搜索基于COSMOS 的粉碎機主軸有限元分析
2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
根據(jù)機械沖擊式超細粉碎機的工作原理與工作過程,分析主軸參數(shù)和沖擊過程載荷的變化,得出機械沖擊式超細粉碎機的受力簡化模型,利用COSMOS 進行主軸有限元分析,為精確計算零部件強度和優(yōu)化設計提供依據(jù)。
作者: 張超 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關鍵字: 超細粉碎機 主軸有限元 COSMOS
機械沖擊式粉碎設備是我國近幾年發(fā)展較快的超細粉碎設備之一。由于其具有工藝簡單、投資少、能耗低、粉碎比大等特點,近年來,這類設備在非金屬礦物加工行業(yè)銷售量呈強勁增長勢頭。目前對于機械沖擊式起細粉碎機的設汁,國內(nèi)仍缺乏成熟的設計理論及足夠的設計依據(jù)。本文通過主軸受力分析,利用SolidWorks的COSMOS模塊對主軸進行了有限元分析,為主軸的強度校核和設計優(yōu)化提供了有效的途徑。
1 機械沖擊式超細粉碎機的工作原理
機械沖擊式粉碎機按轉子的布置方式可分為立式和臥式兩大類。臥式粉碎機的轉子輔水平放置,轉子圍繞水平軸高速回轉實現(xiàn)物料粉碎,其結構如圖1 所示。物料由料斗經(jīng)螺旋給料機給人,首先被送入第一粉碎室(轉子1 與轉子2組成的腔體)。具有5-8 只葉片的粉碎葉輪(轉子1 和轉子3)其葉片有30。左右扭轉角,旋轉時有助于形成風壓。而分級葉輪(轉子2和轉子的的5只葉片為徑向布置,旋轉時形成氣流阻力,兩者旋轉時便在室內(nèi)形成氣流循環(huán),隨氣流旋轉的顆粒之間由此產(chǎn)生相互沖擊、碰撞、摩擦、剪切。同時由于離心力作用,顆粒與內(nèi)壁之間反復沖擊、摩擦、剪切成細顆粒,經(jīng)過第一粉碎室中的分級葉輪后,細顆粒隨氣流進入第二粉碎室(轉子3與轉子4組成的腔體) .其粉碎過程與第一粉碎室的基本相同。只是第二粉碎室的粉碎葉輪和分級葉輪較大,在該室造成的風壓更大,顆控之間相互沖擊更加激烈.粉碎能力更強,產(chǎn)品細度可達數(shù)微米。
2 超細粉碎機的主軸結構設計
CM系列超細粉碎機主軸上排列了4個轉子和風扇,其結構決定了主軸長度較長。粉碎機長時間工作時,在顆粒沖擊和摩擦等作用下不可避免地會產(chǎn)生大量的熱量.為了補償主軸熱變形、降低內(nèi)應力,將主軸支撐方式設計為一瑞游動,一端固定。由于送料端在左側,為滿足結構緊湊要求,所以將主軸動力端放置在右側;同時為了保證動力輸入端的傳動精度,將右端設計為固定捕。為了方便軸上零部件裝配,將主軸設計為階梯形狀。軸上磨削加工部分應有砂輪超程槽,螺紋部分應有退刀槽等。主軸結構如圖2所示。
3 粉碎機的主軸系統(tǒng)受力分析
粉碎機的主軸上排列有轉子1 , 2 、3 、4和風扇(見圖1)實際物料的沖擊過程非常復雜,故采用轉矩分配法先進行受力簡化。組件1 :轉子1 和轉子2簡化的整體;組件2: 轉子3 和轉子4簡化的整體;組件3: 風扇部分。另外,在轉矩分配時不考慮系統(tǒng)的摩擦、不考慮、阻尼等因素的影響。由主軸鍵聯(lián)接的長度與載荷性質計算零部件的轉矩分配系數(shù)。
3.1 考點就荷性質的轉短分配
粉碎機工作時,組件1 受顆控較大的沖擊,組件2受顆位較小的沖擊,組件3則可近似看作靜載荷。各組件與主軸鍵聯(lián)接的許用擠壓應力設為[σp]1、[σp]2、[σp]3,(單位MPa) 。考慮載荷性質時的各組件轉矩分配系數(shù)為:
3.2 綜合考慮戴荷性質與鍵聯(lián)接尺寸的轉短分配
綜合各鍵聯(lián)接尺寸,可得如下考慮載荷性質與鍵聯(lián)接尺寸的轉矩分配系數(shù):
3. 3 主軸系統(tǒng)受力分析
3.4 實例計算
4 主軸的有限元分析
4.1 COSMOS 模塊簡介
COSMOS 是完全整合在SolidWorks 中設計分析系統(tǒng)的,提供壓力、頻率、約束、熱量和優(yōu)化分析。為設計工程師在SolidWorks 的環(huán)境下,提供比較完整的分析手段,獲得修正和優(yōu)化設計所需的必要信息。
4.2 主軸靜態(tài)分析與疲勞分析
在COSMOS 中,按照主輸工作狀態(tài)建立主軸兩端的約束類型(A 為固定端,B 為浮動編) ;同時對軸施加粉碎一室的轉矩、粉碎二室的轉矩、風扇部分的轉短、離心力和帶對軸的壓力載荷,運行靜態(tài)分析結果如圖4所示。
從運行結果知,軸的靜強度是足夠的.最危險部位是軸承支撐處。運行疲勞分析,結果如圖5 、圖6所示。
生命周期圖解給出了主軸上每個節(jié)點發(fā)生疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)。由安全系數(shù)圖解知B 端的鍵槽部位最不安全,設計時要留有足夠的圓角降低應力集中;最小安全系數(shù)2. 56,主軸疲勞強度足夠。
5 小結
本文以CM 系列超細粉碎機的主軸為研究對象,根據(jù)粉碎機主軸的結構和受力特點,得出主軸的受力簡化模型。在此力學模型基礎之上,進行CM31 型粉碎機的力學計算,最終利用SolidWorks 的COSMOS 功能對主鈾進行有限元分析。此分析可用于主鈾的強度校核.并為進一步進行主軸的優(yōu)化設計提供了有效的途徑。該方法也可用于同類型的軸類零件的校核與優(yōu)化設計。
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