水平移动式抛丸机叶片受力的有限元分析

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单元共同划分叶片网格，采用节点载荷加载方式。结果 显示：叶片总体为低应力分布，但存在明显的应力集中点，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表面磨损。提高叶片的使用 寿命，除选用合适的材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。
关键词：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发达国家广泛应用的表面处理设备，既可以清除沥青路面的附着 物（如燃油、机油），保证行走安全，提高路面的附着 力和使用寿命，又可以用于水泥路面的表面清理以 及公路标志线的清除与铺设‘１。２Ｉ。抛丸器作为抛丸机的关键部件，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，国内 研究人员做了大量的研究和努力，在使用钢丸的情 况下，目前国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 并加以仿真分析，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叶片受力分析
水平移动式抛丸机工作时，利用电机产生的负 压，将表面处理过程中产生的杂质及灰尘吸纳到配 套的除尘设备，经分离后，可再次利用的丸料储存于 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工作原理。
图１水平移动式抛丸机工作原理
前曲叶片是指叶片沿旋转方向向前弯曲，其受 力情况如图２所示。
图２前曲叶片弹丸受力分析
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方向的分量，ｍ／ｓ２； 口：——相对速度在ｎ方向的分量，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； ——弹丸相对质心的角速度，ｒａｄ／ｓ； ｒ—－１，。与口。所夹的钝角，ｒａｄ／ｓ。

由式（１）可知前曲叶片０，所以不存在弹丸 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）表示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，要承接大量由定向 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，较终由叶片边缘抛出。因叶片高速旋转， 弹丸瞬间布满整个叶片，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方向的位 置无关，故叶片在宽度方向的压力和摩擦力相等。
（４）根据抛丸机的工作原理，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
叶片不仅受弹丸的压力和摩擦力，而且受自 身的重力及旋转产生的惯性力。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，瞬间布满弹丸，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，则叶片工作过程中，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、工作面（内凹的曲面） 和凸台三个部分，如图３所示。底座用于固定叶 片到叶轮上，工作面是承受弹丸施加载荷的主要 部分，而凸台则可防止弹丸从侧面溢出，其受力很 小，可以忽略。当叶片布满直径为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，材料为高铬铸铁，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，叶片的失效均发生在叶片上。 建立有限元模型时，可将底座与叶片连接面由固定 端代替。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有限元分析
４．１单元划分
由叶片的受力分析知，叶片工作面上各点受力 的大小和方向均不相同，且力的大小为非线性【７】。 故选用ＳＯＬＩＤ４５及ＳＵＲＦｌ５４单元。ＳＯＬＩＩＭ５单元 适于三维实体的结构分析，８个节点，在单元坐标系 的ｘｙ、ｚ方向，每个节点均有移动自由度。图５为 ＳＯＬＩＩＭ５单元实体划分网格。
图5 ＳＯＬＩＤ４５单元实体划分
SURF154用于在三维实体结构表面施加压力， 且压力非均匀分布，并随结构表面位置变化。划分 单元有两种选择：一是用ＳＯＬＩＤ４５实体单元划分叶 片；二是采用ＳＯＬＩＩＭ５实体单元与ＳＵＲＦｌ５４表面效 应单元共同划分叶片。 由于弹丸直径为１ ｍｉｌｌ，所以叶片工作表面的网 格尺寸小于１ ＩＴｌｎｌ时，施加载荷后才较为切合实际。 用ＳＵＲＦｌ５４和ＳＯＬＩＩＭ５单元共同划分网格时，先要 用ＳＵＲＦｌ５４划分叶片的工作表面，然后再用ＳＯＬ－ ＩＩＭ５划分整个实体，如图６所示。
图6、SURF154和solid45共同划分叶片网格

４．２施加载荷与约束
４．２．１工作表面施加载荷
ＡＮＳＹＳ中，既可以将载荷施加于实体模型（关 键点、线、面），也可以施加于单元模型（单元或单元 的节点）。由于弹丸和叶片间为点和面接触，属于 集中力，故加载方式选取节点载荷更加符合 实际。

４．２．２ 叶片施加固定约束
简化叶片分析模型时，未考虑叶片底座。因此， 需要对与底座相连的节点施加固定约束，如图７ 所示。
图７施加的固定约束
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结果分析
图８为ＳＯＬＩＩＭ５划分单元情况，其等效应力的较 大值为６１７．７９５ ＭＰａ。图９为ＳＯＬＩＤ４５和ＳＵＲＦｌＭ 共同划分单元情况，其等效应力的较大值是６７９．６５１ ＭＰａ。除应力值稍有不同外，其应力分布基本一致， 但ＳＯＬＩＩＭ５划分的部分单元过于扭曲，会产生一定误 差。ＳＯＬＩＩＭ５和ＳＵＲＦｌ５４共同划分的网格更加合适 （图６），生成的单元不致过于扭曲。
图8 ＳＯＬＩＤ４￥单元划分的等效应力

图9 ＳＯＬＩＤ４５与ＳＵＲＦｌＳ４单元划分的等效应力
总体而言，叶片总体上为低应力分布，但图８、９ 存在明显的作用区域。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*先发生塑性变形，叶片表面产生裂纹，裂 纹的不断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。 叶片工作于高速旋转的叶轮中，既要承受弹丸 磨料的磨损，又要承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缘，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，实际使用中叶片边缘磨损较为严重。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 合适的材料、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，根据叶片的载荷与约束条件，应用ＡＮＳＹＳ有限元软件，求解了 叶片模型的应力分布情况。选择ＳＯＵＤ４５和 ＳＵＲＦｌ５４单元共同划分网格，较为符合实际。有限 元分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。
参考文献：
〔１〕赵晓运，张聚才，李安铭．抛丸处理在汽车车架上的应用 〔Ｊ〕．表面技术，２００４，３３（４）：５８—５９，６１．
都昌林，易春龙．钢桥面无尘喷砂除锈设备及施工工艺〔Ｊ〕．表面技术，２００４，３３（２）：４６—４７，４９．
尚建勤．弹丸流量对抛丸成形影响的试验研究〔Ｊ〕．新工艺新技术新设备，２００２，（２）：ｌｌ一１３．