基于ANSYS的多层振动筛侧板开裂研究

蒋文志,刘云飞,薛　阔,李晨光,高　阳(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西西安　710064)

基于ANSYS的多层振动筛侧板开裂研究

蒋文志,刘云飞,薛阔,李晨光,高阳
(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西西安710064)

摘要:针对某厂家生产的沥青搅拌设备多层振动筛的侧板开裂问题,提出通过增大振源板与侧板的接触面积的解决方案,在ANSYS中对改进前后的结构模型进行热固耦合仿真分析,并进行相关理论计算。结果表明,该改进方案能有效降低振源板与侧板铆钉圆孔周围的应力,且接触部分整体的应力分布较均匀,能防止振动筛侧板开裂。

关键词:沥青搅拌设备;振动筛侧板;振源板;有限元分析

振动筛是将提升机送来的骨料按照不同的粒径重新分离的设备［1]。它将提升机送来的骨料按照不同的粒径重新分离,为拌和前进行精确计量做准备,以便生产出合理级配的沥青混合料。直线式振动筛具有结构简单、功率消耗小、成本低廉且处理量大等诸多优点,广泛应用于筑路、矿山和煤炭等工程领域［2－3]。振动筛筛体主要由振源板、侧板、支撑横梁、预紧横梁、接料斗等组成,侧板作为筛体的基本组成部分,在整个振动筛的工作过程中起着连接振源板,并将激振力传导至筛网的重要作用。如果侧板出现裂缝,将会发生疲劳破坏,影响整个振动筛的正常运行［4]。因此,对振动筛侧板开裂进行研究具有重要的意义。

某5000型沥青搅拌设备用振动筛在试验测试过程中发现其侧板沿着部分铆钉孔发生开裂。根据分析,出现这一现象的主要原因可能为:侧板的材料属性不满足在实际使用过程中的需求;振源板与侧板的连接孔过密导致应力集中现象;振源板与侧板的连接面积过小引起二者贴合情况不好,使得铆钉的受力太大。本文利用ANSYS软件仿真分析该沥青搅拌设备振动筛开裂的原因。

1　仿真分析

1.1建模

1)选取侧板及振源板材料

由于该5000型沥青搅拌设备用振动筛在工作过程中,侧板处于140～150℃的高温环境中,并且要承受较大的往复激振力作用,因此需要具备较高的强度,从机械力学性能、工作条件以及经济性等方面综合考虑［5],选取16Mn作为侧板和振源板的材料。

2)增大侧板与振源板的接触面积

具体方式为:沿着激振力方向将振源板的长度增大至第五层横梁位置处,与激振力垂直方向的宽度基本保持不变,改进后通过铆钉将振源板与侧板及支撑横梁连接为一个整体,以消除铆钉孔附近应力集中现象并改善整体的应力分布。有效改善振动筛侧板开裂的问题。

在PRO/E中分别对改进前后的侧板和振源板进行建模,将二者合并为一个组件,并保存副本X-T格式,然后将其导入ANSYS软件中进行静力学热固耦合分析。其中,材料的各项属性分别设定为:弹性模量E =210 GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7 800 kg/m3,热膨胀系数为1.17×10－5/K,热导率为50.3 W/(m2·K)。改进前后的模型简化如图1、2所示。

图1　改进前模型　

图2　改进后模型

1.2模型加载及结果

由于激振器产生的激振力随着时间不断变化,为了优化振源板和侧板的结构参数,将施加在模型上的激振力F取其峰值Fmax,以保证应力满足使用要求。为分析方便,取一块振源板和一块侧板(单边)进行建模,然后进行加载与受力分析。为保证施加的激振力大小和方向与实际工况一致,将激振力均匀地加载在振源板轴孔周围的24个螺栓孔上,为便于施加表面压力载荷,将螺栓孔简化为半截面形式,每个孔半截面面积

式中: d为振源板轴孔周围的24个螺栓孔的直径;δ为振源板的厚度。

每个孔需要施加的均布压力载荷P = Fmax/(48S)。

根据现场的测试情况将温度场通过switch/thermal to structure导入结构静力学中进行分析,按照材料属性定义及加载方式进行求解,得到改进前后温度场云图以及振源板和侧板接触部分的等效应力云图分别如图3、4所示(图3中单位为℃,图4中单位为MPa)。

图3　改进前、后温度分布云图

图4　改进前、后等效应力分布云图

1.3结果分析

如图3、4所示,静力学热固耦合仿真分析结果表明,改进前的最大应力位于第三排铆钉孔靠近进料端处,为149 MPa,改进后的最大应力位于与第一层横梁连接的铆钉孔附近,为125 MPa,这是由温度应力及振动应力共同作用的结果。可以看出,当增大振源板和侧板的接触面积时,改进后的结构铆钉圆孔附近的应力相对于改进前减少24 MPa,且其接触部分整体的应力分布也较均匀;上述总应力小于16Mn(在150℃时)材料的许用应力170 MPa,满足使用要求,因此,改进方案是有效可行的。

图5　热应力理论分析模型

2　理论计算

由热应力理论可知,物体温度发生变化时,物体由于外在约束以及物体内部之间相互约束产生的应力称为热应力［6],可见,应力不仅由外力的作用产生,温度的变化也能够产生应力。由于该5000型振动筛的筛体在工作过程中,筛体内部具有温度梯度,会产生较大的热应力。由于沥青搅拌设备中振动筛的工作对象温度较高,振动筛在工作过程中处于振动应力和热应力的共同作用状态,导致侧板的工作寿命较短,经常出现裂纹甚至断裂［7－9],ANSYS静力学热固耦合仿真分析说明改进后的方案是有效的,为了验证改进方案的可行性,对改进方案进行理论计算,校核其强度是否满足要求。

2.1振源板热应力

由于振动筛工作时筛箱内的温度基本相同,热应力主要产生在有温度梯度的振源板上,因而此处只考虑振源板上部分(图中沿y方向)的温度应力,其理论分析模型如图5所示。

首先假设振源板板端固定,在x方向产生的热应力计算公式为:

式中:α为材料的线膨胀系数,α=1.17×10－5/K; t(y)为y方向的温差,K,t(y)= ky,(0＜y＜L),其中k为系数,与L有关。

采用“阻止应变法”来计算板端自由无约束时的热应力分布［10],具体方法为:在两端施加αEt(y)的分布拉应力,由此引起的应力与σx1相叠加便是温差按照t(y)变化而板端为自由时薄板内的热应力。其中分布拉应力合力计算式为:

式中δ为振源板的厚度。

在板端较远的截面上近似的分布拉应力σx2、弯曲应力σx3分别为:

式中: Mz为σx2产生的弯矩,为截面对z轴的惯性矩。

振源板截面上的合成热应力为:

可求得:σx=94.25 MPa。

2.2铆接孔处应力

在改进方案中,与侧板直接接触的振源板下半部分由于铆钉圆孔较多且排列不规则,在这里考虑圆孔的影响,取截面削弱系数K =0. 9。因此,在没有考虑圆孔导致应力集中的前提下振源板所受应力σy= 0.5Fmax/(Kbδ)。其中b为垂直于激振力方向振源板的宽度。

由于振源板上圆孔比较多,在圆孔附近会产生应力集中现象。圆孔附近区域,最大应力与物体的几何形状、加载方式等因素有关［11]。根据弹性力学［12]知,最大局部应力σmax为:

式中: Kt为应力集中因数,由于圆孔尺寸远小于侧板与振源板的尺寸,可以看成无限大平板模型,取Kt= 3;σn为距离圆孔较远的名义应力,σn=σy。

计算得σmax=38. 47 MPa。

由于激振力大小方向在不断变化,校核激振力方向分别向上和向下时的应力是否满足材料的许用应力要求即可。当激振力方向向上时,σmax为拉应力,取正值,当激振力方向向下时,σmax为压应力,取负值,根据第四强度理论相当应力σr4应满足:

计算得到σr4=118.3 MPa＜170 MPa(16Mn在150℃的许用应力),强度满足要求。

2.3振源板与侧板间摩擦力分析

铆接良好的振源板和侧板之间应该有足够的摩擦力使工作过程中两者之间不得有滑移现象发生,因此有必要对两者的贴合情况进行校核。该型号的振动筛采用17 mm环槽铆钉紧固［13－14],设单个铆钉的铆接力为FNi,总压力

式中n为振源板与侧板之间的铆接铆钉数量。

钢与钢之间在无润滑条件下的摩擦系数μ取0.15,故振源板与侧板之间的摩擦力

可以得出Ff=766 kN,而单边激振力为Fmax/2 =240 kN。由于Ff＞Fmax/2,因此可以认为改进方案的振源板与侧板的贴合情况良好,从而使铆钉本身直接承受激振力的现象很难发生,也使孔与铆钉直接接触加剧孔边应力集中的现象很少发生。

3　结语

该厂家生产的振动筛振源板与侧板接触面积太小,且环槽铆钉的分布过于密集,从而导致该处应力集中,在振动筛持久的高强度工况下,该接触部位容易疲劳破坏,影响其使用寿命。

在满足使用要求的前提下,确定了振源板与侧板的材料均为16Mn板,提出通过增大振源板与侧板的接触面积的方式来解决振动筛侧板开裂问题的方案,在ANSYS中对改进前后的结构模型进行仿真分析及理论计算,得到二者有效接触面积的增大使得应力减小且分布更加均匀,证明了此方案的可行性,这有利于提高振动筛的使用寿命。

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(责任编辑:郭守真)

Study on Cracking in Multi-Layer Vibrating Screen Side Plate Based on ANSYS

JIANG Wenzhi,LIU Yunfei,XUE Kuo,LI Chenguang,GAO Yang
(Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Chang'an University,Xi'an 710064,China)

Abstract:Aiming at the problem of side plate cracking of multi-layer vibrating screen of asphalt mixing equipment,this paper puts forward a scheme to solve the cracking problem by increasing the area of the vibration source plate and side plate.Then it makes a simulation analysis of thermosetting coupling for the structure model before and after the improvement in ANSYS and also makes the relevant theoretical calculation.The result shows that the improved scheme can effectively reduce the stress around the round hole of the heat source plate and side plate rivet with the uniform stress distribution of entire contact part and prevent the cracking problem of vibrating screen.

Key words:asphalt mixing equipment; vibrating screen side plate; vibration source plate; finite element analysis

作者简介:蒋文志(1991—),男,湖北十堰人,长安大学硕士研究生,主要研究方向为机械设计及理论.

收稿日期:2015－07－08

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.016

文章编号:1672－0032(2015)03－0078－04

文献标志码:A

中图分类号:U415.52