圓錐破碎機主軸和破碎壁有限元分析

時間：2015-04-01作者：上海巍立路橋設(shè)備有限公司瀏覽：15

圓錐破碎機是一種將物料破碎到一定顆粒的重型設(shè)備，在冶金、礦山、化工、電力等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用。在化工部門，破碎粉磨機械將原料破碎粉磨，增加物料的表面積，為縮短物料化學(xué)反應(yīng)的時間創(chuàng)造了有利條件。主軸、動錐及其襯板是圓錐破碎機的 關(guān)鍵部件，其設(shè)計參數(shù)的選擇與確定直接影響圓錐破碎機的使用壽命和可靠性。同時，破碎機在正常的工作過程中，由于動錐襯板與物料直接接觸，襯板的上載荷情 況較為復(fù)雜，難于求解，一般的設(shè)計部門對其研究的較少或只停留在理論分析階段，因此本文將采用有限元法對三者進(jìn)行靜力學(xué)分析，較為準(zhǔn)確的計算出應(yīng)力分布情 況，為該類圓錐破碎機主要部件的設(shè)計提供有**的參考數(shù)據(jù)。
 
         2圓錐破碎機簡介
          圓錐破碎機主要**架、皮帶輪、水平軸、偏心套、上破碎壁（定錐）、下破碎壁（動錐）、液力偶合器、潤滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分組成。其動錐固定在一個懸 掛豎軸上，豎軸置于水平軸上的偏心套筒內(nèi)。工作時，電動機帶動皮帶輪或聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)，從而通過水平軸、偏心套、懸掛豎軸迫使動錐沿著定錐內(nèi)表面作旋擺運動。 在動錐靠攏定錐的區(qū)段，物料受到動錐的擠壓、撞擊和彎曲作用而破碎，形成破碎腔;在動錐偏離定錐的地方，已被破碎的物料在自重作用下從錐底卸出。破碎機通 過連續(xù)性的工作實現(xiàn)對石料的持續(xù)破碎。
 
         圓錐破碎機的結(jié)構(gòu)特點是所有主要功能部件都是獨立的和分離的，只有當(dāng)它們組成整體時才能完成機器的功能，如機器的架體與支承套的組合，調(diào)整套和支承套的組合，除在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用了特殊的結(jié)構(gòu)外，還必須設(shè)置一些可以鎖緊的零部件。
 
         3圓錐破碎機主要零件及總體的設(shè)計
因為ANSYS 軟件只能倒入立體圖形進(jìn)行分析，所以在進(jìn)行各零件的有限元分析之前必須先做出各零件的立體造型。利用inventor 的三維立體造型功能做出個零件的三維造型。裝配設(shè)計主要是進(jìn)行零部件的裝配和編輯，是基于裝配關(guān)系的關(guān)聯(lián)設(shè)計。在inventor 裝配環(huán)境中，可將已有零部件裝入并進(jìn)行組裝，檢查各零部件的設(shè)計是否滿足設(shè)計需要，并對不合要求的零部件進(jìn)行修改，也可以在該環(huán)境中結(jié)合現(xiàn)有的零部件及其 裝配關(guān)系創(chuàng)建新的零部件。此外，部件裝配設(shè)計也是創(chuàng)建表達(dá)視圖，動畫，裝配工程圖等的基礎(chǔ)。在此環(huán)境中，可以裝入已有零部件，創(chuàng)建新的零部件，對零部件進(jìn) 行約束，管理零部件的裝配結(jié)構(gòu)等關(guān)系。
 
           3.1 總體設(shè)計
          下圖為總裝配圖：

         裝配圖上，1 為機架部，2 為傳動部，3 為空偏心軸部，4 為碗形軸承部，5 為破碎圓錐部，6 為調(diào)整裝置部，7 為調(diào)整套部，8 為彈簧部，9 為15/100 液壓站，10 為基礎(chǔ)部，11 為電控設(shè)備，12 為潤滑部，13 為彈性聯(lián)軸器，14 為環(huán)首螺釘，15 為安裝工具，16 和17 均為吊鉤。
          3.2 主軸
         下圖為主軸的二維圖和三維造型：
 
           3.3 圓錐破碎壁
          下圖為圓錐破碎壁的二維圖和三維造型：
 
         4圓錐破碎機主要零件的材料性能常數(shù)
         4.1 主軸的料性能常數(shù)
         主軸的材料為35SiMn2MoV，彈性模量為E=206GPa，泊松比為μ=0.3，密度為ρ=7.9×103kg/m3，所受破碎力為300MPa。
 
          4.2 圓錐破碎壁材料性能常數(shù)
         圓錐破碎壁的材料為ZGMn13，彈性模量為E=600GPa，泊松比為μ=0.22，密度為ρ=7.98×103kg/m3，所受破碎力為300MPa。
 
         5 基于ANSYS 的有關(guān)彈簧圓錐破碎機的有限元分析
         5.1 ANSYS 基本分析過程
         一般而言，ANSYS 的基本分析過程可以分為三步，即：前處理（Preprocessor）；施加載荷與求解（Solution）；后處理（Postprocessor）。
 
        5.2 主軸的有限元分析
        5.2.1 主軸的static 靜態(tài)分析
       （1） 把用inventor 做出來的主軸的立體造型另存為sat格式。因為ANSYS 沒有inventor 接口，不能直接導(dǎo)入inventor的文件，必須先把inventor 的文件另存為一個ANSYS 能識別的副本。
 
       （2）等待系統(tǒng)計算并生成網(wǎng)格圖形。
 
       （3）在分析過程的相關(guān)步驟中輸入主軸材料的性能常數(shù)。主軸的材料為35SiMn2MoV，彈性模量為E=206GPa，泊松比為μ=0.3，密度為 ρ=7.9×103kg/m3，所受破碎力為300MPa。主軸受力時的固定面為**部和底部，受力面為主軸和圓錐軀體接觸的部分，即從**部往下數(shù)*三四五 節(jié)。選擇分析類型為static 靜態(tài)分析。
 
       （4）主軸受力后的應(yīng)變圖和應(yīng)力圖，受力后的變形情況和未受力時的形狀以網(wǎng)格形式表示，前后對比，依次如下圖。
 
        由應(yīng)變圖知，主軸較大的位移DMX 為66.457mm，較大應(yīng)變SMX 為66.457mm/m2，由應(yīng)變下方的標(biāo)尺可知，主軸受力后，較大變形發(fā)生在和圓錐軀體接觸的部分也就是主要受力的部分，較小變形發(fā)生在**部和底部，也 就是完全固定的部分。由應(yīng)力圖主軸受到的較大應(yīng)力SMX 為0.409×1011Pa,較小應(yīng)力SMN 為0.88×108Pa，由圖下方的標(biāo)尺可知，主軸受力后，受力較大處為其與圓錐軀體接觸的部分，尤其是與圓錐軀體接觸的**節(jié)，也就是從左上方數(shù)的*三 節(jié)。根據(jù)主軸變形前后情況的對比可知，雖然僅僅觀察主軸受力后的形狀時，看不出主軸的明顯變形，但是和變形前的原來的形狀一比較就可以發(fā)現(xiàn)主軸還是有較明 顯的變形的。主軸變形的形式是向軸線凹陷，應(yīng)該是受壓迫作用。工作時主軸繞固定軸線做偏心轉(zhuǎn)動，通過改變圓錐破碎壁和破碎腔的空間大小來達(dá)到碾碎物料的作 用，主軸上連接圓錐軀體和圓錐破碎壁，它們之間不通過鍵連接，圓錐軀體和圓錐破碎壁根主軸之間的運動關(guān)系是隨動，它們和主軸的運動并不一致?？煽闯鲋鬏S是破碎機工作時的主要受力元件，所以主軸失效的事故常有發(fā)生，這和破碎機顯示的工作情況相符。
 
        5.2.2 主軸的modal 模態(tài)分析
       （1）接著靜態(tài)分析往下做，將主軸變回網(wǎng)格造型，如下圖。主軸受力時的固定面為**部和底部，受力面為主軸和圓錐軀體接觸的部分，即從**部往下數(shù)*三四五節(jié)。選擇分析類型為modal 模態(tài)分析。
       （2）在模態(tài)分析中選擇6 階，觀察*4 階的分析結(jié)果。
       （3）主軸受力后的變形情況和軸變形前后的形狀，以網(wǎng)格形式顯示。依次如下圖所示。
         由圖知，模態(tài)分析中的主軸受力后變形較靜態(tài)分析時明顯，變形程度較大。因為是受到以三角函數(shù)形式變化的載荷的作用，主軸也呈現(xiàn)出振動的變形特點，呈現(xiàn)扭曲 的形狀，變形十分明顯，較大位移DMX 為0.123×10- 5mm，較小應(yīng)變SMX 為0.123×10- 5mm/m2。由圖下方的標(biāo)尺知道主軸變形較大的地方是主軸和圓錐軀體接觸的地方，即從左上方往下數(shù)*三節(jié)到*四節(jié)，*五節(jié)，形變也比較大，但是比*三四 節(jié)要小，而這三節(jié)是相對來說形變較大的幾節(jié)，也就是說主要受力的部分就是形變較大的地方。變形較小的地方是被固定的**部和底部，應(yīng)變?yōu)?。
 
        根據(jù)主軸變形前后的情況對比可知，主軸在模態(tài)分析的狀態(tài)下，變形十分明顯，偏離原來形狀的程度很大，模態(tài)分析狀態(tài)下，主軸呈現(xiàn)出振動的特點，即受拉伸也受 到壓迫作用，主軸在以三角函數(shù)形式變化的載荷的作用下，近乎扭曲，如果選擇材料不當(dāng)，主軸很容易失效。主軸是破碎機工作部分即破碎圓錐部的主要工作構(gòu)件， 在工作時受到很大的破碎力，是較容易失效的構(gòu)件，這和在靜態(tài)分析與模態(tài)分析中得出的主軸的變形都很明顯的結(jié)論相符。通過和下面圓錐破碎壁與圓錐軀體的變形 情況對比，可知主軸變形在三個破碎圓錐部中的主要構(gòu)件中是較明顯的。
 
        5.3 圓錐破碎壁的有限元分析
        5.3.1 圓錐破碎壁的static 靜態(tài)分析
        （1）在分析過程的相關(guān)步驟中輸入圓錐破碎壁材料的性能常數(shù)。ZGMn13 的彈性模量為6E11Pa，泊松比為0.22。密度為7980kg/m3。破碎力是300MPa。圓錐破碎壁的底部為受力中的固定面，受力面為與圓錐軀體 接觸的部分即它的整個錐面。選擇分析類型為static 靜態(tài)分析。等待系統(tǒng)計算并生成網(wǎng)格圖形。
        （2）圓錐破碎壁受力后的應(yīng)變圖和應(yīng)力圖，受力后的變形情況和未受力時的形狀，變形前后對比。依次如下圖。
 
          由應(yīng)變圖知，圓錐破碎壁較大的位移DMX 為5.658mm,較大應(yīng)變SMX 為5.658mm/m2，由應(yīng)變下方的標(biāo)尺可知，圓錐破碎壁受力后，較大變形發(fā)生在和圓錐軀體接觸的部分也就是主要受力的部分即錐面的上半部分，而整個錐 面也是相對變形較大的部分，較小變形發(fā)生在底部，也就是完全固定的部分。由應(yīng)力圖知，圓錐破碎壁受到的較大應(yīng)力SMX 為0.893×1010Pa，較小應(yīng)力SMN 為0.107×107Pa，由圖下方的標(biāo)尺可知，圓錐破碎壁受力后，受力較大處為其與圓錐軀體接觸的部分，即整個錐面，受力較小的地方是被完全固定的底 部，幾乎為0，而且由圖知道，圓錐破碎壁的受力比較均勻，受力較大處不是太明顯。這種受力狀況應(yīng)該是比較理想的。
 
          根據(jù)圓錐破碎壁變形前后的形狀比較，可以知道圓錐破碎壁的變形形式是整個錐面以對稱的方式向外延伸，近乎膨脹，由此可推測，圓錐破碎壁受到拉伸作用。圓錐 破碎壁的作用主要是碾碎物料，在工作中受到的力還是很大的，所以通過比較受力前后的形狀，雖然它叫主軸變形沒有那么明顯，但還是不難觀察它的變形。
 
          5.3.2 圓錐破碎壁的modal 模態(tài)分析
         （1）接著靜態(tài)分析往下做，將圓錐破碎壁變回網(wǎng)格造型，圓錐破碎壁的底部為受力中的固定面，受力面為與圓錐軀體接觸的部分即它的整個錐面。選擇分析類型為modal 模態(tài)分析。
 
         （2）在模態(tài)分析中選擇6 階，觀察*4 階的分析結(jié)果。
 
         （3）圓錐破碎壁受力后的變形情況和變形前后的形狀，依次如下圖所示。
 
         由圖知，模態(tài)分析中的圓錐破碎壁受力后變形較靜態(tài)分析時明顯，變形分布的情形也大不相同，而且變形程度較大。較大位移DMX 為0.143×10- 5mm， 較小應(yīng)變SMX 為0.143×10- 5mm/m2。由圖下方的標(biāo)尺知道圓錐破碎壁變形較大的地方是圓錐破碎壁和圓錐軀體接觸的地方，和靜態(tài)分析時的應(yīng)變狀況相似，變形較大的地方集中在整個錐 面及主要的受力面，變形較大的地方是錐面上的中間的一小部分圓形的地方，前后對稱。變形較小的地方是被固定的底部，應(yīng)變?yōu)?。這種應(yīng)變的情況較靜態(tài)分析時 的情況沒有那么理想。根據(jù)圓錐破碎壁變形前后的形狀比較，可知圓錐破碎壁的變形形式是整個錐面以對稱的方式向里凹陷，由此可推測，圓錐破碎壁受到壓迫作 用。圓錐破碎壁的作用主要是碾碎物料，在工作中受到的力還是很大的，所以通過比較受力前后的形狀，雖然它較主軸變形沒有那么明顯，但還是不難觀察它的變 形。
 
         在使用ANSYS 的過程中，較大的考驗和困難就是為導(dǎo)入的零件三維模型劃分網(wǎng)格。它需要在理想的條件下完成對零件的各種分析，所以如果零件的模型太復(fù)雜，特別是倒角太多 時，就會劃分失敗。因此這個軟件適用于不太復(fù)雜的零件的分析。在使用這個軟件時的*二個重點是選擇零件的建模方式，ANSYS 的建模方式有很多種，有殼式的，也有實體，因為零件都是不太復(fù)雜的零件，所以在選擇建模方式時都選擇實體，Brick 里的8node 45 或20node 186，但是后者相對建模太細(xì)致，可能會導(dǎo)致劃分網(wǎng)格失敗。不過就相對精確。ANSYS 可以為用戶顯示分析構(gòu)件變形前后的形狀對比，讓用戶很直觀地觀察構(gòu)件的變形情況?？赡茉诜治隽慵膽?yīng)力應(yīng)變時會覺得這個構(gòu)件受力后沒有變形，但是根據(jù)理論 計算的知識，構(gòu)件在受到那么大的破碎力的時候肯定會有所變形，這時就需要認(rèn)真比較構(gòu)件受力前后的形狀，從而肯定自己的想法，構(gòu)件是有變形的，只是變形大小 的問題。通過比較，可以知道構(gòu)件變形大不大，是否容易在工作中失效，再跟實際情況相比較，進(jìn)行較深入地研究。
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