基于ANSYS的烘干筒攪拌臂優化設計

徐江濤

（河南省交通高級技工學校，河南 駐馬店 463000）

基于ANSYS的烘干筒攪拌臂優化設計

徐江濤

（河南省交通高級技工學校，河南 駐馬店 463000）

文章首先建立了攪拌臂的受力模型，并計算出瀝青混凝土的作用力為1 011.6 N；然后利用ANSYS軟件對烘干筒攪拌臂進行強度分析，通過分析最大變形量和最大應力值，判斷是否滿足許用應力要求；最后通過增加攪拌臂直徑來提高剛度的方法對其進行優化，以滿足強度要求。

ANSYS；烘干筒；攪拌臂；攪拌葉片

雙滾筒式瀝青攪拌設備烘干筒由內筒和外筒組成，其中內筒既可以烘干冷骨料，又可以在旋轉的時候起到攪拌作用。烘干筒在正常工作狀態下其內筒可以看成一個巨大的攪拌軸，外壁均勻分布一系列攪拌臂，其作用主要是把瀝青、熱骨料和礦粉等在內外滾筒中間的空隙拌和區均勻混合，以滿足施工的級配要求。瀝青混合料的生產過程中，攪拌臂對混合料作出剪切、旋轉和輸送運動時，會受到物料不同程度的沖擊和載荷，這些沖擊和載荷關系到攪拌臂的使用壽命和可靠性，因此對其進行有限元分析和優化設計十分必要。

ANSYS有限元分析是一種常用的結構分析方式，常用于判斷結構設計是否合理，并通過優化不同的參數設置找出最佳的產品設計方案，以縮減設計成本和周期、降低材料消耗等。有限元分析方法通常依托計算機對各種試驗方案進行模擬，分析并找出機械結構容易失效的位置，其目的是在滿足許用應力等約束條件下，找出滿足設計目標最經濟合理的參數[1]。

1 攪拌臂的力學模型

瀝青混合料是在一定溫度下，由骨料、礦粉和瀝青等組成的黏彈性流體，具有典型的流動和變化特性。由于瀝青混合料在混合攪拌時的流動是三維非定常且不可壓縮的黏彈性流體流動，攪拌臂不僅要均勻拌和瀝青混凝土，還要依靠葉片推力將攪拌好的混凝土推送至卸料口，因此受力十分復雜，需要運用力學相關理論建立起其受力模型[2]。

1.1 攪拌臂的速度分析

瀝青混凝土在烘干筒內的運動速度可以分為沿烘干筒軸向和烘干筒周向的運動。假設所分析的瀝青混凝土質點在空隙拌和區半徑r處，相對于攪拌葉片的速度為V21，移動速度為V2，其中可以把V2分解為周向速度Vα和軸向速度Vr，攪拌臂葉片的線速度V1，軸向角為δ，始推角度為α1，如圖1所示。有效拌和區的長度為L，材料塌落度角為α2，設計時通常可以取45°和60°。烘干筒的轉速為n，通常可取值為14 r/min。為方便分析，建立該質點簡化的數學模型。

根據圖1可得

當α=45°時，可知

1.2 攪拌臂的受力分析

瀝青混凝土在烘干筒內周向運動時，受攪拌臂作用逐漸移動到卸料口。如圖2所示，混凝土受自身重力、攪拌臂推力和剪切力、烘干筒壁的摩擦力和其內部微元層間的阻力。其中攪拌臂對瀝青混合料的推力為dF。dFa為軸向推力、dRa為軸向流動阻力、dPa為反向推力、dTa為軸向剪切力；dFr為周向推力、dRr為周向流動阻力、dPa為周向剪切力、dTr為反推力。

圖1 混凝土質點速度分解圖

圖2 混凝土質點的受力圖

對拌合區底部運動運用動量定理得：

其中：ρ為瀝青混合料的密度，dQa為混合料微元流層的軸向流量。可以求解出：

在攪拌過程中，物料會收到自身重力引發的周向流動阻力。對混合料微元流層進行積分得：

混合料微元被攪拌臂強制攪拌的過程中會產生一個周向和軸向的分速度，根據動量守恒定律得：

其中dQr=νrdAr=Lνrdr，一般瀝青混凝土的干密度在1 600～1 800 kg/m3左右，本文計算時取中值1 700 kg/m3。代入到上式并進行積分可算得：Fa=224.2 N，Fr=986.5 N，F=1 011.6 N。

2 攪拌臂的設計方案

雙滾筒式瀝青攪拌設備的烘干筒不同于傳統的間歇式攪拌設備，其筒內烘干筒內外壁上都安裝有特殊結構[3]，內壁上主要是提料葉片，外壁上主要是攪拌臂。烘干筒在正常工作時，筒內烘干筒充當著攪拌軸的角色，但其軸徑比卻遠大于間歇式攪拌設備[4]。由于國內尚無雙滾筒式瀝青攪拌設備烘干筒攪拌臂的成熟設計理論，目前的設計多是參考國內外同型設備。本文參考國內某公司設備，經過論證和分析確定攪拌臂模型如圖3所示。

圖3 攪拌臂的CAD模型

3 攪拌臂的仿真分析

攪拌臂的工作條件十分惡劣，對比之前的失效方式可以發現，其失效主要是過度磨損，故在選擇材料時，選用耐沖擊和耐磨性較好的高錳鋼材料。該材料的彈性模量，泊松比為0.3，許用應力[σ]=136 MPa。在劃分網格時采用自動劃分網格方式，網格單元類型選擇為SOLID92，單元精度為3。把建好的CAD模型導入ICEM CFD中劃分出合適的網格單元，然后在ANSYS中把攪拌臂與烘干筒的連接面定義為全約束類型的約束面，采用面分布形式的載荷并施加在攪拌臂葉片端面，最后進行求解計算得到位移圖和等效應力圖如圖4—5所示。

通過圖4可知，攪拌臂的最大變形量很小，最大變形量出現在攪拌臂葉片頂端位置且僅為0.473 mm，基本可以不予考慮。通過圖5可知，攪拌臂的最大應力出現在與烘干筒外壁的連接位置，最大應力值為180.4 MPa。此時對比材料的許用應力可知攪拌臂的最大應力大于許用應力值，正常工作過程中有斷裂的可能性，需要進行優化設計。

圖4 變形量云圖

圖5 應力分布云圖

4 攪拌臂的優化設計

從圖5中可以發現攪拌臂整體受力不均勻，攪拌臂前端葉片處受力很小。攪拌臂接近烘干筒外壁的連接位置受到的應力最大，通過上述分析可知材料的剛度不能滿足使用要求。根據材料相關知識可知，剛度為材料固有特性，與零件的截面和形狀有關。現在提高剛度的方法有很多，比如改變連接位置處的截面形狀或者增加截面面積等[5]。本文選擇增大攪拌臂直徑的方法，把攪拌臂直徑從25 mm增加到30 mm，其他參數保持不變得到應力圖如圖6所示。從圖6可知，優化后攪拌臂最大應力值僅為51.54 MPa，遠小于許用應力值，滿足強度要求，因此，本次優化設計效果顯著。優化設計的方法有很多，比如修改連接位置截面形狀，或者增加基座提高接觸面積等。

圖6 優化后的應力分布

5 結語

[1]涂秋艷，黨繼輝，溫瑞.基于ANSYS下的壓力機剪刃結構優化設計[J].機械工程師，2014（5）：188-189.

[2]楊艷妮.外燃式混合料加熱滾筒設計及熱能利用研究[D].西安：長安大學，2012.

[3]楊向陽.連續式與間歇式瀝青攪拌設備性能比較[J].筑路機械與施工機械化，2011（12）：57-61.

[4]曹勇濤.雙滾筒連續式瀝青攪拌設備方案設計[J].筑路機械與施工機械化，2015（9）：94-96.

[5]王博，徐鵬杰，田建濤.雙臥軸攪拌機攪拌臂的優化設計及其試驗研究[J].裝備制造技術，2014（7）：153-154.

Optimum design of stirring arm of drying cylinder based on ANSYS

Xu Jiangtao
（Henan Traf fi c Senior Technical School, Zhumadian 463000, China）

Firstly, the force model of the stirring arm is established and the working force of the asphalt concrete is calculated as 1011.6N.Then, ANSYS software has been used to analyze the strength of the stirring cylinder, and the maximum deformation and the maximum stress have been analyzed to determine whether the allowable stress is satis fi ed. And fi nally by increasing the diameter of the stirring arm,it improves the stiffness of the way to optimize it to meet the strength requirements.

ANSYS; drying cylinder; stirring arm; stirring blade

徐江濤（1983— ），男，河南西平，本科，中級職稱；研究方向：瀝青攪拌設備及熱再生設備烘干筒和能效分析。