基于proe与ANSYS的橡胶挤出机螺杆强度的分析

2013-06-17 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

螺杆是橡胶挤出机最重要的工作部件,其结构和参数选择是否合理直接影响机器的工作性能。目前常用的普通螺杆包括等深等距、等深不等距、等距不等深3种螺杆。在螺杆设计中,螺杆的结构和几何参数确定以后,就必须对其进行强度计算。传统的理论计算繁琐,精确低,已经不能满足要求。本研究通过proe三维软件进行实体建模,导人ANSYS Workbench仿真平台进行有限元分析,得到螺杆强度的应力(冯·米塞斯)分布图,并结合由proe计算得到的螺槽体积,对比得出3种螺杆的最优方案。

1 螺杆三维模型建立

3种螺杆均为双头螺纹,几何压缩比田相同,其参数见表1.

利用proe三维软件建立了3种螺杆的三维模型,然后直接通过ANSYS Workbench与proe的集成接口将三维模型导人到ANSYSWorkbench中。为了减少计算时间以及受计算机硬件影响,在能精确反映结构的实际情况前提下,将花键、导角以及部分小角度尺寸忽略。螺杆的材料选择为38CrMoAlA.

2 结果分析

胶料在挤出机内流动的过程中,由于受到机头内腔道的阻力和螺杆的压缩作用,使机筒内胶料的压力由加料口开始沿胶料流动方向逐渐升高,到螺杆头部附近达到最大值;同时螺杆主要受到胶料的扭矩作用(忽略其他影响较小的力的作用)。在螺杆尾端花键处施加固定约束,在螺杆头部施加机头压力28MPa,在螺杆体上施加恒定扭矩。设定电机功率为45 kW,螺杆转速为90 r·min-1,机械总传动效率为0. 75,即作用在螺杆上的扭矩为(3.579e+3) N·m(假定为恒定扭矩)。将螺杆载荷及边界条件施加到螺杆三维模型上,得到3种螺杆的冯·米塞斯应力云图(见图1~图3),

由图1~图3可以看出,沿着螺杆的轴向,从螺杆末端到螺杆根部,颜色由蓝到红变化,呈逐渐增加的态势,到螺杆根部达到最大值,从而可以确定螺杆根部是危险截面,与实际使用中的螺杆经常在根部被扭断的事实相符。

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利用ANSYS分析软件设定机头压力p=15~28 MPa为变化的参数,得出在给定的机头压力变化范围内3中螺杆的相应应力a的最大值变化曲线见图4~图6.

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由图4~图6分析可知,当机头压力p从15MPa上升到28 MPa时,在扭矩和机头压力的共同作用下,等深等距螺杆随着机头压力的升高,螺杆应力σ从156.00 MPa上升到161.07 MPa,变化率为39.0%;等深不等距螺杆应力σ仅从158.30 MPa变化到159.24 MPa,变化率为7.2%;等距不等深螺杆应力σ从216.69 MPa上升到225.83 MPa,变化率为70.3%.说明了等深不等距螺杆由于其根径大小保持不变,螺纹的螺距是从大到小收敛的,其机械强度、刚度比较好,在同等载荷下,根部应力a是等距不等深螺杆的72.1%;

在机头压力升高的过程中,等深不等距螺杆应力,上升速率是等距不等深螺杆的10.2%应力变化缓慢,而应力变化缓慢有利于螺杆的使用寿命的增长。

    3种螺杆的最大应力σ(p为15 MPa时)及利用proe的测量命令得到3种螺杆的头部螺槽体积及整体体积的对比情况见表2.

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由表2可知,等深等距螺杆与等深不等距螺杆的机械强度性能接近,所用材料最少。等深不等距螺杆体积(材料成本)仅是等距不等深螺杆的93.5%,生产所需材料少,经济。在相同的螺杆转速下,螺杆的生产能力与其头部螺槽体积成正比,所以,等深不等距螺杆的生产能力大于等距不等深螺杆。从根部应力的大小、应力上升速率、经济性以及生产能力方面综合分析可知等深不等距螺杆的性能最优。

3 结语

利用proe进行实体造型,直接通过ANSYS与proe的集成接口实现数据的无损导入,避免了重复现有CAD模型的工作而生成待分析的实体模型,也避免了图形数据的丢失,提高了分析效率,通过三维设计软件与有限元分析软件的有效结合,对螺杆进行静力结构分析,改变了传统的计算分析方法,为进一步的优化分析及其他工程技术研究提供了借鉴。

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