基于有限元的微粉碎系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

任金山，肖培軍，馬 健，吳開亮，周 峰

中糧工程裝備無錫有限公司 (無錫 214000)

基于有限元的微粉碎系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

任金山，肖培軍，馬 健，吳開亮，周 峰

中糧工程裝備無錫有限公司 (無錫 214000)

有限元分析已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代設(shè)備零部件設(shè)計(jì)的主要方法。使用Solidedge軟件建立了微粉碎系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的三維模型。應(yīng)用Ansys Workench軟件進(jìn)行了錘塊動力學(xué)瞬態(tài)分析、粉碎系統(tǒng)支撐座熱分析、轉(zhuǎn)子主軸結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、粉碎系統(tǒng)動力學(xué)模態(tài)分析。根據(jù)分析的結(jié)果，對比了改進(jìn)前后的變化，得到了成本降低，使用壽命延長，經(jīng)濟(jì)效益提高的結(jié)果。

有限元；錘塊；支撐座；主軸；微粉碎系統(tǒng)

有限元法是一種常用的數(shù)值計(jì)算方法，是為了求解各類微分方程值問題近似解。在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，常常需要求解各類微分方程，而許多微分方程的解一般很難得到，使用有限元法將整個問題區(qū)域進(jìn)行分解，每個子區(qū)域都變成簡單的部分，在編制程序，使用計(jì)算機(jī)輔助求解。在遇到大部分實(shí)際問題是，通常情況都難以得到精確解，而使用有限元來求解，不僅計(jì)算精度高，而且能求解各種各樣的問題，因而成為行之有效的工程分析手段[1]。

Ansys Workbench軟件是ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)生產(chǎn)過程中CAE軟件的不足問題，是目前為止增長最快的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，能與多數(shù)工程輔助設(shè)計(jì)軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是融結(jié)構(gòu)、流體、磁場、電場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在機(jī)械制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。Ansys Workbench功能強(qiáng)大，操作方便簡單，分析過程很直觀，計(jì)算分析結(jié)果隨時可以查看，并利用這些信息對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[2]。本課題針對微粉碎機(jī)的粉碎系統(tǒng)開展了降本增效改進(jìn)設(shè)計(jì)，使用Ansys有限元進(jìn)行了如下分析：轉(zhuǎn)子主軸結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、粉碎系統(tǒng)動力學(xué)模態(tài)分析、錘塊動力學(xué)瞬態(tài)分析，傳動系統(tǒng)支撐座熱分析等。

1 錘塊改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 錘塊幾何模型的建立

錘塊主要分2部分，刀座和刀頭，采用銅焊工藝焊接為一體，刀座一銷定位和2螺栓緊固。

采用Solidedge三維軟件建模。刀頭，寬72 mm，高80 mm，厚5 mm，材料YG11硬質(zhì)合金；刀座，長75 mm，寬72 mm，高80 mm，M20和M14螺孔，φ16 mm銷孔，材料ZG45。三維模型如圖1所示。

圖1 錘塊模型

1.2 錘塊有限元模型建立

將Ansys 集成到Solidedge中的方法有多種，利用專用接口將錘塊無縫導(dǎo)入Ansys Workbench，將這兩種軟件結(jié)合在一起，達(dá)到了無縫連接。在模型傳遞過程中幾乎不會出現(xiàn)丟失元素的現(xiàn)象，即使有該類現(xiàn)象,回到Solidedge軟件中，找到出錯地方，發(fā)揮Solidedge軟件強(qiáng)大的建模功能，整改模型，然后再導(dǎo)入Ansys中，這樣方法比在Ansys 中直接改動模型消耗時間少。為了準(zhǔn)確模擬錘塊的工作狀態(tài)，使用Ansys動力學(xué)瞬態(tài)分析模擬錘塊撞擊物料的狀態(tài)，刀座和刀頭之間為綁定接觸對，刀頭和物料之間為無摩擦接觸對，物料尾端固定約束，四周無摩擦約束，給刀頭施加2 136 N撞擊力。

系統(tǒng)設(shè)置：步長時間為0.001 s，初始時間步0.000 1 s，最小時間步0.000 03 s，最大時間步0.000 2 s。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格控制、材料定義等，得到導(dǎo)入Ansys Workbench 后的模型。

1.3 錘塊有限元結(jié)果分析

錘式無篩粉碎是市場上常用的一類微粉碎方式。此類粉碎機(jī)根據(jù)機(jī)械沖擊的原理, 利用安裝在旋轉(zhuǎn)盤上的錘塊對物料施以高速撞擊, 并使其與定塊間產(chǎn)生的強(qiáng)力研磨、沖擊、剪切等作用而使物料粉碎。粉碎后的細(xì)粉經(jīng)過空氣分離, 通過分級篩網(wǎng)排出, 粗粉重力作用下重新進(jìn)入粉碎區(qū)再次被粉碎[3]。因此，錘塊是易損件，需定期更換。錘塊的使用壽命長短直接影響了企業(yè)的成本高低。

錘塊的使用壽命與錘塊所受的應(yīng)力水平有關(guān)。改進(jìn)后的刀座在工作時受到的最大應(yīng)力約4.69 MPa，沒有較明顯的應(yīng)力集中區(qū)域；原刀座在工作時受到的最大應(yīng)力約8.34 MPa，在刀座背面圓角處出現(xiàn)大片應(yīng)力集中區(qū)間；經(jīng)兩者對比，改進(jìn)后應(yīng)力為原來的4.69/8.34≈0.56倍，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯了，使用壽命顯著提升。改進(jìn)后刀頭的應(yīng)力為原來的1.33/11.10≈0.12倍，使用壽命顯著提升。

2 傳動系統(tǒng)支撐座改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 改進(jìn)后支撐座幾何模型建立

鑄造工藝而得的支撐座，材料為ZG45，外表面設(shè)置循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。主要尺寸見圖2所示。圖中A處同深溝球軸承6228相配合，圖中C處同深溝球軸承6326配合，圖中D處為循環(huán)冷卻水。

圖2 改進(jìn)后支撐座幾何模型

2.2 改進(jìn)后支撐座有限元模型建立

為了準(zhǔn)確模擬支撐座的工作時的受熱情況，使用Ansys熱學(xué)分析模擬支撐座內(nèi)部軸承高速旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的熱量受到循環(huán)冷卻水冷卻的狀態(tài)。

進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格控制、材料定義等，得到導(dǎo)入Ansys Workbench 后的模型，經(jīng)分析A和C兩軸承配合面承受溫度為80 ℃；B面承受溫度為60 ℃；外表面環(huán)境用一個對流關(guān)系簡化了的循環(huán)冷卻水模擬，溫度為10 ℃。

2.3 原支撐座幾何模型建立

鑄造工藝而得的支撐座，材料為ZG45。主要尺寸見圖3所示。圖中A處同深溝球軸承6226相配合，圖中C處同深溝球軸承6326配合，圖中D處為流動空氣。

圖3 原支撐座幾何模型

2.4 原支撐座有限元模型建立

為了準(zhǔn)確模擬支撐座的工作時的受熱情況，使用Ansys熱學(xué)分析模擬支撐座內(nèi)部軸承高速旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的熱量受到流動空氣冷卻的狀態(tài)。

進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格控制、材料定義等，得到導(dǎo)入Ansys Workbench 后的模型，經(jīng)分析A和C兩軸承配合面承受溫度為80 ℃；B面承受溫度為60 ℃；外表面環(huán)境用一個對流關(guān)系簡化了的流動空氣模擬，溫度為25 ℃。

2.5 支撐座有限元結(jié)果分析

在機(jī)械傳動過程中，軸承是起固定和降低摩擦系數(shù)的部件。換句話說，當(dāng)其它零件在軸上互相產(chǎn)生相對運(yùn)動時，用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數(shù)和保持軸心固定的零件。

軸承的失效形式主要有疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、燒傷、電腐蝕、保持架損壞等。在高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備中燒傷往往出現(xiàn)的情況比較多，因此需要良好的冷卻系統(tǒng)。

進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格控制、材料定義等，得到導(dǎo)入Ansys Workbench 后的模型，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)后的支撐座溫度分布狀態(tài)均勻，且最低溫度為12.976 ℃，軸承受熱后冷卻效果較好；原支撐座最低溫度為59.9 ℃，從溫度分布狀態(tài)直接看出，兩軸承位置的溫度無明顯降低，冷卻效果糟糕。

3 粉碎系統(tǒng)有限元檢驗(yàn)

3.1 粉碎系統(tǒng)模型建立

錘塊均布安裝在刀盤上，刀盤固接在主軸頂端處，主軸經(jīng)4個軸承在支承座內(nèi)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，具體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 粉碎系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 粉碎系統(tǒng)有限元模型建立

粉碎系統(tǒng)受力最大的兩個構(gòu)件為錘塊和主軸，錘塊上面已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為了準(zhǔn)確驗(yàn)算主軸工作時是否滿足要求，使用Ansys靜力學(xué)分析主要部件主軸的最大應(yīng)力。

因主要分析對象為主軸，有限元模型只需要選取對主軸的分析有較大影響的部分組件，減少計(jì)算時間，減少累積誤差。

3.3 粉碎系統(tǒng)有限元結(jié)果分析

3.3.1 主軸應(yīng)力分析

軸的材料種類很多，設(shè)計(jì)是主要根據(jù)對軸的強(qiáng)度、剛度等要求，以及熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。這里軸選用常用的45鋼，調(diào)質(zhì)處理。

彎矩相對轉(zhuǎn)矩很小或只受轉(zhuǎn)矩時，許用應(yīng)力[τ]取較大值，[τ]=40 MPa。

經(jīng)有限元分析后主軸受到最大的應(yīng)力為τmax=29.602 MPa，τmax<[τ]，主軸是安全的。

3.3.2 微粉碎系統(tǒng)模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動特性。線性系統(tǒng)的自由振動被解耦合為N個正交的單自由振動系統(tǒng)，對應(yīng)系統(tǒng)的N歌模態(tài)。每一個模態(tài)具有特定的固有頻率。

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近似方法，在工程振動領(lǐng)域中得到了普遍的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有的振動特性 ，每一個模態(tài)都具有固定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。分析這些模態(tài)參數(shù)的過程稱為模態(tài)分析[4]。

共振是指機(jī)械系統(tǒng)所受的頻率與該系統(tǒng)的某階固有頻率接近時，振幅顯著增大的現(xiàn)象。

因設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生無限階的模態(tài)，因此就取了前10階模態(tài)，利用ANSYS軟件的BlockLanczos法對上述模型進(jìn)行分析求解，即可得到了轉(zhuǎn)子各階固有頻率。當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)至6階模態(tài)時，頻率達(dá)到6.8549Hz，此時會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，以此類推。為了保證機(jī)器正常工作，在設(shè)計(jì)時應(yīng)使旋轉(zhuǎn)軸的工作轉(zhuǎn)速n離開其各階臨界轉(zhuǎn)速一定范圍。一般的要求是，工作轉(zhuǎn)速n不能在臨界轉(zhuǎn)速nc的75%的附近[5]。由于本文所研究的設(shè)備其工作轉(zhuǎn)速是1490r/min,低于危險(xiǎn)工作轉(zhuǎn)速60×95.396×0.75/2=2146.41r/min,所以其工作轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)是合理的。也可以理解為設(shè)備的工作頻率為50Hz，避開了各階模態(tài)的共振頻率，因此微粉碎系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是合理的。

4 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，在工程領(lǐng)域中，有限元分析越來越多地用于仿真模擬，來求解真實(shí)的工程問題。這些年來，越來越多地工程師、應(yīng)用數(shù)字家和物料學(xué)家已經(jīng)證明這種采用求解偏微分方程的方法可以求解許多物理現(xiàn)象，這些偏微分方程可以用來描述瞬態(tài)、模態(tài)、熱以及結(jié)構(gòu)力學(xué)等。

Ansys為通用有限元分析軟件，憑借強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和軟件本身的多功能集成，解決了傳統(tǒng)的計(jì)算方式計(jì)算耗時大，計(jì)算量大，容易出錯等問題。

本文對微粉碎機(jī)的粉碎系統(tǒng)開展了降本增效的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使用ansys有限元進(jìn)行了如下分析：轉(zhuǎn)子主軸結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、粉碎系統(tǒng)動力學(xué)模態(tài)分析、錘塊動力學(xué)瞬態(tài)分析，傳動系統(tǒng)支撐座熱分析等。且從分析結(jié)果看都實(shí)現(xiàn)了最終目的，錘塊壽命增加；支撐座冷卻效果明顯提高，軸承壽命增加；主要零件主軸應(yīng)力小于許用應(yīng)力；粉碎系統(tǒng)工頻工作不產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

[1] 陳錫棟，楊 婕，趙曉棟，等.有限元法的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].中國制造業(yè)信息化：學(xué)術(shù)版，2010,39(11):6-8.

[2] 高興軍，趙恒華.大型通用有限元分析軟件ANSYS簡介[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,24(3):94-95.

[3] 王 與，王順喜.飼料粉碎機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].糧食與飼料工業(yè)，2007(10):29-21.

[4] 梁 君，趙登峰.模態(tài)分析方法綜述[J].現(xiàn)代制造工程，2006(8):139-141.

[5] 王曉博，謝瑞清，丁武學(xué)，等.錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].振動與沖擊，2010,29(5):147-149.

Improved design of micro grinding system based on FEM

Ren Jinshan, Xiao Peijun, Ma Jian, Wu Kailiang, Zhou Feng

COFCO Engineering Equipment (Wuxi) Co., Ltd. (Wuxi 214000)

Finite element analysis has gradually become the main method of modern equipment parts design. Using Solidedge software, the three-dimensional model of micro grinding system was established. By ansys workench, dynamic analysis of hammer block, thermal analysis of the supporting seat of pulverizing system, static analysis of rotor spindle structure and dynamic modal analysis of grinding system were conducted. According to the results of the analysis, the changes before and after the improvement were compared. The results show that the cost is reduced, the service life is prolonged, and the economic benefit is improved.

FEM; hammer block; support seat; principal axis; micro pulverizing system

2017-04-10

任金山，男，1988年出生，助理工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)。

TS210.3

B

1672-5026(2017)03-055-03