王慧，陸萍，吳云玉，杜紅光

(高效潔凈機械制造教育部重點實驗室(山東大學(xué))，濟(jì)南250061)

摘要：為將環(huán)模壽命定量化，分析了環(huán)模的失效形式、失效機理和影響環(huán)模壽命的結(jié)構(gòu)因素；根據(jù)材料的疲勞壽命實驗數(shù)據(jù)，利用Weibull公式建立了環(huán)模疲勞失效的S-N曲線，對環(huán)模的疲勞壽命進(jìn)行研究；最終借助COS-MOS有限元軟件將環(huán)模的疲勞壽命量化，采用雨流計數(shù)法對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的環(huán)模進(jìn)行數(shù)值計算，得出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下環(huán)模的疲勞壽命數(shù)據(jù)，并確定模孔孔徑為10mm、模孔交替排列且模孔數(shù)為720的環(huán)模為理想環(huán)模。

0引言

目前，對生物質(zhì)固體顆粒成型機環(huán)模的壽命雖有研究，但大都停留在實驗階段，對生物質(zhì)環(huán)模壽命的分析也沒有定量化。本文將通過分析環(huán)模的失效形式、失效機理和影響環(huán)模壽命的結(jié)構(gòu)因素，建立環(huán)模疲勞失效的S—N曲線，對環(huán)模的疲勞壽命進(jìn)行研究。最后借助COSMOSWorks有限元軟件，采用雨流計數(shù)法對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的環(huán)模進(jìn)行數(shù)值計算，獲得環(huán)模的疲勞壽命。

1環(huán)模失效特性研究

1.1失效形式

成型機環(huán)模為多孔環(huán)形零件，工作條件惡劣，使用過程中長期承受壓輥的循環(huán)擠壓和物料的摩擦，產(chǎn)生周期性的彎曲應(yīng)力和接觸壓應(yīng)力，其主要失效形式為疲勞破壞。這與環(huán)模實際使用中的失效現(xiàn)象吻合。

1.2失效機理

本文將從環(huán)模的結(jié)構(gòu)特點分析成型機失效現(xiàn)象—塑性變形、接觸疲勞和磨粒磨損的失效機理。

1)環(huán)模孔的塑性變形[1]。多孔的環(huán)模自身機械強度較低，加之壓輥調(diào)整時過大的張緊力，導(dǎo)致環(huán)模出現(xiàn)局部微裂紋，最終出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象。

2)接觸疲勞。環(huán)模工作時低速旋轉(zhuǎn)，同時承受較大的交變接觸壓應(yīng)力，經(jīng)過一段時間環(huán)模就會出現(xiàn)疲勞裂紋，終導(dǎo)致環(huán)模疲勞失效。

3)磨損失效。一是壓輥調(diào)得太緊，與環(huán)模間隙小，互相摩擦；二是絞龍角度不恰當(dāng)，導(dǎo)致分配物料不均勻而使環(huán)模部分先磨損，最終環(huán)模出現(xiàn)疲勞裂紋而失效。

上述分析表明，環(huán)模最終的失效形式都表現(xiàn)為疲勞失效。因此，本研究主要通過對環(huán)模的疲勞壽命分析來研究環(huán)模的使用壽命。

1.3影響環(huán)模疲勞失效的結(jié)構(gòu)參數(shù)

環(huán)模結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為模孔的孔徑、長徑比、模孔的排列和孔數(shù)等。

2環(huán)模失效數(shù)學(xué)模型

本文根據(jù)王威強和陳舉華等對42CrMo鋼的疲勞特性的研究，再結(jié)合上述金屬材料的疲勞特性特點，最終建立42CrMo材料的S-N曲線[4-6]，如圖2所示。從圖2可以看出，從實驗獲得的疲勞壽命曲線圖2(a)與通用金屬材料的理論疲勞壽命曲線圖2(b)的形狀基本吻合，屬于正確的疲勞曲線，符合研究需要。該曲線是本研究分析環(huán)模疲勞壽命的重要數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

3環(huán)模疲勞壽命的數(shù)值模擬

本課題對環(huán)模的疲勞壽命研究將采用SolidWorks三維建模和COSMOSWorks有限元軟件進(jìn)行模擬分析。首先，利用SolidWorks建立生物質(zhì)環(huán)模的參數(shù)化模型；其次，利用COSMOSWorks有限元軟件對環(huán)模進(jìn)行疲勞壽命分析；最后，運用相關(guān)的彈塑性力學(xué)理論和疲勞損傷機理，針對不同環(huán)模孔的形狀、不同環(huán)模孔的排列以及不同環(huán)模孔數(shù)的疲勞壽命進(jìn)行分析模擬，使環(huán)模的壽命分析定量化。

3.1環(huán)模疲勞幾何模型的建立

申述云[2]對生物質(zhì)顆粒成型環(huán)模特性的研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)模孔的長徑比為5：1時，環(huán)模所受的應(yīng)力最小，故筆者只對模孔長徑比為5：1的環(huán)模在模孔形狀、模孔直徑(d)、排列方式等條件下的疲勞壽命進(jìn)行研究。

該研究環(huán)模材料取用42CrMo，基材料的參數(shù)如下[7]：

3.2環(huán)模的結(jié)構(gòu)靜力分析

3.2.1約束、載荷和邊界條件

根據(jù)環(huán)模實際裝配工作情況，對模擬環(huán)模施加載荷、約束和邊界條件。對環(huán)模軸向的兩個側(cè)面施加固定約束，對周向兩個側(cè)面施加周向?qū)ΨQ約束；對X，Y，Z等3個方向的所有移動自由度和所有旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行固定定位；對模孔的內(nèi)壁施加垂直于內(nèi)表面的平均壓力，以模擬生物質(zhì)原料對環(huán)模孔的周向壓力；同時，沿著模孔軸向在模孔的內(nèi)表面施加摩擦力，模擬生物質(zhì)原料對環(huán)模孔內(nèi)壁的摩擦力[3]，如圖4所示。

3.2.2靜力分析結(jié)果

模孔的Mises應(yīng)力分析計算結(jié)果和模孔位移場分析計算結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

3.3環(huán)模壽命分析

3.3.1壽命參數(shù)設(shè)置

在對環(huán)模進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力分析的基礎(chǔ)上，即可對環(huán)模進(jìn)行疲勞壽命分析。劃分網(wǎng)格后的圓孔環(huán)模模型如圖7所示。

利用COSMOSWorks軟件對環(huán)模進(jìn)行疲勞壽命分析時，軟件的參數(shù)設(shè)置除滿足結(jié)構(gòu)靜力分析的需要外，還需要依據(jù)上述對環(huán)模疲勞理論的研究，對疲勞參數(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。首先，將環(huán)模的S-N曲線載入，同時設(shè)定因環(huán)模結(jié)構(gòu)對S—N曲線造成的強度縮減因子；設(shè)置疲勞累積損傷理論為Palmgren-Miner線性累積損傷理論(簡稱Miner理論)，對軟件計算器的計算方法設(shè)置為雨流循環(huán)計數(shù)法。

3.3.2壽命模擬結(jié)果分析

對環(huán)模使用壽命的衡量，既要考慮到環(huán)模的疲勞壽命，又要兼顧環(huán)模的產(chǎn)量。環(huán)模孔的數(shù)目對環(huán)模的產(chǎn)量有較大影響，在壽命相同的條件下，模孔數(shù)目越多環(huán)模的產(chǎn)量越高。對壽命模擬結(jié)果的分析將以這兩個因素為分析重點。在120℃溫度時，環(huán)模壽命數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1分析的數(shù)據(jù)可以看出，在孔徑10mm、長徑比5：1、溫度120℃的條件下：

1)模孔排列方式相同的環(huán)模，其疲勞壽命隨著模孔數(shù)目的增多而減小，因為隨著模孔數(shù)目的增多，環(huán)模的機械強度降低。

2)環(huán)模孔數(shù)相當(dāng)時，模孔交替排列的環(huán)模壽命比模孔平行排列的環(huán)模壽命長得多，如交替800個模孔的環(huán)模壽命為2.15×107次，平行864個模孔的環(huán)模壽命為5.46×106次。兩者相比，交替孔環(huán)模壽命是平行孔環(huán)模壽命的4倍，而模孔數(shù)之比約為1：1。這是因為環(huán)模孔交替排列使得環(huán)模受力更均勻，增強了機械強度。

120℃時環(huán)模壽命曲線如圖8所示。由圖8可以看出，在壽命相同的條件下，模孔直徑10mm交替排列方式的環(huán)模壽命要比模孔直徑15mm的環(huán)模產(chǎn)量大得多。在模孔排列方式相同的情況下，模孔的數(shù)目較少時，環(huán)模的壽命較高。

工程中，一般認(rèn)為機械零件的疲勞壽命達(dá)到N=106～107次時，零部件的疲勞壽命視為無限長。考慮到環(huán)模顆粒機的產(chǎn)量問題，根據(jù)上面對環(huán)模壽命分析的數(shù)據(jù)和相關(guān)曲線綜合衡量，將模孔交替排列且孔徑為10mm、模孔總數(shù)為720的環(huán)模選定為基準(zhǔn)品。

4結(jié)論

1)本文得出了生物質(zhì)顆粒機環(huán)模主要的失效形式為疲勞破壞，分析了環(huán)模的失效機理。

2)建立了環(huán)模的S-N曲線，為分析環(huán)模疲勞壽命提供了重要數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

3)借助COSMOS有限元軟件將環(huán)模的疲勞壽命量化，得出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下環(huán)模的疲勞壽命數(shù)據(jù)，研究得出模孔孔徑10mm、模孔交替排列、模孔數(shù)720的環(huán)模為理想環(huán)模。

參考文獻(xiàn) ：

[1]Yao W X，Xia K Q，Gu Y.On the fatiguenotch factor Kf[J].International Journalof Fatigue，1995，17(4)：245-251.

[2]申樹云.生物質(zhì)顆粒成型環(huán)模特性研究[D].濟(jì)南 ：山東大學(xué)，2008.

[3]湯愛君，馬海龍，董玉平.生物質(zhì)擠壓過程中的靜水壓應(yīng)力[J].可再生能源，2006(2)：28 - 31.

[4]王威強，徐楠，賀慶強.42CrMo硬齒面齒輪虛擬全壽命的試驗與分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006，37(3)：126-129；133.

[5]陳舉華，徐楠，安艷秋.42CrMo材料硬齒面齒輪全壽命試驗及數(shù)據(jù)分析[J].機械傳動，2005(5)：63-65.

[6]何柏林，李樹楨，于影霞，等.42CrMo鋼M+F雙相組織接觸疲勞、多沖疲勞及彎曲疲勞性能研究[J].機械強度，2004，26(4)：431-435.

[7]中國機械工程學(xué)會，中國機械設(shè)計大典編委會.中國機械設(shè)計大典2[M].南昌 ：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002：17-18.

[8]王敏.環(huán)模制粒機的主要技術(shù)參數(shù)[J].湖南飼料，2006(4)：39-41.