周力，杨建辉，侯有良

Zhou Li，Yang Jian-hui，Hou You-liang

(长安大学，陕西 西安 710064)

摘要：卡料工况是搅拌装置受载最恶劣的工况，本文对搅拌臂和搅拌叶片在卡料工况进行了受力分析，并通过建立了三维模型进行了有限元分析，得出其在卡料时的应力分布和变形情况，为设计提供参考。

关键词：搅拌臂；搅拌叶片；有限元；应力分布；形变

1 引言

双卧轴搅拌机因其搅拌质量好、生产效率高而被广泛的应用于混凝土拌合料的搅拌作业，搅拌装置是其工作装置，对搅拌机的性能和作业质量有着重要影响^【1】，因此在设计搅拌装置时必须要保证其有足够的强度和刚度，使其在工作过程中不发生故障。搅拌装置主要包括搅拌轴，搅拌臂，搅拌叶片等，由搅拌传动机构驱动其旋转，搅拌叶片表面所受到的阻力使搅拌叶片、搅拌臂产生变形。搅拌装置在搅拌过程主要有如下两种工况：一种是搅拌装置均匀受载工况，另一种是粗骨料卡在搅拌叶片和搅拌筒衬板之间时的卡料工况。当搅拌装置处在均匀受载工况时，搅拌装置主要受到来至剪切混凝土拌合料时所产生的阻力，且均匀分布在各个搅拌叶片上，搅拌叶片受力较小。当搅拌装置处在卡料工况时，搅拌驱动装置输出的功率为电机的额定功率，且全部作用在一个叶片上，此时搅拌装置受载最恶劣，所以卡料工况是搅拌机的危险工况。本文对搅拌机卡料工况时的搅拌臂和搅拌叶片进行了受力分析和有限元计算，得出其各部位的应力分布和变形情况，为搅拌臂和搅拌叶片的设计提供参考。

2卡料工况时搅拌叶片的受力分析

搅拌装置在卡料时主要受到来自叶片的法向阻力F_N，F_N可分解为沿搅拌轴旋转切向分力Fx和沿搅拌轴轴向分力F_Y，如图1，三者之间的关系如式2-1

                                                        （2-1）

其中    α—搅拌叶片与搅拌轴之间的夹角。

图1 卡料时搅拌叶片的受力分析

卡料时，粗骨料卡在搅拌叶片与搅拌筒衬板之间，此时搅拌装置的工作条件最为恶劣，

此时由一个叶片几乎承受了搅拌驱动电机输出的最大力矩

T=9550p/n                             （2-2）

式中， P—搅拌驱动电机功率，kW；

n—搅拌轴转速，r/min。

已知搅拌驱动电机的功率为37kw，搅拌轴转速为24.3r/min，将数据带入上式中，得T=14541N.m。此时搅拌叶片上所产生的作用力应与搅拌轴轴线垂直，方向为X向，Fx大小为

Fx=T/d                               （2-3）

式2-3中， d—搅拌叶片上卡料点到搅拌轴旋转中心的距离，m

已知d=0.56m，α=45⁰，将数据带入式2-1和2-3，得

                                    Fx=25965N

                                    F_Y=25965N

3 有限元模型的建立

3.1 实体模型的建立与网格划分

    在proe中建立搅拌臂和搅拌叶片的实体模型，如图1，然后导入ansys中进行有限元分析。选用ansys库中的solid45单元进行分析，Solid45单元每个节点有3个自由度：X、Y、Z三个方向的平动自由度，搅拌臂的材料是球墨铸铁，定义其密度为7300 kg/m³，弹性模量为1.55e11pa，泊松比为0.28，搅拌叶片材料是抗磨白口铸铁，定义其密度为7500kg/m³，弹性模量为1.5e11pa，泊松比为0.25。模型采用精度为6级的自由网格划分，有限元模型的节点为38065，单元数为18327。

3.2 边界条件及载荷

    载荷条件与边界条件的施加应该尽量接近实际，搅拌装置在卡料工况时，搅拌臂与搅拌轴通过搅拌臂抱轴上的四个面与方形搅拌轴紧贴合在一起，因此将此四个面做完全约束处理，其基本符合搅拌臂的受力情形，搅拌臂和搅拌叶片通过布尔运算固结为一个整体，并给搅拌叶片施加沿搅拌轴旋转切向力F_x=25965N，和沿搅拌轴轴向分力 F_Y=25965N，其有限元模型边界条件及加载情况如图3所示：

图2 搅拌臂和搅拌叶片三维模型           图3 有限元模型的约束和加载

4计算结果及分析  

通过有限元分析，得出了搅拌臂和搅拌叶片的应变云图和局部应力云图（如图4和图5），可知搅拌臂和搅拌叶片在局部地方出现了应力集中，如搅拌叶片的台阶处，搅拌臂与搅拌叶片的刚性连接处，搅拌臂的台阶处，其应力最大可达294MPa。 除去应力集中的影响，搅拌叶片的应力较小，搅拌臂的应力较大，最大应力发生在截面1处（搅拌臂与搅拌轴轴瓦过渡处），此截面为搅拌臂的危险截面，因为此处在Z向离受力点均最远，其受到的弯矩最大。搅拌臂与叶片绝大部分部位的应力小于90MPa,搅拌臂材料屈服强度为320MPa,则其安全系数n=[δ_s]/[δ_max]=320/90=3.56。故搅拌臂和搅拌叶片满足结构强度要求。

图4 搅拌臂和搅拌叶片的应力云图       图5 搅拌臂和搅拌叶片的局部应力云图

图6和图7为搅拌臂与搅拌叶片的变形位移云图和变形图，由图可知搅拌叶片上的变形较大，搅拌臂上的变形较小，最大变形发生在距离搅拌臂轴线最远处，此处结构刚度较小，所受转矩最大，因此变形最大，其变形值为1.56mm，叶片满足刚度要求。

图6 搅拌臂和搅拌叶片的变形云图        图7 搅拌臂和搅拌叶片的位移变形

4 结论

本文通过对搅拌臂和搅拌叶片的仿真分析，得出了搅拌臂和搅拌叶片在卡料工况时的应力和应变云图，结果表明搅拌装置在卡料时搅拌叶片的台阶处，搅拌臂与搅拌叶片连接处，搅拌臂的台阶处出现应力集中现象，应采取消除尖角、在台阶处加工过渡圆角以及提高材料表面光洁度来减小应力集中对其强度的影响。截面1是搅拌臂的危险截面，此处所受弯矩最大，设计时应对此截面进行重点校核。卡料时搅拌叶片变形较大，最大变形发生在距离搅拌臂轴线最远处，设计时应保证叶片有足够的厚度使其满足刚度要求。

参考文献：

[1] 愈宏军，崔丽华，蔡晓龙.对置式双卧轴搅拌机搅拌参数合理匹配研究 [J].建设机械技术与管理，2010（5）：113-116.