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丸料影响下复合式抛丸机筛动系统仿真试验

文章出处:青岛华盛泰 编辑:pwj 发表时间::2017-12-18
摘 要: 针对建立的复合式抛丸机筛动系统,研究了丸料颗粒流行为影响下小型工件翻转的条件。首先利用 EDEM 软件,建立了筛动系统的离散元模型,仿真得到了在 1 mm 粒径的丸料冲击下,工件表面受到的平均最大抛丸力。然后借助 ADAMS 软件,建立了平均最大抛丸力作用下的筛动系统虚拟样机模型,以工件质心在 y 方向上的运动高度为翻转的评判指标,在不同的曲柄转速下进行了仿真试验,试验结果表明: 当曲柄转速为 10 r/min ~ 45 r/min,筛动系统可实现丸料影响下工件的翻转。

  随着抛丸技术的广泛应用,工程应用对抛丸设备提出了越来越高的要求,为克服目前国内使用的抛丸机处理工件尺寸单一的缺陷,本课题组自主设计了一款复合式抛丸机,在遵循传统的辊道式系统清理大型工件基础上[1],创新的设计了筛动系统来清理小型工件。机构主要创新设计部分如图 1所示。输送轨道 1 采用了楔形链板输送机,便于同时运输大型工件和小型工件。工件的抛丸清理工作由辊道式系统 3和筛动系统 2 完成,两套系统可以同时工作,也可以单独工作,视工件情况而定。大小工件由 1 送入,达到 3 处,小型工件掉入 2 的筛子上,由 2 完成清理; 而大型工件继续沿着 3的辊道往前输送,同时完成清理。
图 1 复合式抛丸机的机构创新示意图
图 1 复合式抛丸机的机构创新示意图

  目前,国内外已有学者对抛丸过程进行了研究。国内,于茂旺等建立了抛丸的力学模型,对抛丸器结构参数进行了改进[2]; 张丹等利用虚拟样机技术进行了抛丸过程的仿真,分析了空气阻力和重力对丸料的速度与轨迹的影响机制[3];侯琳等利用离散元方法对丸料运动进行了仿真,得到了抛丸过程中影响丸料速度的因素[4]。国外,Rhouma 等研究了抛丸工艺过程可改善工件表面的残余应力[5]; Byme 等研究了抛丸过程的工艺分析[6]; Khany 等研究了抛丸过程对低碳钢材料的影响[7]; Sanjurjo 等通过实验研究了抛丸强化过程对本构材料模型表面获得的残余应力和粗糙度影响[8]; Den-kena 等结合抛丸过程和激光烧蚀工艺,研究了其对材料应力和组织结构的影响[9]; Soady 利用寿命评估模型研究了抛丸过程对材料表面粗糙度和残余压应力的影响[10]。
  对抛丸过程进行了诸多方面的研究。但研究抛丸过程中工件翻转运动对清理效果的影响尚未见报道。然而,筛动系统清理小型工件时,工件能否翻转对清理效果有着关键影响。因此,本文以离散元理论和多体动力学理论为方法,借助EDEM 软件动态仿真了筛动系统中的抛丸过程,得到了丸料对工件表面的最大抛丸力,并借助 ADAMS 软件,建立了复合式抛丸机筛动系统的虚拟仿真环境,进行了丸料影响下工件运动的虚拟仿真试验,得出了筛动系统能实现翻转清理的实际运动参数,为此款设备的推广应用提供了理论依据。

1、复合式抛丸机的筛动系统简介:
  图 2 为筛动系统部分结构示意图。筛动系统作为复合式抛丸机清理小型工件的部分,主要由承载机构、运动功能机构、辅助机构和驱动机构组成。承载机构主要由筛子 5 组成; 运动功能机构主要由曲柄滑块机构 6、偏心激振器 4 和导轨槽 7 组成; 辅助机构主要由齿轮齿条机构 1 和筛轮机构组成; 驱动机构主要由驱动电机 9、减速器 8 和液压装置 2、3 组成。筛动系统各机构的工作原理: 筛子作为承载机构中最重要的部件之一,主要功能是清理小型工件,而筛子均匀分布的筛孔可实现清理过程中的物料分离; 筛动系统中的运动功能机构,由曲柄滑块机构实现筛子在导轨槽的前后往复运动; 由筛子底部安装的两对偏心激振器提供的激振力,以实现工件竖直方向上的运动; 利用运动功能机构使得工件能够在筛面上实现翻转的运动过程,达到高效清理工件的目的。
图 2 筛动系统部分结构示意图
图 2 筛动系统部分结构示意图
  筛动系统中两个主要的辅助机构,一是由左端的齿轮齿条机构带动翻转板的转动,实现筛子一端的侧翻,完成筛子的卸料工作; 二是安装于筛子左侧底端的筛轮机构,通过筛轮的不断滚动来减小筛子整个前后运动的摩擦力,从而实现更高的能量利用率。筛动系统的两种工作状态图如图 3所示。
a  筛子的工作状态

图 3 筛动系统的两种工作状态


图 3 筛动系统的两种工作状态
2、丸料颗粒流的离散元仿真:
2. 1、筛动系统三维模型的建立:

  筛动系统总体尺寸的设计根据抛丸机清理室体的区域来确定,设计尺寸参照国内抛丸机室体参数来确定,确定筛子的总体尺寸为 2 140 mm × 1 050 mm,再根据筛动系统的工作原理,利用 Solid Works 建立了筛动系统的三维模型如图 4所示。由于筛动系统结构较为复杂,在进行仿真试验前,对筛动系统进行简化处理。简化处理满足以下原则[11]: ( 1) 去掉对工件运动影响不大的部分,使仿真模型结构简单; ( 2) 与筛动系统实际的工作性能接近,能准确地反映原结构的工作原理。建立的筛动系统简化三维模型如图 5 所示。
图 4 筛动系统的三维模型▲图 5 筛动系统简化三维模型
图 4 筛动系统的三维模型▲图 5 筛动系统简化三维模型

2. 2、筛动系统离散元仿真模型的建立:
  筛动系统抛丸清理对象为小型工件,根据处理小型工件的抛丸设备抛丸器的布置情况,选用了 2 个抛丸器进行抛丸清理工作,设置抛丸高度为 2 m; 根据丸料扩散角度范围[12],设置仿真的抛丸喷射角度为 60°。在不影响筛动系统的工作原理的前提下,将筛动系统简化后的模型导入到 EDEM 软件中,图 6 为筛动系统和工作抛丸器导入 EDEM 软件的效果图( 1 和 2 为抛丸器,3 为筛动系统) 。接触模型设置为 Hertz-Mindlin ( no slip)[13],丸料为铸钢材料,密度为 7. 7 g/cm2,剪切模量为 8e + 04 MPa,泊松比为 0. 30,丸料粒径为 1 mm。设置抛丸器分丸轮的速度为 2 600 r/min[4],丸料为连续生成,生成速度为 4 kg/s。定义抛丸器和筛动系统各个部分材料为碳钢,密度为 7. 8 g/cm2,剪切模量为 1e + 05 MPa,泊松比为0. 26。
图 6 筛动系统和工作抛丸器导入 EDEM 软件的效果图

图 6 筛动系统和工作抛丸器导入 EDEM 软件的效果图

  根据国内处理小型工件的抛丸机参数,即清理工件的标准: 单件工件的质量不大于 10 kg,最大载重量为 200 kg。本文仿真实验中的工件材料为低碳钢,材料规格尺寸为 250mm × 250 mm × 10 mm,工件质量约为 9. 6 kg。
2. 3、丸料颗粒流清理工件过程的数值模拟与分析:
  通过 EDEM 软件仿真了 2s 的丸料颗粒流清理工件的过程,图 7 为丸料抛打工件的整体视图,图 8 为丸料抛打单个工件视图。
图 7 丸料颗粒流抛打工件的整体视图▲图 8 丸料颗粒流抛打单个工件视图
 
图 7 丸料颗粒流抛打工件的整体视图▲图 8 丸料颗粒流抛打单个工件视图
  由图 7、图 8 可以看出,在丸料抛打工件的过程中,丸料与工件可能不止发生了一次碰撞。由于整个过程中碰撞的不确定性,难以用理论精确得出丸料颗粒流对工件的抛丸力的具体数值,因此借助 EDEM 后处理导出丸料对工件的抛丸力数值,各工件表面受到的平均最大抛丸力如表 1 所示。由表 1 得到了在 1 mm 粒径的丸料冲击下,工件表面受到的平均最大抛丸力为 8. 15 N。
3、丸料影响下工件翻转的仿真试验:
3. 1、约束与运动副的施加:

  将图 5 所示的筛动系统三维模型导入 ADAMS 软件后,由于各刚体零件相互独立,彼此之间没有相对运动,须对模型施加一定的约束来定义模型中各零件的连接方式和相对运动,以保证各零件的虚拟运动能够符合工作原理,为多体动力学分析做准备。根据筛动系统的工作原理和各零件之间的装配关系,在零件之间施加约束副,主要是固定副和铰接副。各零件之间铰接副与固定副的施加具体见表 2 ~表 3。
表 1 各工件表面受到的平均最大抛丸力

表 1 各工件表面受到的平均最大抛丸力
表 2 铰接副的施加

表 2 铰接副的施加

3. 2、载荷的施加:
  由于 EDEM 仿真过程中,各几何体传递的力和力矩与实际差别很大,因此筛动系统各装置不能等效于虚拟样机试验中的运动,但可结合 EDEM 软件中导出的丸料对工件的抛丸力,工件载荷的施加如图 9 所示。忽略相互之间的柔性连接,在各工件与筛面之间,各筛轮与翻转板之间以及上( 下)导轨滑槽与筛子之间进行接触力的定义。表 4 - 表 6 分别为各零件间的接触参数。
表 3 固定副的施加

表 3 固定副的施加
▲图 9 对工件表面施加最大抛丸力


▲图 9 对工件表面施加最大抛丸力
表 4 各工件与筛子间的接触参数 表 5 各筛轮与筛子间的接触参数 表 6 上( 下) 导轨滑槽与筛子间的接触参数

表 4 各工件与筛子间的接触参数 表 5 各筛轮与筛子间的接触参数 表 6 上( 下) 导轨滑槽与筛子间的接触参数
3. 3、机构运动的定义:
  根据筛动系统的工作原理,在建立的多体动力学系统机构运动中主要施加两类机构运动: 一类为偏心激振器的运动的定义; 另一类为曲柄滑块机构运动的定义。( 1) 在偏心激振器上施加转动副,根据国内偏心激振器转速标准,定义偏心块的转速为 500 r/min;( 2) 在曲柄滑块上施加的驱动力,定义曲柄转速区间在5 r / min 至 60 r / min 之间变化。在 ADAMS 软件中,筛动系统运动的定义如图 10 所示。
3. 4、多体动力学仿真:
  试验的结果分析设置仿真时间为 8 s,仿真步长为 500,在定义的曲柄转速区间范围内不断改变曲柄的转速,观察工件在筛面的翻转情况。通过多次的仿真试验发现,当定义曲柄转速约为 10r / min时,工件处于临界翻转状态。图 11 为最小临界速度下,四个工件质心在 y 方向上的位移曲线。
图 10 筛动系统运动的定义


图 10 筛动系统运动的定义
图 11 最小临界速度下,工件质心在 y 方向上的位移

从图 11 可以得出: 在仿真时间内,筛面上的工件 1,工件2,工件 3 和工件 4 的质心在 y 方向上的位移均有超过工件临界翻转高度 125 mm,因此得出在丸料影响下,当给予筛动系统曲柄转速为 10 r/min 时,筛面上的工件可达到翻转的目的,于是确定曲柄的最小临界速度为 10 r/min。继续增大曲柄转速试验发现,当曲柄转速越来越大,工件翻转的高度也越大; 当定义的曲柄转速增大到 45 r/min时,工件将脱离筛面。图 12 为最大临界速度下,四个工件质心在 y 方向上的位移曲线。
图 12 最大临界速度下,工作质心在 y 方向上的位移


图 12 最大临界速度下,工作质心在 y 方向上的位移

  从图 12 可以得出: 在仿真时间内,工件 3 和工件 4 的质心在 y 方向上均有零位移以下的现象出现,说明工件 3 和工件 4 有脱离筛面的状态出现。图 13 为筛动系统中工件临界工作状态示意图,其中图 13( a) 为清理过程中,工件的临界翻转状态; 图 3 ( b) 为清理过程中,工件脱离筛面的临界状态。
图 13 筛动系统中工件临界状态

图 13 筛动系统中工件临界状态


4、结 论:
  ( 1) 基于离散元软件 EDEM 建立了筛动系统的离散元模型,进行了抛丸过程的丸料颗粒流行为模拟仿真试验,得出了丸料对筛面上工件的平均最大抛丸力为 8. 15N。
  ( 2) 利用虚拟样机软件 ADAMS 建立了筛动系统的虚拟样机模型,结合工件表面受到的平均最大抛丸力完成工件载荷的定义。以工件质心在 y 方向上的翻转高度为评判指标,在不同的曲柄转速下进行了多次仿真试验,试验结果表明:在丸料影响下,当给予筛动系统的曲柄转速范围为 10 r/min~ 45 r / min,工件可在筛动系统中完成翻转状态下的清理工作。
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