基于数值仿真的连续螺旋叶片锥辊异面轧制工艺参数建模与优化

发布时间：2020-10-16 15:25

　　 连续螺旋叶片是螺旋输送设备和螺旋泵中的核心零件。螺旋叶片的锥辊异面辗轧成形工艺是目前应用最广泛的一种加工工艺,然而这种成形工艺较为复杂,轧制工艺参数调整一直是锥辊异面轧制成形工艺的难题。针对这一问题,本文主要以连续螺旋叶片锥辊异面轧制的理论为基础,对轧制过程进行了有限元分析及摩擦磨损有限元分析,并基于性能分析结果对轧制工艺参数进行建模与多目标优化。具体工作内容与研究成果如下:(1)系统梳理了连续螺旋叶片锥辊异面轧制的机理与成形规律。建立了螺径与螺距的理论数学模型及左右锥辊在坐标系中的辊面方程,详细推导了连续螺旋叶片轧制成形所需要满足的边界约束条件。为后续螺旋叶片锥辊异面轧制有限元仿真以及工艺参数的调整与优化奠定了理论基础。(2)建立了连续螺旋叶片锥辊异面轧制的三维模型与有限元模型,对连续螺旋叶片锥辊异面轧制过程进行了有限元仿真,并验证了其合理性;详细讨论了工艺参数(喂料高度、相对平动量、轧辊压力参量、摩擦系数、轧制速度)对螺径与螺距的影响规律;分析了工艺参数对锥辊加载力、轧件损伤值、最大主应力与最大主应变的影响规律。这些为进一步建立优化模型奠定了基础。(3)探讨了锥辊磨损的机理及失效形式,提出提高锥辊使用寿命的预防措施;对轧制过程中锥辊磨损进行了有限元仿真,有限元分析了锥辊摩擦磨损量规律,发现轧件材料硬度越高,锥辊的磨损越大;锥辊材料硬度越高,锥辊的磨损量越小,并预测出了锥辊的使用寿命。(4)针对锥辊异面连续螺旋叶片轧制工艺参数进行了多目标优化。采用中心组合设计(CCD)进行试验参数的设计,使用响应面法(RSM)构建了D、T、R、XLOAD、DAMAGE、MAXSTRESS和MAXSTRAIN与工艺参数(喂料高度H、相对平动量S_2、轧辊压力参量TT和轧制速度V)之间的数学模型方程;研究分析了工艺参数对螺旋叶片形态的交互式影响以及对螺旋叶片性能的交互式影响;并以锥辊的最大磨损深度与破坏量、D、T、R共同组成多目标,对轧制目标D_0和T_0进行优化,得到一组最优解。本文对螺旋叶片进行锥辊异面轧制有限元模拟来代替实际轧制调试,并建立多目标优化模型与获得最佳工艺参数组合,为锥辊异面轧制工艺参数快速调整提供了一种新方法,为锥辊异面轧制成形这一工艺广泛应用到实践奠定了坚实的基础。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG335
【部分图文】：

学和物理学家阿基米德就已经提出将螺旋原理应用到现实生活当中。于是，螺旋叶片开始应用在抽水和浇灌方面，后来就产生了螺旋泵。到了文艺复兴时代，螺旋泵在欧洲开始大规模使用，螺旋叶片作为其核心部件，也被广泛普及[2]。第二次世界大战后，螺旋叶片在抽水、浇灌方面得到广泛应用。目前，螺旋输送机是在螺旋泵的原有架构上进行升级的设备，螺旋输送机的主要功能集运输、传递、搅拌和碾碎于一体[3]。这种生产运输设备在建筑企业、矿山企业应用非常广泛，例如：在矿山开采中，运送机的主要作用就是运输刚开采出来的矿石，在食品工程中的主要功能就是碾碎硬度较小的物体。螺旋运送机的性能特点与连续螺旋叶片紧密相连，不同形状与不同转速的叶片会产生不同的作用与效果，大扇形、转速低的叶片主要适用于传输物质，小扇形、强度大、转速高的叶片主要适用于碾碎与混合物质。所以，对连续螺旋叶片的制造工艺及其相关成形技术的研究十分必要。

学和物理学家阿基米德就已经提出将螺旋原理应用到现实生活当中。于是，螺旋叶片开始应用在抽水和浇灌方面，后来就产生了螺旋泵。到了文艺复兴时代，螺旋泵在欧洲开始大规模使用，螺旋叶片作为其核心部件，也被广泛普及[2]。第二次世界大战后，螺旋叶片在抽水、浇灌方面得到广泛应用。目前，螺旋输送机是在螺旋泵的原有架构上进行升级的设备，螺旋输送机的主要功能集运输、传递、搅拌和碾碎于一体[3]。这种生产运输设备在建筑企业、矿山企业应用非常广泛，例如：在矿山开采中，运送机的主要作用就是运输刚开采出来的矿石，在食品工程中的主要功能就是碾碎硬度较小的物体。螺旋运送机的性能特点与连续螺旋叶片紧密相连，不同形状与不同转速的叶片会产生不同的作用与效果，大扇形、转速低的叶片主要适用于传输物质，小扇形、强度大、转速高的叶片主要适用于碾碎与混合物质。所以，对连续螺旋叶片的制造工艺及其相关成形技术的研究十分必要。

程进行有限元模拟仿真，分别讨论分析喂料高度、相对平动量、轧辊压力参量摩擦系数和轧制速度对连续螺旋叶片螺径和螺距的影响。分析连续螺旋叶片轧制工艺参数对锥辊加载力、轧件损伤值、最大主应力和最大主应变的影响。3）对连续螺旋叶片锥辊异面轧制中锥辊摩擦磨损进行研究。阐述锥辊磨损机理及失效形式，对锥辊使用寿命进行预测，提出锥辊使用寿命的预防措施。建立锥辊磨损有限元仿真模型，分析材料硬度和锥辊硬度对摩擦磨损量的影响。4）针对锥辊异面连续螺旋叶片轧制工艺参数进行多目标优化。采用中心组合设计(CCD)来进行试验参数的设计，再使用响应面法（RSM）构建多目标与艺参数之间的数学模型方程；分析工艺参数对螺旋叶片形态和叶片性能的交互式影响；以锥辊的最大磨损深度最小、轧件破坏量最小、min0D D、min0T T和mR共同组成多目标，采用满意度函数值针对轧制目标进行优化。如图 1.4 所示，是连续螺旋叶片锥辊异面轧制研究的技术路线：
【参考文献】

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本文编号：2843432