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镇江基于COSMOS的 生物质颗粒燃料机环模寿命分析

来源: 发布时间:2019-02-24 5330 次浏览

  摘要:为将环模寿命定量化,分析了环模的 失效形式、失效机理和影响环模寿命的 结构因素;根据材料的 疲劳寿命实验数据,利用Weibull公式建立了环模疲劳失效的 S-N曲线,对环模的 疲劳寿命进行研究(research);最终借助COS-MOS有限元App将环模的 疲劳寿命量化,采用雨流计数法对不同结构参数下的 环模进行数值计算,得出不同结构参数下环模的 疲劳寿命数据,并确定模孔孔径为10m
  M、模孔交替排列且模孔数为720的 环模为理想环模。
  0引言
  目前,对生物(Organism)质固体颗粒成型机环模的 寿命虽有研究,但大都停留在实验阶段,对生物质环模寿命的 分析也没有定量化。本文将通过分析环模的 失效形式、失效机理和影响环模寿命的 结构(Structure)因素,建立环模疲劳失效的 S—N曲线,对环模的 疲劳寿命进行研究。最后借助COSMOSWorks有限元App,采用雨流计数法对不同结构参数下的 环模进行数值计算(calculate ),获得环模的 疲劳寿命。
  1环模失效特性(characteristic])研究(research)
  1.1失效形式
  成型机环模为多孔环形零件,工作条件恶劣,使用过程中长期承受压辊的 循环挤压和物料的 摩擦,产生周期性的 弯曲应力和接触压应力,其主要失效形式为疲劳破坏。这与环模实际使用中的 失效现象吻合。
  1.2失效机理
  本文将从环模的 结构特点分析成型机失效现象—塑性变形、接触疲劳和磨粒磨损的 失效机理。生物质颗粒原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。
  1)环模孔的 塑性变形[1]。生物质锅炉燃料生物质颗粒燃料纯度高,不含其他不产生热量的杂物,其含炭量75—85%,灰份3—6%,含水量1—3%,不含煤矸石,石头等不发热反而耗热的杂质,将直接为企业降低成本。多孔的 环模自身机械强度较低,加之压辊调整时过大的 张紧力,导致环模出现局部(part)微裂纹,最终出现疲劳失效现象。
  2)接触疲劳。环模工作时低速旋转,同时承受较大的 交变接触压应力,经过一段时间环模就会出现疲劳裂纹,终导致环模疲劳失效。
  3)磨损失效。一是压辊调得太紧,与环模间隙小,互相摩擦;二是绞龙角度不恰当,导致分配物料不均匀而使环模部分先磨损,最终环模出现疲劳裂纹而失效。
  上述分析表明,环模最终的 失效形式都表现为疲劳失效。因此,本研究主要通过对环模的 疲劳寿命分析来研究环模的 使用寿命。
  1.3影响环模疲劳失效的 结构参数
  环模结构主要参数为模孔的 孔径(aperture)、长径比、模孔的 排列和孔数等。
  2环模失效数学模型
  本文根据王威强和陈举华等对42CrMo钢的 疲劳特性的 研究,再结合上述金属材料的 疲劳特性特点,最终建立42CrMo材料的 S-N曲线[4-6],如2所示。从2可以看出,从实验获得的 疲劳寿命(lifetime)曲线2(a)与通用金属材料的 理论疲劳寿命曲线2(b)的 形状基本吻合,属于正确的 疲劳曲线,符合研究需要。该曲线是本研究分析(Analyse)环模疲劳寿命的 重要数据和理论依据。
  3环模疲劳寿命的 数值模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)
  本课题对环模的 疲劳寿命研究将采用SolidWorks三维建模和COSMOSWorks有限元App进行模拟分析(Analyse)。首先,利用SolidWorks建立生物质环模的 参数化模型(model);其次,利用COSMOSWorks有限元App对环模进行疲劳寿命分析;最后,运用相关的 弹塑性力学理论和疲劳损伤机理,针对不同环模孔的 形状、不同环模孔的 排列以及不同环模孔数的 疲劳寿命进行分析模拟,使环模的 寿命分析定量化。
  3.1环模疲劳几何模型的 建立
  申述云[2]对生物质颗粒燃料成型环模特性的 研究发现,环模孔的 长径比为5:1时,环模所受的 应力最小,故笔者只对模孔长径比为5:1的 环模在模孔形状、模孔直径(d)、排列方式等条件下的 疲劳寿命进行研究。
  该研究环模材料取用42CrMo,基材料的 参数(parameter)如下[7]:
  3.2环模的 结构静力分析
  3.2.1约束、载荷和边界条件(tiáo jiàn)
  根据环模实际装配工作情况,对模拟环模施加载荷、约束和边界条件。对环模轴向的 两个侧面施加固定约束,对周向两个侧面施加周向对称约束;对X,Y,Z等3个方向的 所有移动自由度和所有旋转自由度进行固定定位;对模孔的 内壁施加垂直于内表面的 平均压力,以模拟生物质(material)原料对环模孔的 周向压力;同时,沿着模孔轴向在模孔的 内表面施加摩擦力,模拟生物质原料对环模孔内壁的 摩擦力[3],如4所示。

  3.2.2静力分析结果
  模孔的 Mises应力分析计算结果和模孔位移场分析计算结果分别如5和6所示。
  3.3环模寿命分析
  3.3.1寿命参数设置
  在对环模进行了结构静力分析的 基础上,即可对环模进行疲劳寿命分析。划分网格后的 圆孔环模模型如7所示。
  利用COSMOSWorksApp对环模进行疲劳寿命分析时,App的 参数设置除满足结构静力分析的 需要外,还需要依据上述对环模疲劳理论的 研究,对疲劳参数参数进行设置。首先,将环模的 S-N曲线载入,同时设定因环模结构对S—N曲线造成的 强度缩减因子;设置疲劳累积损伤理论为Palmgren-Miner线性累积损伤理论(简称Miner理论),对App计算(calculate )器的 计算方法设置为雨流循环计数法。
  3.3.2寿命模拟结果分析
  对环模使用(use)寿命的 衡量,既要考虑到环模的 疲劳寿命,又要兼顾环模的 产量。环模孔的 数目对环模的 产量有较大影响,在寿命相同的 条件下,模孔数目越多环模的 产量越高。对寿命模拟结果的 分析将以这两个因素为分析重点。在120℃温度时,环模寿命数据如表1所示。

  从表1分析的 数据可以看出,在孔径10m
  M、长径比5:1、温度120℃的 条件下:
  1)模孔排列方式相同的 环模,其疲劳寿命随着模孔数目的 增多而减小,因为随着模孔数目的 增多,环模的 机械强度降低。
  2)环模孔数相当时,模孔交替排列的 环模寿命比模孔平行排列的 环模寿命长得多,如交替800个模孔的 环模寿命为2.15×107次,平行864个模孔的 环模寿命为5.46×106次。两者相比,交替孔环模寿命是平行孔环模寿命的 4倍,而模孔数之比约为1:1。这是因为环模孔交替排列使得环模受力更均匀,增强了机械强度。
  120℃时环模寿命曲线如8所示。由8可以看出,在寿命相同的 条件下,模孔直径10mm交替排列方式的 环模寿命要比模孔直径15mm的 环模产量大得多。在模孔排列方式相同的 情况下,模孔的 数目较少时,环模的 寿命较高。
  工程中,一般认为机械零件的 疲劳寿命达到N=106~107次时,零部件的 疲劳寿命视为无限长。考虑到环模颗粒机的 产量问题,根据上面对环模寿命分析的 数据和相关曲线综合衡量,将模孔交替排列且孔径为10m
  M、模孔总数为720的 环模选定为基准品。
  4结论
  1)本文得出了生物质颗粒燃料(fuel)机环模主要的 失效形式为疲劳破坏,分析了环模的 失效机理。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。
  2)建立了环模的 S-N曲线,为分析环模疲劳寿命提供了重要数据(data)和理论依据。
  3)借助COSMOS有限元App将环模的 疲劳寿命量化,得出了不同结构参数下环模的 疲劳寿命数据,研究得出模孔孔径10m
  M、模孔交替排列、模孔数720的 环模为理想环模。
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