王慧, 陸萍, 吳雲玉, 杜紅光
, 濟南250061)
摘要: 為將環模壽命定量化, 分析了環模的失效形式, 失效機理和影響環模壽命的結構因素; 根據材料的疲勞壽命實驗數據, 利用Weibull公式建立了環模疲勞失效的S-N曲線, 對環模的疲勞壽命進行研究; 最終藉助COS-MOS有限元軟體將環模的疲勞壽命量化, 採用雨流計數法對不同結構參數下的環模進行數值計算, 得出不同結構參數下環模的疲勞壽命數據, 並確定模孔孔徑為10mm, 模孔交替排列且模孔數為720的環模為理想環模.
0引言
目前, 對生物質固體顆粒成型機環模的壽命雖有研究, 但大都停留在實驗階段, 對生物質環模壽命的分析也沒有定量化. 本文將通過分析環模的失效形式, 失效機理和影響環模壽命的結構因素, 建立環模疲勞失效的S—N曲線, 對環模的疲勞壽命進行研究. 最後藉助COSMOSWorks有限元軟體, 採用雨流計數法對不同結構參數下的環模進行數值計算, 獲得環模的疲勞壽命.
1環模失效特性研究
1.1失效形式
成型機環模為多孔環形零件, 工作條件惡劣, 使用過程中長期承受壓輥的迴圈擠壓和物料的摩擦, 產生周期性的彎曲應力和接觸壓應力, 其主要失效形式為疲勞破壞. 這與環模實際使用中的失效現象吻合.
1.2失效機理
本文將從環模的結構特點分析成型機失效現象—塑性變形, 接觸疲勞和磨粒磨損的失效機理.
1)環模孔的塑性變形 [1]. 多孔的環模自身機械強度較低, 加之壓輥調整時過大的張緊力, 導致環模出現局部微裂紋, 最終出現疲勞失效現象.
2)接觸疲勞. 環模工作時低速旋轉, 同時承受較大的交變接觸壓應力, 經過一段時間環模就會出現疲勞裂紋, 終導致環模疲勞失效.
3)磨損失效. 一是壓輥調得太緊, 與環模間隙小, 互相摩擦; 二是絞龍角度不恰當, 導致分配物料不均勻而使環模部分先磨損, 最終環模出現疲勞裂紋而失效.
上述分析表明, 環模最終的失效形式都表現為疲勞失效. 因此, 本研究主要通過對環模的疲勞壽命分析來研究環模的使用壽命.
1.3影響環模疲勞失效的結構參數
環模結構主要參數為模孔的孔徑, 長徑比, 模孔的排列和孔數等.
2環模失效數學模型
本文根據王威強和陳舉華等對42CrMo鋼的疲勞特性的研究, 再結合上述金屬材料的疲勞特性特點, 最終建立42CrMo材料的S-N曲線 [4-6], 如圖2所示. 從圖2可以看出, 從實驗獲得的疲勞壽命曲線圖2(a)與通用金屬材料的理論疲勞壽命曲線圖2(b)的形狀基本吻合, 屬於正確的疲勞曲線, 符合研究需要. 該曲線是本研究分析環模疲勞壽命的重要數據和理論依據.
3環模疲勞壽命的數值類比
本課題對環模的疲勞壽命研究將採用SolidWorks三維建模和COSMOSWorks有限元軟體進行類比分析. 首先, 利用SolidWorks建立生物質環模的參數化模型; 其次, 利用COSMOSWorks有限元軟體對環模進行疲勞壽命分析; 最後, 運用相關的彈塑性力學理論和疲勞損傷機理, 針對不同環模孔的形狀, 不同環模孔的排列以及不同環模孔數的疲勞壽命進行分析類比, 使環模的壽命分析定量化.
3.1環模疲勞幾何模型的建立
申述雲 [2]對生物質顆粒成型環模特性的研究發現, 環模孔的長徑比為5: 1時, 環模所受的應力最小, 故筆者只對模孔長徑比為5: 1的環模在模孔形狀, 模孔直徑(d), 排列方式等條件下的疲勞壽命進行研究.
該研究環模材料取用42CrMo, 基材料的參數如下[7]:
3.2環模的結構靜力分析
3.2.1約束, 載荷和邊界條件
根據環模實際裝配工作情況, 對類比環模施載入荷, 約束和邊界條件. 對環模軸向的兩個側面施加固定約束, 對周向兩個側面施加周向對稱約束; 對X, Y, Z等3個方向的所有移動自由度和所有旋轉自由度進行固定定位; 對模孔的內壁施加垂直於內表面的平均壓力, 以類比生物質原料對環模孔的周向壓力; 同時, 沿著模孔軸向在模孔的內表面施加摩擦力, 類比生物質原料對環模孔內壁的摩擦力[3], 如圖4所示.
3.2.2靜力分析結果
模孔的Mises應力分析計算結果和模孔位移場分析計算結果分別如圖5和圖6所示.
3.3環模壽命分析
3.3.1壽命參數設置
在對環模進行了結構靜力分析的基礎上, 即可對環模進行疲勞壽命分析. 劃分網格後的圓孔環模模型如圖7所示.
利用COSMOSWorks軟體對環模進行疲勞壽命分析時, 軟體的參數設置除滿足結構靜力分析的需要外, 還需要依據上述對環模疲勞理論的研究, 對疲勞參數參數進行設置. 首先, 將環模的S-N曲線載入, 同時設定因環模結構對S—N曲線造成的強度縮減因子; 設置疲勞累積損傷理論為Palmgren-Miner線性累積損傷理論(簡稱Miner理論), 對軟體計算器的計算方法設置為雨流迴圈計數法.
3.3.2壽命類比結果分析
對環模使用壽命的衡量, 既要考慮到環模的疲勞壽命, 又要兼顧環模的產量. 環模孔的數目對環模的產量有較大影響, 在壽命相同的條件下, 模孔數目越多環模的產量越高. 對壽命類比結果的分析將以這兩個因素為分析重點. 在120℃溫度時, 環模壽命數據如表1所示.
從表1分析的數據可以看出, 在孔徑10mm, 長徑比5: 1, 溫度120℃的條件下:
1)模孔排列方式相同的環模, 其疲勞壽命隨著模孔數目的增多而減小, 因為隨著模孔數目的增多, 環模的機械強度降低.
2)環模孔數相當時, 模孔交替排列的環模壽命比模孔平行排列的環模壽命長得多, 如交替800個模孔的環模壽命為2.15×107次, 平行864個模孔的環模壽命為5.46×106次. 兩者相比, 交替孔環模壽命是平行孔環模壽命的4倍, 而模孔數之比約為1: 1. 這是因為環模孔交替排列使得環模受力更均勻, 增強了機械強度.
120℃時環模壽命曲線如圖8所示. 由圖8可以看出, 在壽命相同的條件下, 模孔直徑10mm交替排列方式的環模壽命要比模孔直徑15mm的環模產量大得多. 在模孔排列方式相同的情況下, 模孔的數目較少時, 環模的壽命較高.
工程中, 一般認為機械零件的疲勞壽命達到N=106~ 107次時, 零部件的疲勞壽命視為無限長. 考慮到環模顆粒機的產量問題, 根據上面對環模壽命分析的數據和相關曲線綜合衡量, 將模孔交替排列且孔徑為10mm, 模孔總數為720的環模選定為基準品.
4結論
1)本文得出了生物質顆粒機環模主要的失效形式為疲勞破壞, 分析了環模的失效機理.
2)建立了環模的S-N曲線, 為分析環模疲勞壽命提供了重要數據和理論依據.
3)藉助COSMOS有限元軟體將環模的疲勞壽命量化, 得出了不同結構參數下環模的疲勞壽命數據, 研究得出模孔孔徑10mm, 模孔交替排列, 模孔數720的環模為理想環模.
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