基于ANSYS Workbench的破碎機輥齒的有限元分析

吳占超，王凱歌，羅國富

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

基于ANSYS Workbench的破碎機輥齒的有限元分析

吳占超，王凱歌，羅國富

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

以2PCM60160齒輥破碎機為例，對該破碎機的齒輥輥齒正常滿載工況下的受力情況進行理論分析?；赑ro/E建立2PCM60160齒輥破碎機輥齒的三維模型，并成功地導(dǎo)入到ANSYS Workbench中對輥齒進行有限元分析。通過分析發(fā)現(xiàn)輥齒背部在受力時承受較大載荷，針對受載荷較大區(qū)域進行加強，改進后的結(jié)構(gòu)使齒輥在相同工況下最大應(yīng)力較改進前的結(jié)構(gòu)減小28%，大大延長了輥齒的使用壽命，達到了優(yōu)化設(shè)計的目的。

破碎機；有限元法；Workbench; 輥齒

0 引言

近年來，國內(nèi)外輥式破碎機有了長足的發(fā)展。齒輥破碎機具有結(jié)構(gòu)簡單，過粉碎現(xiàn)象少，工作可靠，齒輥面上的齒牙形狀、尺寸、排列均可按物料性質(zhì)進行設(shè)計以及適應(yīng)性強等優(yōu)點；齒輥破碎機的最大缺點是齒輥外表面易磨損，磨損后兩輥之間的間隙加大，進而不能保證出料粒度要求，因此使用時需經(jīng)常測量間隙和維修[1]。

本文利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對某公司2PCM60160型齒輥破碎機輥齒進行受力分析和有限元分析，對輥齒受力和變形較大的部位進行改進設(shè)計，以提高其工作時的穩(wěn)定性和使用壽命，降低整體經(jīng)濟成本。

1 破碎機工作原理

1.1 齒輥破碎機的機械構(gòu)成

該破碎機的主要工作部件為兩個平行安裝的齒輥，破碎齒輥主要由輥軸1、破碎齒板座2、破碎齒板3和軸向定位裝置等組成，如圖1所示。每個齒輥沿軸向布置一定數(shù)量的破碎齒板，當(dāng)物料落入破碎機雙輥之間后即被輥子上的刀形齒板咬住，并逐漸增加對物料施加的剪力和拉力，從而使物料破碎。

1.2 齒輥受力理論分析

物料受力分析示意圖如圖2所示。其中，F(xiàn)q為單組齒輥切向力；Fe為物料所受齒輥切向力的切向分力；Fr為物料所受齒輥切向力的徑向分力；N為物料受另一個齒輥的正壓力；Fm為物料受另一個齒輥正壓力N時所產(chǎn)生的摩擦力；δ為Fq和Fe兩力夾角；φ為O2A與AB的夾角；β為O2A與AO1的夾角；θ為齒輥與物料的嚙合角；R為齒輥半徑；L為兩齒輥的軸心距；r1為物料半徑；H為齒高[2]。則有：

Fr=Fqsinδ.

(1)

Fe=Fqcosδ.

(2)

1-輥軸；2-齒板座；3-齒板

圖2 物料受力分析示意圖

假設(shè)物料無滾動現(xiàn)象，則有：

Fe=Fm=fN.

(3)

其中：f為物料與側(cè)壁的摩擦因數(shù)。故有：

Fr=fNtanδ.

(4)

根據(jù)第二破碎理論得：

(5)

其中：σ為物料破碎擠壓強度；E為物料的彈性模量。將表1中2PCM60160破碎機相關(guān)參數(shù)代入式(1) 、式(4)、式(5)可得：N=4 981 N，F(xiàn)q=7 750 N。

2 輥齒的有限元分析

2.1 輥齒模型的建立

Pro/E軟件與ANSYS之間具有良好的接口，可以實現(xiàn)無縫連接，從而避免數(shù)據(jù)丟失，同時它有效地彌補了ANSYS建模功能的不足。在Pro/E界面工具欄中點擊ANSYS 14.5圖標(biāo)，即可啟動ANSYS Workbench，進入到Workbench分析環(huán)境中。在Pro/E中建立的簡單模型可以轉(zhuǎn)換成通用格式后直接導(dǎo)入到Workbench分析環(huán)境中。圖3為在Pro/E環(huán)境中建立好的齒板模型轉(zhuǎn)換成IEGS格式后導(dǎo)入到ANSYS Workbench環(huán)境中的結(jié)果[3]。

表1 雙齒輥破碎機的基本參數(shù)

圖3 齒板模型

2.2 齒板模型網(wǎng)格劃分

ANSYS有限元網(wǎng)格劃分直接影響后續(xù)分析結(jié)果的精確性。由于對有限元模型進行不同的單元劃分時其剛度矩陣不同，采用的數(shù)值積分的求解方式也不同，因此在實際應(yīng)用中，一定要采取合理的單元來進行模擬求解[4]。ANSYS提供兩種網(wǎng)格劃分方法：自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分對于單元形狀無限制，并且沒有特定的準(zhǔn)則，適合不規(guī)則形狀模型，因此齒板模型網(wǎng)格劃分類型采用了自由網(wǎng)格劃分。雖然ANSYS Workbench可以對模型進行自動網(wǎng)格劃分，但為了節(jié)約計算時間并得到較理想的分析結(jié)果，將physics preference設(shè)置成mechanical，將sizing中relevance center設(shè)置為fine，將element size設(shè)置為0.1 m。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示，共劃分單元17 510個、節(jié)點29 839個。

2.3 確定分析類型并施加載荷及約束

對選取的計算模型采用ANSYS Workbench DS模塊中的靜力學(xué)分析模塊進行有限元分析和計算。在材料庫中添加新材料高錳鋼ZGMn13，其彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 870 kg/m3。在材料庫中添加高錳鋼ZGMn13成功后，就可以將分析材料屬性定義為高錳鋼[5]。定義材料屬性后，對模型施加相應(yīng)的載荷及約束。在實際應(yīng)用中，輥齒的受力狀況是靠近邊緣的齒板較中間的齒板受力小，本文考慮實際意義，選取安裝在中間段的齒板進行分析，并認(rèn)為齒板上輥齒的受力均等。在正常滿載的狀況下，根據(jù)上文對齒輥破碎機單組輥齒的受力分析，對齒板下表面和側(cè)面施加固定約束，單個齒尖表面施加7 750 N的面力，由于一個齒板上同時工作的輥齒是10組，因此對每個齒輥柱面施加4 981×10 N的面力。

圖4 齒板的網(wǎng)格劃分效果

2.4 求解結(jié)果

在Workbench 環(huán)境中進行齒輥的靜力學(xué)分析計算，得到的節(jié)點平均應(yīng)力、應(yīng)變云圖如圖5、圖6所示。由于位移變形非常微小，這里不作考慮。

圖5 齒板應(yīng)力云圖

圖6 齒板應(yīng)變云圖

3 結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進[6]

從分析結(jié)果來看，最大應(yīng)力分布在輥齒背面根部，最大應(yīng)力為29.652 MPa，應(yīng)力較為集中。為了改善應(yīng)力集中現(xiàn)象，對輥齒齒背加厚。對于齒背的加厚提出3種假定方案：方案A在原有的基礎(chǔ)上將齒背與齒頂?shù)膴A角由原來的109°加大為111°，即加大2°；方案B是在原有的基礎(chǔ)上將齒背與齒頂?shù)膴A角加大4°，即由109°加大為113°；方案C是在原有基礎(chǔ)上將齒背與齒頂?shù)膴A角加大6°，即由109°加大為115°。

對改進后的3種結(jié)構(gòu)在與改進前的結(jié)構(gòu)相同的環(huán)境下進行分析，得到各自的應(yīng)力、應(yīng)變分布結(jié)果，如圖7、圖8所示。

將3種改進方案及原始結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、應(yīng)變和各結(jié)構(gòu)重量用柱狀圖表示，如圖9所示。通過對比各種方案應(yīng)力、應(yīng)變減小的幅度以及用料增加的程度來尋找最佳方案。3種改進方案的3項指標(biāo)下降或增長的幅值如折線圖10所示。

圖7 3種方案輥齒的應(yīng)力分布結(jié)果

圖8 3種方案輥齒的應(yīng)變分布結(jié)果

圖9 3種改進方案和原結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)對比柱狀圖

1-應(yīng)力同比下降幅度；2-應(yīng)變同比下降幅度；3-材料重量增加幅度

通過3種方案的對比，最終選擇了方案B。方案A與方案B相比，顯然方案B最大應(yīng)力、應(yīng)變減小的幅度更大。方案C與方案B相比，輥齒背部與齒頂夾角增加2°，所耗費材料并不是線性增加，而是更多，而應(yīng)力應(yīng)變減小的幅度卻變小了。因此三種方案中，方案B是最佳方案，即將齒背與齒頂間夾角加厚到113°更加理想，齒輪改進示意圖見圖11。

圖11 輥齒改進示意圖

4 結(jié)論

以2PCM60160齒輥破碎機為例，利用Pro/E建立了破碎機的三維模型，并成功地導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進行了有限元分析。由分析結(jié)果提出對輥齒背部較薄弱地方加強的3種方案，最終確定了較為理想的方案，即將齒背與齒頂夾角加大4°。改進后的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力較改進前減小28%，最大應(yīng)變減小29%，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到較為顯著的改善。改進后提高了其工作時的穩(wěn)定性和使用壽命，降低了整體經(jīng)濟成本。當(dāng)然不足之處在于建模方面還沒有實現(xiàn)參數(shù)化，在改進結(jié)構(gòu)時需要手動操作。如何通過二次開發(fā)實現(xiàn)參數(shù)化建模，建立良好的人機交互界面是有待完善的工作。

[1] 張峻霞.有限元應(yīng)力分析結(jié)果的一種新處理方法[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2000,31(1):31-32.

[2] 王忠文.雙齒輥破碎機齒輥切向力的分析計算[J].選煤技術(shù),2006(4):8-9.

[3] 林清安.完全精通Pro/ENGINEER野火5.0中文版[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 李兵.ANSYS Workbench設(shè)計、仿真與優(yōu)化[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[5] 張洪才.ANSYS 14.0理論解析與工程應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[6] 高志鵬,王守信,宋戰(zhàn)勝,等.基于ANSYS的雙齒輥破碎機輥齒優(yōu)化分析[J].機械工程與自動化,2012(4):60-61.

Finite Element Analysis of Roll Crusher Teeth Based on ANSYS Workbench

WU Zhan-chao, WANG Kai-ge, LUO Guo-fu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China)

In this paper,firstly, the stress status of the roller teeth of a roll crusher is theoretically analyzed according to the parameters of 2PCM60160 roll crusher. Then, the three-dimensional model of the crusher’s teeth is established by use of Pro/E, and the three-dimensional model is successfully imported into ANSYS Workbench for the finite element analysis. Finally, through the analysis of the results, the weak part of the roller teeth is improved. Compared with the previous structure, the maximum stress of the improved structure is decreased by 28%, which has extended the servicelife, and achieved the design goal.

crusher; finite element method; ANSYS; roller teeth

1672- 6413(2015)06- 0072- 03

2015- 01- 14；

2015- 08- 10

吳占超(1969-)，男，鄭州滎陽人，講師，本科，主要從事機械設(shè)計及其自動化專業(yè)教學(xué)及科研工作。

TP391.7∶TD451

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