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回转分级筛主轴的有限元分析

发布于:2018-11-04 20:59
有限元分析

      回转分级筛主要用于饲料厂粉状物料或颗粒饲料的筛选分级作业,还可用于粮食、食品、化工、制糖、采矿、造纸等行业原料的筛选、中间产品或成品的分级。回转分级筛主轴是回转分级筛的重要部件,作用是传递功率,产生回转分级筛筛体头部的回转运动,同时承受弯曲、扭转等应力作用。使用中发现某一型号的回转分级筛偶尔出现主轴断轴的现象,位置都在上键槽根部,虽然比例不高,但对用户生产影响较大,迫切需要找出原因,杜绝这种现象的发生。传统的分析方法计算繁杂,计算量大,而且有时由于计算系数的取值范围较大,造成计算误差大,影响了轴的安全性。因此,研究一种新的精确快捷的强度分析方法迫在眉睫。近年来,有限元分析技术在轴类零件的强度分析和计算方面得到越来越多的应用,但在回转分级筛主轴中的应用尚未见报道,本文利用有限元分析AppAnsys对回转分级筛主轴进行了强度分析和结构优化。
      回转分级筛由机座、机架、驱动装置、筛体等部件构成,其工作原理是动力通过三角皮带由电机传给驱动装置,驱动装置再带动有一定斜度的筛体运动。驱动装置设有偏心装置,因此筛体从进料端到出料端其运动轨迹由水平圆周运动逐渐变成椭圆运动,最后变为近似往复直线运动。物料从进料口进入筛体,在筛体进料端圆周运动作用下,迅速均匀地分布在整个筛面宽度上,并产生自动分级,从而使料层下面粒度较小的物料迅速过筛,而上面粒度较大的物料则沿着筛体斜面向下端(即向出料端)运动。驱动装置由主轴、皮带轮、下轴承座、偏心块、箱体、中间轴承座、联轴器、连接轴、上轴承座等组成,如图所示。其中,主轴材质为40#,由下轴承座和中间轴承座支撑,偏心块与筛体安装方向相反,用来平衡筛体的离心力。已知箱体加物料质量共650kg偏心距为0.03mm,转速240r/min,电机功率3kW。
      用Pro/EApp对主轴精确建模,经由中间IDES文件,导入到Ansys界面中。主轴的有限元模型如图所示。主轴材料选取40#该材料的弹性模量为2Xe5MPa。泊松比为0.3。单元类型采用Solid95,采用整体自由划分网格,精度等级为5,系统自动完成网格划分,并对键槽周围进行了局部网格加密。传递的扭矩为119.38N/m,在主轴下端施加载荷,上端固定,将扭矩施加到整个主轴上。计算结果如图所示。从计算结果看,最大应力分布在上下键槽的根部,最大合应力为10.7MPa,最大扭转剪应力为4.3MPa。由于扭转应力较小,不会是引起断轴的主要原因。从主轴所受离心力来看,主轴受筛体和偏心块的离心力作用,轴的上端到上轴承之间受到筛体的离心力作用。与偏心块的离心力相比,此处离心力值和作用力矩大,并且轴径小,此处的弯曲应力要远远大于偏心块的离心力引起的弯曲应力,所断的轴都是断在此处的键槽根部,因此重点计算此处弯曲应力。
      为了减少计算量,只截取主轴上面的一段进行计算,下截面与中间轴承座里轴承内圈的上表面为同一面。下截面固定约束,载荷按实际情况加在与联轴器接触的表面上,载荷大小按筛体最大离心力和作用力矩折算。弯曲应力计算模型及载荷分布如图所示,计算结果如图所示。从计算结果看,最大弯曲应力发生在键槽半圆形处根部,为383MPa主轴受扭矩作用引起的应力较小,受弯矩引起的应力较大,弯曲应力是产生断轴的主要原因。键槽处弯曲应力最大值为383MPa,比传统分析方法计算的值大得多,并且有限元方法的计算结果也更精确,轴材质为40#屈服点为550MPa,按最大应力与屈服点计算的安全系数为1.43,安全系数偏低。如果轴表面加工质量不高或轴材质存在缺陷,将影响轴的使用寿命,甚至产生断轴现象。观察实际断轴发现,所有发生断轴的位置都是在上键槽半圆形处,如图所示。这也证明了上述计算结果的正确性。



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