盤輥破碎機輥子心軸的抗疲勞設計研究

康新亞，王亞安，尹躍峰

（1.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450007 2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司/甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心，甘肅蘭州 730314）

盤輥破碎機輥子心軸的抗疲勞設計研究

康新亞1，王亞安2，尹躍峰1

（1.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450007 2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司/甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心，甘肅蘭州 730314）

鑒于盤輥破碎機運行環(huán)境復雜、工作條件惡劣、疲勞破壞尤為明顯的特點，針對盤輥破碎機的關鍵部件輥子心軸進行研究，對其劃分有限元網(wǎng)格并進行靜應力分析，得出其等效應力圖解、合位移圖解以及安全系數(shù)圖解。在此基礎之上，運用SolidWorks Simulation有限元軟件的疲勞分析模塊，進行輥子心軸的疲勞分析，得出輥子心軸的損壞百分比圖解和生命總數(shù)圖解，從而可知輥子心軸符合設計要求，在一定程度上為該破碎機及同類型破碎機的研發(fā)提供了理論依據(jù)。

抗疲勞；盤輥破碎機；應力分析；疲勞分析

0 引言

隨著科學技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)設備承受的交變應力越來越高，疲勞破壞問題日益突出，給航空、交通運輸、動力機械、工程機械等工業(yè)造成了嚴重威脅。在現(xiàn)代工業(yè)各個領域中，大約有50%～90%以上的結構強度破壞都是由于疲勞破壞造成的，如軸、曲軸、連桿、齒輪、彈簧、螺栓和焊接結構等，很多機械零部件的結構件的主要破壞方式都是疲勞[1,2]。盡管近十幾年我國的機械制造業(yè)發(fā)展迅猛，機械產(chǎn)品的出口大幅增長，品質也越來越好，但是客觀地說，機械產(chǎn)品的設計水平及其信息化程度仍然有待提高，特別是產(chǎn)品的抗疲勞設計水平較低，直接影響了企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力以及產(chǎn)品品質。因此，機械零件的抗疲勞設計和制造已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要課題之一。

破碎機廣泛運用于礦山、冶煉、建材、公路、鐵路、水利和化學工業(yè)等眾多行業(yè)，其運行環(huán)境復雜，工作條件惡劣。鄂式破碎機、圓錐破碎機、齒輥式破碎機和沖擊式破碎機等物料破碎設備是許多行業(yè)如冶金、礦山、建材、化工、陶瓷、筑路等不可缺少的重要設備。近年來，為了滿足生產(chǎn)上的需求，破碎機的發(fā)展方向是大功率、大破碎比，甚至是自動化程度高的大型移動式破碎機組，這就對破碎裝置提出了新的要求。

1 PG406型盤輥破碎機簡介

PG406型盤輥破碎機是一種新型的以碾壓為主兼有擠壓機理的大型單元破碎機，適用于莫氏硬度6度以下的物料，可將40 mm的礦石等物料一次破碎至6 mm以下，破碎比大，生產(chǎn)率250～400 t/h，在多種生產(chǎn)場合可以替代傳統(tǒng)的鄂式、圓錐、齒輥式和沖擊式破碎機，主要由分料器、下料器、減速器、輥子、碾壓盤等部分組成。目前該設備已經(jīng)調試投入使用，但存在噪音大、振動大的情況，直接影響工人的工作環(huán)境和設備的使用壽命。其中，輥子心軸作為該盤輥破碎機關鍵的受力和工作部件，對整機的使用性能、工藝性能及整機成本有重要影響。

本文通過SolidWorks Simulation有限元分析軟件對關鍵部件輥子心軸進行詳細的靜力學分析及疲勞壽命分析，旨在為PG406型盤輥破碎機輥子心軸的校核及疲勞壽命分析提供有力的理論依據(jù)，從而為后續(xù)設計節(jié)約材料、降低制造成本。

2 盤輥破碎機的輥子心軸結構簡圖及工況分析

圖1所示為盤輥破碎機的輥子的結構，輥子心軸所選用的材料為45鋼，輥子心軸安裝軸承的部位的直徑為φ220 mm。盤輥破碎機的四個輥子與碾壓盤耐磨板之間的間隙為6 mm，工作時四個從動輥子與主軸驅動的碾壓盤上的耐磨板之間靠擠壓將物料粉碎，最大壓力達到2 400 kN，由于在使用過程中，受力狀況極為惡劣，會出現(xiàn)不同工況，所以要求在工作時具有足夠的安全系數(shù)。在滿足強度的前提下，獲得最優(yōu)結構尺寸和質量，以滿足經(jīng)濟性的設計要求。

圖1 PG406型盤輥破碎機 的輥子結構

3 輥子心軸3D模型的建立

SolidWorks Simulation對來自SolidWorks的零件和裝配體的幾何模型進行分析，該幾何模型必須能用正確的、適度小的有限單元進行網(wǎng)格劃分，通常情況下，需要修改CAD幾何模型以滿足網(wǎng)格劃分的要求[3]。由于本模型為對稱實體且結構相對簡單，故在進行SolidWorks Simulation有限元分析時可直接對其進行網(wǎng)格劃分和計算。

4 Simulation靜力學分析計算

SolidWorks Simulation是一款基于有限元（即FEA數(shù)值）技術的設計分析軟件，通過給模型分配材料屬性，定義載荷和約束，再使用數(shù)值近似方法，將模型離散化以便分析[3]。FEA在結構分析中提供位移、應變和應力的解，大多數(shù)情況下，使用von Mises應力作為評價結構安全的度量值[4]。由于疲勞分析是基于靜力分析的應力結果進行的，因此應先對輥子心軸進行SolidWorks Simulation有限元靜態(tài)分析。

PG406型盤輥破碎機的輥子心軸的Simulation有限元靜態(tài)分析過程如下：

（1）設置材料屬性：定義輥子心軸的材料為45鋼，其中彈性模量E=206 GPa，泊松比u=0.3，屈服強度為σs=355 MPa。

（2）添加約束并施加載荷：輥子心軸中間兩個φ220 mm軸肩通過滾動軸承與輥子相配合，因此在Simulation中設置為固定幾何體，將其完全固定約束。心軸一段通過上部液壓缸與上殼體相連接，另一端通過銷軸與輥子調整塊相連接，破碎機在工作時，上部液壓缸向下對輥子心軸施加150 kN的壓力，輥子調整塊對心軸施加向下150 kN的拉力，因此分別對兩孔施加150 kN的載荷，來模擬實際工作時的受力情況。

（3）網(wǎng)格劃分：為達到較好的模擬能力，SolidWorks Simulation采用二階實體四面體單元劃分實體幾何體，每個二階實體四面體單元有10個節(jié)點，并且每個節(jié)點有3個自由度。默認的網(wǎng)格設置使離散化誤差保持在可接受的范圍內，同時使計算時間較短[3]。對碾壓盤模型采用高品質單元創(chuàng)建網(wǎng)格，具體參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)格劃分參數(shù)

圖2 實體模型的網(wǎng)格劃分

（4）算例求解：對模型進行靜態(tài)分析，求解結果如圖3、圖4所示。

圖3 等效應力云圖

圖4 合位移云圖

圖5 安全系數(shù)云圖

從圖3、4、5可以看出，輥子心軸的最大等效應力von Mises為209.8 MPa，發(fā)生在與上部液壓缸聯(lián)接的銷孔處，小于材料的屈服強度355 MPa，最大合位移為0.334 7 mm，有較高的安全系數(shù)n=1.7，完全滿足設計要求，模型是相當安全的，因此可以通過優(yōu)化分析得到新的設計數(shù)據(jù)，從而減少材料浪費，達到良好的經(jīng)濟性的目的。

5 疲勞分析

（1）疲勞分析相關項目的確定 定義分析事件類型為指定的恒定循環(huán)，循環(huán)次數(shù)為1 000，負載類型為基于零（LR=0），相關聯(lián)的事件為上述已經(jīng)分析過的靜態(tài)分析，確保比例值為1；在疲勞屬性中設定為隨意交互作用，改變計算交替應力的手段為對等應力（von Mises），平均應力糾正采用Gerber方法，疲勞強度縮減因子（Kf）設定為1；定義計算交替應力手段為結果選項定義為輥子心軸整個模型。

（2）結果分析及強度校核 在進行了靜態(tài)分析后，即可對承壓容器進行疲勞分析，所得疲勞分析結果如圖6、圖7 所示。

圖6 輥子心軸損壞百分比圖解

圖7 輥子心軸生命總數(shù)圖解

由圖6、7 可以看出，輥子心軸、經(jīng)過1 000次承載循環(huán)后，其最小生命周期為106次，最大生命周期為1.001×106次，遠大于設計循環(huán)次數(shù)100 000 次，故此處高壓容器的整體結構滿足n＝100 000 次條件下的疲勞強度要求。

6 結語

本文介紹了新型盤輥破碎機的應用場合及其構成，然后建立了輥子心軸的結構模型，在進行疲勞分析前對載荷結構進行了靜態(tài)分析計算，獲取輥子心軸的應力、合位移、安全系數(shù)的相關信息；隨后在定義設計疲勞曲線（S-N 曲線）的基礎上，利用SolidWorks Simulation對輥子心軸進行了疲勞分析，得出了輥子心軸的使用壽命等相關數(shù)據(jù)，使破碎機關鍵部件的設計與疲勞分析結合起來，從而合理的進行結構設計，提高設計的效率與經(jīng)濟性，縮短設計周期，降低生產(chǎn)成本。該分析在理論上為以后進行其他同類型輥子心軸的設計、檢驗以及安全評估有一定的參考價值。

[1] 王珉. 抗疲勞制造原理與技術[M]. 南京：江蘇科學技術出版社，1999.

[2] 郭攀成，屈蘭鋒. 現(xiàn)代抗疲勞制造應用技術研究與發(fā)展[J]. 蘭州工業(yè)高等專科學校學報，2011(18).

[3] 葉修梓，陳超祥. SolidWorks Simulation基礎教程(2010版)[M].北京：機械工業(yè)出版社2010.4.

[4] 胡明振，彭會清，劉艷杰. 基于COSMOS的永磁盤式強磁選機磁盤結構優(yōu)化設計[J].礦山機械，2011(39).

Anti-fatigue design research of the center spindle of plate-rolling crusher’s roller

KANG XinYa1，WANG Ya’an2，YIN YueFeng1
（1.No.6 Institute of Design and Research of Machine Building Industry, Zhengzhou 450007, Henan, China；2.Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute Co.,Ltd./Gansu Engineering＆Technology Research Center For Casting and Forging, Lanzhou 730314,Gansu, China）

In consideration of the complex environment and working conditions, especially the fatigue damage, this article performs the static stress analysis by dividing the fi nite element grid after the center spindle studying of the plate-rolling crusher’s roller, concluding the equivalent stress diagram, the resultant displacement diagram and the safety coeffi cient illustration. On the basis above that, it gets the center spindle’s damage percentage diagram and the total life diagram through the fatigue analysis of the center spindle, applying the fatigue analysis module of the fi nite element software SolidWorks Simulation. In view of the fatigue analysis results, it is concluded that the roller’s center spindle conforms to the design requirements, providing theory basis for the same kind of crushers’ research and development to some extent.

anti-fatigue; plate-rolling crusher; stress analysis; fatigue analysis

TG115；

A；

1006-9658（2017）02-0029-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.010

2016-09-13

稿件編號:1609-1549

康新亞（1962—），男， 高級工程師，從事工業(yè)爐及余熱利用等非標設備的設計及研發(fā)工作.