立式磨粉機(jī)磨輥軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化與疲勞特性分析

胡向宇，王海鵬，胡記偉，曾勇

（1.湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 南通 226007；3.武漢烽火技術(shù)服務(wù)有限公司，湖北 武漢 430205）

立磨是目前廣泛使用的粉末設(shè)備，在工作過程中，磨盤在電機(jī)的帶動(dòng)下自轉(zhuǎn)，物料持續(xù)地從磨盤上方落到磨盤上并在摩擦力的作用下隨磨盤旋轉(zhuǎn)并向磨盤邊緣做離心運(yùn)動(dòng)，進(jìn)料的連續(xù)性保證了磨盤上有相對(duì)穩(wěn)定的料層；同時(shí)，磨輥在自重和加壓裝置的壓力下，緊壓在磨盤上的料層上對(duì)物料進(jìn)行粉磨。加壓裝置提供的壓力通過搖臂、動(dòng)臂、磨輥軸等傳遞到磨輥；磨輥軸一端與動(dòng)臂固定，另一端通過軸承與輪轂配合，輪轂上固定有磨輥。

磨輥對(duì)料層有很大的粉磨壓力，同時(shí)由于磨輥受物料摩擦力的作用，使得其自身還會(huì)繞磨輥軸自轉(zhuǎn)，這樣使得在軸承處產(chǎn)生大量的熱量，因此，在磨輥結(jié)構(gòu)中通常設(shè)計(jì)有軸承腔，軸承腔通過潤(rùn)滑油路與磨粉機(jī)外的潤(rùn)滑站連通，以循環(huán)流動(dòng)的潤(rùn)滑油液完成軸承的冷卻與潤(rùn)滑，軸承腔兩端還會(huì)各有一個(gè)空氣密封腔，以進(jìn)一步隔絕軸承腔，空氣密封腔也是通過相應(yīng)的管路與磨粉機(jī)外的空氣泵連通。典型的磨輥軸上有幾個(gè)細(xì)長(zhǎng)孔，這幾個(gè)細(xì)長(zhǎng)孔便充當(dāng)了軸承腔和空氣密封腔與外界進(jìn)行潤(rùn)滑油與氣體交換的通路，磨輥軸為實(shí)心軸，細(xì)長(zhǎng)孔的加工工藝難度很大，這給生產(chǎn)造成了一定程度的不便。

針對(duì)以上問題，本文在對(duì)傳統(tǒng)錐形磨輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)磨輥軸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的磨輥軸與傳統(tǒng)磨輥進(jìn)行了靜力學(xué)、模態(tài)分析與疲勞壽命等方面的分析比較，為以后的磨輥軸設(shè)計(jì)提供參考。

1 典型磨輥結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)建模與分析

如圖1 所示為典型錐形磨輥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，磨輥軸右端與磨輥輪轂通過一個(gè)圓柱滾子軸承和一個(gè)雙列滾子軸承連接，外側(cè)分別有密封圈組成軸承腔，軸承腔通過磨輥軸內(nèi)的細(xì)孔與外界潤(rùn)滑站連通，軸承腔兩側(cè)各有一個(gè)高壓空氣密封腔，磨輥軸上也分別有兩個(gè)孔與空氣密封腔對(duì)應(yīng)。磨輥軸左端與動(dòng)臂固定(左端臺(tái)階為固定區(qū)域，動(dòng)臂未表出)，磨輥軸的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 磨輥軸主要技術(shù)參數(shù)

1.2 受力分析

工作過程中，磨輥軸與水平面夾角15°,根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的數(shù)據(jù)，磨輥總研磨力135t，假設(shè)磨輥與物料作用區(qū)域受力均勻，則每個(gè)軸承約受如下力的作用：

其中，F(xiàn)a 和Fr 分別代表軸向力和徑向力。根據(jù)四大強(qiáng)度理論的應(yīng)用條件，此處選第四強(qiáng)度理論校核磨輥軸的靜強(qiáng)度，即：

其中，σ 為主應(yīng)力，σ1、σ2、σ3、分別代表三個(gè)方向的主應(yīng)力，[σ]為材料的許用應(yīng)力根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，在ANSYS 中對(duì)磨輥軸進(jìn)行了靜態(tài)有限元分析，得到如圖2 所示的等效應(yīng)力分布圖與變形云圖。從圖中可以看出，磨輥的最大應(yīng)力分布在與動(dòng)臂的連接點(diǎn)的頂部和底部，最大應(yīng)力約為1.2E3 MPa；磨輥軸最大變形量約4.3mm，位于磨輥軸最右端，總體變形量很小。

圖2 磨輥軸等效應(yīng)力分布圖（左）與變形云圖（右）

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

考慮到傳統(tǒng)磨輥軸加工過程中細(xì)長(zhǎng)孔的加工難度大，本文對(duì)磨輥軸結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，改進(jìn)后的磨輥軸剖視圖如圖3 所示。

圖3 粉磨截面圖

改進(jìn)后的磨輥軸外幾何與傳統(tǒng)磨輥保持一致，內(nèi)部呈空腔形，是由圓鋼管與等直徑的圓盤焊接而成，在圓鋼管壁上和圓盤上打螺紋孔，螺紋孔內(nèi)側(cè)與外絲接頭固定，外絲接頭另一端通過相應(yīng)管路與油泵或空氣泵連通。

空心結(jié)構(gòu)的磨輥軸不可避免地會(huì)對(duì)磨輥軸的承載能力等方面造成一定程度的影響，下文主要針對(duì)不同壁厚的磨輥軸對(duì)其工作特性做仿真分析。

3 工作特性分析

3.1 應(yīng)力分析

設(shè)壁厚為h，在20～50mm每隔5mm取段分別進(jìn)行計(jì)算，得到如圖4 所示的最大應(yīng)力/變形圖，從圖中可以看出，隨著磨輥軸壁厚的增加，其所受的最大應(yīng)力與最大變形均呈線性下降趨勢(shì)，當(dāng)壁厚達(dá)到50mm 時(shí)，磨輥軸所受的最大應(yīng)力以及其最大變形與實(shí)心軸基本相等。

圖4 磨輥軸最大應(yīng)力/變形圖

3.2 模態(tài)分析

在預(yù)應(yīng)力下對(duì)實(shí)心軸做模態(tài)分析，得到如表2 所示的六階變形狀態(tài)。

表2 實(shí)心磨輥軸六階變形

同時(shí)，不同壁厚空心軸的模態(tài)分析與變形量分析結(jié)果如表3 所示，從數(shù)據(jù)可以看出，模態(tài)頻率與壁厚的關(guān)系比較小，而振動(dòng)的最大變形量隨壁厚的增加而緩慢減小。

表3 磨輥軸壁厚與頻率&最大變形關(guān)系表

在振型分析上，壁厚20mm 軸的二階模態(tài)與六階模態(tài)和壁厚為25mm 時(shí)的六階模態(tài)均出現(xiàn)了磨輥軸壁徑向壓縮的情況，如圖5 所示為壁厚為25mm 磨輥軸的六階變形云圖，從圖中可以看出，磨輥軸的最大變形處位于兩軸承中間，最大變形量達(dá)到了0.14m。因此，仿真結(jié)果表明，空心磨輥軸的壁厚如果過薄，會(huì)造成振動(dòng)量過大以及在特定載荷頻率下發(fā)生徑向壓縮的情況。

圖5 壁厚25mm 磨輥軸六階變形云圖

3.3 疲勞分析

此處設(shè)磨輥受力大小呈余弦變化，受力均值為135t，振幅25t，頻率為1Hz，在nCode DesignLife 中對(duì)磨輥軸進(jìn)行壽命分析，分析模型與結(jié)果如圖6 所示。分析結(jié)果表明，在所述工況條件下，實(shí)心軸的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為9.79E4，同時(shí)，隨著磨輥軸壁厚的增加，磨輥軸的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)壁厚增加到50mm時(shí)，空心軸的循環(huán)次數(shù)基本達(dá)到實(shí)心軸的水平。

圖6 nCode DesignLife 疲勞分析

4 結(jié)語(yǔ)

本文淺述了常規(guī)立式磨粉機(jī)錐形磨輥的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)磨輥結(jié)構(gòu)中磨輥軸的使用情況進(jìn)行了分析，考慮到磨輥軸加工過程中細(xì)長(zhǎng)孔加工工藝難度比較大的問題，提出了新型的空心磨輥軸結(jié)構(gòu)，在ANSYS 及nCode DesignLife 中對(duì)新舊磨輥軸做了應(yīng)力、模態(tài)及疲勞壽命等方面的仿真比較。通過分析，得到以下結(jié)論：

（1）空心軸隨著壁厚的增加，其所受最大應(yīng)力和其最大變形量基本呈線性增加，當(dāng)壁厚達(dá)到50mm 時(shí)，最大應(yīng)力和最大變形量與實(shí)心磨輥軸基本相同；（2）壁厚過小的空心軸會(huì)引起磨輥軸被徑向壓縮的情況；（3）隨著壁厚的增加，磨輥軸的疲勞壽命基本呈線性增加趨勢(shì)，當(dāng)壁厚達(dá)到50mm 時(shí)，疲勞壽命基本與實(shí)心軸相同。