炭黑輸送螺旋給料器葉片的強度和疲勞分析

楊 釗，辛龍勝，韓 雨

（1. 青島軟控機電工程有限公司，山東青島 266000；2. 南通潤邦重機有限公司，江蘇南通 226000）

0 引言

螺旋給料器是在橡膠、塑料行業廣泛應用的一種輸送設備，主要用于輸送粉狀、顆粒狀和小塊狀物料。螺旋輸送機與其他輸送設備相比較，具有結構簡單、橫截面尺寸小、密封性能好、可以中間多點裝料和卸料、操作簡單、安全方便以及制造成本低等優點。螺旋輸送機調節輸送速度非常方便，適用于要求輸送速度可調及要求有時進行微下料的場合，尤其適合用作粉料稱量時的輸送和進料設備。

本文分析了一種用于上輔機系統炭黑輸送的螺旋給料器，為了確保螺旋給料器在工程應用中的可靠性，需要對螺旋葉片進行強度和疲勞分析。螺旋給料器的結構如圖1所示，螺旋給料器通過螺旋葉片的旋轉輸送料倉內的炭黑物料，其中與螺旋給料器連接的料倉分為上部圓筒和下部錐體兩個部分。

1 螺旋葉片的受力分析

螺旋葉片的受力分析如圖2所示[1]，圖中：F為作用在葉片上的合力；Ff為作用在葉片背側的力；Fd為作用在葉片驅動側的力；F1為F的法向分力；F2為F的切向分力；Fda為作用在葉片驅動側的軸向力；Ffa為作用在葉片背側的軸向力；αr為螺旋升角；φf為炭黑的壁面摩擦角。本文所分析的螺旋給料器主要參數見表1，炭黑的物料屬性見表2。

根據螺旋葉片的受力分析圖，得到式（1）～式（5）[1]。螺旋葉片的受力可以分為初始填充狀態和輸送狀態下的受力，在這兩種狀態下，螺旋葉片受到上部料倉內物料施加的豎直方向應力，該應力可分別通過式（6）和式（7）計算得到[2]。根據計算得到的豎直方向應力 σvi和σv，可得到作用在螺旋葉片上的合力F。

圖1 炭黑輸送螺旋給料器結構

圖2 螺旋葉片受力

表1 螺旋給料器的主要參數

表2 炭黑的物料參數

根據表1，表2和以上公式，計算得：在初始填充狀態下，作用在螺旋葉片上的合力 F=2 353 N，該力和螺旋軸（Z向）的夾角等于55.85°；在輸送狀態下，作用在螺旋葉片上的合力F=261 N，該力和螺旋軸（Z向）的夾角等于55.85°。

2 螺旋葉片的有限元計算

2.1 有限元模型

本文使用有限元分析軟件對不同厚度的螺旋葉片進行建模和計算，計算模型如圖3所示，單元總數為3 597，節點總數為3 716。施加的載荷和邊界條件如圖4所示，將螺旋軸的兩端固定約束，作用在螺旋葉片上的合力F施加在葉片質心處的節點上[3]。螺旋葉片的材料屬性見表3。

圖3 螺旋葉片的有限元計算模型

圖4 螺旋葉片的載荷和約束

表3 螺旋葉片的材料屬性

2.2 計算結果

4 mm厚度的葉片在初始填充狀態下的有限元計算結果如圖5所示，葉片根部的最大等效應力等于130 MPa。不同厚度葉片的計算結果如圖6所示。

圖5 初始填充狀態應力計算結果

圖6 不同葉片厚度下葉片根部的最大應力

4 mm厚度的葉片在輸送狀態下的有限元計算結果如圖7所示，葉片根部焊縫處的最大等效應力等于14.47 MPa，最小等效應力等于5.88 MPa，因此螺旋軸旋轉一周，葉片根部同一位置處的最大應力幅值近似等于8.59 MPa。

3 基于S-N曲線的螺旋葉片疲勞分析

S-N曲線是根據疲勞測試得到的。螺旋葉片和螺旋軸的焊接形式為手工雙面連續角焊縫，其 S-N曲線如圖8所示[4]。在 109循環工況下，許用的應力幅值為23.28 MPa。本文分析的螺旋給料器主要用于上輔機系統的炭黑輸送和稱量，根據密煉機每天炭黑的用量，計算得到螺旋給料器每天需工作 4小時，同時要求螺旋給料器使用壽命為20年，按照每年工作300天計算，得到總的循環次數為5.9×108次。

圖7 輸送狀態應力計算結果

圖8 S-N曲線

根據螺旋葉片的有限元計算結果，得到不同葉片厚度葉片根部角焊縫位置處的最大應力幅值，如圖9所示。

圖9 不同葉片厚度下葉片根部的最大應力幅值

4 結論

1）螺旋給料器在炭黑物料的輸送狀態下，螺旋葉片根部角焊縫位置處的應力幅值較小，厚度4 mm的螺旋葉片即可滿足疲勞壽命要求，因此，螺旋葉片在設計時主要考慮滿足靜強度要求。

2）螺旋給料器上部料倉的容積大小會對螺旋葉片在初始填充狀態下的靜強度產生影響，上部料倉容積設計越大，物料作用在葉片上的合力就越大，螺旋葉片根部的應力越大。作用在葉片上的合力越大，驅動減速機啟動時所需的回轉扭矩就會越大，容積過大的料倉會造成驅動減速機啟動困難。