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泰州基于COSMOS的生物质颗粒机环模寿命分析

来源: 管家婆论坛资料中心:2018-10-14 2790 次浏览

  摘要:为将环模寿命(lifetime)定量化,分析(Analyse)了环模的失效形式、失效机理和影响环模寿命的结构因素;根据材料的疲劳寿命实验数据,利用Weibull公式建立了环模疲劳失效的S-N曲线,对环模的疲劳寿命进行研究;最终借助COS-MOS有限元App将环模的疲劳寿命量化,采用雨流计数法对不同结构参数下的环模进行数值计算,得出不同结构参数下环模的疲劳寿命数据,并确定模孔孔径为10mm、模孔交替排列且模孔数为720的环模为理想环模。生物质颗粒用途:1) 大型养殖场牲畜的饲料,便于贮存、运输;2) 民用取暖和生活用能,干净、无污染,便于贮存、运输;3) 工业锅炉和窑炉燃料,替代燃煤和燃气,解决环境污染;4) 可做为气化发电、火力发电的燃料,解决小火电厂关停问题。

  0引言

  目前,对生物质(material)固体颗粒成型机环模的寿命虽有研究,但大都停留在实验阶段,对生物质环模寿命的分析也没有定量化。本文将通过分析环模的失效形式、失效机理和影响环模寿命的结构因素,建立环模疲劳失效的S—N曲线,对环模的疲劳寿命进行研究。最后借助COSMOSWorks有限元App,采用雨流计数法对不同结构参数下的环模进行数值计算,获得环模的疲劳寿命。

  1环模失效特性(characteristic])研究

  1.1失效形式

  成型机环模为多孔环形零件,工作(job)条件恶劣,使用过程中长期承受压辊(gǔn)的循环(continue)挤压和物料的摩擦,产生周期性的弯曲应力和接触压应力,其主要失效形式为疲劳破坏。这与环模实际使用中的失效现象吻合。

  1.2失效机理

  本文将从环模的结构特点分析成型机失效现象—塑性变形、接触疲劳和磨粒磨损(零部件失效的一种基本类型)的失效机理。

  1)环模孔的塑性变形[1]。多孔的环模自身机械(machinery)强度(strength)较低,加之压辊调整时过大的张紧力,导致环模出现局部微裂纹,最终出现疲劳失效现象。

  2)接触疲劳。环模工作时低速旋转,同时承受较大的交变接触压应力,经过一段时间环模就会出现疲劳裂纹,终导致环模疲劳失效。

  3)磨损失(loss)效。一是压辊调得太紧,与环模间隙小,互相摩擦;二是绞龙角度不恰当,导致分配物料不均匀而使环模部分先磨损,最终环模出现疲劳裂纹而失效。

  上述分析表明,环模最终的失效形式都表现为疲劳失效。因此,本研究主要通过对环模的疲劳寿命分析来研究环模的使用寿命。

  1.3影响环模疲劳失效的结构参数

  环模结构主要参数为模孔的孔径、长径比、模孔的排列和孔数等。

  2环模失效数学模型

  本文根据王威强和陈举华等对42CrMo钢的疲劳特性的研究,再结合上述金属材料的疲劳特性特点,最终建立42CrMo材料的S-N曲线[4-6],如2所示。从2可以看出,从实验获得的疲劳寿命曲线2(a)与通用金属材料的理论疲劳寿命曲线2(b)的形状基本吻合,属于正确的疲劳曲线,符合研究需要。该曲线是本研究分析环模疲劳寿命的重要数据和理论依据。

  3环模疲劳寿命的数值模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)

  本课题对环模的疲劳寿命研究将采用SolidWorks三维建模和COSMOSWorks有限元App进行模拟分析。首先,利用SolidWorks建立生物质环模的参数化模型;其次,利用COSMOSWorks有限元App对环模进行疲劳寿命分析;最后,运用相关的弹塑性力学理论和疲劳损伤机理,针对不同环模孔的形状、不同环模孔的排列以及不同环模孔数的疲劳寿命进行分析模拟,使环模的寿命分析定量化。

  3.1环模疲劳几何模型的建立

  申述云[2]对生物质颗粒成型环模特性的研究发现,环模孔的长径比为5:1时,环模所受的应力最小,故笔者只对模孔长径比为5:1的环模在模孔形状、模孔直径(diameter)(d)、排列方式等条件下的疲劳寿命进行研究。

  该研究环模材料取用42CrMo,基材料的参数如下[7]:

  3.2环模的结构静力分析

  3.2.1约束、载荷和边界条件

  根据环模实际装配工作情况,对模拟环模施加载荷、约束和边界条件。对环模轴向的两个侧面施加固定约束,对周向两个侧面施加周向对称约束;对X,Y,Z等3个方向的所有移动自由度和所有旋转自由度进行固定定位;对模孔的内壁施加垂直于内表面的平均压力,以模拟生物质原料(Raw material)对环模孔的周向压力;同时,沿着模孔轴向在模孔的内表面施加摩擦力,模拟生物质原料对环模孔内壁的摩擦力[3],如4所示。


  3.2.2静力分析结果

  模孔的Mises应力分析计算结果和模孔位移场分析计算结果分别如5和6所示。生物质锅炉燃料燃烧效益高,易于燃尽,残留的碳量少。与煤相比,挥发份含量高燃点低,易点燃;密度提高,能量密度大,燃烧持续时间大幅增加,可以直接在燃煤锅炉上应用。生物质锅炉燃料作为一种新型的颗粒燃料以其特有的优势赢得了广泛的认可;与传统的燃料相比,不仅具有经济优势也具有环保效益,完全符合了可持续发展的要求。

  3.3环模寿命(lifetime)分析

  3.3.1寿命参数(parameter)设置

  在对环模进行了结构静力分析的基础上,即可对环模进行疲劳寿命分析。划分网格后的圆孔环模模型(model)如7所示。

  利用COSMOSWorksApp对环模进行疲劳寿命分析时,App的参数设置除满足结构静力分析的需要外,还需要依据上述对环模疲劳理论的研究(research),对疲劳参数参数进行设置。首先,将环模的S-N曲线载入,同时设定(shè dìng)因环模结构对S—N曲线造成的强度(strength)缩减因子;设置疲劳累积损伤理论为Palmgren-Miner线性累积损伤理论(简称Miner理论),对App计算器的计算方法(method)设置为雨流循环(continue)计数法。

  3.3.2寿命模拟结果分析

  对环模使用(use)寿命的衡量,既要考虑(consider)到环模的疲劳寿命,又要兼顾环模的产量。环模孔的数目对环模的产量有较大影响,在寿命相同的条件(tiáo jiàn)下,模孔数目越多环模的产量越高。对寿命模拟结果的分析将以这两个因素为分析重点。在120℃温度(temperature)时,环模寿命数据如表1所示。


  从表1分析的数据可以看出,在孔径(aperture)10mm、长径比5:1、温度120℃的条件下:

  1)模孔排列方式相同的环模,其疲劳寿命随着模孔数目的增多而减小,因为随着模孔数目的增多,环模的机械(machinery)强度降低。

  2)环模孔数相当时,模孔交替排列的环模寿命比模孔平行排列的环模寿命长得多,如交替800个模孔的环模寿命为2.15×107次,平行864个模孔的环模寿命为5.46×106次。两者相比,交替孔环模寿命是平行孔环模寿命的4倍,而模孔数之比约为1:1。这是因为环模孔交替排列使得环模受力更均匀,增强了机械强度。

  120℃时环模寿命曲线如8所示。由8可以看出,在寿命相同的条件下,模孔直径10mm交替排列方式的环模寿命要比模孔直径15mm的环模产量大得多。在模孔排列方式相同的情况下,模孔的数目较少时,环模的寿命较高。

  工程(Engineering)中,一般认为机械零件的疲劳寿命达到N=106~107次时,零部件的疲劳寿命视为无限长。考虑到环模颗粒机的产量问题,根据上面对环模寿命分析的数据和相关曲线综合衡量,将模孔交替排列且孔径为10mm、模孔总数为720的环模选定为基准品。

  4结论

  1)本文得出了生物质(material)颗粒机环模主要的失效形式为疲劳破坏,分析了环模的失效机理。

  2)建立了环模的S-N曲线,为分析环模疲劳寿命提供了重要数据和理论依据。

  3)借助COSMOS有限元App将环模的疲劳寿命量化,得出了不同结构参数下环模的疲劳寿命数据,研究得出模孔孔径10mm、模孔交替排列、模孔数720的环模为理想环模。

  


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