摘要：为提高水平移动式
抛丸机前曲叶片的使用寿命，运用ＡＮＳＹＳ软件，建立了抛丸机叶 片的有限元模型，以ＳＯＬＩＤ４５和ＳＵＲＦｌ５４单位配合划分叶片网格，接纳节点载荷加载方法。结果 显示：叶片总体为低应力漫衍，但保存明显的应力集中点，叶片受弹丸正压力的较大值位于叶片边 缘。叶片的失效形式是应力集中引起的疲劳断裂和正压力过大导致的外貌磨损。提高叶片的使用 寿命，除选用合适的质料提高叶片的耐磨性外，还需要设计合理的叶片形状，以降低较大正压力的 影响。
要害词：抛丸机；叶片；有限元 中图分类号：ＴＨｌ２３．４
０引言
水平移动式抛丸机是一种在欧美兴旺国家广泛应用的外貌处理设备，既可以清除沥青路面的附着 物（如燃油、机油），包管行走宁静，提高路面的附着 力和使用寿命，又可以用于水泥路面的外貌清理以 及公路标记线的清除与铺设‘１。２Ｉ。抛丸器作为抛丸机的要害部件，其质量与使用寿命主要取决于叶 片【３】。近年来，为研制使用寿命更长的叶片，海内 研究人员做了大宗的研究和努力，在使用钢丸的情 况下，目前海内生产的抛丸机叶片平均使用寿命为 ４００ ｈ。叶片受力情况是研究叶片使用寿命的基础， 笔者结合ＡＮＳＹＳ软件，建立前曲叶片的有限元模型 并加以仿真剖析，以期进一步明确叶片的失效机理， 为提高其使用寿命提供理论基础。
１叶片受力剖析
水平移动式抛丸机事情时，利用电机爆发的负 压，将外貌处理历程中爆发的杂质及灰尘吸纳到配 套的除尘设备，经疏散后，可再次利用的丸料贮存于 储料斗，杂质及粉尘经软管进入除尘设备过滤后排 人大气‘４｜。图１为水平移动式抛丸机的事情原理。
图１水平移动式抛丸机事情原理
前曲叶片是指叶片沿旋转偏向向前弯曲，其受 力情况如图２所示。
图２前曲叶片弹丸受力剖析
由牛顿运动第二定律有
式中：ｍ——单个弹丸的质量，ｋｇ；Ｆ，——切向分力，Ｎ； 只——法向分力，Ｎ； ｆＶ二一弹丸受叶片的法向压力，Ｎ； Ｂ一弹丸受叶片的切向摩擦力，Ｎ； 移，——弹丸相对叶片的速度，即相对速度，ｍ／ｓ； ％——弹丸所在位置的叶片速度，即弹丸的牵 连速度，ｍ／ｓ； ％——弹丸的绝对速度，ｍ／ｓ； ｏ：——相对速度在ｆ偏向的分量，ｍ／ｓ２； 口：——相对速度在ｎ偏向的分量，ｍ／ｓ２； 口：——弹丸牵连加速度的切向分量，ｍ／ｓ２； 口：——弹丸牵连加速度的法向分量，ｍ／ｓ２； 口。——弹丸的科氏加速度，ｍ／ｓ２； 月ｂ——叶片的内径，衄； ｆ－叶片的曲率半径，姗； ｐ——弹丸所在位置的回转半径，姗； ——弹丸相对证心的角速度，ｒａｄ／ｓ； ｒ—－１，。与口。所夹的钝角，ｒａｄ／ｓ。
由式（１）可知前曲叶片０，所以不保存弹丸 不经叶片端部提前飞出叶片的情况。作用在叶片上 的摩擦力为 Ｆ，＝ｆＮ＝２ｍｆｏ）２Ｒｂ肛＋掣， 式中：．厂＿弹丸与叶片之间的动摩擦系数。式（１）体现单个弹丸对叶片的压力，而实际上 叶片高速旋转至定向套窗口时，要承接大宗由定向 套涌出的弹丸，此时弹丸相对叶片的运动是随机的， 有的会一直沿叶片运动，直至较后抛出。有的会与 叶片碰撞，较终由叶片边沿抛出。因叶片高速旋转， 弹丸瞬间充满整个叶片，考虑叶片整体受力情况， 假设：
（１）所有弹丸均沿叶片运动，直至较后抛出。
（２）回转半径相同处，叶片受弹丸的压力和摩 擦力相等，其值为叶片给弹丸的压力和摩擦力。
（３）由于叶片各点受力与叶片在宽度偏向的位 置无关，故叶片在宽度偏向的压力和摩擦力相等。
（４）凭据抛丸机的事情原理，抛丸器内的气 导入ＡＮＳＹＳ软件，如图４所示。 体很少，近于真空状态，故忽略气流对叶片的 作用。
２重力、惯性力和摩擦力的影响
叶片不但受弹丸的压力和摩擦力，并且受自 身的重力及旋转爆发的惯性力。惯性力和重力是 恒量，而压力和摩擦力是动态的。高速旋转的叶 片旋转到定向套窗口时，瞬间充满弹丸，叶片所受 弹丸的压力和摩擦力并不是完整周期，而是阶跃 的，其作用时间与定向套的角度有关，即ｔ＝（ ３６０）ｒ，其中ａ是定向套的角度，一般ａ＝６０。，Ｔ是 叶片旋转一周所用的时间。令札为第ｉ个节点对 叶片的摩擦力或压力，则叶片事情历程中，任意一 点所受的周期力为
３有限元模型
抛丸机叶片分为底座、事情面（内凹的曲面） 和凸台三个部分，如图３所示。底座用于牢固叶 片到叶轮上，事情面是蒙受弹丸施加载荷的主要 部分，而凸台则可避免弹丸从侧面溢出，其受力很 小，可以忽略。当叶片充满直径为１ ｍｍ的钢质弹 丸时，间隔１ ｍｍ的各点受到弹丸的压力和摩擦力 作用。
图３叶片结构
叶片主要参数：外径ＲＢ＝１６９ ｍｍ，内径Ｒｂ＝ ５９ ｍｍ，曲率半径Ｚ＝２００ ｍｍ，质料为高铬铸铁，弹 性模量Ｅ＝１．５７１０１１ Ｐａ，泊松比卢＝０．２７，密度 Ｐ２７．８１０３ ｋｇ／ｍ３。
由使用情况可知，叶片的失效均爆发在叶片上。 建立有限元模型时，可将底座与叶片连接面由牢固 端取代。叶片实体模型由ＣＡＴＩＡ软件实现哺〕，然后 图４导入ＡＮＳＹＳ的叶片模型，如图4所示。
图４导入ＡＮＳＹＳ的叶片模型
４有限元剖析
４．１单位划分
由叶片的受力剖析知，叶片事情面上各点受力 的巨细和偏向均不相同，且力的巨细为非线性【７】。 故选用ＳＯＬＩＤ４５及ＳＵＲＦｌ５４单位。ＳＯＬＩＩＭ５单位 适于三维实体的结构剖析，８个节点，在单位坐标系 的ｘｙ、ｚ偏向，每个节点均有移动自由度。图５为 ＳＯＬＩＩＭ５单位实体划分网格。
图5 ＳＯＬＩＤ４５单位实体划分
SURF154用于在三维实体结构外貌施加压力， 且压力非均匀漫衍，并随结构外貌位置变革�；� 单位有两种选择：一是用ＳＯＬＩＤ４５实体单位划分叶 片；二是接纳ＳＯＬＩＩＭ５实体单位与ＳＵＲＦｌ５４外貌效 应单位配合划分叶片。 由于弹丸直径为１ ｍｉｌｌ，所以叶片事情外貌的网 格尺寸小于１ ＩＴｌｎｌ时，施加载荷后才较为切合实际。 用ＳＵＲＦｌ５４和ＳＯＬＩＩＭ５单位配合划分网格时，先要 用ＳＵＲＦｌ５４划分叶片的事情外貌，然后再用ＳＯＬ－ ＩＩＭ５划分整个实体，如图６所示。
图6、SURF154和solid45配合划分叶片网格
４．２施加载荷与约束
４．２．１事情外貌施加载荷
ＡＮＳＹＳ中，既可以将载荷施加于实体模型（关 键点、线、面），也可以施加于单位模型（单位或单位 的节点）。由于弹丸和叶片间为点和面接触，属于 集中力，故加载方法选取节点载荷越发切合 实际。
４．２．２ 叶片施加牢固约束
简化叶片剖析模型时，未考虑叶片底座。因此， 需要对与底座相连的节点施加牢固约束，如图７ 所示。
图７施加的牢固约束
４．２．３叶片施加惯性约束
由Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞Ｄｅｆｉｎｅ Ｌｏａｄｓ＞Ｓｔｒｕｃ— ｔｒａｌ＞Ｉｎｅｒｔｉａ＞Ａｎｇｕｌａｒ ｖｅｌｏ设置旋转引起的惯性力。 由Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞Ｄｅｆｉｎｅ Ｌｏａｄｓ＞Ｓｔｒｕｅｔｒａｌ＞ Ｉｎｅｒｔｉａ＞Ｇｒａｖｉｔｙ设置叶片的重力。
４．３结果剖析
图８为ＳＯＬＩＩＭ５划分单位情况，其等效应力的较 大值为６１７．７９５ ＭＰａ。图９为ＳＯＬＩＤ４５和ＳＵＲＦｌＭ 配合划分单位情况，其等效应力的较大值是６７９．６５１ ＭＰａ。除应力值稍有差别外，其应力漫衍基本一致， 但ＳＯＬＩＩＭ５划分的部分单位过于扭曲，会爆发一定误 差。ＳＯＬＩＩＭ５和ＳＵＲＦｌ５４配合划分的网格越发合适 （图６），生成的单位不致过于扭曲。
图8 ＳＯＬＩＤ４￥单位划分的等效应力
图9 ＳＯＬＩＤ４５与ＳＵＲＦｌＳ４单位划分的等效应力
总体而言，叶片总体上为低应力漫衍，但图８、９ 保存明显的作用区域。这是由于叶片从底部有约束 状态突变到没有约束，导致叶片该位置的应力集中。 高速回转的叶片受弹丸的周期压力，因疲劳导致应 力集中点*先爆发塑性变形，叶片外貌爆发裂纹，裂 纹的不绝延伸较终导致其断裂。因此应力集中是导 致叶片疲劳断裂失效的原因之一。 叶片事情于高速旋转的叶轮中，既要蒙受弹丸 磨料的磨损，又要蒙受高速丸料的冲蚀磨损。叶片 受弹丸压力的较大值位于叶片边沿，其值为 １０９０．８５ Ｎ。此处摩擦力的较大值为１７４．５３６ 数值与叶片的曲率半径有关。因此，实际使用中叶片边沿磨损较为严重。正压力过大是导致叶片磨损 失效的另一原因。提高叶片的使用寿命，除了选用 合适的质料、提高叶片的耐磨性外，还需要设计合理 的叶片形状，降低较大正压力的影响。
５结束语
以水平移动式抛丸机的前曲叶片为例，给出了 叶片所受的正压力与摩擦力的表达式，凭据叶片的载荷与约束条件，应用ＡＮＳＹＳ有限元软件，求解了 叶片模型的应力漫衍情况。选择ＳＯＵＤ４５和 ＳＵＲＦｌ５４单位配合划分网格，较为切合实际。有限 元剖析结果从理论上说明叶片失效的主要形式是疲 劳断裂与磨损。
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2018-04-12 
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