螺旋分級機軸頭連接結(jié)構(gòu)的有限元分析比較

撰文/云南錫業(yè)機械制造有限責(zé)任公司　史川山

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螺旋分級機軸頭連接結(jié)構(gòu)的有限元分析比較

撰文/云南錫業(yè)機械制造有限責(zé)任公司史川山

利用SolidWorks三維設(shè)計軟件的Simulation分析模塊，對φ2m螺旋分級機上軸頭不同的幾種連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并做了有限元分析比較，對今后軸頭連接結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

一、引言

螺旋分級機是重力選礦廠的主要設(shè)備之一，其構(gòu)造簡單、工作穩(wěn)定且操作方便，與球磨機配成閉路循環(huán)，借助固體顆粒因比重不同而在液體中沉淀速度不同的機理，來進(jìn)行機械分級。主要用于磨礦回路中的預(yù)先分級和檢查分級，也可用于洗礦和脫泥等作業(yè)。螺旋分級機主要有高堰式單螺旋和雙螺旋、低堰式單螺旋和雙螺旋、沉沒式單螺旋和雙螺旋分級機，低堰式分級機目前運用較少，主要是高堰式和沉沒式。螺旋分級機主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　螺旋分級機主要結(jié)構(gòu)圖

其主要由傳動裝置、螺旋軸體、槽體、升降機構(gòu)、下部支座和排礦閥等組成。

螺旋分級機的工作原理是：因為于固體顆粒的大小和比重不同，所以在液體中沉降速度不同的原理，通過螺旋軸體的轉(zhuǎn)動，對礦漿起攪拌作用，細(xì)礦顆粒浮游于礦漿上面由槽體溢流口流出，粗礦粒沉于槽底，由螺旋在攪拌的同時推向槽體上部排料口作為返砂排出。通常螺旋分級機與磨機組成閉路，將粗砂返回磨機再磨。

螺旋分級機的螺旋軸體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其通過電動機、減速器、圓柱齒輪或圓錐齒輪副進(jìn)行傳動，其使用壽命決定了螺旋分級機整體工作性能和生產(chǎn)效率，螺旋軸體的軸頭和中空軸在螺旋分級機工作中，長期處于交變應(yīng)力的作用下，軸頭、中空軸及其連接處容易發(fā)生斷裂或脫離。因此，對螺旋軸體的軸頭與中空軸的連接進(jìn)行分析設(shè)計是十分必要的。本文利用SolidWorks三維設(shè)計軟件，以φ2m螺旋分級機上軸頭連接為例，對目前采用的幾種軸頭與中空軸的連接方式進(jìn)行三維建模有限元分析，為進(jìn)一步結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進(jìn)提供合理的依據(jù)。

圖2　螺旋軸體結(jié)構(gòu)圖

二、φ2m螺旋分級機主要技術(shù)參數(shù)

1.主要技術(shù)參數(shù)

（1）電機功率：15kW。

（2）電機轉(zhuǎn)速：970r/min。

（3）減速機速比：31.5。

（4）大小齒輪速比：8.5523。

（5）總速比：269.4。

（6）螺旋軸轉(zhuǎn)速：3.6r/min。

（7）中空軸規(guī)格：φ377×30mm。

2.有限元分析時零件材質(zhì)相關(guān)屬性參數(shù)

有限元分析時零件材質(zhì)相關(guān)屬性參數(shù)如表1所示。

表1

3. 計算中空軸所受的最大扭矩

（1）電機輸出扭矩。

式中，T為電機輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；P為電機功率，單位為kW；n為電機輸出轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

根據(jù)平衡方程式計算電機輸出轉(zhuǎn)矩扭：

（2）中空軸所受最大扭矩。

T(軸)=T×i減×i齒

式中，i減為減速機速比；i齒為大小齒輪速比。

T(軸)=147.68×31.5×8.5523=39785N·m

三、軸連接結(jié)構(gòu)的有限元分析

SolidWorks三維CAD設(shè)計軟件，除其基本的零部件三維建模和工程圖快速生成外，它還內(nèi)容包括了應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、變形分析、熱力分析、運動分析、線性和非線性分析等有限元分析模塊，通過對這些模塊的應(yīng)用，我們可以大大地縮短設(shè)計周期，對零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，非常接近地模擬出產(chǎn)品在實際工況條件下的使用狀態(tài)，降低產(chǎn)品測試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

下面就分級機軸頭幾種常用的連接方式進(jìn)行建模分析比較。

1.傳統(tǒng)軸頭的連接方式

（1）連接方式如圖3所示。

圖3　傳統(tǒng)連接方式

圖3中軸頭材質(zhì)為：ZG270-500；中空軸為：φ377×30鋼管，材質(zhì)：20鋼；圓柱銷材質(zhì)為：45鋼。

（2）利用SolidWorks軟件對軸、中空軸和圓柱銷連接建模如圖4所示。

圖4　軸、中軸和圓柱銷走接三維模型

因我們主要是分析軸頭連接處的應(yīng)力分布情況，中空軸下部支座體簡化為用一軸套固定。

（3）打開SolidWorks軟件中的SolidWorks Simulation插件，新建靜應(yīng)力分析算例，分析零件為：軸、中空軸和圓柱銷，并應(yīng)用材質(zhì)，輸入各零件材質(zhì)屬性參數(shù)。連結(jié)選擇邊焊縫接頭：使軸和中空軸焊縫連接（圖5），再選擇零部件接觸為全局接觸無穿透。

（4）確定邊界條件（即軟件中的夾具）：選擇固定的幾何體，使軸鍵槽段和中空軸末端的軸套約束固定（圖6）。

（5）添加外載荷為扭矩，選擇中空軸外表面受扭，輸入扭矩為39785 N·m。

（6）生成網(wǎng)格如圖7所示，網(wǎng)格細(xì)節(jié)為：最大單元大小40mm，最小單元大小8mm，節(jié)總數(shù)131932節(jié)，單元總數(shù)71750個。

圖5　軸與中空軸縫連接

圖6　軸套約束固定

圖7　生成網(wǎng)格

（7）運行此算例得到如圖8～11所示的結(jié)果。

圖8　軸最大VON Mises（MPa）應(yīng)力

圖9　管最大應(yīng)力

圖10　軸最小安全系數(shù)

圖11　管最小安全系數(shù)

表2

在實際工作中，螺旋分級機槽為傾斜一定角度（14°）安裝，螺旋軸傾斜，除承受一定的扭力外，還承受自重、葉片自重等的徑向力和葉片推動物料的軸向力，在此分析中忽略不計。

由此算例可以得出表2中的數(shù)據(jù)，軸的最大VON Mises應(yīng)力為：27.22 MPa，所在部位為軸肩直徑過處，最小安全系數(shù)為8.6，鋼管的最大VON Mises應(yīng)力為46.62MPa，所在部位為鋼管與軸焊接處，最小安全系數(shù)為4.6,圓柱銷的最大VON Mises應(yīng)力為11.8MPa，最小安全系數(shù)為14，此連接結(jié)構(gòu)軸和鋼管的強度是滿足的，圓柱銷的安全系數(shù)為最大，在本文以下的分析中，不再專門列出。

同時，利用此模型算例，在其他條件都不變的情況下，在去除管與軸的焊縫連接(即管和軸不焊接，而只用圓柱銷連接)，得到表3所示結(jié)果。

表3

此結(jié)果可看出，如只采用圓柱銷連接，在較惡劣的工況條件下，是不可靠的，軸和鋼管在圓柱銷連接處容易發(fā)生應(yīng)力屈服，在交變應(yīng)力下斷裂。

此傳統(tǒng)的設(shè)計方案由于主軸頭采用一般鑄鋼件材質(zhì)（ZG270-500），雖然理論上強度已夠，制造成本較低，但作為分級機的重要傳動零件，在實際生產(chǎn)過程中，其鑄造制造工藝過程的控制質(zhì)量，往往對最終的產(chǎn)品使用效果有很大的影響。鑄件內(nèi)部易產(chǎn)生晶粒粗大、疏松、夾渣、氣孔、裂紋和元素偏析等缺陷，并有較大的殘留內(nèi)應(yīng)力，其強度、塑性和韌性指標(biāo)難以達(dá)到規(guī)定要求。通過有限元分析我們可以得知，在軸受扭矩的情況下，其最大應(yīng)力在軸肩處，在分級機的實際工作中，常常由于礦漿濃度、返砂量的大小等，使軸頭在交變應(yīng)力的作用下發(fā)生斷裂。對此我們進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。

2.改進(jìn)后的軸頭連接方式

改進(jìn)后的軸頭連接方式如圖12所示。

圖12　改進(jìn)連接方式

圖12中的軸頭通過軸套與中空管連接。軸頭材質(zhì)改為45鋼，為節(jié)約材料降低制造成本，使之與中空軸鋼管的連接用一軸套來過渡，軸套材質(zhì)為ZG270-500；中空軸為φ377×30鋼管，材質(zhì)20鋼；圓柱銷為二排且在軸截面上交叉均布，材質(zhì)為45鋼。

利用SolidWorks軟件，按分析傳統(tǒng)連接方式的步驟，輸入與傳統(tǒng)連接方式相同的分析數(shù)據(jù)和條件（相同的材料屬性數(shù)據(jù)、網(wǎng)格大小和邊界條件等），進(jìn)行有限元分析結(jié)果如圖13～18所示。

圖13　軸最大應(yīng)力

圖14　管最大應(yīng)力

圖15　軸套最大應(yīng)力

圖16　軸最小安全系數(shù)

圖17　管最小安全系數(shù)

圖18　軸套最小安全系數(shù)

由分析數(shù)據(jù)可以得出表4結(jié)果，此改進(jìn)后的連接結(jié)構(gòu)，軸的最大VON Mises應(yīng)力為26.84MPa，所在部位為軸肩直徑過處，最小安全系數(shù)為6，鋼管的最大VON Mises應(yīng)力為37.32MPa，所在部位為鋼管與軸焊接處，為4.3,軸套的最大VON Mises應(yīng)力為63.41MPa，最小安全系數(shù)為3.7，所在部位為軸套與軸焊接處，此連接結(jié)構(gòu)軸、鋼管和軸套的強度是滿足的。

表4

從分析數(shù)據(jù)上來看，改進(jìn)后的軸頭連接方式上，軸頭的最大VON Mises（MPa）應(yīng)力比傳統(tǒng)的連接方式要低，最大剪應(yīng)力下的最小安全系數(shù)略有下降，這是因為45鋼的抗剪模量和彈性模量比ZG270-500鑄鋼低，但從制造廠的角度來說，45為軋制鋼，軸頭毛坯可直接從專業(yè)廠家購入，材料的各項性能指標(biāo)容易得到保證，軸頭的制造成本降低，且質(zhì)量穩(wěn)定。

改進(jìn)后的軸頭連接方式，在多年制造和使用過程中，偶爾出現(xiàn)在軸頭與軸套焊縫處發(fā)現(xiàn)裂紋，有的用戶和設(shè)計人員提出了再改進(jìn)的方案如圖19所示。

圖19　擬改進(jìn)后的連接方式

擬再改進(jìn)的結(jié)構(gòu)中，加長了軸套長度，并增加了一排圓柱銷連接，預(yù)期提高整個軸頭的連接強度和抗扭性。

使用SolidWorks軟件，按以上分析步驟，輸入相同的分析數(shù)據(jù)和條件（相同的材料屬性數(shù)據(jù)、網(wǎng)格大小、邊界條件等），進(jìn)行有限元分析結(jié)果如表5所示。

表5

從以上分析數(shù)據(jù)可以看出，擬改進(jìn)的連接結(jié)構(gòu)，軸、鋼管和軸套的最大VON Mises應(yīng)力及安全系數(shù)均與改進(jìn)前相比，沒有大的改善，并略有降低，擬改進(jìn)前軸頭與軸套焊縫處出現(xiàn)裂紋的主原因是由于焊接質(zhì)量而產(chǎn)生的。由于軸和軸套的材質(zhì)分別為45鋼和鑄鋼ZG270-500，它們均屬于中碳鋼，其焊接性能較差，且為異種鋼的焊接，其焊件剛度較大，淬硬傾向也大，焊縫區(qū)容易產(chǎn)生低塑性的淬硬組織，如焊接工藝控制不嚴(yán)時，焊縫金屬本身易產(chǎn)生熱裂紋和冷裂紋，所以軸頭的連接質(zhì)量，除應(yīng)充分考慮其結(jié)構(gòu)的工藝性外，還應(yīng)嚴(yán)格控制其制造的工藝。

四、結(jié)語

通過以上應(yīng)用SolidWorks三維設(shè)計軟件，對幾種不同的分級機軸頭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模有限元分析，對分級機軸頭結(jié)構(gòu)連接的設(shè)計和進(jìn)一步的改進(jìn)提供了合理的依據(jù)，SolidWorks的有限元分析法為設(shè)計者提供了方便、直觀、快捷且可靠的計算結(jié)果，雖然其分析結(jié)果為理論性的，不能完全替代產(chǎn)品的實際測試，但對產(chǎn)品的實際生產(chǎn)和應(yīng)用仍有著較大的指導(dǎo)意義。本文希望通過對分級機軸頭連接結(jié)構(gòu)的有限元分析，對利用SolidWorks有限元分析產(chǎn)品起到一定的借鑒意義。同時，希望各位同行對本文的不足之處提出寶貴意見。