處的應(yīng)力幅值較小，厚度4 mm的螺旋葉片即可滿足疲勞壽命要求，因此，螺旋葉片在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮滿足靜強(qiáng)度要求。

2）螺旋給料器上部料倉(cāng)的容積大小會(huì)對(duì)螺旋葉片在初始填充狀態(tài)下的靜強(qiáng)度產(chǎn)生影響，上部料倉(cāng)容積設(shè)計(jì)越大，物料作用在葉片上的合力就越大，螺旋葉片根部的應(yīng)力越大。作用在葉片上的合力越大，驅(qū)動(dòng)減速機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需的回轉(zhuǎn)扭矩就會(huì)越大，容積過(guò)大的料倉(cāng)會(huì)造成驅(qū)動(dòng)減速機(jī)啟動(dòng)困難。