基于ANSYSWo rkbench bench的輥壓機輥子過盈聯接應力分析

于浚哲，滕延偉，褚旭

基于ANSYSWo rkbench bench的輥壓機輥子過盈聯接應力分析

于浚哲1，滕延偉2，褚旭2

對輥壓機輥子進行運動及受力分析，采用厚壁圓筒模型計算輥軸和輥套配合過盈量的上、下限，運用ANSYSWorkbench對不同過盈量下的過盈聯接進行分析，得到了輥軸與輥套在過盈配合狀態下的接觸應力分布情況。將有限元計算結果與理論計算結果進行對比，驗證了有限元分析結果的可靠性，為輥壓機輥子過盈聯接的設計提供了一種新途徑。

輥壓機；過盈聯接；ANSYSWorkbench

輥壓機是利用兩個輥子對物料施壓，從而達到使物料粉碎的目的。因此，輥子結構設計的好壞直接影響輥壓機的使用效果及壽命等。輥子主要由輥軸和輥套組裝而成，兩者通過過盈聯接傳遞力，避免了鍵槽等結構對零件強度的削弱。但由于過盈配合屬于接觸非線性類型而且難以通過常規方法對其進行測定，一般只能靠經驗確定過盈量［1］。文獻［2］通過理論計算給出輥軸與輥套的最大、最小過盈量，但未分析在不同過盈量下接觸面的應力分布情況。文獻［3］利用有限元方法對輥套在不同過盈量下的接觸應力進行分析，并通過與理論計算進行對比，驗證有限元方法的可行性，但分析過程未考慮輥軸變形對接觸面應力的影響。因而輥子過盈配合接觸分析還需深入研究。

文中利用三維軟件建立輥子模型，通過軟件間的無縫聯接導入ANSYSWorkbench中進行分析，通過在軸承支座上施加液壓力，將結構變形對接觸應力的影響考慮其中，相對真實地反映了在不同過盈量下接觸面的應力分布，為輥子結構的設計和生產制造工藝提供理論依據。

1　輥子運動及受力分析

文中主要分析輥軸和輥套的接觸應力分布情況，故對輥子結構進行必要的簡化，簡化后的結構如圖1所示。

1.1輥子承受的最大轉矩計算［2］［3］

輥軸和輥套采用溫差法進行過盈裝配，為使輥壓機工作時兩者不發生相對滑動，其接觸面間的摩擦力矩應大于或等于輥子承受的轉矩。分析可知，當有大塊物料進入輥壓機使得輥子卡死停轉時，此時輥子承受最大轉矩。所以輥子承受最大轉矩T應為電機額定轉矩Td、輥子上方物料作用于輥子的扭矩Tw與輥子慣性力矩Tg之和，計算公式如下：

圖1　輥子結構

（1）電動機額定功率所提供的轉矩Td

式中：

P——電動機的功率，kW

n——輥子轉速，r/min

（2）物料作用于輥子的扭矩Tw

式中：

m——輥子上物料質量，kg

g——重力加速度

R——輥子半徑，mm

（3）輥子慣性力矩Tg

其中，J=m1R/2

式中：

m1——輥套與輥軸質量之和

1.2傳遞載荷所需接觸面壓強計算［4］

輥套輥軸間的配合采用厚壁圓筒模型進行計算，其傳遞載荷所需最小壓強：

式中：

μ——摩擦系數

d——結合面直徑，mm

L——壓輥寬度，mm

由于輥軸受壓引起的變形比輥套小，所以只需計算輥套不發生塑性變形所能承受的最大壓強Pmax。

式中：

d1——輥套外徑，mm

σs——屈服極限，MPa

過盈聯接傳遞載荷所需要的最小過盈量：

式中：

E1，E2——輥套、輥軸的彈性模量，

d2——輥軸上的孔徑，mm

υ1，υ2——輥套、輥軸材料的泊松比

軸套不產生塑性變形的最大過盈量：

由于輥子在工作時受到的沖擊載荷較大，故在選擇其最小裝配過盈量時，必須考慮一定的安全過載系數，對于一般質量的材料，通常情況取2～2.5，通過比較，選取為2.5，則最小過盈量δ=2.5δmin。

1.3選用配合

所選配合的最小和最大過盈Ymin、Ymax需保證傳遞載荷，Ymin＞δ，保證聯接件不產生塑性變形，Ymax≤δmax。

2　算例分析

文中以?140mm×140mm型輥壓機為例進行計算，具體參數為P=1 600kW，n=20r/min，R=710mm，m=1.2× 104kg，L=1 420mm，d=860mm，d1=1 420mm，d2=150mm，輥套的屈服應力σs=315MPa。將參數代入上述公式進行計算，結果如表1、2所示。

表1　輥子最大轉矩T

表2　輥套壓強及過盈量

根據計算結果，結合實際經驗選定［δmin］=1mm，［δmax］=1.2mm。按照式（7）和（8）可得過盈量為1mm和1.2mm時對應的接觸面壓強：［Pmin］=76.5MPa，［Pmax］= 91.8MPa，介于Pmin和Pmax之間。

3　有限元計算

在Pro/E軟件中建立模型，通過Pro/E與ANSYS Workbench的無縫聯接，將模型導入Workbench中進行分析［5］。建立的模型包括軸承座、輥軸和輥套，如圖2a所示。通過對輥壓機運動及受力分析，確定模型約束及加載情況，如圖2b所示。為模擬推力軸承作用，并保證整體變形不失真，在A處施加FrictionlessSupport約束限制輥軸的軸向位移，B、C、D處施加Displacement約束限制軸承座及輥子運動。在E處為整個模型施加重力加速度（模擬重力作用）。在軸承支座銷孔處（圖中F、G、H、I處）施加液壓缸作用力。輥軸與輥套設置為摩擦聯接（Frictional），摩擦系數設置為0.15。通過offset選項設置過盈量，法向剛度因子（Normal Stiffness Factor）設置為0.1。

圖2　有限元模型及約束

圖3　結構的整體變形示意圖

圖4　輥套接觸應力示意圖

表3　有限元與理論計算結果

4　結果分析

圖3和圖4分別為在不同過盈量時結構的整體變形及輥套的接觸應力示意圖，圖3中可以看出在輥壓機工作時輥軸有變形，所以輥套擠壓面接觸應力的計算必須考慮輥軸的變形影響。圖4顯示了考慮變形后的輥套擠壓面接觸應力，接觸應力較大的區域主要分布在軸套變形較大一側。

表3列出了不同過盈量時有限元計算與理論計算的結果。從表中可以看出，有限元計算得到的接觸應力最大值與理論計算值相比誤差在2%以內。

5　結論

文中利用ANSYSWorkbench對輥壓機輥子過盈聯接接觸應力進行分析，得到如下結論：

（1）將基于ANSYSWorkbench的過盈聯接接觸分析引入到輥壓機設計中，能很好地將三維設計與有限元計算結合起來，方便求出不同過盈量下輥子擠壓面接觸應力分布情況，為輥壓機輥子設計提供了一種新途徑。

（2）輥壓機實際工作時，輥軸有較小的變形，為了能真實模擬輥軸和輥套的接觸應力，應將輥軸變形考慮在內。

（3）計算結果表明，ANSYS Workbench計算結果不但應力最大值與理論計算有很好一致性，而且能夠反映輥軸輥套接觸應力、結構整體變形等情況，更加符合工程設計的要求，體現了有限元方法的可行性和優越性。

［1］張建水，殷玉楓，趙肖敏，等.基于ANSYS的軸套過盈配合接觸分析［J］.機械設計，2014，31（5）：22-25.

［2］張發展，郝兵，聶明.輥壓機輥套的過盈量、圓柱銷計算及實例應用［J］.礦山機械，2010，38（3）：69-72.

［3］王進軍.高壓輥磨機壓輥過盈聯接應力分析［J］.裝備制造技術，2013（8）：27-28.

［4］秦大同，謝里陽.現代機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2011.

［5］凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYSWorkbench 13.0從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2012.

Stress Analysisof Interference Fitof Roller for Roller Press Based on ANSYSW orkbench

YU Junzhe1，TENG Yanwei2，CHU Xu2
（1.Tianjin Cement Industry Design&Research Institute Co.,Ltd,Tianjin 300400,China；2.Sinoma Technology&Equipment Group Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China）

This paper showskinematicsand force analysisof the roller for roller press.Contactstressdistribution of roller and roller sleeve in the condition of interference fitwas obtained using Tick-walled Tube Theorem to calculate upper and lower limits of interference fit between the roller and the roller sleeve and using ANSYS Workbench to analyze the interference fit under different interference conditions.Comparing finite element calculation resultswith theoreticalsolutions,we verified the feasibility of the finite elementmethod.Accordingly a new approach isprovided for interference fitdesign of rollerpress.

roller press；interference fit；ANSYSworkbench

TH 131.7

A

1001-6171（2015）03-0038-03

通訊地址：1天津水泥工業設計研究院有限公司，天津300400；2中材裝備集團有限公司，天津300400；

2014-09-04；編輯：呂光