楊遠平，賈越華

（湘西民族職業技術學院，湖南吉首416000）

　　摘要：對某型生物質環模在使用過程中的振動進行了分析，得出固定螺栓使用中斷裂的原因，從減輕環模振動、改進螺栓結構等方面提出了改進措施，有效地提高了固定螺栓的使用壽命。

　　某型生物質顆粒機環模，其內徑尺寸為Φ560，厚度為40mm，固定螺栓數量為8個，螺栓的規格為M20×80，性能等級為8.8級。顆粒機在制粒工作過程中，固定環模的螺栓經常斷裂失效，螺栓斷裂部位主要位于兩個斷面，一個斷面位于環模與底座的結合面，此斷面螺栓斷裂數量占總斷裂數量的2/3，第二個斷裂面是螺栓頭部。環模及斷裂的螺栓如圖1所示。

　　1螺栓斷裂的原因及分析

　　1.1環模受力分析

　　物料擠壓成型過程如圖2所示。經調質處理后的物料由物料傳送系統送入環模內，在環模內壓輥系統離心力的作用下物料被拋向環模內壁，隨著壓輥的旋轉，物料在壓輥與物料之間所產生摩擦力的作用下，物料運動并被擠壓進環模內孔，物料的密度隨著壓力的增加不斷增大，物料內部粒子受到擠壓而互相結合，產生不可逆的黏塑性變形，隨著壓輥的不斷旋轉，物料被不斷擠壓進環模內孔并被擠壓出環模，由環模外部切斷裝置切斷成一定長度的顆粒，最后從顆粒機排出進入收集系統[1-4]。

　　通過對物料在擠壓成型區的受力分析可知，成型區的受力變化大，要準確確定成型區受力的大小難度很大，將成型區簡化看成A、B兩點，則環模受力如圖3所示，環模內壁主要受擠壓力Fa、Fb及摩擦力fa、fb的作用。

　　從圖3環模受力簡圖可知，在理想狀態下，擠壓力Fa和Fb大小相等、方向相反并作用在一條直線上，對環模整體的作用力為0；摩擦力fa和fb大小相等、方向相反，為一對平行力，對環模整體施加一恒定旋轉力矩，這一力矩由固定螺栓產生的摩擦力等予以平衡，環模受力平衡，不會產生振動。

　　1.2螺栓靜力學分析

　　環模用8個規格為M20×80、性能等級為8.8級的螺栓固定在基座上。螺栓擰緊時施加預緊力來克服壓輥旋轉作用于環模的力矩，保持環模固定不動。壓輥旋轉的力矩計算公式為：T=9550p/n，p為電機功率，n為轉速。本顆粒機電機的功率為90kW，壓輥的轉速為100r/min，故T為8595N·m。

　　假定這一力矩由壓輥經生物質傳遞給環模，要確保環模靜止不動，螺栓預緊使環模和底座之間的壓力為Fn，摩擦力Ff=Fn×u，u為環模與底座之間的摩擦系數，則螺栓預緊所產生的摩擦力矩為Ff×d，即Fn×u×d，當Fn×u×d≥T時，環模處于靜止狀態。查資料可知鋼與鑄鐵之間的摩擦系數為0.2~0.3，取u=0.2，計算得n≥76741N，8個螺栓均分，每個螺栓所需要的正壓力為9592N。

　　從上述計算可知，只要螺栓的預緊力大于9592N即可，經計算可知性能等級為8.8規格M20的螺栓，所能承受拉力約為188.41kN，螺栓所需的預緊力遠遠小于螺栓的抗拉強度，按靜態計算連接螺栓強度完全滿足要求。

　　1.3螺栓斷裂原因分析

　　實際生產過程中，由于壓輥兩邊物料添加的不均衡，物料在離心力的作用下被拋向環模內壁導致在高度方向也不均衡，以及環模內壁與壓輥之間的間隙不相同等各種原因，致使環模內壁A、B兩處所受的擠壓力及摩擦力并不相等。在極限狀態下，A、B兩處可能一處受力而另一處不受力，即Fa或Fb=0，擠壓力作用在環模的一端，受力不平衡將導致環模振動。

　　由于壓輥不停地旋轉，環模所受不平衡力隨壓輥的旋轉而不斷變化，因此，在生物質顆粒擠壓過程中，環模受連續不斷變化橫向載荷的作用，導致環模橫向振動，根據王威等[5-7]的研究，橫向載荷比縱向載荷更容易引起螺栓松動，振動幅值大易引起螺栓松動，螺栓松動則容易斷裂。

　　2改進措施

　　2.1環模減振

　　為減輕環模的振動，從環模的安裝、制粒工藝等方面加以改進，解決措施有以下幾個方面。

　　2.1.1在環模和基座之間加裝墊片，降低環模橫向振動的幅度

　　本型號的生物質制粒機，環模立式安裝在圓形基座內。由于加工制造誤差、裝配等原因，環模和基座之間存在一定的間隙，一般為1mm左右。由于間隙的存在，環模工作過程中擠壓力Fa和Fb不相等，產生橫向竄動，加劇了環模的振動。在安裝環模時，先檢測環模和基座之間的間隙，購置相應厚度的墊片裝在兩者之間，使環模和基座之間的間隙盡可能減小，大幅降低環模橫向移動的距離。

　　2.1.2準確調整環模與兩個壓輥之間的間隙

　　環模安裝固定后，用塞尺檢查并調整壓輥與環模之間的間隙，應盡量做到壓輥和環模之間的間隙一致，以保證環模受力均勻。

　　2.1.3調整送料口位置及送料速度

　　在安裝調整送料機構時，送料口應位于環模上部正中間，以盡量保證壓輥兩邊均衡進料，減少由于進料不均衡而導致的壓輥受力不均。合理調節送料速度，避免物料在環模內堆積過多。

　　2.2連接螺栓及預緊工藝改進

　　原機器固定環模采用的是性能等級為8.8的單頭螺栓，螺栓為車加工制造，并為全螺紋結構，螺栓選擇不合理。環模內螺紋孔深為20mm，一是采用全螺紋結構，螺栓根部的強度變差，由于應力集中等因素，導致螺栓容易從根部斷裂；二是螺紋經過環模底部和基座之間的結合面，該斷面除了受拉應力外還受剪應力的作用，易于斷裂，從實際使用結果來看螺栓主要從該斷面斷裂。經分析論證，連接螺栓由原來的單頭螺栓改為雙頭螺栓，性能等級仍為8.8，一端螺紋長度為18mm，使螺栓在環模底部和基座的結合面上是光桿而不是螺紋。

　　原機器采用單頭螺栓連接，沒有防松彈簧，改為雙頭螺栓，預緊時按對稱原則，分3~4次預緊。

　　3結束語

　　通過減小環模與基座之間的間隙、調整環模與壓輥之間的位置、改進連接螺栓等措施，降低了環模的振動幅度，提高了環模連接螺栓的使用壽命。半年來的使用情況統計表明，螺栓的使用壽命比原來提高3~5倍，取得了較好的效果。

　　參考文獻：

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　　[2]袁曉明，徐靜云，韓秀榮，等.ANSYS生物質成型機環模結構分析[J].農機化研究，2015（6）：239-242.

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　　[6]楊風利，李正，張大長，等.輸電鐵塔雙螺母防松螺栓橫向振動試驗研究[J].振動與沖擊，2018，37（10）：164-171.

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