瀝青混合料攤鋪機螺旋分料器螺旋軸的仿真分析

曹源文，周垠成，夏柱林，李亞南

(1.重慶交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074;2.濟祁高速公路(碭山段)項目辦公室，安徽宿州 235300)

0 引言

在瀝青路面機械化施工中，瀝青混合料攤鋪機是不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。螺旋分料器是攤鋪機的重要組成部分，其承載能力的大小對攤鋪路面的均勻性有一定的影響［1-5］。

改進(jìn)前的螺旋分料器在越靠近螺旋軸的部分越容易隨軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較多的翻滾，從而發(fā)生離析［6-8］。螺旋分料器的螺徑與螺距之比，對混合料的均勻性影響很大，即螺旋葉片高度與螺距長度相差不能太大，否則會加重混合料的離析［9］。為了保證攤鋪的均勻性，沿軸向的每段下料量應(yīng)該相等，采用變徑變螺旋分料器可以保證不同位置的螺旋有不同的輸料能力［10-12］。此外，在螺旋分料器布料過程中，混合料所受切向力對其離析影響較大，所受軸向力有益于提高螺旋分料器的布料效率，因此應(yīng)盡可能減小切向力，以減小形變［13-15］。

對攤鋪機來說，螺旋分料器是攤鋪機十分重要的一部分，其軸作為支撐件和傳動件，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但軸的尺寸是保證安全性的重要因素。由于ANSYS軟件具有建模簡單、快速、方便的特點，在靜力學(xué)和動力學(xué)方面有著很多的實例，可以選擇AN-SYS作為有限元仿真分析軟件。因此，本文借助ANSYS軟件對變徑變螺旋分料器螺旋軸進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，為螺旋分料器的進(jìn)一步研究提供可靠依據(jù)。

1 螺旋分料器螺旋軸模型

1.1 螺旋分料器

瀝青混合料從刮料板流入，經(jīng)過螺旋分料器對混合料進(jìn)行輸送與分料。攤鋪機螺旋分料器是一種半開放式結(jié)構(gòu)，一般采用等直徑等螺距的設(shè)計，由裝有螺旋葉片的螺旋軸和分料槽組成，如圖1所示。螺旋軸通過軸承安裝在分料槽兩端的軸承座上，一端軸頭和驅(qū)動裝置相連。當(dāng)螺旋軸較長時，螺旋軸中間一般加裝吊桿與吊掛軸承［16］。

圖1 螺旋分料器結(jié)構(gòu)

攤鋪機有2個螺旋分料器，都安裝在攤鋪室，其作用是將刮板輸送機送來的混合料均勻地橫向鋪開。左右螺旋的旋向相反，左側(cè)螺旋布料器為左旋，右側(cè)螺旋布料器為右旋。在工作時，帶有螺旋葉片的傳動軸在由物料圍成的料槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)，由于重力、葉片摩擦力及料槽摩擦力的作用，使進(jìn)入料槽的物料不和螺旋一起旋轉(zhuǎn)，而是沿料槽向輸送方向運移，不停地向螺旋下面落料，同時向熨平板前沿塞料［17］。

攤鋪機螺旋分料器的輸料能力可由其生產(chǎn)率進(jìn)行評價。為了提高螺旋分料器的生產(chǎn)率，需改變?nèi)~片直徑，采用變徑遞減式連接螺旋，將螺旋布置劃分為3段，大外徑葉片位于第一支撐以內(nèi)，中等外徑葉片是在第一支撐到第二支撐之間，小外徑葉片則在第二支撐以外。這樣能使輸料均勻化且避免橫向離析，還能使處于不同位置的攤鋪物料的密實度和平整度均勻一致［18-20］。本文以改進(jìn)的變徑變螺旋分料器(圖2)為研究對象，加裝反向葉片，減少螺旋支撐面尺寸，從而有效防止各種離析，提高密實度和平整度。

圖2 變徑變螺旋分料器

1.2 螺旋軸模型

為了便于分析問題，對螺旋分料器螺旋軸作如下簡化。

(1)由于左右螺旋分料器是對稱的，故取左邊的螺旋分料器螺旋軸為研究對象。

(2)忽略螺旋分料器上的螺栓、鍵槽和倒角對螺旋分料器的影響。

(3)將分布在螺旋軸上的螺旋葉片視為載荷，均勻的加在螺旋軸上，以方便研究。

(4)工作時，整個螺旋分料器螺旋軸都是均勻受載的。

2 螺旋分料器螺旋軸動力學(xué)有限元分析

2.1 建立模型

建立3種螺旋軸有限元模型，如表1和圖3所示。其中第2種模型正是濟南至祁門高速公路碭山段試驗過程中采用的DT1400型攤鋪機的螺旋分料器螺旋軸。結(jié)合螺旋分料器螺旋軸的結(jié)構(gòu)特點，對相應(yīng)結(jié)構(gòu)做簡單的處理，將軸的倒角和鍵槽全部簡化。

表1 不同模型變徑螺旋分料器螺旋軸直徑

圖3 變徑變螺旋分料器

2.2 靜力分析

根據(jù)螺旋軸的工作環(huán)境和受力的特點選擇SOLID187單元對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定材料物理常量為:彈性模量E=210 GPa，泊松比u=0.3，密度ρ=7 800 kg·m－3。用自由劃分網(wǎng)格的方法，選取精度等級5。為了進(jìn)行靜力分析，需對軸施加軸向約束和徑向約束，在螺旋分料器軸徑變化的各處都加上100 N垂直于軸的力，再添加繞Z軸的角速度50 r·min－1，最后進(jìn)行有限元求解，得到Y(jié)方向總的位移應(yīng)變，如圖4～6所示。

圖4 模型1的位移應(yīng)變

圖5 模型2的位移應(yīng)變

圖6 模型3的位移應(yīng)變

由圖4～6可知，隨著螺旋軸直徑的不斷增大，其形變量也不斷增大，螺旋軸彎曲程度就越大，故應(yīng)選擇直徑較小的螺旋軸。但是，由于螺旋軸的承載能力與直徑成正比，可以考慮適當(dāng)增大螺旋軸直徑。

螺旋軸轉(zhuǎn)動時，既要承受載荷所產(chǎn)生的壓應(yīng)力，又要承受驅(qū)動轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。由圖7～9可知，在壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的組合作用下，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為9.24 MPa?？梢钥闯?，螺旋軸整體受力不大，遠(yuǎn)低于材料的抗拉強度，因此螺旋軸不會因靜強度不夠而發(fā)生斷裂。

圖7 模型1的von-Mises應(yīng)力

2.3 模態(tài)分析

姜婉和朱振東對寬幅攤鋪機螺旋分料器轉(zhuǎn)速對分料質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究 ，攤鋪機的螺旋軸直

圖8 模型2的von-Mises應(yīng)力

圖9 模型3的von-Mises應(yīng)力

徑取70 mm。本文先定義單元的類型為SOLID187，設(shè)置材料彈性模量E=210 GPa，泊松比u=0.3，密度ρ=7 800 kg·m－3，然后建模，劃分網(wǎng)格;接著將模態(tài)設(shè)置為4階形態(tài)，頻率范圍設(shè)為0～100 Hz，然后對軸施加邊界條件，用Block Lanczos進(jìn)行求解;最后進(jìn)行模態(tài)擴展設(shè)置，得到4階變形圖，如圖10～13所示。由一階變形圖可以看出，中間軸部分振幅大，容易發(fā)生共振現(xiàn)象;二階變形圖中振幅向兩邊擴展;三階變形圖出現(xiàn)3處振幅較大的形變;四階變形圖則表明最大螺旋軸右邊的振幅最大。

圖10 螺旋軸直徑d=70 mm的1階變形

圖11 螺旋軸直徑d=70 mm的2階變形

圖12 螺旋軸直徑d=70 mm的3階變形

圖13 螺旋軸直徑d=70 mm的4階變形

對另外2種模型進(jìn)行仿真，用與螺旋軸直徑為70 mm時相同的方法對直徑分別為60 mm和80 mm的螺旋軸進(jìn)行模態(tài)分析，3種模型對應(yīng)的各階頻率如表2所示。

表2 不同模型螺旋軸直徑各階頻率

由表2可知，各種模型的頻率從第1階到第4階都在逐漸增加。在模型1中，各階頻率基本呈線性關(guān)系，隨著螺旋軸直徑的增大，在模型2和模型3中各階頻率不再呈線性關(guān)系。

模型1下的第1階與第2階頻率相差1.648 34 Hz，增加量最大;第3階與第4階相差1.039 96 Hz，增加量最小。模型2下的第1階與第2階頻率相差1.596 60 Hz，增加量最大;第3階與第 4階相差0.411 01 Hz，增加量最小。模型3下的第1階與第2階頻率相差1.540 32 Hz，增加量最大;第3階與第4階相差0.087 08 Hz，增加量最小。對比以上3個模型可知，隨著螺旋軸直徑的增大，各階頻率增加量逐步減小。

圖14、15為模型1、2和模型3、4之間的頻率差值，從中可以看出:模型之間的差值在1階時，減少量最小;在4階時，減少量最大;并且隨著螺旋軸直徑和階數(shù)的增加，螺旋軸的頻率逐漸減小。圖16、17為模型1、2和模型3、4之間頻率差距百分比，從中可以看出:第1階到第4階誤差分別為:0.01%，0.19%，1.87%，－2.13%;在 1 階時頻率差距百分比基本一致，隨著階數(shù)的增加，差距百分比先增大后減小，在第4階處呈現(xiàn)下降趨勢，這有利于降低共振發(fā)生的可能性。

圖14 模型1與模型2的頻率差值

圖15 模型2與模型3的頻率差值

圖16 模型1與模型2的頻率差距百分比率

圖17 模型2與模型3的頻率差距百分比率

綜合以上分析可知，隨時間的變化，振幅從中間向兩側(cè)移動;隨著螺旋軸直徑和階數(shù)的增加，螺旋軸的形變量從中間向兩邊擴散，并且在4階時達(dá)到最大形變和最大頻率，這說明隨著頻率和形變量的增加，相應(yīng)的剪應(yīng)力也會增大，從而縮短了螺旋軸的使用壽命;螺旋軸直徑的增大會減小頻率，增加形變，但是引起共振的可能性小，因此，設(shè)計中可以考慮適當(dāng)增大螺旋軸直徑，提高承載能力。

3 結(jié)語

本文使用有限元仿真軟件建立螺旋分料器螺旋軸模型，對其進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析。結(jié)合仿真圖研究螺旋軸的形變和不同直徑對共振頻率、形變的影響，得到如下結(jié)論。

(1)可以從直徑方面改善螺旋分料器螺旋軸的承載能力，提高其使用壽命。仿真模擬的形變圖可以作為分析螺旋分料器螺旋軸受載情況的依據(jù)，便于確定易斷處。

(2)通過對螺旋分料器的仿真分析可知，應(yīng)用靜力分析和模態(tài)分析相結(jié)合的方法，可以有效確定螺旋軸直徑對形變和共振頻率的影響，為研究螺旋分料器的承載能力提供理論支撐。

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