凯发国际首页 拋丸器葉片的設計參數對應力的影響分析

摘要：針對拋丸器的葉片的結構參數進行了分析，并對其對應力的影響進行了理論研究，計算了相同拋打速度和葉片轉速條件下直線葉片、前曲葉片、后曲葉片的不同的結構參數，對三種不同結構葉片的受力情況進行了比較，分析了底座長度、葉片厚度、曲率半徑三個結構參數以及不同結構的葉片對應力分布的影響，通過分析，得到相同結構條件下，直線葉片底座越長，厚度越大，其應力集中程度越小以及前曲葉片曲率越大，應力集中程度越小的結論。
關鍵詞：ANSYS；應力集中；底座長度；厚度；曲率半徑

1引言
   目前在國內外拋丸機的應用日益廣泛，除了應用于零件的表面處理，拋丸機的應用領域已經擴展到維護，修復高速公路，鋼橋以及機場路面[1-2]。 拋丸器 作為拋丸機的關鍵部件，其質量與使用壽命直接取決于葉片。由于葉片工作時處于高速旋轉的葉輪中，既要承受鋼丸磨料的磨損，又要受到高速丸料的沖蝕磨損和強烈沖擊引起的正壓力。經過一段時間的工作，葉片會由于磨損或斷裂導致失效而不能工作，這時就要換掉失效的葉片，裝配新的葉片，才能使拋丸機繼續正常的工作。葉片的壽命越短，檢修設備、更換葉片的次數就會越多，拋丸機使用效率也會降低，而且還會造成材料的浪費和成本的提高。據不完全統計，每年國內，僅因葉片磨損而消耗的材料價值上千萬。于是為了提高拋丸機的質量和使用效率，降低成本，延長葉片的使用壽命就成了解決這些問題的焦點。近些年來，為了研制出更長的使用壽命的葉片，國內的專家在不同方面，做了研究和努力。然而據資料顯示我國研制出的葉片的使用壽命遠遠低于國外的葉片的使用壽命[3]。根據國內對葉片的研究資料來看，對葉片的研究僅限于試驗研究，對一些關鍵問題的研究，缺乏從理論的角度追其根由，這樣導致了對葉片的研究還處于比較落后的階段。因此，對葉片的結構參數進行分析，研究不同結構參數對葉片受力情況的影響，綜合的考慮影響葉片使用壽命的因素就顯得尤為重要。
2不同結構葉片的結構參數
拋丸機葉片的結構形式有3種：直線葉片，前曲葉片和后曲葉片。葉片的內徑外徑以及曲率半徑是決定葉片結構的3個主要參數。以某型號拋丸頭為例，其寬度62mm，葉片厚度7mm。為了便于研究不同結構葉片的受力情況，假設3種葉片具有相同的設計要求：拋打速度va=80m/s，葉片轉速ω=2900r/min。由彈丸拋打的絕對速度公式[4-5]。

   式中：vr—彈丸相對葉片的速度，即相對速度，m/s；ve—彈丸所在位置的葉片速度，即彈丸的牽連速度，m/s；va—彈丸的絕對速度，m/s；Rb—葉片的內徑，mm；l—葉片的曲率半徑，mm；ρ—彈丸所在位置的回轉半徑，mm；ω—彈丸相對質心的角速度，rad/s；γ—va與ve之間所夾的鈍角，rad/s。結合葉片內外徑之間的關系Rb=0.4R，得到直線葉片，前曲葉片和后曲葉片的結構參數，如表1所示

 3葉片的設計參數對葉片的強度影響
3.1葉片的底座長度對葉片的應力分布的影響拋丸輪底座越長，葉片底面與底座連接的面積就越大。以直線葉片為例，分別取相同內徑的底座，外徑不同值時，如分別等于0.75RB，0.8RB，0.85RB，0.9RB，0.95RB，RB時，研究底座長度對葉片的強度的影響。在CATIA中建立葉片的三維實體模型[6]，導入到ANSYS中進行有限元分析，施加固定約束，如圖1所示

將圖2、3、4、5、6、7中的數據列表進行比較，如表2所示。

表2不同長度的葉片對應力集中的影響
約束（圖）（a）圖2（b）圖3（c）圖4（d）圖5（e）圖6（f）
圖7項目
內外徑關系Rb/RB0.750.80.850.90.951等效應力較大值（MPa）684.085538.209406.871337.379216.911105.447
如圖2~圖7所示，可以看到底座越長，葉片上的應力變化范圍越大，葉片在相同的條件下的應力集中程度越小，不是在一小部分突變而產生應力集中，且較大應力值越來越小。但是底座過長會導致拋丸輪的結構尺寸增大，因此在設計葉片的時候要采用合理的底座長度，減小葉片的應力集中的程度，這樣葉片的壽命才會更長。

3.2葉片的厚度對應力分布的影響
當選擇同樣的約束條件，如都選擇Rl=0.85RB的約束時，其它條件都相同，只有厚度不同時，葉片的應力分布也會有所不同。如圖8所示，厚度為δ=11mm的葉片的等效應力分布圖，其應力較大值為296.03MPa。相同參數，厚度為δ=7mm的葉片，其等效應力如圖4所示，較大應力為406.871MPa。可見厚度大的葉片不容易引起應力集中的現象。所以在設計葉片時，厚度也是影響葉片的應力一個重要參數。合理的厚度，既會提高葉片的強度，也不會浪費材料。葉片工作時高速的旋轉，不斷的受到彈丸的沖擊，所以葉片會受到來自彈丸沖擊引起的磨損。離回轉中心越遠，彈丸速度越大，葉片受到彈丸的壓力和摩擦力越大，磨損越嚴重，所以葉片宜設計成內徑厚度較小，外徑厚度較大。

3.3前曲葉片的曲率對葉片應力分布的影響
前曲葉片除了葉片底座的長度和葉片厚度對應力分布有影響外，葉片的曲率對葉片的強度也有重要的影響。取葉片的內外徑相同：RB=153mm，Rb=61mm，厚度也相同：δ=7mm，葉片的轉速相同，都是2900r/min。只是曲率不同，一個曲率為l=105mm，另一個l=180mm。由于曲率不同會使得較終彈丸的速度不同，這里只討論，由于曲率不同而產生的應力不同。如圖9、圖10所示，曲率越小，葉片的較大應力越大。曲率l=105mm的前曲葉片產生的較大應力值為935.517MPa，而曲率l=180mm的前曲葉片較大應力值為563.897MPa，所以在設計前曲葉片時，要設計合理的曲率，才能使葉片受力更加合理，避免因為強度不足而斷裂。


4不同結構葉片的應力對比在三維建模軟件CATIA中建立3種葉片的實體模型，導入到有限元分析軟件ANSYS中進行有限元分析。在Rb到0.85RB的部分施加固定約束，得到直線葉片的等效應力分布如圖4所示，前曲葉片的等效應力分布如圖10所示，后曲葉片的應力分布如圖11所示

5結論
（1）相同結構條件下，直線葉片的底座越長，拋丸輪結構尺寸越大，葉片應力集中程度越小，因此設計葉片結構時應選擇合適的底座長度，在滿足結構尺寸前提下盡量減小葉片應力集中程度；（2）厚度大的葉片其應力集中程度好于厚度小的葉片，葉片邊緣處壓力與摩擦力較大，因此，應將葉片設計成中心薄，邊緣厚的結構；（3）前曲葉片曲率越大，應力集中程度越小；（4）如果要滿足彈丸拋出速度為80m/s，葉輪的轉速為2900r/min，在不考慮結構大小的情況下直線葉片是可取的。如果希望選擇尺寸更小的葉片，那么選擇前曲葉片，可以通過改進前曲葉片的厚度，還有曲率和內外徑，使得滿足強度條件。而后曲葉片外形過大，而且會出現很大的應力，但是其邊緣處正壓力及摩擦力較小。

參考文獻
［1］黨勁，周崎峰．拋丸工藝在公路、橋梁上的應用．建設機械技術與管理，2005（7）.［2］都昌林，易春龍．鋼橋面無塵噴砂除銹設備及施工工藝．表面技術，2004
（2）：46-47.
［3］童建華.高鉻鑄鐵在進口拋丸機葉片上的應用［J］.鑄鍛熱、熱處理實踐，1997：18-21.
［4］徐金鴻.拋（噴）丸清理技術50問與答［J］.中國鑄機，1990（2）：49-50.
［5］范欽珊.理論力學［M］.北京：高等教育出版社，2000：137-152.
［6］尤春風．CATIAV5機械設計．北京：清華大學出版社，2002：56-63