沥青混合料摊铺机螺旋分料器螺旋轴的仿真分析

曹源文，周垠成，夏柱林，李亚南

(1.重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074;2.济祁高速公路(砀山段)项目办公室，安徽宿州 235300)

0 引言

在沥青路面机械化施工中，沥青混合料摊铺机是不可或缺的关键设备。螺旋分料器是摊铺机的重要组成部分，其承载能力的大小对摊铺路面的均匀性有一定的影响［1-5］。

改进前的螺旋分料器在越靠近螺旋轴的部分越容易随轴旋转，产生较多的翻滚，从而发生离析［6-8］。螺旋分料器的螺径与螺距之比，对混合料的均匀性影响很大，即螺旋叶片高度与螺距长度相差不能太大，否则会加重混合料的离析［9］。为了保证摊铺的均匀性，沿轴向的每段下料量应该相等，采用变径变螺旋分料器可以保证不同位置的螺旋有不同的输料能力［10-12］。此外，在螺旋分料器布料过程中，混合料所受切向力对其离析影响较大，所受轴向力有益于提高螺旋分料器的布料效率，因此应尽可能减小切向力，以减小形变［13-15］。

对摊铺机来说，螺旋分料器是摊铺机十分重要的一部分，其轴作为支撑件和传动件，虽然结构简单，但轴的尺寸是保证安全性的重要因素。由于ANSYS软件具有建模简单、快速、方便的特点，在静力学和动力学方面有着很多的实例，可以选择AN-SYS作为有限元仿真分析软件。因此，本文借助ANSYS软件对变径变螺旋分料器螺旋轴进行静力分析和模态分析，为螺旋分料器的进一步研究提供可靠依据。

1 螺旋分料器螺旋轴模型

1.1 螺旋分料器

沥青混合料从刮料板流入，经过螺旋分料器对混合料进行输送与分料。摊铺机螺旋分料器是一种半开放式结构，一般采用等直径等螺距的设计，由装有螺旋叶片的螺旋轴和分料槽组成，如图1所示。螺旋轴通过轴承安装在分料槽两端的轴承座上，一端轴头和驱动装置相连。当螺旋轴较长时，螺旋轴中间一般加装吊杆与吊挂轴承［16］。

图1 螺旋分料器结构

摊铺机有2个螺旋分料器，都安装在摊铺室，其作用是将刮板输送机送来的混合料均匀地横向铺开。左右螺旋的旋向相反，左侧螺旋布料器为左旋，右侧螺旋布料器为右旋。在工作时，带有螺旋叶片的传动轴在由物料围成的料槽内旋转，由于重力、叶片摩擦力及料槽摩擦力的作用，使进入料槽的物料不和螺旋一起旋转，而是沿料槽向输送方向运移，不停地向螺旋下面落料，同时向熨平板前沿塞料［17］。

摊铺机螺旋分料器的输料能力可由其生产率进行评价。为了提高螺旋分料器的生产率，需改变叶片直径，采用变径递减式连接螺旋，将螺旋布置划分为3段，大外径叶片位于第一支撑以内，中等外径叶片是在第一支撑到第二支撑之间，小外径叶片则在第二支撑以外。这样能使输料均匀化且避免横向离析，还能使处于不同位置的摊铺物料的密实度和平整度均匀一致［18-20］。本文以改进的变径变螺旋分料器(图2)为研究对象，加装反向叶片，减少螺旋支撑面尺寸，从而有效防止各种离析，提高密实度和平整度。

图2 变径变螺旋分料器

1.2 螺旋轴模型

为了便于分析问题，对螺旋分料器螺旋轴作如下简化。

(1)由于左右螺旋分料器是对称的，故取左边的螺旋分料器螺旋轴为研究对象。

(2)忽略螺旋分料器上的螺栓、键槽和倒角对螺旋分料器的影响。

(3)将分布在螺旋轴上的螺旋叶片视为载荷，均匀的加在螺旋轴上，以方便研究。

(4)工作时，整个螺旋分料器螺旋轴都是均匀受载的。

2 螺旋分料器螺旋轴动力学有限元分析

2.1 建立模型

建立3种螺旋轴有限元模型，如表1和图3所示。其中第2种模型正是济南至祁门高速公路砀山段试验过程中采用的DT1400型摊铺机的螺旋分料器螺旋轴。结合螺旋分料器螺旋轴的结构特点，对相应结构做简单的处理，将轴的倒角和键槽全部简化。

表1 不同模型变径螺旋分料器螺旋轴直径

图3 变径变螺旋分料器

2.2 静力分析

根据螺旋轴的工作环境和受力的特点选择SOLID187单元对三维模型进行网格划分，设定材料物理常量为:弹性模量E=210 GPa，泊松比u=0.3，密度ρ=7 800 kg·m－3。用自由划分网格的方法，选取精度等级5。为了进行静力分析，需对轴施加轴向约束和径向约束，在螺旋分料器轴径变化的各处都加上100 N垂直于轴的力，再添加绕Z轴的角速度50 r·min－1，最后进行有限元求解，得到Y方向总的位移应变，如图4～6所示。

图4 模型1的位移应变

图5 模型2的位移应变

图6 模型3的位移应变

由图4～6可知，随着螺旋轴直径的不断增大，其形变量也不断增大，螺旋轴弯曲程度就越大，故应选择直径较小的螺旋轴。但是，由于螺旋轴的承载能力与直径成正比，可以考虑适当增大螺旋轴直径。

螺旋轴转动时，既要承受载荷所产生的压应力，又要承受驱动转子所产生的剪切应力。由图7～9可知，在压应力和剪切应力的组合作用下，产生了应力集中，最大应力为9.24 MPa。可以看出，螺旋轴整体受力不大，远低于材料的抗拉强度，因此螺旋轴不会因静强度不够而发生断裂。

图7 模型1的von-Mises应力

2.3 模态分析

姜婉和朱振东对宽幅摊铺机螺旋分料器转速对分料质量的影响进行了研究 ，摊铺机的螺旋轴直

图8 模型2的von-Mises应力

图9 模型3的von-Mises应力

径取70 mm。本文先定义单元的类型为SOLID187，设置材料弹性模量E=210 GPa，泊松比u=0.3，密度ρ=7 800 kg·m－3，然后建模，划分网格;接着将模态设置为4阶形态，频率范围设为0～100 Hz，然后对轴施加边界条件，用Block Lanczos进行求解;最后进行模态扩展设置，得到4阶变形图，如图10～13所示。由一阶变形图可以看出，中间轴部分振幅大，容易发生共振现象;二阶变形图中振幅向两边扩展;三阶变形图出现3处振幅较大的形变;四阶变形图则表明最大螺旋轴右边的振幅最大。

图10 螺旋轴直径d=70 mm的1阶变形

图11 螺旋轴直径d=70 mm的2阶变形

图12 螺旋轴直径d=70 mm的3阶变形

图13 螺旋轴直径d=70 mm的4阶变形

对另外2种模型进行仿真，用与螺旋轴直径为70 mm时相同的方法对直径分别为60 mm和80 mm的螺旋轴进行模态分析，3种模型对应的各阶频率如表2所示。

表2 不同模型螺旋轴直径各阶频率

由表2可知，各种模型的频率从第1阶到第4阶都在逐渐增加。在模型1中，各阶频率基本呈线性关系，随着螺旋轴直径的增大，在模型2和模型3中各阶频率不再呈线性关系。

模型1下的第1阶与第2阶频率相差1.648 34 Hz，增加量最大;第3阶与第4阶相差1.039 96 Hz，增加量最小。模型2下的第1阶与第2阶频率相差1.596 60 Hz，增加量最大;第3阶与第 4阶相差0.411 01 Hz，增加量最小。模型3下的第1阶与第2阶频率相差1.540 32 Hz，增加量最大;第3阶与第4阶相差0.087 08 Hz，增加量最小。对比以上3个模型可知，随着螺旋轴直径的增大，各阶频率增加量逐步减小。

图14、15为模型1、2和模型3、4之间的频率差值，从中可以看出:模型之间的差值在1阶时，减少量最小;在4阶时，减少量最大;并且随着螺旋轴直径和阶数的增加，螺旋轴的频率逐渐减小。图16、17为模型1、2和模型3、4之间频率差距百分比，从中可以看出:第1阶到第4阶误差分别为:0.01%，0.19%，1.87%，－2.13%;在 1 阶时频率差距百分比基本一致，随着阶数的增加，差距百分比先增大后减小，在第4阶处呈现下降趋势，这有利于降低共振发生的可能性。

图14 模型1与模型2的频率差值

图15 模型2与模型3的频率差值

图16 模型1与模型2的频率差距百分比率

图17 模型2与模型3的频率差距百分比率

综合以上分析可知，随时间的变化，振幅从中间向两侧移动;随着螺旋轴直径和阶数的增加，螺旋轴的形变量从中间向两边扩散，并且在4阶时达到最大形变和最大频率，这说明随着频率和形变量的增加，相应的剪应力也会增大，从而缩短了螺旋轴的使用寿命;螺旋轴直径的增大会减小频率，增加形变，但是引起共振的可能性小，因此，设计中可以考虑适当增大螺旋轴直径，提高承载能力。

3 结语

本文使用有限元仿真软件建立螺旋分料器螺旋轴模型，对其进行静力分析和模态分析。结合仿真图研究螺旋轴的形变和不同直径对共振频率、形变的影响，得到如下结论。

(1)可以从直径方面改善螺旋分料器螺旋轴的承载能力，提高其使用寿命。仿真模拟的形变图可以作为分析螺旋分料器螺旋轴受载情况的依据，便于确定易断处。

(2)通过对螺旋分料器的仿真分析可知，应用静力分析和模态分析相结合的方法，可以有效确定螺旋轴直径对形变和共振频率的影响，为研究螺旋分料器的承载能力提供理论支撑。

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