王慧, 陆萍, 吴云玉, 杜红光
, 济南250061)
摘要: 为将环模寿命定量化, 分析了环模的失效形式, 失效机理和影响环模寿命的结构因素; 根据材料的疲劳寿命实验数据, 利用Weibull公式建立了环模疲劳失效的S-N曲线, 对环模的疲劳寿命进行研究; 最终借助COS-MOS有限元软件将环模的疲劳寿命量化, 采用雨流计数法对不同结构参数下的环模进行数值计算, 得出不同结构参数下环模的疲劳寿命数据, 并确定模孔孔径为10mm, 模孔交替排列且模孔数为720的环模为理想环模.
0引言
目前, 对生物质固体颗粒成型机环模的寿命虽有研究, 但大都停留在实验阶段, 对生物质环模寿命的分析也没有定量化. 本文将通过分析环模的失效形式, 失效机理和影响环模寿命的结构因素, 建立环模疲劳失效的S—N曲线, 对环模的疲劳寿命进行研究. 最后借助COSMOSWorks有限元软件, 采用雨流计数法对不同结构参数下的环模进行数值计算, 获得环模的疲劳寿命.
1环模失效特性研究
1.1失效形式
成型机环模为多孔环形零件, 工作条件恶劣, 使用过程中长期承受压辊的循环挤压和物料的摩擦, 产生周期性的弯曲应力和接触压应力, 其主要失效形式为疲劳破坏. 这与环模实际使用中的失效现象吻合.
1.2失效机理
本文将从环模的结构特点分析成型机失效现象—塑性变形, 接触疲劳和磨粒磨损的失效机理.
1)环模孔的塑性变形 [1]. 多孔的环模自身机械强度较低, 加之压辊调整时过大的张紧力, 导致环模出现局部微裂纹, 最终出现疲劳失效现象.
2)接触疲劳. 环模工作时低速旋转, 同时承受较大的交变接触压应力, 经过一段时间环模就会出现疲劳裂纹, 终导致环模疲劳失效.
3)磨损失效. 一是压辊调得太紧, 与环模间隙小, 互相摩擦; 二是绞龙角度不恰当, 导致分配物料不均匀而使环模部分先磨损, 最终环模出现疲劳裂纹而失效.
上述分析表明, 环模最终的失效形式都表现为疲劳失效. 因此, 本研究主要通过对环模的疲劳寿命分析来研究环模的使用寿命.
1.3影响环模疲劳失效的结构参数
环模结构主要参数为模孔的孔径, 长径比, 模孔的排列和孔数等.
2环模失效数学模型
本文根据王威强和陈举华等对42CrMo钢的疲劳特性的研究, 再结合上述金属材料的疲劳特性特点, 最终建立42CrMo材料的S-N曲线 [4-6], 如图2所示. 从图2可以看出, 从实验获得的疲劳寿命曲线图2(a)与通用金属材料的理论疲劳寿命曲线图2(b)的形状基本吻合, 属于正确的疲劳曲线, 符合研究需要. 该曲线是本研究分析环模疲劳寿命的重要数据和理论依据.
3环模疲劳寿命的数值模拟
本课题对环模的疲劳寿命研究将采用SolidWorks三维建模和COSMOSWorks有限元软件进行模拟分析. 首先, 利用SolidWorks建立生物质环模的参数化模型; 其次, 利用COSMOSWorks有限元软件对环模进行疲劳寿命分析; 最后, 运用相关的弹塑性力学理论和疲劳损伤机理, 针对不同环模孔的形状, 不同环模孔的排列以及不同环模孔数的疲劳寿命进行分析模拟, 使环模的寿命分析定量化.
3.1环模疲劳几何模型的建立
申述云 [2]对生物质颗粒成型环模特性的研究发现, 环模孔的长径比为5: 1时, 环模所受的应力最小, 故笔者只对模孔长径比为5: 1的环模在模孔形状, 模孔直径(d), 排列方式等条件下的疲劳寿命进行研究.
该研究环模材料取用42CrMo, 基材料的参数如下[7]:
3.2环模的结构静力分析
3.2.1约束, 载荷和边界条件
根据环模实际装配工作情况, 对模拟环模施加载荷, 约束和边界条件. 对环模轴向的两个侧面施加固定约束, 对周向两个侧面施加周向对称约束; 对X, Y, Z等3个方向的所有移动自由度和所有旋转自由度进行固定定位; 对模孔的内壁施加垂直于内表面的平均压力, 以模拟生物质原料对环模孔的周向压力; 同时, 沿着模孔轴向在模孔的内表面施加摩擦力, 模拟生物质原料对环模孔内壁的摩擦力[3], 如图4所示.
3.2.2静力分析结果
模孔的Mises应力分析计算结果和模孔位移场分析计算结果分别如图5和图6所示.
3.3环模寿命分析
3.3.1寿命参数设置
在对环模进行了结构静力分析的基础上, 即可对环模进行疲劳寿命分析. 划分网格后的圆孔环模模型如图7所示.
利用COSMOSWorks软件对环模进行疲劳寿命分析时, 软件的参数设置除满足结构静力分析的需要外, 还需要依据上述对环模疲劳理论的研究, 对疲劳参数参数进行设置. 首先, 将环模的S-N曲线载入, 同时设定因环模结构对S—N曲线造成的强度缩减因子; 设置疲劳累积损伤理论为Palmgren-Miner线性累积损伤理论(简称Miner理论), 对软件计算器的计算方法设置为雨流循环计数法.
3.3.2寿命模拟结果分析
对环模使用寿命的衡量, 既要考虑到环模的疲劳寿命, 又要兼顾环模的产量. 环模孔的数目对环模的产量有较大影响, 在寿命相同的条件下, 模孔数目越多环模的产量越高. 对寿命模拟结果的分析将以这两个因素为分析重点. 在120℃温度时, 环模寿命数据如表1所示.
从表1分析的数据可以看出, 在孔径10mm, 长径比5: 1, 温度120℃的条件下:
1)模孔排列方式相同的环模, 其疲劳寿命随着模孔数目的增多而减小, 因为随着模孔数目的增多, 环模的机械强度降低.
2)环模孔数相当时, 模孔交替排列的环模寿命比模孔平行排列的环模寿命长得多, 如交替800个模孔的环模寿命为2.15×107次, 平行864个模孔的环模寿命为5.46×106次. 两者相比, 交替孔环模寿命是平行孔环模寿命的4倍, 而模孔数之比约为1: 1. 这是因为环模孔交替排列使得环模受力更均匀, 增强了机械强度.
120℃时环模寿命曲线如图8所示. 由图8可以看出, 在寿命相同的条件下, 模孔直径10mm交替排列方式的环模寿命要比模孔直径15mm的环模产量大得多. 在模孔排列方式相同的情况下, 模孔的数目较少时, 环模的寿命较高.
工程中, 一般认为机械零件的疲劳寿命达到N=106~ 107次时, 零部件的疲劳寿命视为无限长. 考虑到环模颗粒机的产量问题, 根据上面对环模寿命分析的数据和相关曲线综合衡量, 将模孔交替排列且孔径为10mm, 模孔总数为720的环模选定为基准品.
4结论
1)本文得出了生物质颗粒机环模主要的失效形式为疲劳破坏, 分析了环模的失效机理.
2)建立了环模的S-N曲线, 为分析环模疲劳寿命提供了重要数据和理论依据.
3)借助COSMOS有限元软件将环模的疲劳寿命量化, 得出了不同结构参数下环模的疲劳寿命数据, 研究得出模孔孔径10mm, 模孔交替排列, 模孔数720的环模为理想环模.
参考文献 :
[1]Yao W X, Xia K Q, Gu Y.On the fatiguenotch factor Kf[J].International Journalof Fatigue, 1995, 17(4): 245-251.
[2]申树云.生物质颗粒成型环模特性研究[D].济南 : 山东大学, 2008.
[3]汤爱君, 马海龙, 董玉平.生物质挤压过程中的静水压应力[J].可再生能源, 2006(2): 28 - 31.
[4]王威强, 徐楠, 贺庆强.42CrMo硬齿面齿轮虚拟全寿命的试验与分析[J].农业机械学报, 2006, 37(3): 126-129; 133.
[5]陈举华, 徐楠, 安艳秋.42CrMo材料硬齿面齿轮全寿命试验及数据分析[J].机械传动, 2005(5): 63-65.
[6]何柏林, 李树桢, 于影霞, 等.42CrMo钢M+F双相组织接触疲劳, 多冲疲劳及弯曲疲劳性能研究[J].机械强度, 2004, 26(4): 431-435.
[7]中国机械工程学会, 中国机械设计大典编委会.中国机械设计大典2[M].南昌 : 江西科学技术出版社, 2002: 17-18.
[8]王敏.环模制粒机的主要技术参数[J].湖南饲料, 2006(4): 39-41.
