王高升,傅彩明,關(guān)耀奇

(湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湘潭411101)

0 引言

濕式轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)是地下和地面工程中,進(jìn)行臨時(shí)或永久性混凝土噴射支護(hù)的面廣量大的關(guān)鍵設(shè)備.因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、操作方便、適用范圍廣等顯著優(yōu)點(diǎn),而普遍受到用戶的好評(píng).尤其在目前的噴射混凝土支護(hù)工程中,轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)已占到各種類(lèi)型混凝土噴射機(jī)總量的90%以上[1][2].

轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)子式噴射機(jī)的核心部件,其結(jié)構(gòu)型式和尺寸大小決定著主機(jī)其它部件型式和尺寸,其性能對(duì)整機(jī)的主要技術(shù)性能也有著重大的影響[3].當(dāng)電機(jī)起動(dòng)后,經(jīng)減速器通過(guò)輸出軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),混凝土拌料經(jīng)料斗落入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子孔內(nèi),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)180°后,其料孔與壓縮空氣一次進(jìn)氣口相通,形成了完整的吹料通道.壓縮空氣迫使混凝土料進(jìn)入輸料管,同時(shí)在出料彎頭處的二次進(jìn)氣孔加入壓縮空氣促使混凝土料以懸浮狀流體沿輸送管輸送,混凝土料在噴頭處的混合室與液體速凝劑混合后,經(jīng)噴嘴高速噴射到欲支護(hù)的工作面上.由于轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子上有10個(gè)均布的料孔不斷地與出料孔和壓縮空氣進(jìn)氣孔相通,如此不斷循環(huán),完成連續(xù)噴射[4].在此過(guò)程中混凝土噴射機(jī)的轉(zhuǎn)子部分的應(yīng)力應(yīng)變情況直接關(guān)系到噴射機(jī)的動(dòng)態(tài)工作性能.

1 混凝土噴射機(jī)的基本參數(shù)及實(shí)體模型的建立

該混凝土噴射機(jī)噴射能力6 m3/h;骨料最大直徑25 mm;進(jìn)料水灰比0.4～0.45;最大工作風(fēng)壓0.6 MPa;最大耗氣量9 m3/min;最大輸送距離40 m;速凝劑添加量3%～5%(水泥重);電機(jī)功率7.5 kW;外形尺寸(長(zhǎng)寬 高)2142 mm×1441 mm×1336 mm;整機(jī)重1480 kg.

轉(zhuǎn)子的實(shí)體模型如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)子實(shí)體模型

2 材料參數(shù)及有限元網(wǎng)格劃分

施加的載荷為8.98e+4N的均布載荷、扭矩為1.87e+6 Nmm.約束為轉(zhuǎn)子與下轉(zhuǎn)子襯板相接觸到的平面之間的固定約束.轉(zhuǎn)子有限元分析中的材料參數(shù)如表1所示,材料為Steel-ANSI C1020.

表1 材料數(shù)據(jù)表

轉(zhuǎn)子的有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示.在該模型中,單元平均尺寸取12mm,細(xì)化部分的平均尺寸根據(jù)實(shí)際要求而定,細(xì)化部分包括模型的曲面、曲線和細(xì)長(zhǎng)棱邊處.以下所有的有限元分析中,如無(wú)特殊說(shuō)明,許用網(wǎng)格偏差都取10%.

轉(zhuǎn)子的有限元模型網(wǎng)格劃分的實(shí)際最大偏差值為9.8%,在允許的偏差范圍內(nèi).該有限元模型中有34926個(gè)單元,有64142個(gè)節(jié)點(diǎn).

圖2 轉(zhuǎn)子有限元分析網(wǎng)格劃分圖

3 轉(zhuǎn)子的有限元分析云圖

轉(zhuǎn)子的有限元分析結(jié)果的高等線云圖如圖3～圖8所示.

分析圖3～圖8可知,轉(zhuǎn)子中心減速器相連處以及轉(zhuǎn)子上部的應(yīng)力較大,最大值2.75 e+7 Pa,大大小于材料的最大許用應(yīng)力3.31 e+8 Pa,該結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為12.04;模型中部應(yīng)力較小,最小值為1.88 e+4 Pa.模型的最大位移或變形值為0.0117 mm,位于模型上部絲桿安裝處,目前已有的轉(zhuǎn)子型混凝土噴射機(jī)的摩擦板壓緊裝置是采用手工轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿,由絲桿的一端直接壓緊摩擦板,其受力不均勻,壓緊程度難控制,往往會(huì)產(chǎn)生過(guò)壓情況,在使用工程當(dāng)中,操作人員由于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的儀表測(cè)試出當(dāng)前夾緊裝置所施加壓力的大小,而只能憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)施加壓力,這樣就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差.因此,降低了摩擦板的使用壽命,另外摩擦板與噴射機(jī)轉(zhuǎn)子上的結(jié)合板之間,由于工作過(guò)程中摩擦板的磨損所造成的間隙得不到補(bǔ)償,塵埃逸出,所以會(huì)加重工作場(chǎng)地的污染程度.而液壓夾緊裝置具有夾緊迅速、壓緊力可調(diào)、壓緊力均勻合理的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)系統(tǒng)壓力不夠時(shí),可以從液壓裝置中及時(shí)得到補(bǔ)償,另外系統(tǒng)中的壓力可以通過(guò)壓力表直接讀數(shù),從而可以避免產(chǎn)生過(guò)壓現(xiàn)象.由于轉(zhuǎn)子和上、下橡膠襯板之間的夾緊力的大小直接影響整機(jī)的使用性能和橡膠密封墊的使用壽命,采用液壓夾緊裝置能提高工效延長(zhǎng)橡膠襯板的使用壽命.

4 結(jié) 論

目前噴射混凝土支護(hù)工程中采用干式噴射,存在粉塵濃度大、回彈高的嚴(yán)重缺點(diǎn),只有將干式噴射改為濕式噴射才是解決問(wèn)題的根本途徑[5][6].本課題運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)及有限元仿真分析來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)濕式混凝土噴射機(jī),通過(guò)使用虛擬樣機(jī)技術(shù)來(lái)建立零件實(shí)體模型,并在計(jì)算機(jī)上通過(guò)仿真軟件完成轉(zhuǎn)子有限元仿真及提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,以確定噴射機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子的應(yīng)力、應(yīng)變及位移情況,這樣可以簡(jiǎn)化濕式混凝土噴射機(jī)的設(shè)計(jì),降低研制成本,縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期.通過(guò)設(shè)計(jì)后的濕式混凝土噴射機(jī)將是集環(huán)保型、智能化、自動(dòng)化、高工作性、高耐久性于一體的新高性能設(shè)備.同時(shí)本文采用有限元法進(jìn)行研究,對(duì)噴射機(jī)關(guān)鍵零件進(jìn)行有限元仿真,得到這些關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)特性,從而提出合理的優(yōu)化方案,使整機(jī)性能得到提高.另外課題研究過(guò)程當(dāng)中的分析數(shù)據(jù)為今后該項(xiàng)目的評(píng)估和產(chǎn)品的綜合性能評(píng)價(jià)提供了有力科學(xué)的依據(jù).

[1]虞家詳.行標(biāo)《轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)》的分析[J].煤礦機(jī)械.2009,30(10).

[2]張海國(guó),王保民,張金譽(yù).混凝土噴射機(jī)轉(zhuǎn)子密封襯盤(pán)的研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2007,(9):59-61.

[3]鄒玉霞,董愛(ài)群.淺析提高混凝土噴射機(jī)密封板工作壽命的措施[J].江蘇煤炭,2003,(2):27-28.

[4]王小寶,楊福真.SPZ-6B型濕式混凝土噴射機(jī)的研制[J].礦山機(jī)械,2003,(9):32-35.

[5]韓躍文,張咸民.PC6B型潮式混凝土噴射機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用效果[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2003,(3):58-62..

[6]王秀山,孔祥利,董文昕.HSP6型混凝土噴機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑機(jī)械管理,2003,(4):60-62.