基于proe與ANSYS的橡膠擠出機(jī)螺桿強(qiáng)度的分析

2013-06-17 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

螺桿是橡膠擠出機(jī)最重要的工作部件,其結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇是否合理直接影響機(jī)器的工作性能。目前常用的普通螺桿包括等深等距、等深不等距、等距不等深3種螺桿。在螺桿設(shè)計(jì)中,螺桿的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)確定以后,就必須對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。傳統(tǒng)的理論計(jì)算繁瑣,精確低,已經(jīng)不能滿足要求。本研究通過proe三維軟件進(jìn)行實(shí)體建模,導(dǎo)人ANSYS Workbench仿真平臺(tái)進(jìn)行有限元分析,得到螺桿強(qiáng)度的應(yīng)力(馮·米塞斯)分布圖,并結(jié)合由proe計(jì)算得到的螺槽體積,對(duì)比得出3種螺桿的最優(yōu)方案。

1 螺桿三維模型建立

3種螺桿均為雙頭螺紋,幾何壓縮比田相同,其參數(shù)見表1.

利用proe三維軟件建立了3種螺桿的三維模型,然后直接通過ANSYS Workbench與proe的集成接口將三維模型導(dǎo)人到ANSYSWorkbench中。為了減少計(jì)算時(shí)間以及受計(jì)算機(jī)硬件影響,在能精確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況前提下,將花鍵、導(dǎo)角以及部分小角度尺寸忽略。螺桿的材料選擇為38CrMoAlA.

2 結(jié)果分析

膠料在擠出機(jī)內(nèi)流動(dòng)的過程中,由于受到機(jī)頭內(nèi)腔道的阻力和螺桿的壓縮作用,使機(jī)筒內(nèi)膠料的壓力由加料口開始沿膠料流動(dòng)方向逐漸升高,到螺桿頭部附近達(dá)到最大值;同時(shí)螺桿主要受到膠料的扭矩作用(忽略其他影響較小的力的作用)。在螺桿尾端花鍵處施加固定約束,在螺桿頭部施加機(jī)頭壓力28MPa,在螺桿體上施加恒定扭矩。設(shè)定電機(jī)功率為45 kW,螺桿轉(zhuǎn)速為90 r·min-1,機(jī)械總傳動(dòng)效率為0. 75,即作用在螺桿上的扭矩為(3.579e+3) N·m(假定為恒定扭矩)。將螺桿載荷及邊界條件施加到螺桿三維模型上,得到3種螺桿的馮·米塞斯應(yīng)力云圖(見圖1~圖3),

由圖1~圖3可以看出,沿著螺桿的軸向,從螺桿末端到螺桿根部,顏色由藍(lán)到紅變化,呈逐漸增加的態(tài)勢(shì),到螺桿根部達(dá)到最大值,從而可以確定螺桿根部是危險(xiǎn)截面,與實(shí)際使用中的螺桿經(jīng)常在根部被扭斷的事實(shí)相符。

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利用ANSYS分析軟件設(shè)定機(jī)頭壓力p=15~28 MPa為變化的參數(shù),得出在給定的機(jī)頭壓力變化范圍內(nèi)3中螺桿的相應(yīng)應(yīng)力a的最大值變化曲線見圖4~圖6.

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由圖4~圖6分析可知,當(dāng)機(jī)頭壓力p從15MPa上升到28 MPa時(shí),在扭矩和機(jī)頭壓力的共同作用下,等深等距螺桿隨著機(jī)頭壓力的升高,螺桿應(yīng)力σ從156.00 MPa上升到161.07 MPa,變化率為39.0%;等深不等距螺桿應(yīng)力σ僅從158.30 MPa變化到159.24 MPa,變化率為7.2%;等距不等深螺桿應(yīng)力σ從216.69 MPa上升到225.83 MPa,變化率為70.3%.說明了等深不等距螺桿由于其根徑大小保持不變,螺紋的螺距是從大到小收斂的,其機(jī)械強(qiáng)度、剛度比較好,在同等載荷下,根部應(yīng)力a是等距不等深螺桿的72.1%;

在機(jī)頭壓力升高的過程中,等深不等距螺桿應(yīng)力,上升速率是等距不等深螺桿的10.2%應(yīng)力變化緩慢,而應(yīng)力變化緩慢有利于螺桿的使用壽命的增長。

    3種螺桿的最大應(yīng)力σ(p為15 MPa時(shí))及利用proe的測(cè)量命令得到3種螺桿的頭部螺槽體積及整體體積的對(duì)比情況見表2.

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由表2可知,等深等距螺桿與等深不等距螺桿的機(jī)械強(qiáng)度性能接近,所用材料最少。等深不等距螺桿體積(材料成本)僅是等距不等深螺桿的93.5%,生產(chǎn)所需材料少,經(jīng)濟(jì)。在相同的螺桿轉(zhuǎn)速下,螺桿的生產(chǎn)能力與其頭部螺槽體積成正比,所以,等深不等距螺桿的生產(chǎn)能力大于等距不等深螺桿。從根部應(yīng)力的大小、應(yīng)力上升速率、經(jīng)濟(jì)性以及生產(chǎn)能力方面綜合分析可知等深不等距螺桿的性能最優(yōu)。

3 結(jié)語

利用proe進(jìn)行實(shí)體造型,直接通過ANSYS與proe的集成接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無損導(dǎo)入,避免了重復(fù)現(xiàn)有CAD模型的工作而生成待分析的實(shí)體模型,也避免了圖形數(shù)據(jù)的丟失,提高了分析效率,通過三維設(shè)計(jì)軟件與有限元分析軟件的有效結(jié)合,對(duì)螺桿進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析,改變了傳統(tǒng)的計(jì)算分析方法,為進(jìn)一步的優(yōu)化分析及其他工程技術(shù)研究提供了借鑒。

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