炭黑输送螺旋给料器叶片的强度和疲劳分析

2018-08-30辛龙胜

机电设备 2018年4期

杨钊，辛龙胜，韩雨

（1. 青岛软控机电工程有限公司，山东青岛 266000；2. 南通润邦重机有限公司，江苏南通 226000）

0 引言

螺旋给料器是在橡胶、塑料行业广泛应用的一种输送设备，主要用于输送粉状、颗粒状和小块状物料。螺旋输送机与其他输送设备相比较，具有结构简单、横截面尺寸小、密封性能好、可以中间多点装料和卸料、操作简单、安全方便以及制造成本低等优点。螺旋输送机调节输送速度非常方便，适用于要求输送速度可调及要求有时进行微下料的场合，尤其适合用作粉料称量时的输送和进料设备。

本文分析了一种用于上辅机系统炭黑输送的螺旋给料器，为了确保螺旋给料器在工程应用中的可靠性，需要对螺旋叶片进行强度和疲劳分析。螺旋给料器的结构如图1所示，螺旋给料器通过螺旋叶片的旋转输送料仓内的炭黑物料，其中与螺旋给料器连接的料仓分为上部圆筒和下部锥体两个部分。

1 螺旋叶片的受力分析

螺旋叶片的受力分析如图2所示[1]，图中：F为作用在叶片上的合力；Ff为作用在叶片背侧的力；Fd为作用在叶片驱动侧的力；F1为F的法向分力；F2为F的切向分力；Fda为作用在叶片驱动侧的轴向力；Ffa为作用在叶片背侧的轴向力；αr为螺旋升角；φf为炭黑的壁面摩擦角。本文所分析的螺旋给料器主要参数见表1，炭黑的物料属性见表2。

根据螺旋叶片的受力分析图，得到式（1）～式（5）[1]。螺旋叶片的受力可以分为初始填充状态和输送状态下的受力，在这两种状态下，螺旋叶片受到上部料仓内物料施加的竖直方向应力，该应力可分别通过式（6）和式（7）计算得到[2]。根据计算得到的竖直方向应力 σvi和σv，可得到作用在螺旋叶片上的合力F。

图1 炭黑输送螺旋给料器结构

图2 螺旋叶片受力

表1 螺旋给料器的主要参数

表2 炭黑的物料参数

根据表1，表2和以上公式，计算得：在初始填充状态下，作用在螺旋叶片上的合力 F=2 353 N，该力和螺旋轴（Z向）的夹角等于55.85°；在输送状态下，作用在螺旋叶片上的合力F=261 N，该力和螺旋轴（Z向）的夹角等于55.85°。

2 螺旋叶片的有限元计算

2.1 有限元模型

本文使用有限元分析软件对不同厚度的螺旋叶片进行建模和计算，计算模型如图3所示，单元总数为3 597，节点总数为3 716。施加的载荷和边界条件如图4所示，将螺旋轴的两端固定约束，作用在螺旋叶片上的合力F施加在叶片质心处的节点上[3]。螺旋叶片的材料属性见表3。

图3 螺旋叶片的有限元计算模型

图4 螺旋叶片的载荷和约束

表3 螺旋叶片的材料属性

2.2 计算结果

4 mm厚度的叶片在初始填充状态下的有限元计算结果如图5所示，叶片根部的最大等效应力等于130 MPa。不同厚度叶片的计算结果如图6所示。

图5 初始填充状态应力计算结果

图6 不同叶片厚度下叶片根部的最大应力

4 mm厚度的叶片在输送状态下的有限元计算结果如图7所示，叶片根部焊缝处的最大等效应力等于14.47 MPa，最小等效应力等于5.88 MPa，因此螺旋轴旋转一周，叶片根部同一位置处的最大应力幅值近似等于8.59 MPa。

3 基于S-N曲线的螺旋叶片疲劳分析

S-N曲线是根据疲劳测试得到的。螺旋叶片和螺旋轴的焊接形式为手工双面连续角焊缝，其 S-N曲线如图8所示[4]。在 109循环工况下，许用的应力幅值为23.28 MPa。本文分析的螺旋给料器主要用于上辅机系统的炭黑输送和称量，根据密炼机每天炭黑的用量，计算得到螺旋给料器每天需工作 4小时，同时要求螺旋给料器使用寿命为20年，按照每年工作300天计算，得到总的循环次数为5.9×108次。