螺旋給料機(jī)葉片分析及其厚度對(duì)撓度影響的模擬驗(yàn)證

李 勇 李忠毅 董 放

青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061

0 引言

螺旋給料機(jī)是一種常見(jiàn)的連續(xù)散體物料輸送設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速并準(zhǔn)確地控制輸送量，主要用于中短距離的物料輸送，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)[1]。但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中常常出現(xiàn)輸送效率不高、輸送誤差大等問(wèn)題[2]，極大地影響了正常生產(chǎn)的需求。對(duì)此，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者針對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋給料機(jī)進(jìn)行了大量的研究。大連理工大學(xué)的張東海[3]利用遺傳優(yōu)化算法建立了參數(shù)化的螺旋給料機(jī)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算、分析了螺旋葉片、螺距、螺旋軸等螺旋給料設(shè)備的關(guān)鍵部位，提出物料輸送的影響因素有填充系數(shù)和螺距；楊樂(lè)成等[4]通過(guò)EDEM 建立垂直螺旋輸送機(jī)輸送物料的仿真過(guò)程，對(duì)葉片磨損情況進(jìn)行了分析，得到了葉片磨損規(guī)律分析葉片磨損機(jī)理。周佳妮[5]提出隨著螺旋轉(zhuǎn)速的增大,螺旋葉片的磨損情況也隨之加重。寧延州等[6]使用EDEM 軟件對(duì)螺旋輸送機(jī)關(guān)鍵部件（螺旋體）的軸徑、螺距和葉片形狀為變量進(jìn)行仿真，得出影響水平螺旋輸送機(jī)輸送能力的關(guān)鍵因素是螺距、葉片和軸徑的結(jié)論。本文就螺旋葉片的參數(shù)確定及其厚度的影響進(jìn)行分析研究，為螺旋給料機(jī)的問(wèn)題解決提供參考。

1 螺旋葉片分析

1.1 按螺旋線展開(kāi)計(jì)算

圖1 螺旋葉片

圖2 葉片的螺旋線展開(kāi)圖

將圖1 的螺旋葉片按精確螺旋線展開(kāi)得到圖2，根據(jù)圖中各量的位置關(guān)系，可得外螺旋線L、內(nèi)螺旋線l、葉片寬度b 和0

式中：L 為外螺旋線長(zhǎng)度；t 為螺距；D 為螺旋葉片直徑。L 為內(nèi)螺旋線長(zhǎng)度。D 為無(wú)縫鋼管直徑。

因R/r = L/l、R = b+r，可得r = bl/(L-l )。

將R＇= R-Q 和L＇＇=L 和代入，得

經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)分析推導(dǎo)得

從式（6）可知，在d、D 和t 已經(jīng)確定的情況下，ΔL 是Q 的函數(shù)，即ΔL=f(Q)，可用數(shù)學(xué)方法求出ΔLmax和對(duì)應(yīng)的Q。通過(guò)改變t（或D、b、d）來(lái)改變?chǔ)max。但得到了ΔLmax并不能說(shuō)明找到的相應(yīng)位置是螺旋彎曲變形最大處，產(chǎn)生變形最大處在ΔL/L＇最大值對(duì)應(yīng)的葉片徑向位置上[7]。

圖3 螺旋葉片平面近似展開(kāi)圖

圖4 幾何證明

根據(jù)正弦定理

由此可知，α 的值決定了(ΔL/L＇)max，且取最大值時(shí)α=β。同時(shí)給定(ΔL/L＇)max的值，α 值也確定了[8]。

1.2 實(shí)例驗(yàn)證計(jì)算

通過(guò)以上分析計(jì)算，得知如何合理選擇葉片尺寸：調(diào)整t、d、D 的值，使(ΔL/L＇)max最小。

計(jì)算驗(yàn)證法在設(shè)計(jì)時(shí)先定下t、d、D，然后通過(guò)圖4 的展開(kāi)圖，根據(jù)幾何關(guān)系求出(ΔL/L＇)max時(shí)的α 值（α=β），再把α 代入式中，算出(ΔL/L＇)max，驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)要求。

實(shí)例參數(shù)與螺旋計(jì)算結(jié)果如表1～表3 所示。

表1 實(shí)例參數(shù)

表2 1 號(hào)螺旋計(jì)算結(jié)果

表3 2 號(hào)螺旋計(jì)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算，在設(shè)計(jì)時(shí)一般中等尺寸的螺旋葉片可取(ΔL/L＇)max=1%～4%，因此可得1 號(hào)螺旋體和2 號(hào)螺旋體葉片尺寸符合參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 最大撓度計(jì)算

螺旋軸的撓度計(jì)算常采用材料力學(xué)的方法，即只計(jì)算螺旋軸本身的剛度，而忽略了螺旋葉片對(duì)螺旋軸撓度的影響，這種計(jì)算方法與實(shí)際撓度值相比有很大誤差。

螺旋軸的撓度率為Ymax/L。根據(jù)剛度條件，許用撓度率一般為0.000 3～0.000 5，如按照Ymax/L=0.003～0.005和彈性模量E=200 GPa，可得空心螺旋軸徑和需要跨度為

式中：L 為空心軸跨度，即軸兩支撐之間的距離；q 為均布載荷集度；α 為空心軸的內(nèi)外徑之比，α=(d-2δ)/d。

式中：qd為管軸的均布載荷集度；qy為螺旋葉片的均布載荷集度，與螺旋葉片形式、外徑和葉片厚度有關(guān)，此項(xiàng)不可忽視，會(huì)影響撓曲率的計(jì)算。精確計(jì)算需按照螺旋外徑、螺旋面展開(kāi)后算出；E 為彈性模量，與鋼管材料和使用溫度有關(guān)。表4、表5 為在下列溫度下的彈性模量。

由表4 和表5 可知，通過(guò)改變鋼管材料，增加彈性模量來(lái)降低撓度的方法非常有限，但鋼材價(jià)格差異較大。由實(shí)例各項(xiàng)參數(shù)（表6）可以計(jì)算出，兩端支撐螺旋軸的最大撓度。

表4 常見(jiàn)材料的彈性模量1

表5 常見(jiàn)材料的彈性模量2

表6 實(shí)例參數(shù)

螺旋軸最大撓度值計(jì)算公式為

式中： Ymax為螺旋體最大撓度；E 為鋼管材料彈性模量，E=2.06×105MPa。

代入數(shù)據(jù)，得出1 號(hào)螺旋的最大撓度值Ymax=1.15 mm。同理得2 號(hào)螺旋Ymax=3.58 mm 。整理上述數(shù)據(jù)得到表7。

表7 撓度值

螺旋葉片對(duì)結(jié)構(gòu)抗彎剛度的加強(qiáng)作用非常小，可以忽略不計(jì)，但它的質(zhì)量影響螺旋軸撓度，故螺旋葉片厚度不宜太厚，但螺旋葉片可使扭轉(zhuǎn)剛度增強(qiáng)20%。

3 葉片厚度對(duì)撓度的影響模擬驗(yàn)證

螺旋體由無(wú)縫鋼管制成的螺旋軸上焊接螺旋葉片制成，按照設(shè)計(jì)要求，工作時(shí)螺旋最大彎曲撓度不得超過(guò)5 mm，即螺旋外徑與槽體內(nèi)壁間距要小于5 mm[9]。

目前對(duì)于葉片對(duì)螺旋的影響，僅把質(zhì)量作均布載荷加到螺旋軸上，而沒(méi)有研究葉片對(duì)抗彎剛度的加強(qiáng)作用。無(wú)軸螺旋的出現(xiàn)說(shuō)明葉片本身有一定的抗彎剛度。對(duì)于炭黑給料機(jī)螺旋葉片形狀的選取，國(guó)內(nèi)廠家大多數(shù)都是使用直線型單螺旋葉片，這種葉片形狀加工制造簡(jiǎn)單，表面相對(duì)光滑，適合輸送松散型物料[10]。國(guó)外炭黑輸送行業(yè)出現(xiàn)了使用折線型葉片輸送[11]，故比較這兩種類型葉片對(duì)螺旋軸撓度的影響。

3.1 直線型螺旋葉片

1）模型建立

炭黑螺旋給料機(jī)整體零件較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，考慮到模擬分析過(guò)程的重點(diǎn)，在不影響模擬驗(yàn)證的前提下進(jìn)行簡(jiǎn)化。本次模擬重點(diǎn)是分析葉片厚度和形狀對(duì)螺旋軸撓度的影響，因此對(duì)于螺旋軸模型的建立，忽略中間懸架機(jī)構(gòu)，只需將影響螺旋軸撓度的部分分析即可，因而模型由螺旋葉片、無(wú)縫鋼管和軸端三部分組成[12]。

表8 螺旋體尺寸 mm

在Creo 界面建立模型，如圖5 所示。依次對(duì)螺旋葉片厚度為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、 10 mm 以及12 mm，葉片形狀變化的螺旋體進(jìn)行模擬分析，得出模擬結(jié)果。

2）定義材料

首先定義模型的材料屬性。螺旋軸的材料為45 號(hào)鋼，在選擇材料屬性界面，選擇標(biāo)準(zhǔn)中碳鋼。工具欄材料分配里，選擇整體模型分配為標(biāo)準(zhǔn)中碳鋼。因?yàn)楸敬文M的變量為葉片厚度，因此選擇材料時(shí)，各定義量須保持一致。

3）施加約束

定義旋轉(zhuǎn)約束時(shí)，選擇兩端銷，約束只有X 軸方向的旋轉(zhuǎn)，沒(méi)有位移。定義整體約束可以選擇銷最右端的平面，固定XYZ 方向的位移。

4）施加載荷

螺旋軸在運(yùn)行時(shí)主要受到重力和螺旋軸自轉(zhuǎn)的離心力，這兩個(gè)力都會(huì)影響到螺旋軸的撓度。選擇轉(zhuǎn)速為1 450 r/min 的電機(jī)，減速比為25.07，螺旋轉(zhuǎn)速為57.8 r/min。施加重力載荷，全局設(shè)置重力加速度g =9.8 m/s2。施加離心力載荷，選擇r/min 單位的轉(zhuǎn)速，數(shù)值為57.8 r/min，方向?yàn)閄 軸方向。

5)分析結(jié)果

選擇測(cè)量參數(shù)為應(yīng)力應(yīng)變，進(jìn)行靜態(tài)分析，得出結(jié)果后查看有限元分析結(jié)果，得到應(yīng)力及位移圖。本次模擬比較的是葉片厚度變化對(duì)螺旋軸撓度的影響，因此需要用到應(yīng)力圖和位移變化量，在應(yīng)力圖中選擇Von mises 應(yīng)力；由于螺旋體的撓度是指在變形時(shí)其軸線上各點(diǎn)在該點(diǎn)處軸線法平面內(nèi)的位移量，所以位移圖可以顯示該螺旋軸的撓度。

Von.Mises（馮米塞斯）準(zhǔn)則指的是材料單位體積的變形超過(guò)一定的限度導(dǎo)致了材料到達(dá)了斷裂或屈服的狀態(tài)，導(dǎo)致材料變形的限度就是單向拉伸（或壓縮）到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)（斷裂或屈服）的單位體積變形能。馮米塞斯應(yīng)力是一種根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的當(dāng)量應(yīng)力，考慮了第一、二、三主應(yīng)力，可以用于對(duì)疲勞、破壞等的評(píng)價(jià)。

如圖6 所示，通過(guò)Creo simulate 的分析功能，模擬出了葉片厚度分別為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm 以及12 mm 時(shí)螺旋體的應(yīng)力和變形量圖。在葉片厚度為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm 時(shí)螺旋體中間部分的馮米斯應(yīng)力最大值分別為2.9 MPa、3.8 MPa、4.5 MPa、5 MPa、6 MPa、7.1 MPa，最大位移均出現(xiàn)在螺旋軸中間部分，最大變形量分別為0.164 mm、0.226 mm、0.286 mm、0.343 mm、0.399 mm、0.454 mm。在無(wú)縫鋼管尺寸、軸端尺寸、葉片直徑、螺旋葉片長(zhǎng)度不變的情況下，螺旋葉片厚度由2 mm 變化到12 mm，導(dǎo)致螺旋體中間部分的馮米斯應(yīng)力最大值由2.9 MPa 變化到7.1 MPa，最大位移都出現(xiàn)在螺旋軸的中間部分，最大變形量由0.164 mm 變化到0.454 mm。

圖5 螺旋體模型

圖6 不同葉片厚度螺旋體應(yīng)力及形變

應(yīng)力和變形量隨葉片厚度變化如圖7、圖8 所示，可直觀地了解螺旋軸所受的應(yīng)力及螺旋體中間部位的最大變形量隨葉片厚度的變化趨勢(shì)。螺旋軸葉片厚度在2～12 mm 內(nèi)變化時(shí)，其所受馮米塞斯應(yīng)力近似呈線性增長(zhǎng)，沒(méi)有驟增的趨勢(shì)。同樣，螺旋軸中間部分的最大變形量也近似呈線性增長(zhǎng)，沒(méi)有驟增的趨勢(shì)。

圖7 應(yīng)力隨葉片厚度變化圖

圖8 變形量隨葉片厚度變化圖

3.2 折線型螺旋葉片

折線型螺旋葉片指的是母線形狀為折線的螺旋葉片，其優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省材料，減輕螺旋軸質(zhì)量，在國(guó)外應(yīng)用較廣。為保證螺旋葉片根部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)定葉片根部厚度為4 mm，葉片外輪廓厚度為6 mm，根部和外輪廓軸向尺寸相等，截面如圖9 所示。其他尺寸不變，生成模型（如圖10）。

圖9 葉片截面圖

圖10 模型細(xì)節(jié)圖

對(duì)于分析折線型葉片與普通葉片對(duì)螺旋軸撓度的影響，其模擬過(guò)程與普通葉片模擬過(guò)程相同，除葉片形狀外，材料屬性、約束載荷、測(cè)量數(shù)據(jù)等保持不變。

圖11 不同厚度折線型葉片螺旋體應(yīng)力及形變

通過(guò)圖11a 模擬結(jié)果可得，葉片根部厚度為4 mm、外輪廓厚度為6 mm 的折線型葉片螺旋體中間部分的馮米塞斯應(yīng)力最大值約為4.1 MPa，最大位移仍然出現(xiàn)在螺旋軸中間部分，最大變形量為0.264 mm。相比較于葉片厚度為6 mm 的螺旋體，其大小約為4.5 MPa，最大變形量為0.286 mm，其馮米塞斯應(yīng)力和形變量略微降低。為得到準(zhǔn)確結(jié)論，需要再分析一組葉片根部厚度為5 mm，葉片外輪廓厚度為8 mm 的折線型葉片與厚度為8 mm 的普通葉片的模擬數(shù)據(jù)。

通過(guò)圖11b 模擬結(jié)果可知，葉片根部厚度為5 mm、葉片外輪廓厚度為8 mm 的折線型葉片螺旋體中間部分的馮米賽斯應(yīng)力最大值約為4.7 MPa，最大位移仍然出現(xiàn)在螺旋軸中間部分，最大變形量為0.313 mm。相比較于葉片厚度為8 mm 的螺旋體，其大小約為5 MPa，最大變形量為0.343 mm，其馮米塞斯應(yīng)力和形變量略微降低。

綜合兩組數(shù)據(jù)可知，減小葉片根部厚度，螺旋軸的馮米塞斯應(yīng)力和形變量也會(huì)減小，但是幅度很小。推測(cè)導(dǎo)致馮米塞斯應(yīng)力和形變量減小的原因可能是葉片根部厚度減小，螺旋體總重減小，導(dǎo)致的螺旋體撓度小幅增大。

4 結(jié)論

在實(shí)際生產(chǎn)中，螺旋體的撓度會(huì)受如涂層、焊接工藝、材料處理、輸送物料屬性等其他因素的影響，但是這些因素在相同的條件下，僅僅由葉片厚度變化導(dǎo)致的螺旋軸撓度變化不大，且螺旋葉片厚度增大導(dǎo)致的抗彎模量增加影響小于葉片厚度增大導(dǎo)致的質(zhì)量增大對(duì)螺旋軸撓度的影響。因此在設(shè)計(jì)螺旋葉片時(shí)，應(yīng)注意螺旋葉片的厚度不宜過(guò)大，在保證螺旋葉片強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減小葉片厚度，節(jié)省材料的同時(shí)，可略微降低螺旋軸的撓度。同時(shí)可酌情減小螺旋葉片根部厚度，雖然對(duì)主軸撓度影響較小，但會(huì)對(duì)加工難度造成影響，應(yīng)綜合考慮。同時(shí)，本模擬也證明了工程上螺旋設(shè)計(jì)撓度計(jì)算將螺旋葉片質(zhì)量分布在螺旋軸上、葉片對(duì)螺旋軸的抗彎模量沒(méi)有影響的這種設(shè)計(jì)方法是正確的。