干粉投加机进料系统设计及有限元分析

高艳红

(唐山学院 机电工程系，河北 唐山 063000)

干粉投加机进料系统设计及有限元分析

高艳红

(唐山学院 机电工程系，河北 唐山 063000)

结合现代设计理论，对进料机进行三维造型；基于有限单元法，对主要受力部件螺旋体和搅拌器进行了受力分析，得到了其应力分布场；对搅拌轴进行了模态分析，得到了螺旋轴的各阶频率。

投加机；螺旋轴；进料搅拌系统；有限单元法；应力场

0 引言

螺旋进料机是干粉固体颗粒搬运系统机械化和自动化不可缺少的部分，是现代化生产的重要标志之一。进料系统主要由螺旋轴、进料搅拌系统、料槽和驱动装置组成。工作时，物料由螺旋轴旋转产生的轴向推力沿轴向推至卸料口卸出。本文根据经典理论和经验公式设计进料机的螺旋轴、进料搅拌系统和驱动装置，用现代设计方法对进料机进行三维造型，并对关键零部件进行有限元分析。

1 三维造型

三维造型不仅直观，而且可以校验机械零部件是否存在运动干涉、装配干涉现象，还可以为进一步做有限元分析、运动分析等打下基础。

1.1 设备主要参数

本文所设计的螺旋进料机使用条件如下：

输送物料为干粉固体颗粒；

额定输送量Q=20 t/h；

输送距离L=2 m；

物料的堆积密度λ=0.86 t/m3。

1.1.1 螺旋直径D的确定

螺旋直径可参考以下经验公式计算得到：

式中：D-螺旋直径；

k1-物料综合特性系数；

φ-物料填充系数；

λ-物料的堆积密度；

C-倾斜输送系数。

本文中物料为高分子聚合物，根据物料性质，确定物料综合特性系数为0.041 5[1]326，物料填充系数为0.33[2]。考虑到螺旋进料机水平布置，确定倾斜输送系数为1[1]328。将已确定参数代入上式并根据螺旋叶片直径的标准系列最终确定螺旋直径为250mm。

1.1.2 螺距的确定

螺距的大小直接影响物料输送，当输送量和直径一定时，物料运动的滑移面会随着螺距的变化而改变，直接导致物料运动速度分布发生变化。合理螺距的确定需考虑螺旋面与物料的摩擦关系以及速度各分量间的适当分布关系，参考经验公式，螺距又在200～250mm之间，因此取螺距为200mm。

1.1.3 壳体内径与螺旋轴直径的确定

壳体内径=D+30=280mm；

螺旋轴直径d≈0.4D=100mm。

1.2 三维造型

进料机最终三维结构如图1所示。

图1 进料机三维模型

2 关键部件有限元分析

螺旋体、搅拌器及螺旋轴是进料机的关键受力部件，本文基于ANSYS对其进行有限元分析。

2.1 螺旋体静力分析

2.1.1 实体模型从前述三维造型导入，模型及网格划分情况如图2中a，b所示。

图2 螺旋体的模型与网格划分

2.1.2 有限元模型

基于前述，建立有限元模型。

单元类型：根据实体结构复杂的特点，选用8节点线性三维结构实体单元Solid45。

材料模型：材料为Q235，屈服点бs=235 MPa，波松比为0.3，弹性模量E=2.06E5，密度为7.85E-6 kg/mm3。

约束施加：螺旋轴固定的一端施加全约束；螺旋叶片上施加通过计算得到的压强，为109 038 Pa。

2.1.3 分析结果

典型位移云图如图3所示，应力云图如图4所示。

图3 螺旋体位移云图

图4 螺旋体应力云图

结果讨论：分析结果表明最大位移变化量在螺旋叶片外缘，螺旋叶片外缘易发生变形，螺旋叶片根部基本不会发生变形。最大应变值为0.266×10-3，螺旋叶片的变形量在允许的范围内。螺旋叶片在根部应力有最大值16 MPa，满足使用强度要求。

2.2 搅拌器静力分析

2.2.1 单元材料

搅拌器采用10节点线性三维结构实体单元Solid187，材料为45。

2.2.2 约束施加

物料搅拌器被固定的一端施加全约束；搅拌器表面所受的压强为71 665 Pa。

搅拌器网格划分情况如图5所示。

图5 物料搅拌器网格划分图

2.2.3 分析结果

物料搅拌器典型位移云图如图6所示，应力云图如图7所示。结果表明物料搅拌器在主梁上易发生变形；应力在物料搅拌器中间固定端有最大值，易发生破坏，最大值为38.8 MPa，满足使用强度要求。

图6 物料搅拌器位移云图

图7 物料搅拌器应力云图

2.3 螺旋轴模态分析

对螺旋轴进行模态分析，以避免设计的振动频率在其固有频率的范围内。

2.3.1 施加载荷

在轴的两个对称节点上施加力，根据扭矩计算得到施加在节点上的力为11 460 N。

2.3.2 分析结果

螺旋轴频率如图8所示。

图8 螺旋轴前六阶的振动频率

从各阶的频率和振型可以看出，各阶的振型量相对都较大，虽然校核刚度符合要求，但是从螺旋轴固有频率考虑，其刚度需进一步提高，可设计为大截面小厚度的空心轴。

一阶和二阶频率接近，三阶和四阶频率接近，频率均较低；五阶和六阶频率相差较大，频率均高。所以一定要及时地监控激励频率的范围，防止发生共振。

3 结论

(1)运用三维软件对进料机进行三维设计，既提高了设计效率，又保证了设计质量。

(2)螺旋体、螺旋轴、物料搅拌器是进料机主要受力部件。对螺旋体和搅拌器进行了静力分析，得出了应力云图，分析了它们的可靠性；对搅拌轴进行了模态分析，得到螺旋轴的频率，为结构动力特性的优化设计提供依据。

[1] 陶珍东，郑少华.粉体工程与设备[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2] 卢寿慈.粉体设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004：541-543.

(责任编校：白丽娟)

Design and Finite Element Analysis of the Feeding System of the Dry Powder Adding Machine

GAO Yan-hong

(Department of Mechanical Engineering， Tangshan College， Tangshan 063000， China)

The author of this paper made a three-dimensional model of the adding machine， guided by modern design theories， conducted a stress analysis of the spiral body and the agitator， established the stress distribution field， with the finite element method， performed a modal analysis of the stirring shaft and attained the frequency bands of the screw axis.

adding machine； screw shaft； feeding mixing system； FEM； stress field

TP391.99

A

1672-349X(2015)03-0059-02

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.020