水平移動式拋丸機葉片受力的有限元分析

水平移動式拋丸機是一種在歐美發(fā)達國家廣泛應(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 及公路標志線的清除與鋪設(shè)‘１。２Ｉ。拋丸器作為拋丸機的關(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)，建立前曲葉片的有限元模型 并加以仿真分析，以期進一步明確葉片的失效機理， 為提高其使用壽命提供理論基礎(chǔ)。

１葉片受力分析
水平移動式拋丸機工作時，利用電機產(chǎn)生的負 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的工作原理。
圖１水平移動式拋丸機工作原理
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
由牛頓運動第二定律有



式中：ｍ——單個彈丸的質(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?！獜椡璧目剖霞铀俣龋恚螅?； 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）表示單個彈丸對葉片的壓力，而實際上 葉片高速旋轉(zhuǎn)至定向套窗口時，要承接大量由定向 套涌出的彈丸，此時彈丸相對葉片的運動是隨機的， 有的會一直沿葉片運動，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，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)一周所用的時間。令札為第ｉ個節(jié)點對 葉片的摩擦力或壓力，則葉片工作過程中，任意一 點所受的周期力為


３有限元模型
拋丸機葉片分為底座、工作面（內(nèi)凹的曲面） 和凸臺三個部分，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，間隔１ ｍｍ的各點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，可將底座與葉片連接面由固定 端代替。葉片實體模型由ＣＡＴＩＡ軟件實現(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單元劃分
由葉片的受力分析知，葉片工作面上各點受力 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 適于三維實體的結(jié)構(gòu)分析，８個節(jié)點，在單元坐標系 的ｘｙ、ｚ方向，每個節(jié)點均有移動自由度。圖５為 ＳＯＬＩＩＭ５單元實體劃分網(wǎng)格。
圖5 ＳＯＬＩＤ４５單元實體劃分
SURF154用于在三維實體結(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實體單元劃分葉 片；二是采用ＳＯＬＩＩＭ５實體單元與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，施加載荷后才較為切合實際。 用ＳＵＲＦｌ５４和ＳＯＬＩＩＭ５單元共同劃分網(wǎng)格時，先要 用ＳＵＲＦｌ５４劃分葉片的工作表面，然后再用ＳＯＬ－ ＩＩＭ５劃分整個實體，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體模型（關(guān) 鍵點、線、面），也可以施加于單元模型（單元或單元 的節(jié)點）。由于彈丸和葉片間為點和面接觸，屬于 集中力，故加載方式選取節(jié)點載荷更加符合 實際。

４．２．２ 葉片施加固定約束
簡化葉片分析模型時，未考慮葉片底座。因此， 需要對與底座相連的節(jié)點施加固定約束，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￥單元劃分的等效應(yīng)力

圖9 ＳＯＬＩＤ４５與ＳＵＲＦｌＳ４單元劃分的等效應(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*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，實際使用中葉片邊緣磨損較為嚴重。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)計合理 的葉片形狀，降低較大正壓力的影響。