立式輥磨機(jī)磨盤的疲勞強(qiáng)度分析

周健

【摘?要】立式輥磨機(jī)是現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的大型研磨設(shè)備，與其他研磨設(shè)備相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、投資費(fèi)用低、生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)單、維修方便、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。由于立式輥磨機(jī)是利用料床原理進(jìn)行粉磨，這就避免了磨盤與磨輥之間的撞擊與磨損，其最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是粉磨效率高、產(chǎn)生的噪音很小及電量消耗較低。

【關(guān)鍵詞】立式輥磨機(jī);磨盤;強(qiáng)度分析;疲勞分析;

立式輥磨機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行了受力分析。運(yùn)用Pro/E三維軟件建立磨盤的三維實(shí)體模型，應(yīng)用有限元軟件對(duì)磨盤進(jìn)行強(qiáng)度分析。分析結(jié)果表明：磨盤的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在磨盤外側(cè)從下往上的第1個(gè)拐角附近，最大應(yīng)力值為22.727MPa，遠(yuǎn)小于磨盤材料的屈服強(qiáng)度。同時(shí)采用有限元軟件對(duì)磨盤最大應(yīng)力處進(jìn)行疲勞分析，得到磨盤的疲勞安全系數(shù)、疲勞壽命及失效情況等數(shù)據(jù)，為以后磨盤的設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

一、優(yōu)化思路

使用Ansys有限元分析軟件為工具，對(duì)磨盤進(jìn)行強(qiáng)度分析、疲勞分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體思路如下所示：（1）首先對(duì)磨盤進(jìn)行初步分析，通過(guò)計(jì)算磨盤運(yùn)行時(shí)所受到的載荷，加載到磨盤的模型上，通過(guò)軟件分析磨盤的應(yīng)力分布及形變狀況，可以初步觀察磨盤的應(yīng)力集中的位置、大小及形變量等情況，為下一步分析提供參考依據(jù)。（2）然后對(duì)磨盤進(jìn)行疲勞分析，由于磨盤受到周期性載荷的作用，磨盤的疲勞壽命受到影響，在磨盤具有應(yīng)力集中的情況下，疲勞壽命減少得更為明顯，通過(guò)尋找疲勞壽命薄弱的地方，從而進(jìn)行避免和改進(jìn)，這樣可以明確優(yōu)化的目標(biāo)。（3）明確優(yōu)化目標(biāo)之后，先對(duì)磨盤的結(jié)構(gòu)作合理改進(jìn)，再使用軟件的優(yōu)化分析功能對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，之后根據(jù)分析的結(jié)果再次調(diào)整磨盤的結(jié)構(gòu)，最終得出完善的設(shè)計(jì)。

二、磨盤的拓?fù)鋬?yōu)化

ANsYS提供拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，用于確定系統(tǒng)的最佳幾何形狀。其原理是在使系統(tǒng)材料發(fā)揮最大利用率的同時(shí)，確保諸如整體剛度、自振頻率等在滿足工程要求的條件下獲得極大值或極小值。拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，對(duì)網(wǎng)格的要求不是很高，可采用細(xì)而均勻的網(wǎng)格。但若優(yōu)化執(zhí)行次數(shù)過(guò)多、網(wǎng)格過(guò)細(xì)，則會(huì)造成運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

三、分析模型的建立和受力

1.磨盤實(shí)體模型的建立。立磨的類型很多，結(jié)構(gòu)和功能各有特色，但基本結(jié)構(gòu)大同小異，它們都具有傳動(dòng)裝置、磨盤、磨輥、噴口環(huán)、液壓拉伸裝置、選粉裝置、潤(rùn)滑系統(tǒng)、機(jī)殼等，其主要工作原理也基本相同。對(duì)立式磨輥機(jī)的工作原理、過(guò)程和基本構(gòu)造有一定的了解后，根據(jù)某廠的磨盤尺寸，應(yīng)用Pro/E建模軟件建立磨盤的三維實(shí)體模型。

2.受力分析。立式輥磨機(jī)的磨粉部分由1個(gè)磨盤和4個(gè)磨輥組成。物料經(jīng)中心進(jìn)料管落入磨盤中央，由于離心力作用慢慢移動(dòng)到磨盤邊緣，進(jìn)入碾磨軌道，在磨輥與磨盤間碾壓粉碎，并在磨盤上形成料床。在整個(gè)碾壓過(guò)程中，物料經(jīng)過(guò)反復(fù)碾壓進(jìn)一步地粉碎，物料主要受到磨輥的壓力和磨盤與磨輥之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切力，所以物料主要是沖擊粉碎和剪切粉碎。

四、分析強(qiáng)度

磨盤的材料為ZG35，其基本屬性參數(shù)：彈性模量為2e+005 MPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，許用應(yīng)力為250 MPa。在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析之前先進(jìn)行強(qiáng)度分析，由磨盤的受力分析可知，4個(gè)磨輥均勻分布在磨盤上，分別給磨盤施加4個(gè)碾壓力，經(jīng)計(jì)算得4個(gè)碾壓力均為16.5 MPa，分別作用在121.3 mm×630 mm的小長(zhǎng)條上，又由于磨盤是直接與電機(jī)的輸出軸通過(guò)法蘭聯(lián)接的，所以在磨盤的底部施加一個(gè)固定約束。

由Workbench分析結(jié)果可知磨盤應(yīng)力集中的地方在磨盤外側(cè)第2個(gè)轉(zhuǎn)彎處，應(yīng)力集中主要在4個(gè)受力面下面的拐角處，有小圓圈的位置就是應(yīng)力集中的位置。

另外，利用有限元分析軟件對(duì)磨盤的強(qiáng)度進(jìn)行分析，可得最大應(yīng)力為22.727MPa，最大位移為0.195 22 mm，最小安全系數(shù)為11。

五、疲勞強(qiáng)度的分析

金屬構(gòu)件經(jīng)過(guò)一段時(shí)間交變應(yīng)力的作用后發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為“疲勞破壞”，簡(jiǎn)稱疲勞。在靜應(yīng)力作用下，機(jī)械零件的失效形式主要是斷裂和塑性變形。在變應(yīng)力作用下，構(gòu)件的主要失效形式是疲勞斷裂。所以對(duì)大型構(gòu)件做疲勞分析是非常有必要的，不僅可以更了解構(gòu)件的受力疲勞情況，而且可以預(yù)防減少工程意外的發(fā)生，保護(hù)工人的人身安全。磨盤在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，不斷受磨輥碾壓物料時(shí)由物料傳遞到磨盤上的力，且磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，4個(gè)磨輥在磨盤上碾壓循環(huán)一圈，所受的力是有周期性的，根據(jù)前面給定的參數(shù)及計(jì)算的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出磨盤受力的循環(huán)次數(shù)，再利用Aansys有限元分析軟件計(jì)算出磨盤的最大使用壽命、疲勞敏感性、安全系數(shù)及損傷等相關(guān)數(shù)據(jù)與曲線。先由材料的特性可知該材料的S-N曲線，其循環(huán)次數(shù)與變交應(yīng)力的列表。隨著應(yīng)力水平的降低，循環(huán)次數(shù)（壽命）迅速增加。當(dāng)應(yīng)力為86.2 MPa時(shí)，循環(huán)次數(shù)就達(dá)到了600萬(wàn)次，磨盤的最大應(yīng)力為22.727 MPa。所以磨盤的使用壽命還是有比較大的上升空間的。從前面的分析可知，磨盤在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中是循環(huán)的，有周期性，但所受的力是不均勻的，所以就導(dǎo)致了磨盤振幅是不恒定的，但假設(shè)是比例載荷的情況，就要在分析磨盤的疲勞強(qiáng)度時(shí)給磨盤定義一個(gè)不恒定的振幅載荷歷程數(shù)據(jù)及平均應(yīng)力對(duì)其的影響。根據(jù)磨盤運(yùn)動(dòng)情況及受力環(huán)境的分析，在Ansys中選取比較合理的不恒定的振幅載荷歷程數(shù)據(jù)及平均應(yīng)力對(duì)其的影響曲線圖（Ansys系統(tǒng)中已定義的），運(yùn)用有限元軟件的疲勞分析功能—fatigue tool對(duì)磨盤進(jìn)行疲勞分析。在分析過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置，疲勞強(qiáng)度因子為0.8，比例因子為0.005，在分析疲勞敏感性時(shí)，定義一個(gè)最小基本載荷變化幅度為50%和一個(gè)最大基本載荷變化幅度為200%的2個(gè)交互應(yīng)力?？梢缘玫狡诿舾行蕴匦郧€。從分析結(jié)果可以得出，應(yīng)力幅在0～57MPa，平均應(yīng)力在-56.71～114 MPa。又由疲勞敏感性曲線可以看出曲線的主要變化在80%～120%，變化范圍還是圍繞強(qiáng)度分析出的等效應(yīng)力在變化，最大的可用壽命為1.17e6，大于其設(shè)計(jì)壽命，完全符合要求;雨流”陣列（略）指出了在每個(gè)平均值和范圍值下所計(jì)算的循環(huán)次數(shù)，較高值表示這些循環(huán)的將出現(xiàn)在載荷歷程中，在一個(gè)疲勞分析完成以后，每個(gè)“豎條”（即循環(huán)）造成的損傷量將被繪出，對(duì)于“雨流”陣列中的每個(gè)“豎條”，顯示的是對(duì)應(yīng)的所用掉的壽命量的百分比。雨流圖中顯示cycle counts絕大多數(shù)是在低平均應(yīng)力和低應(yīng)力幅下的;損傷陣列（略）顯示的是指定的實(shí)體的評(píng)定位置的損傷，它反映了所生成的每個(gè)豎條損傷的大小。

總之，運(yùn)用Pro/E三維建模軟件建立磨盤的實(shí)體模型，并利用有限元分析軟件對(duì)磨盤進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到了磨盤應(yīng)力集中的具體位置和最大應(yīng)力為22.727MPa，遠(yuǎn)小于磨盤材料的屈服強(qiáng)度，最大位移也在合理的范圍之內(nèi);對(duì)磨盤進(jìn)行了疲勞分析，主要是對(duì)應(yīng)力集中的關(guān)鍵部位進(jìn)行疲勞分析，這樣得出的數(shù)據(jù)更有說(shuō)服力。初步確定了磨盤的使用壽命及疲勞和損傷主要發(fā)生在低應(yīng)力幅和低平均應(yīng)力的情況下。這就為以后的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙義生.淺談立式輥磨機(jī)磨盤的疲勞強(qiáng)度分析.2018.

[2]陳方霞.盤輥式磨粉機(jī)設(shè)計(jì)中核心技術(shù)問(wèn)題的分析與研究.2019.

（作者單位：重慶建合石粉有限責(zé)任公司）