水平移動式拋丸機(jī)葉片受力的有限元分析

摘要：為提高水平移動式拋丸機(jī)前曲葉片的使用壽命，運(yùn)用ＡＮＳＹＳ軟件，建立了拋丸機(jī)葉 片的有限元模型，以ＳＯＬＩＤ４５和ＳＵＲＦｌ５４單元共同劃分葉片網(wǎng)格，采用節(jié)點(diǎn)載荷加載方式。結(jié)果 顯示：葉片總體為低應(yīng)力分布，但存在明顯的應(yīng)力集中點(diǎn)，葉片受彈丸正壓力的較大值位于葉片邊 緣。葉片的失效形式是應(yīng)力集中引起的疲勞斷裂和正壓力過大導(dǎo)致的表面磨損。提高葉片的使用 壽命，除選用合適的材料提高葉片的耐磨性外，還需要設(shè)計(jì)合理的葉片形狀，以降低較大正壓力的 影響。
關(guān)鍵詞：拋丸機(jī)；葉片；有限元 中圖分類號：ＴＨｌ２３．４

０引言
水平移動式拋丸機(jī)是一種在歐美發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用的表面處理設(shè)備，既可以清除瀝青路面的附著 物（如燃油、機(jī)油），保證行走安全，提高路面的附著 力和使用壽命，又可以用于水泥路面的表面清理以 及公路標(biāo)志線的清除與鋪設(shè)‘１。２Ｉ。拋丸器作為拋丸機(jī)的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量與使用壽命主要取決于葉 片【３】。近年來，為研制使用壽命更長的葉片，國內(nèi) 研究人員做了大量的研究和努力，在使用鋼丸的情 況下，目前國內(nèi)生產(chǎn)的拋丸機(jī)葉片平均使用壽命為 ４００ ｈ。葉片受力情況是研究葉片使用壽命的基礎(chǔ)， 筆者結(jié)合ＡＮＳＹＳ軟件，建立前曲葉片的有限元模型 并加以仿真分析，以期進(jìn)一步明確葉片的失效機(jī)理， 為提高其使用壽命提供理論基礎(chǔ)。

１葉片受力分析
水平移動式拋丸機(jī)工作時(shí)，利用電機(jī)產(chǎn)生的負(fù) 壓，將表面處理過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)及灰塵吸納到配 套的除塵設(shè)備，經(jīng)分離后，可再次利用的丸料儲存于 儲料斗，雜質(zhì)及粉塵經(jīng)軟管進(jìn)入除塵設(shè)備過濾后排 人大氣‘４｜。圖１為水平移動式拋丸機(jī)的工作原理。
圖１水平移動式拋丸機(jī)工作原理
前曲葉片是指葉片沿旋轉(zhuǎn)方向向前彎曲，其受 力情況如圖２所示。
圖２前曲葉片彈丸受力分析
由牛頓運(yùn)動第二定律有



式中：ｍ——單個(gè)彈丸的質(zhì)量，ｋｇ；Ｆ，——切向分力，Ｎ； 只——法向分力，Ｎ； ｆＶ二一彈丸受葉片的法向壓力，Ｎ； Ｂ一彈丸受葉片的切向摩擦力，Ｎ； 移，——彈丸相對葉片的速度，即相對速度，ｍ／ｓ； ％——彈丸所在位置的葉片速度，即彈丸的牽 連速度，ｍ／ｓ； ％——彈丸的絕對速度，ｍ／ｓ； ｏ：——相對速度在ｆ方向的分量，ｍ／ｓ２； 口：——相對速度在ｎ方向的分量，ｍ／ｓ２； 口：——彈丸牽連加速度的切向分量，ｍ／ｓ２； 口：——彈丸牽連加速度的法向分量，ｍ／ｓ２； 口。——彈丸的科氏加速度，ｍ／ｓ２； 月ｂ——葉片的內(nèi)徑，衄； ｆ－葉片的曲率半徑，姍； ｐ——彈丸所在位置的回轉(zhuǎn)半徑，姍； ——彈丸相對質(zhì)心的角速度，ｒａｄ／ｓ； ｒ—－１，。與口。所夾的鈍角，ｒａｄ／ｓ。

由式（１）可知前曲葉片０，所以不存在彈丸 不經(jīng)葉片端部提前飛出葉片的情況。作用在葉片上 的摩擦力為 Ｆ，＝ｆＮ＝２ｍｆｏ）２Ｒｂ肛＋掣， 式中：．廠＿彈丸與葉片之間的動摩擦系數(shù)。式（１）表示單個(gè)彈丸對葉片的壓力，而實(shí)際上 葉片高速旋轉(zhuǎn)至定向套窗口時(shí)，要承接大量由定向 套涌出的彈丸，此時(shí)彈丸相對葉片的運(yùn)動是隨機(jī)的， 有的會一直沿葉片運(yùn)動，直至較后拋出。有的會與 葉片碰撞，較終由葉片邊緣拋出。因葉片高速旋轉(zhuǎn)， 彈丸瞬間布滿整個(gè)葉片，考慮葉片整體受力情況， 假設(shè)：
（１）所有彈丸均沿葉片運(yùn)動，直至較后拋出。
（２）回轉(zhuǎn)半徑相同處，葉片受彈丸的壓力和摩 擦力相等，其值為葉片給彈丸的壓力和摩擦力。
（３）由于葉片各點(diǎn)受力與葉片在寬度方向的位 置無關(guān)，故葉片在寬度方向的壓力和摩擦力相等。
（４）根據(jù)拋丸機(jī)的工作原理，拋丸器內(nèi)的氣 導(dǎo)入ＡＮＳＹＳ軟件，如圖４所示。 體很少，近于真空狀態(tài)，故忽略氣流對葉片的 作用。

２重力、慣性力和摩擦力的影響
葉片不僅受彈丸的壓力和摩擦力，而且受自 身的重力及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力。慣性力和重力是 恒量，而壓力和摩擦力是動態(tài)的。高速旋轉(zhuǎn)的葉 片旋轉(zhuǎn)到定向套窗口時(shí)，瞬間布滿彈丸，葉片所受 彈丸的壓力和摩擦力并不是完整周期，而是階躍 的，其作用時(shí)間與定向套的角度有關(guān)，即ｔ＝（ ３６０）ｒ，其中ａ是定向套的角度，一般ａ＝６０。，Ｔ是 葉片旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間。令札為第ｉ個(gè)節(jié)點(diǎn)對 葉片的摩擦力或壓力，則葉片工作過程中，任意一 點(diǎn)所受的周期力為


３有限元模型
拋丸機(jī)葉片分為底座、工作面（內(nèi)凹的曲面） 和凸臺三個(gè)部分，如圖３所示。底座用于固定葉 片到葉輪上，工作面是承受彈丸施加載荷的主要 部分，而凸臺則可防止彈丸從側(cè)面溢出，其受力很 小，可以忽略。當(dāng)葉片布滿直徑為１ ｍｍ的鋼質(zhì)彈 丸時(shí)，間隔１ ｍｍ的各點(diǎn)受到彈丸的壓力和摩擦力 作用。
圖３葉片結(jié)構(gòu)
葉片主要參數(shù)：外徑ＲＢ＝１６９ ｍｍ，內(nèi)徑Ｒｂ＝ ５９ ｍｍ，曲率半徑Ｚ＝２００ ｍｍ，材料為高鉻鑄鐵，彈 性模量Ｅ＝１．５７１０１１ Ｐａ，泊松比盧＝０．２７，密度 Ｐ２７．８１０３ ｋｇ／ｍ３。

由使用情況可知，葉片的失效均發(fā)生在葉片上。 建立有限元模型時(shí)，可將底座與葉片連接面由固定 端代替。葉片實(shí)體模型由ＣＡＴＩＡ軟件實(shí)現(xiàn)哺〕，然后 圖４導(dǎo)入ＡＮＳＹＳ的葉片模型，如圖4所示。

圖４導(dǎo)入ＡＮＳＹＳ的葉片模型

４有限元分析
４．１單元?jiǎng)澐?br /> 由葉片的受力分析知，葉片工作面上各點(diǎn)受力 的大小和方向均不相同，且力的大小為非線性【７】。 故選用ＳＯＬＩＤ４５及ＳＵＲＦｌ５４單元。ＳＯＬＩＩＭ５單元 適于三維實(shí)體的結(jié)構(gòu)分析，８個(gè)節(jié)點(diǎn)，在單元坐標(biāo)系 的ｘｙ、ｚ方向，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有移動自由度。圖５為 ＳＯＬＩＩＭ５單元實(shí)體劃分網(wǎng)格。
圖5 ＳＯＬＩＤ４５單元實(shí)體劃分
SURF154用于在三維實(shí)體結(jié)構(gòu)表面施加壓力， 且壓力非均勻分布，并隨結(jié)構(gòu)表面位置變化。劃分 單元有兩種選擇：一是用ＳＯＬＩＤ４５實(shí)體單元?jiǎng)澐秩~ 片；二是采用ＳＯＬＩＩＭ５實(shí)體單元與ＳＵＲＦｌ５４表面效 應(yīng)單元共同劃分葉片。 由于彈丸直徑為１ ｍｉｌｌ，所以葉片工作表面的網(wǎng) 格尺寸小于１ ＩＴｌｎｌ時(shí)，施加載荷后才較為切合實(shí)際。 用ＳＵＲＦｌ５４和ＳＯＬＩＩＭ５單元共同劃分網(wǎng)格時(shí)，先要 用ＳＵＲＦｌ５４劃分葉片的工作表面，然后再用ＳＯＬ－ ＩＩＭ５劃分整個(gè)實(shí)體，如圖６所示。
圖6、SURF154和solid45共同劃分葉片網(wǎng)格

４．２施加載荷與約束
４．２．１工作表面施加載荷
ＡＮＳＹＳ中，既可以將載荷施加于實(shí)體模型（關(guān) 鍵點(diǎn)、線、面），也可以施加于單元模型（單元或單元 的節(jié)點(diǎn)）。由于彈丸和葉片間為點(diǎn)和面接觸，屬于 集中力，故加載方式選取節(jié)點(diǎn)載荷更加符合 實(shí)際。

４．２．２ 葉片施加固定約束
簡化葉片分析模型時(shí)，未考慮葉片底座。因此， 需要對與底座相連的節(jié)點(diǎn)施加固定約束，如圖７ 所示。
圖７施加的固定約束
４．２．３葉片施加慣性約束

由Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞Ｄｅｆｉｎｅ Ｌｏａｄｓ＞Ｓｔｒｕｃ— ｔｒａｌ＞Ｉｎｅｒｔｉａ＞Ａｎｇｕｌａｒ ｖｅｌｏ設(shè)置旋轉(zhuǎn)引起的慣性力。 由Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞Ｄｅｆｉｎｅ Ｌｏａｄｓ＞Ｓｔｒｕｅｔｒａｌ＞ Ｉｎｅｒｔｉａ＞Ｇｒａｖｉｔｙ設(shè)置葉片的重力。

４．３結(jié)果分析
圖８為ＳＯＬＩＩＭ５劃分單元情況，其等效應(yīng)力的較 大值為６１７．７９５ ＭＰａ。圖９為ＳＯＬＩＤ４５和ＳＵＲＦｌＭ 共同劃分單元情況，其等效應(yīng)力的較大值是６７９．６５１ ＭＰａ。除應(yīng)力值稍有不同外，其應(yīng)力分布基本一致， 但ＳＯＬＩＩＭ５劃分的部分單元過于扭曲，會產(chǎn)生一定誤 差。ＳＯＬＩＩＭ５和ＳＵＲＦｌ５４共同劃分的網(wǎng)格更加合適 （圖６），生成的單元不致過于扭曲。
圖8 ＳＯＬＩＤ４￥單元?jiǎng)澐值牡刃?yīng)力

圖9 ＳＯＬＩＤ４５與ＳＵＲＦｌＳ４單元?jiǎng)澐值牡刃?yīng)力
總體而言，葉片總體上為低應(yīng)力分布，但圖８、９ 存在明顯的作用區(qū)域。這是由于葉片從底部有約束 狀態(tài)突變到?jīng)]有約束，導(dǎo)致葉片該位置的應(yīng)力集中。 高速回轉(zhuǎn)的葉片受彈丸的周期壓力，因疲勞導(dǎo)致應(yīng) 力集中點(diǎn)*先發(fā)生塑性變形，葉片表面產(chǎn)生裂紋，裂 紋的不斷延伸較終導(dǎo)致其斷裂。因此應(yīng)力集中是導(dǎo) 致葉片疲勞斷裂失效的原因之一。 葉片工作于高速旋轉(zhuǎn)的葉輪中，既要承受彈丸 磨料的磨損，又要承受高速丸料的沖蝕磨損。葉片 受彈丸壓力的較大值位于葉片邊緣，其值為 １０９０．８５ Ｎ。此處摩擦力的較大值為１７４．５３６ 數(shù)值與葉片的曲率半徑有關(guān)。因此，實(shí)際使用中葉片邊緣磨損較為嚴(yán)重。正壓力過大是導(dǎo)致葉片磨損 失效的另一原因。提高葉片的使用壽命，除了選用 合適的材料、提高葉片的耐磨性外，還需要設(shè)計(jì)合理 的葉片形狀，降低較大正壓力的影響。

５結(jié)束語
以水平移動式拋丸機(jī)的前曲葉片為例，給出了 葉片所受的正壓力與摩擦力的表達(dá)式，根據(jù)葉片的載荷與約束條件，應(yīng)用ＡＮＳＹＳ有限元軟件，求解了 葉片模型的應(yīng)力分布情況。選擇ＳＯＵＤ４５和 ＳＵＲＦｌ５４單元共同劃分網(wǎng)格，較為符合實(shí)際。有限 元分析結(jié)果從理論上說明葉片失效的主要形式是疲 勞斷裂與磨損。
參考文獻(xiàn)：
〔１〕趙曉運(yùn)，張聚才，李安銘．拋丸處理在汽車車架上的應(yīng)用 〔Ｊ〕．表面技術(shù)，２００４，３３（４）：５８—５９，６１．
都昌林，易春龍．鋼橋面無塵噴砂除銹設(shè)備及施工工藝〔Ｊ〕．表面技術(shù)，２００４，３３（２）：４６—４７，４９．
尚建勤．彈丸流量對拋丸成形影響的試驗(yàn)研究〔Ｊ〕．新工藝新技術(shù)新設(shè)備，２００２，（２）：ｌｌ一１３．