轉筒烘干機托輪軸有限元分析

梁旭斌 ，張 弛 ，覃 濤 ，孟 強

（1.廣西制造系統和先進制造技術重點實驗室，廣西 南寧530004；2.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

轉筒烘干機廣泛應用于化工、建材、冶金、采礦等行業，是生產復合肥的重要設備之一[1]。托輪通過輪帶承擔轉筒烘干機的全部載荷，并在徑向對筒體起定位作用，托輪軸與托輪過盈配合[2]。轉筒烘干機在運行中，托輪軸承受的主要是交變的彎曲應力，同時，由于不均勻的熱膨脹、磨損等原因，當支承載荷分布不均時，承載較高的托輪軸容易發生塑性變形產生疲勞裂紋[3-4]，進而導致托輪軸斷裂，這不僅極大地影響了托輪軸的使用壽命和設備的正常運行，還可能造成災難性事故和巨大經濟損失。因此，分析轉筒烘干機托輪軸的應力分布情況，對預防托輪軸斷裂，以及其結構的改進具有重要意義。

本文首先分析托輪軸和托輪的受力情況，求出施加到托輪軸上的載荷，然后應用ANSYS軟件對托輪軸進行有限元分析，得出危險載荷下托輪軸的應力分布和變形，為托輪軸的結構優化設計和調整提供了理論依據。

1 托輪軸載荷的確定與計算

轉筒烘干機筒體、物料等所有回轉部分的載荷通過輪帶施加到托輪上，輪帶與托輪靠摩擦力傳動，帶動托輪軸和托輪克服軸端的摩擦力矩而轉動[5]，支承組件的安裝圖如圖1所示。

圖1支承組件的安裝圖

圖1 中，L1表示支承到軸肩的距離，L2為托輪軸在配合面上的長度。托輪軸的受力情況如圖2所示，R為輪帶對托輪的正壓力；N為軸承對托輪軸的支反力，α是N與鉛垂方向的夾角；F1為輪帶與托輪之間的摩擦力；F2為托輪軸與滑動軸承之間的摩擦力，F2=μN，μ為摩擦系數；G1是托輪軸的重力，G2是托輪的重力。根據圖2建立x、y方向的力學平衡方程，得：

其中，G=G1+G2

圖2 托輪軸及托輪的受力圖

再根據軸兩端F2產生的力矩與F1產生的力矩平衡，得

F1r2=2F2r1

其中，r1為托輪軸半徑，r2為托輪半徑。聯立以上三個等式可解得α、F1、F2.

2 托輪軸有限元模型

2.1 模型的建立與有限元網格的劃分

以Ф1.2×10 m的轉筒烘干機為例，托輪軸的材料為45號鍛鋼，其密度為（7.85×103）kg/m3，彈性模量為（2.06×1011）Pa，泊松比為0.3.托輪軸及托輪的主要參數如表1所示。

表1 托輪軸及托輪主要參數表

在ANSYS中建立該托輪軸的有限元模型，軸肩處為半徑5 mm的倒圓角，其它小倒角忽略不計。為了能夠較好地逼近托輪軸的曲面邊界，選取solid95單元對托輪軸進行離散處理，采用自由網格劃分方式，共劃分網格52 581個，節點73 149個，得到托輪軸的有限元模型如圖3所示。

圖3 托輪軸有限元模型

2.2 邊界條件

以qx1表示托輪軸L1段在x方向上的均布載荷，qx2表示托輪軸L2段在x方向上的均布載荷，qy1表示托輪軸L1段在y方向上的均布載荷，qy2表示托輪軸L2段在y方向上的均布載荷，則：

摩擦系數μ=0.017，托輪載荷R=70 kN，將這些數據帶入平衡方程，用Matlab解得α=31.980 7°，F2=575 N，F1=279 N ，進而可算得qx2=220 260 N/m ，qy1=427.63N/m，qy2=385 548 N/m.

輸入托輪軸的材料參數，將各載荷加載到托輪軸有限元模型的單元并最終施加到節點上。托輪軸上的力通過滑動軸承傳到軸承座上，通常情況下，軸承座和軸承的變形很小，因此在研究托輪軸的力學特征時，可將軸承座和軸承視為剛性支承[6]，即可在軸承支撐托輪軸的部位施加固定約束，然后設置求解的步長，將當前載荷步進行求解，進入ANSYS的通用后處理模塊，之后得到托輪軸的等效應力云圖如圖4所示、托輪軸軸向應力分布圖如圖5所示。

圖4 托輪軸等效應力云圖

圖5 托輪軸軸向應力分布曲線圖

3 結果分析

3.1 應力分析

從托輪軸的等效應力云圖和托輪軸軸向應力分布圖，可以看出，托輪軸在整個配合面L2段所受應力較大，這與實際情況相吻合；在兩個軸肩位置應力值達到最大且相等，最大值為49 608.21 Pa，小于該烘干機托輪軸的許用應力（6×105）Pa；托輪軸兩端與滑動軸承配合區域存在少許應力集中現象，這解釋了軸肩處易產生疲勞裂紋的現象，但該托輪軸集中應力遠小于托輪軸許用應力，能滿足設計的強度要求，說明軸肩處是托輪軸的薄弱環節，在以后的設計中，應加強此處托輪軸強度。對于本文的托輪軸，可以在滿足強度要求的前提下適當減小托輪軸直徑，以改進結構，節約材料。

3.2 變形分析

對托輪軸進行靜力分析計算，可得到托輪軸的變形云圖如圖6所示，托輪軸變性前后對比圖如圖7所示。

圖6 托輪軸變形云圖

圖7 托輪軸變形前后對比圖

從圖6、圖7可以看出，托輪軸在整個配合段的變形較大，其中軸肩處的變形量達到最大，最大變形量為0.122×10-7m，可見變形量比較小，能夠較好地滿足托輪軸剛度設計的要求，因此，在以后的設計中要加強配合段特別是軸肩處的剛度。

4 結束語

本文運用ANSYS建立了托輪軸的有限元模型，并進行網格劃分，通過求解和后處理得出了托輪軸的等效應力云圖、軸向應力分布曲線圖、變形云圖以及變形前后對比圖。

托輪軸的應力和變形在整個配合面上普遍較大，且在兩軸肩處達到最大，在軸兩端軸承支撐出存在少許應力集中現象，其他軸段應力較小，因此在設計托輪軸時應加強配合軸段特別是軸肩處的強度和剛度。

求出托輪軸應力和變形后，可為托輪軸的疲勞強度校核以及結構優化設計提供理論依據。

[1]李學軍，朱萍玉，王梅松，等.大型回轉窯拖輪軸疲勞斷裂分析與防治[J].中國安全科學學報，2003，13（4）:60-63.

[2]趙先瓊，劉義倫，周 賢.回轉窯托輪力學行為的有限元分析[J].湖南大學學報：自然科學版，2002，29（6）：30-35.

[3]陳作炳，曾 芳，方 芳，等.大型回轉窯輪軸過盈接觸有限元分析研究[J].裝備制造技術，2007，（4）:3-11.

[4]許 寧，許 玥，查文煒.4000t/d單筒冷卻機托輪和托輪軸設計及配合有限元分析[J].福建建材，2011，123（4）:95-97.

[5]肖友剛，馬捷聲，陳欠根.托輪軸的應力分析及疲勞壽命預測[J].中國水泥，2005，（3）:59-61.

[6]李 兵，劉義倫，肖友剛.回轉窯托輪與軸受強壓時過盈配合的 ANSYS 分析[J].水泥工程，2004，（2）:44-47.