湿式混凝土喷射机转子有限元分析研究

王高升,傅彩明,关耀奇

(湖南工程学院机械工程学院,湘潭411101)

0 引言

湿式转子式混凝土喷射机是地下和地面工程中,进行临时或永久性混凝土喷射支护的面广量大的关键设备.因其具有结构简单、性能可靠、操作方便、适用范围广等显著优点,而普遍受到用户的好评.尤其在目前的喷射混凝土支护工程中,转子式混凝土喷射机已占到各种类型混凝土喷射机总量的90%以上[1][2].

转子是转子式喷射机的核心部件,其结构型式和尺寸大小决定着主机其它部件型式和尺寸,其性能对整机的主要技术性能也有着重大的影响[3].当电机起动后,经减速器通过输出轴带动转子旋转,混凝土拌料经料斗落入旋转的转子孔内,转子转过180°后,其料孔与压缩空气一次进气口相通,形成了完整的吹料通道.压缩空气迫使混凝土料进入输料管,同时在出料弯头处的二次进气孔加入压缩空气促使混凝土料以悬浮状流体沿输送管输送,混凝土料在喷头处的混合室与液体速凝剂混合后,经喷嘴高速喷射到欲支护的工作面上.由于转子连续不断地旋转,转子上有10个均布的料孔不断地与出料孔和压缩空气进气孔相通,如此不断循环,完成连续喷射[4].在此过程中混凝土喷射机的转子部分的应力应变情况直接关系到喷射机的动态工作性能.

1 混凝土喷射机的基本参数及实体模型的建立

该混凝土喷射机喷射能力6 m3/h;骨料最大直径25 mm;进料水灰比0.4～0.45;最大工作风压0.6 MPa;最大耗气量9 m3/min;最大输送距离40 m;速凝剂添加量3%～5%(水泥重);电机功率7.5 kW;外形尺寸(长宽 高)2142 mm×1441 mm×1336 mm;整机重1480 kg.

转子的实体模型如图1所示.

图1 转子实体模型

2 材料参数及有限元网格划分

施加的载荷为8.98e+4N的均布载荷、扭矩为1.87e+6 Nmm.约束为转子与下转子衬板相接触到的平面之间的固定约束.转子有限元分析中的材料参数如表1所示,材料为Steel-ANSI C1020.

表1 材料数据表

转子的有限元模型及网格划分如图2所示.在该模型中,单元平均尺寸取12mm,细化部分的平均尺寸根据实际要求而定,细化部分包括模型的曲面、曲线和细长棱边处.以下所有的有限元分析中,如无特殊说明,许用网格偏差都取10%.

转子的有限元模型网格划分的实际最大偏差值为9.8%,在允许的偏差范围内.该有限元模型中有34926个单元,有64142个节点.

图2 转子有限元分析网格划分图

3 转子的有限元分析云图

转子的有限元分析结果的高等线云图如图3～图8所示.

分析图3～图8可知,转子中心减速器相连处以及转子上部的应力较大,最大值2.75 e+7 Pa,大大小于材料的最大许用应力3.31 e+8 Pa,该结构的安全系数为12.04;模型中部应力较小,最小值为1.88 e+4 Pa.模型的最大位移或变形值为0.0117 mm,位于模型上部丝杆安装处,目前已有的转子型混凝土喷射机的摩擦板压紧装置是采用手工转动丝杆,由丝杆的一端直接压紧摩擦板,其受力不均匀,压紧程度难控制,往往会产生过压情况,在使用工程当中,操作人员由于没有标准的仪表测试出当前夹紧装置所施加压力的大小,而只能凭经验来施加压力,这样就会产生较大的误差.因此,降低了摩擦板的使用寿命,另外摩擦板与喷射机转子上的结合板之间,由于工作过程中摩擦板的磨损所造成的间隙得不到补偿,尘埃逸出,所以会加重工作场地的污染程度.而液压夹紧装置具有夹紧迅速、压紧力可调、压紧力均匀合理的优点,当系统压力不够时,可以从液压装置中及时得到补偿,另外系统中的压力可以通过压力表直接读数,从而可以避免产生过压现象.由于转子和上、下橡胶衬板之间的夹紧力的大小直接影响整机的使用性能和橡胶密封垫的使用寿命,采用液压夹紧装置能提高工效延长橡胶衬板的使用寿命.

4 结 论

目前喷射混凝土支护工程中采用干式喷射,存在粉尘浓度大、回弹高的严重缺点,只有将干式喷射改为湿式喷射才是解决问题的根本途径[5][6].本课题运用虚拟样机技术及有限元仿真分析来设计开发湿式混凝土喷射机,通过使用虚拟样机技术来建立零件实体模型,并在计算机上通过仿真软件完成转子有限元仿真及提出结构优化方案,以确定喷射机在工作状态时转子的应力、应变及位移情况,这样可以简化湿式混凝土喷射机的设计,降低研制成本,缩短新产品的开发周期.通过设计后的湿式混凝土喷射机将是集环保型、智能化、自动化、高工作性、高耐久性于一体的新高性能设备.同时本文采用有限元法进行研究,对喷射机关键零件进行有限元仿真,得到这些关键零件的结构特性,从而提出合理的优化方案,使整机性能得到提高.另外课题研究过程当中的分析数据为今后该项目的评估和产品的综合性能评价提供了有力科学的依据.

[1]虞家详.行标《转子式混凝土喷射机》的分析[J].煤矿机械.2009,30(10).

[2]张海国,王保民,张金誉.混凝土喷射机转子密封衬盘的研制[J].机械设计,2007,(9):59-61.

[3]邹玉霞,董爱群.浅析提高混凝土喷射机密封板工作寿命的措施[J].江苏煤炭,2003,(2):27-28.

[4]王小宝,杨福真.SPZ-6B型湿式混凝土喷射机的研制[J].矿山机械,2003,(9):32-35.

[5]韩跃文,张咸民.PC6B型潮式混凝土喷射机的特点及应用效果[J].矿业研究与开发,2003,(3):58-62..

[6]王秀山,孔祥利,董文昕.HSP6型混凝土喷机的结构设计[J].建筑机械管理,2003,(4):60-62.