王慧,陆萍,吴云玉,杜红光
(高效洁净机械制造教育部重点实验室(山东大学),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。
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