三錐輥式平模制粒機(jī)零部件的有限元強(qiáng)度分析

陳義厚 （長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

由于我國農(nóng)業(yè)土地的過度開發(fā)，尤其是長期偏施單質(zhì)化肥，最終影響優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)。為了確保農(nóng)業(yè)種植水平和農(nóng)作物產(chǎn)品品質(zhì)，一些科學(xué)家已研制成功了一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)復(fù)合肥料——綠色生態(tài)有機(jī)復(fù)合肥料。不過，這種肥料需要通過機(jī)械作用將混合粉料壓實并擠出?？锥纬蓤A柱狀肥料顆粒，但目前在國內(nèi)外只有極少量加工此專用有機(jī)肥料的制粒機(jī)。

本研究通過對綠色生態(tài)有機(jī)復(fù)合肥料的成型機(jī)理進(jìn)行全面分析和研究，提出三錐輥式壓輥結(jié)構(gòu)的思想，以提高加工的速度和穩(wěn)定性，綜合考慮各種因素，設(shè)計出能制造此專用復(fù)合肥料顆粒的三錐輥式平模制粒機(jī)，并利用有限元的計算方法對制粒機(jī)的重要部件壓輥和平模進(jìn)行了分析計算，得到了滿意的結(jié)果。

1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，平模制粒機(jī)由電動機(jī)2、傳動裝置1、傳動軸3、平模4、壓輥5、喂料器、進(jìn)料斗6、切刀7、出料斗8等幾部分組成。

平模制粒機(jī)是以機(jī)械圓周運(yùn)動為基礎(chǔ)，電動機(jī)2為動力帶動傳動軸，經(jīng)差速器1減速至主軸3，進(jìn)而帶動與主軸3連接的平模4，擦動壓輥5，使得壓輥5和平模4之間有較高的摩擦溫度，在平模4和壓輥5的強(qiáng)烈擠壓作用下，物料逐漸被壓實，擠入平模的?？字?，并使攪拌均勻的復(fù)合肥料粉狀原料中的化學(xué)元素發(fā)生反應(yīng)、結(jié)晶、凝固，在壓輥5的擠壓下，從平模孔中擠出，經(jīng)過切刀的分段最后從出料口8滾出顆粒肥料[1]。

圖1 平模制粒機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

2 三錐輥式平模制粒機(jī)零部件的有限元強(qiáng)度分析

對三錐輥式平模制粒機(jī)各零、部件作精確的強(qiáng)度 （應(yīng)力、應(yīng)變）分析，需采用工程力學(xué)的方法，如彈、塑性理論，差分法、有限元法等。作為一種數(shù)值計算方法，有限元法隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展得以實現(xiàn)，它的優(yōu)勢在于可以進(jìn)行整個實體的全方位研究，而不用顧及它的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。目前有限元方法在強(qiáng)度方面研究已逐漸成熟，正得到廣泛采用。

2.1 有限元強(qiáng)度分析原理

有限元方法對實體強(qiáng)度的分析，就是分析實體在承受各種載荷和約束作用下的應(yīng)力、應(yīng)變情況。一般的過程就是將彈性實體劃分盡量少的單元，對單個單元，按一定的幾何關(guān)系和虛功原理可以得到，各節(jié)點的載荷為剛度矩陣 [k]e和節(jié)點位移 ｛δ｝e的乘積，進(jìn)一步將實體的各單元聯(lián)合可得到整體剛度矩陣 [K]。在已知外載和節(jié)點約束的條件下就可以得到各節(jié)點的位移δ、應(yīng)變ε、及應(yīng)力σ。

單元型式多種多樣，可以分平面和三維單元2個部分。一般采用三維單元可以更準(zhǔn)確描述實體的幾何形式。本研究中采用8節(jié)點磚塊單元 （brick）。

磚塊單元的幾何矩陣[2]為：

2.2 平模的有限元分析

2.2.1 建立實體模型

平模屬于周期對稱結(jié)構(gòu)，每個扇區(qū)1200，分3個扇區(qū)。取其中的一個扇區(qū)進(jìn)行分析，在PRO／E環(huán)境建立平模的三維實體模型[3－4]，保存為 Ansys可以調(diào)用的 .IGES或 .SAT格式，然后由Ansys調(diào)入的方法。圖2為用于有限元分析的制粒機(jī)上平模的模型。

2.2.2 材料性質(zhì)及屬性

圖2 用于有限元分析的平模模型

平模采用40Cr。熱處理要求：機(jī)加工后真空熱處理，硬度HRC53～55。其機(jī)械性能為：強(qiáng)度極限σb＝980MPa，σs＝785MPa。

平模的材料屬性為：線性材料，各項同性，彈性模量為2.1×1011MPa，泊松比為0.25。

2.2.3 有限元網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格劃分要考慮2個問題，一是精度問題，即網(wǎng)格劃分不能太粗，否則計算結(jié)果精度不夠，二是計算時間問題，如

果網(wǎng)格劃分太密，雖然可以達(dá)到精度要求，但由于計算量十分巨大，計算過程緩慢。在進(jìn)行平模的網(wǎng)格劃分時，綜合2個方面的要求，采用的單元類型為8節(jié)點磚塊單元。圖3為平模的網(wǎng)格劃分圖。

2.2.4 施加載荷及約束

將平模內(nèi)孔的表面的6個自由度全部約束，由于已經(jīng)定義了周期對稱分析選項，故2個剖面處無需施加約束。壓輥施加給平模的壓力為4.41Mpa，施加在位于模型中部的38°夾角的范圍內(nèi) （38°是根據(jù)攫入角40°計算得來）。壓輥給平模的摩擦力F＝fN＝0.4×4.41×1720mm2＝3034N也均勻施加在此夾角范圍內(nèi) （受摩擦力的面積1720mm2也是根據(jù)攫入角40°計算得來）。

2.2.5 計算結(jié)果查看及分析

圖4、圖5分別為平模有限元等效應(yīng)力分析結(jié)果圖和平模有限元分析的變形圖。從圖4可以看出，σmax＝101.031MPa，最大應(yīng)力在平模的支撐處；采用公式來進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，則安全系數(shù)為，滿足要求，說明平模是安全的。此外，從圖5還可以查看到平模的最大變形量為0.023705mm。

圖3 平模的網(wǎng)格劃分圖

圖4 平模有限元等效應(yīng)力分析結(jié)果圖

圖5 平模的有限元分析變形圖

2.3 壓輥殼的有限元分析

2.3.1 建立實體模型

在PRO／E環(huán)境建立壓輥的三維實體模型，保存為Ansys可以調(diào)用的.IGES或.SAT格式，然后由Ansys調(diào)入的方法。圖6為用于有限元分析的制粒機(jī)上壓輥的模型。

2.3.2 材料性質(zhì)及屬性

壓輥殼采用40Cr。硬度 HRC53～55。其機(jī)械性能為：強(qiáng)度極限σb＝980MPa，σs＝785MPa。

壓輥的材料屬性為：線性材料，各項同性，彈性摸量為2.1×1011MPa，泊松比為0.25。

2.3.3 有限元網(wǎng)格劃分在進(jìn)行壓輥的網(wǎng)格劃分時，采用的單元類型為8節(jié)點磚塊單元。圖7為壓輥的網(wǎng)格劃分圖。

圖6 用于有限元分析的壓輥模型

2.3.4 施加載荷及約束

將壓輥殼裝配軸承的內(nèi)表面的6個自由度全部約束[5]，平模施加給壓輥殼的壓力為4.41Mpa，施加在位于模型外表面的40°物料攫入角的范圍內(nèi)。

2.3.5 計算結(jié)果查看及分析

圖8、圖9分別為壓輥殼有限元等效應(yīng)力分析結(jié)果圖和壓輥殼有限元分析的變形圖。從圖中可以看出最大應(yīng)力處在壓輥與平模接觸的小端處，且σmax＝15.382MPa。采用公式來進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，則安全系數(shù)為，滿足要求，說明壓輥殼是安全的。此外，從圖9還可以查看到壓輥殼的最大變形量為0.001153mm。

圖7 壓輥的網(wǎng)格劃分圖

圖8 壓輥有限元等效應(yīng)力分析結(jié)果圖

圖9 壓輥有限元變形結(jié)果圖

3 結(jié)論

本研究建立的三錐輥式平模制粒機(jī)的壓輥、平模的有限元模型為分析其失效機(jī)理提供了便捷的方法。壓輥、平模結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形不規(guī)則，利用傳統(tǒng)的力學(xué)方法進(jìn)行失效分析會有一定的困難，利用Ansys軟件對其進(jìn)行分析研究保證了設(shè)計的可靠性。

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