基于ANSYS的烘干筒搅拌臂优化设计

徐江涛

（河南省交通高级技工学校，河南 驻马店 463000）

基于ANSYS的烘干筒搅拌臂优化设计

徐江涛

（河南省交通高级技工学校，河南 驻马店 463000）

文章首先建立了搅拌臂的受力模型，并计算出沥青混凝土的作用力为1 011.6 N；然后利用ANSYS软件对烘干筒搅拌臂进行强度分析，通过分析最大变形量和最大应力值，判断是否满足许用应力要求；最后通过增加搅拌臂直径来提高刚度的方法对其进行优化，以满足强度要求。

ANSYS；烘干筒；搅拌臂；搅拌叶片

双滚筒式沥青搅拌设备烘干筒由内筒和外筒组成，其中内筒既可以烘干冷骨料，又可以在旋转的时候起到搅拌作用。烘干筒在正常工作状态下其内筒可以看成一个巨大的搅拌轴，外壁均匀分布一系列搅拌臂，其作用主要是把沥青、热骨料和矿粉等在内外滚筒中间的空隙拌和区均匀混合，以满足施工的级配要求。沥青混合料的生产过程中，搅拌臂对混合料作出剪切、旋转和输送运动时，会受到物料不同程度的冲击和载荷，这些冲击和载荷关系到搅拌臂的使用寿命和可靠性，因此对其进行有限元分析和优化设计十分必要。

ANSYS有限元分析是一种常用的结构分析方式，常用于判断结构设计是否合理，并通过优化不同的参数设置找出最佳的产品设计方案，以缩减设计成本和周期、降低材料消耗等。有限元分析方法通常依托计算机对各种试验方案进行模拟，分析并找出机械结构容易失效的位置，其目的是在满足许用应力等约束条件下，找出满足设计目标最经济合理的参数[1]。

1 搅拌臂的力学模型

沥青混合料是在一定温度下，由骨料、矿粉和沥青等组成的黏弹性流体，具有典型的流动和变化特性。由于沥青混合料在混合搅拌时的流动是三维非定常且不可压缩的黏弹性流体流动，搅拌臂不仅要均匀拌和沥青混凝土，还要依靠叶片推力将搅拌好的混凝土推送至卸料口，因此受力十分复杂，需要运用力学相关理论建立起其受力模型[2]。

1.1 搅拌臂的速度分析

沥青混凝土在烘干筒内的运动速度可以分为沿烘干筒轴向和烘干筒周向的运动。假设所分析的沥青混凝土质点在空隙拌和区半径r处，相对于搅拌叶片的速度为V21，移动速度为V2，其中可以把V2分解为周向速度Vα和轴向速度Vr，搅拌臂叶片的线速度V1，轴向角为δ，始推角度为α1，如图1所示。有效拌和区的长度为L，材料塌落度角为α2，设计时通常可以取45°和60°。烘干筒的转速为n，通常可取值为14 r/min。为方便分析，建立该质点简化的数学模型。

根据图1可得

当α=45°时，可知

1.2 搅拌臂的受力分析

沥青混凝土在烘干筒内周向运动时，受搅拌臂作用逐渐移动到卸料口。如图2所示，混凝土受自身重力、搅拌臂推力和剪切力、烘干筒壁的摩擦力和其内部微元层间的阻力。其中搅拌臂对沥青混合料的推力为dF。dFa为轴向推力、dRa为轴向流动阻力、dPa为反向推力、dTa为轴向剪切力；dFr为周向推力、dRr为周向流动阻力、dPa为周向剪切力、dTr为反推力。

图1 混凝土质点速度分解图

图2 混凝土质点的受力图

对拌合区底部运动运用动量定理得：

其中：ρ为沥青混合料的密度，dQa为混合料微元流层的轴向流量。可以求解出：

在搅拌过程中，物料会收到自身重力引发的周向流动阻力。对混合料微元流层进行积分得：

混合料微元被搅拌臂强制搅拌的过程中会产生一个周向和轴向的分速度，根据动量守恒定律得：

其中dQr=νrdAr=Lνrdr，一般沥青混凝土的干密度在1 600～1 800 kg/m3左右，本文计算时取中值1 700 kg/m3。代入到上式并进行积分可算得：Fa=224.2 N，Fr=986.5 N，F=1 011.6 N。

2 搅拌臂的设计方案

双滚筒式沥青搅拌设备的烘干筒不同于传统的间歇式搅拌设备，其筒内烘干筒内外壁上都安装有特殊结构[3]，内壁上主要是提料叶片，外壁上主要是搅拌臂。烘干筒在正常工作时，筒内烘干筒充当着搅拌轴的角色，但其轴径比却远大于间歇式搅拌设备[4]。由于国内尚无双滚筒式沥青搅拌设备烘干筒搅拌臂的成熟设计理论，目前的设计多是参考国内外同型设备。本文参考国内某公司设备，经过论证和分析确定搅拌臂模型如图3所示。

图3 搅拌臂的CAD模型

3 搅拌臂的仿真分析

搅拌臂的工作条件十分恶劣，对比之前的失效方式可以发现，其失效主要是过度磨损，故在选择材料时，选用耐冲击和耐磨性较好的高锰钢材料。该材料的弹性模量，泊松比为0.3，许用应力[σ]=136 MPa。在划分网格时采用自动划分网格方式，网格单元类型选择为SOLID92，单元精度为3。把建好的CAD模型导入ICEM CFD中划分出合适的网格单元，然后在ANSYS中把搅拌臂与烘干筒的连接面定义为全约束类型的约束面，采用面分布形式的载荷并施加在搅拌臂叶片端面，最后进行求解计算得到位移图和等效应力图如图4—5所示。

通过图4可知，搅拌臂的最大变形量很小，最大变形量出现在搅拌臂叶片顶端位置且仅为0.473 mm，基本可以不予考虑。通过图5可知，搅拌臂的最大应力出现在与烘干筒外壁的连接位置，最大应力值为180.4 MPa。此时对比材料的许用应力可知搅拌臂的最大应力大于许用应力值，正常工作过程中有断裂的可能性，需要进行优化设计。

图4 变形量云图

图5 应力分布云图

4 搅拌臂的优化设计

从图5中可以发现搅拌臂整体受力不均匀，搅拌臂前端叶片处受力很小。搅拌臂接近烘干筒外壁的连接位置受到的应力最大，通过上述分析可知材料的刚度不能满足使用要求。根据材料相关知识可知，刚度为材料固有特性，与零件的截面和形状有关。现在提高刚度的方法有很多，比如改变连接位置处的截面形状或者增加截面面积等[5]。本文选择增大搅拌臂直径的方法，把搅拌臂直径从25 mm增加到30 mm，其他参数保持不变得到应力图如图6所示。从图6可知，优化后搅拌臂最大应力值仅为51.54 MPa，远小于许用应力值，满足强度要求，因此，本次优化设计效果显著。优化设计的方法有很多，比如修改连接位置截面形状，或者增加基座提高接触面积等。

图6 优化后的应力分布

5 结语

[1]涂秋艳，党继辉，温瑞.基于ANSYS下的压力机剪刃结构优化设计[J].机械工程师，2014（5）：188-189.

[2]杨艳妮.外燃式混合料加热滚筒设计及热能利用研究[D].西安：长安大学，2012.

[3]杨向阳.连续式与间歇式沥青搅拌设备性能比较[J].筑路机械与施工机械化，2011（12）：57-61.

[4]曹勇涛.双滚筒连续式沥青搅拌设备方案设计[J].筑路机械与施工机械化，2015（9）：94-96.

[5]王博，徐鹏杰，田建涛.双卧轴搅拌机搅拌臂的优化设计及其试验研究[J].装备制造技术，2014（7）：153-154.

Optimum design of stirring arm of drying cylinder based on ANSYS

Xu Jiangtao
（Henan Traf fi c Senior Technical School, Zhumadian 463000, China）

Firstly, the force model of the stirring arm is established and the working force of the asphalt concrete is calculated as 1011.6N.Then, ANSYS software has been used to analyze the strength of the stirring cylinder, and the maximum deformation and the maximum stress have been analyzed to determine whether the allowable stress is satis fi ed. And fi nally by increasing the diameter of the stirring arm,it improves the stiffness of the way to optimize it to meet the strength requirements.

ANSYS; drying cylinder; stirring arm; stirring blade

徐江涛（1983— ），男，河南西平，本科，中级职称；研究方向：沥青搅拌设备及热再生设备烘干筒和能效分析。