王慧，陸萍，吳云玉，杜紅光

(高效潔凈機械制造教育部重點實驗室(山東大學)，濟南250061)

摘要：為將環模壽命定量化，分析了環模的失效形式、失效機理和影響環模壽命的結構因素；根據材料的疲勞壽命實驗數據，利用Weibull公式建立了環模疲勞失效的S-N曲線，對環模的疲勞壽命進行研究；最終借助COS-MOS有限元軟件將環模的疲勞壽命量化，采用雨流計數法對不同結構參數下的環模進行數值計算，得出不同結構參數下環模的疲勞壽命數據，并確定模孔孔徑為10mm、模孔交替排列且模孔數為720的環模為理想環模。

0引言

目前，對生物質固體顆粒成型機環模的壽命雖有研究，但大都停留在實驗階段，對生物質環模壽命的分析也沒有定量化。本文將通過分析環模的失效形式、失效機理和影響環模壽命的結構因素，建立環模疲勞失效的S—N曲線，對環模的疲勞壽命進行研究。最后借助COSMOSWorks有限元軟件，采用雨流計數法對不同結構參數下的環模進行數值計算，獲得環模的疲勞壽命。

1環模失效特性研究

1.1失效形式

成型機環模為多孔環形零件，工作條件惡劣，使用過程中長期承受壓輥的循環擠壓和物料的摩擦，產生周期性的彎曲應力和接觸壓應力，其主要失效形式為疲勞破壞。這與環模實際使用中的失效現象吻合。

1.2失效機理

本文將從環模的結構特點分析成型機失效現象—塑性變形、接觸疲勞和磨粒磨損的失效機理。

1)環模孔的塑性變形[1]。多孔的環模自身機械強度較低，加之壓輥調整時過大的張緊力，導致環模出現局部微裂紋，最終出現疲勞失效現象。

2)接觸疲勞。環模工作時低速旋轉，同時承受較大的交變接觸壓應力，經過一段時間環模就會出現疲勞裂紋，終導致環模疲勞失效。

3)磨損失效。一是壓輥調得太緊，與環模間隙小，互相摩擦；二是絞龍角度不恰當，導致分配物料不均勻而使環模部分先磨損，最終環模出現疲勞裂紋而失效。

上述分析表明，環模最終的失效形式都表現為疲勞失效。因此，本研究主要通過對環模的疲勞壽命分析來研究環模的使用壽命。

1.3影響環模疲勞失效的結構參數

環模結構主要參數為模孔的孔徑、長徑比、模孔的排列和孔數等。

2環模失效數學模型

本文根據王威強和陳舉華等對42CrMo鋼的疲勞特性的研究，再結合上述金屬材料的疲勞特性特點，最終建立42CrMo材料的S-N曲線[4-6]，如圖2所示。從圖2可以看出，從實驗獲得的疲勞壽命曲線圖2(a)與通用金屬材料的理論疲勞壽命曲線圖2(b)的形狀基本吻合，屬于正確的疲勞曲線，符合研究需要。該曲線是本研究分析環模疲勞壽命的重要數據和理論依據。

3環模疲勞壽命的數值模擬

本課題對環模的疲勞壽命研究將采用SolidWorks三維建模和COSMOSWorks有限元軟件進行模擬分析。首先，利用SolidWorks建立生物質環模的參數化模型；其次，利用COSMOSWorks有限元軟件對環模進行疲勞壽命分析；最后，運用相關的彈塑性力學理論和疲勞損傷機理，針對不同環模孔的形狀、不同環模孔的排列以及不同環模孔數的疲勞壽命進行分析模擬，使環模的壽命分析定量化。

3.1環模疲勞幾何模型的建立

申述云[2]對生物質顆粒成型環模特性的研究發現，環模孔的長徑比為5：1時，環模所受的應力最小，故筆者只對模孔長徑比為5：1的環模在模孔形狀、模孔直徑(d)、排列方式等條件下的疲勞壽命進行研究。

該研究環模材料取用42CrMo，基材料的參數如下[7]：

3.2環模的結構靜力分析

3.2.1約束、載荷和邊界條件

根據環模實際裝配工作情況，對模擬環模施加載荷、約束和邊界條件。對環模軸向的兩個側面施加固定約束，對周向兩個側面施加周向對稱約束；對X，Y，Z等3個方向的所有移動自由度和所有旋轉自由度進行固定定位；對模孔的內壁施加垂直于內表面的平均壓力，以模擬生物質原料對環模孔的周向壓力；同時，沿著模孔軸向在模孔的內表面施加摩擦力，模擬生物質原料對環模孔內壁的摩擦力[3]，如圖4所示。

3.2.2靜力分析結果

模孔的Mises應力分析計算結果和模孔位移場分析計算結果分別如圖5和圖6所示。

3.3環模壽命分析

3.3.1壽命參數設置

在對環模進行了結構靜力分析的基礎上，即可對環模進行疲勞壽命分析。劃分網格后的圓孔環模模型如圖7所示。

利用COSMOSWorks軟件對環模進行疲勞壽命分析時，軟件的參數設置除滿足結構靜力分析的需要外，還需要依據上述對環模疲勞理論的研究，對疲勞參數參數進行設置。首先，將環模的S-N曲線載入，同時設定因環模結構對S—N曲線造成的強度縮減因子；設置疲勞累積損傷理論為Palmgren-Miner線性累積損傷理論(簡稱Miner理論)，對軟件計算器的計算方法設置為雨流循環計數法。

3.3.2壽命模擬結果分析

對環模使用壽命的衡量，既要考慮到環模的疲勞壽命，又要兼顧環模的產量。環模孔的數目對環模的產量有較大影響，在壽命相同的條件下，模孔數目越多環模的產量越高。對壽命模擬結果的分析將以這兩個因素為分析重點。在120℃溫度時，環模壽命數據如表1所示。

從表1分析的數據可以看出，在孔徑10mm、長徑比5：1、溫度120℃的條件下：

1)模孔排列方式相同的環模，其疲勞壽命隨著模孔數目的增多而減小，因為隨著模孔數目的增多，環模的機械強度降低。

2)環模孔數相當時，模孔交替排列的環模壽命比模孔平行排列的環模壽命長得多，如交替800個模孔的環模壽命為2.15×107次，平行864個模孔的環模壽命為5.46×106次。兩者相比，交替孔環模壽命是平行孔環模壽命的4倍，而模孔數之比約為1：1。這是因為環模孔交替排列使得環模受力更均勻，增強了機械強度。

120℃時環模壽命曲線如圖8所示。由圖8可以看出，在壽命相同的條件下，模孔直徑10mm交替排列方式的環模壽命要比模孔直徑15mm的環模產量大得多。在模孔排列方式相同的情況下，模孔的數目較少時，環模的壽命較高。

工程中，一般認為機械零件的疲勞壽命達到N=106～107次時，零部件的疲勞壽命視為無限長。考慮到環模顆粒機的產量問題，根據上面對環模壽命分析的數據和相關曲線綜合衡量，將模孔交替排列且孔徑為10mm、模孔總數為720的環模選定為基準品。

4結論

1)本文得出了生物質顆粒機環模主要的失效形式為疲勞破壞，分析了環模的失效機理。

2)建立了環模的S-N曲線，為分析環模疲勞壽命提供了重要數據和理論依據。

3)借助COSMOS有限元軟件將環模的疲勞壽命量化，得出了不同結構參數下環模的疲勞壽命數據，研究得出模孔孔徑10mm、模孔交替排列、模孔數720的環模為理想環模。

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