快換式研磨機外筒體軌道設計及應力仿真

夏維臣，楊權，吳波，孫飛，西成才

（1.宿州學院高端微納研磨裝備校企協同創新工程中心，安徽宿州 234000；2.安徽儒特實業有限公司，安徽宿州 234000；）

在工業飛速發展的當前社會，精細化研磨加工也在快速發展，安徽儒特實業有限公司生產的RTSM-0.2 臥式研磨機研磨顆粒目前已達到微米級，有效提高了研磨墨水材料的研磨水平[1]。哈爾濱商業大學的李鷺通過對砂磨機研磨過程的研究，以研磨過程為研究對象，再對其進行了數學建模和仿真分析，得到了磨砂機在研磨過程中有待改善的地方，為研究研磨過程提供了一定的參考[2]。

研磨設備作為工業發展過程中的重要內容，對其結構進行輕量化設計已成為包括工程機械在內的制造業的發展趨勢[3]。

陳建通過試驗探討了研磨過程中磨料粒度，研磨壓力和研磨速度等工藝參數對工件表面粗糙度及殘余應力的影響。試驗結果表明，磨料粒度和研磨壓力對工件表面粗糙度的影響較大，而研磨速度的影響較小，研磨使工件表面產生殘余壓應力，殘余壓應力隨磨料粒度、研磨壓力及研磨速度的增大而增大[4]。

1 運行軌道建模與有限元分析

1.1 筒體建模、設計軌道建模

根據測量數據，利用Soildworks2019 建立研磨體模型，保存為x-t 格式，導入到Workbench 中，分別賦予模型不同零部件材料屬性，利用軟件計算筒體質量，筒體三維模型示意圖見圖1。

圖1 筒體三維模型示意圖

為了得到設計軌道所需要的承受力量，此處利用軟件求得整個筒體質量為79.993 kg，在筒體的日常維護和清洗過程中，由于筒體質量較大，不容易進行拆卸保養，因此，進行軌道設計，具備快速拆卸，重量輕便的特點。設計思路如下：在筒體四個底座部分，設計滑塊結構，滑塊弧面30 mm，滑塊下面連接實心圓柱導軌，導軌直徑30 mm，長度500 mm，軌道見圖2。四個滑塊的長均為64 mm，寬為40 mm，高度為15 mm，滑塊見圖3。將前文設計的零件和筒體依次進行裝配得到以下整裝圖，整裝見圖4：

圖2 軌道三維模型示意圖

圖3 滑塊三維模型示意圖

圖4 整裝模型示意圖

1.2 軌道受力分析及有限元分析結果

筒體的質量通過滑塊傳遞到軌道，考慮到筒體是對稱結構，單個軌道承受筒體質量的一半，因此只需要對單軌道進行應力分析即可。

軟件ANSYS workbench 有結構力學分析功能。建立單軌道模型，把三維模型轉化為x-t 格式，導入到Workbench 靜力學模塊，對軌道進行網格劃分，產生網格2573 個，節點數473 個，見圖5。通過受力分析，得到軌道受力399.965 N，在軌道平面施加載荷，同時考慮軌道底部固定在研磨機座，對地面施加固定約束，見圖6。

圖5 軌道網格劃分示意圖

圖6 軌道變形示意圖

從圖中可以看到，軌道變形最大量5.9645E-10 m，發生在軌道中心，符合實際情況。但是變形量相對于軌道尺寸太小，不會對軌道產生影響。得到應力結果示意圖見圖7。從圖中可以看出，軌道最大應力為0.30933 MPa，最大應力產生在軌道兩端，因為兩端固定，發生了應力集中現象。考慮到選用的材料為不銹鋼，屈服應力310MPa，產生的應力遠遠小于材料的屈服強度，不會造成損壞。但是該軌道質量較大，不方便人工拆卸和安裝，為了減輕質量，方便拆裝，則需要進行輕量化設計。

圖7 實心軌道變形示意圖

2 軌道輕量化設計

單個實心軌道質量2.7744 kg，考慮到受力對軌道影響較小，因此采用輕量化設計，湯歷平研究表明當固定圓桿橫截面積時，設計桿件的橫截面可使其具有較強的抵抗失效與破壞的能力，針對這一問題，通過研究拉壓、扭轉和彎曲等載荷形式，分析了截面形狀對圓桿強度、剛度和穩定性的影響。結果表明，桿件截面形狀與尺寸的變化對其強度、剛度和穩定性具有很大的影響[5]。圓形軌道空心化處理，圓環直徑應滿足圓柱直徑的10%，具體設計見圖8：

圖8 軌道輕量化設計

為了便于筒體清洗，延伸軌道長度500 mm，同時設計了支撐軌道。建立了軌道，延伸軌道，支撐架并進行了裝配。具體示意見圖9 所示；其中軌道，延伸軌道采用套裝結構，支撐架采用圓角處理。裝配后模型見圖10 所示。軌道輕量化后的質量為21.209 kg，而輕量化前質量27.7216 kg。輕量化后軌道的重量減輕了6.5126 kg，得到輕量化的程度達到了23.5%。

圖9 支撐軌道模型圖

圖10 軌道裝配模型圖

3 軌道輕量化結果分析對比

在經過輕量化后，對整體裝配軌道進行靜力學特性分析，依舊使用ANSYS 軟件workbench 模塊中的靜力學分析。將三維模型保存為x-t 格式導入到workbench 靜力學分析中，對整體裝配軌道進行網格劃分，產生網格59595 個，節點數12998個。可以得知，單元格和節點相對于輕量化之前有所增加，主要原因是輕量化后產生很多比較小的邊界尺寸，網格更加細化造成的，見圖11。

圖11 軌道網格劃分示意圖

筒體主要在水平軌道上進行滑動，軌道受力不變，為軌道上表面的力載荷，方向垂直向下，在平行軌道表面分別添加承受力399.965 N，對地腳和水平軌道右端面施加固定約束，見圖12。添加軌道變形和應力，進行求解通過計算，得到變形結果見圖13：從圖中可以看到，裝配軌道變形最大量6.1472E-6 m，發生在延伸軌道與支撐架連接處。變形量相對于軌道尺寸太小，不會對筒體在軌道上的運行產生影響。得到應力結果示意圖見圖14。從圖中可以看出，軌道最大應力為2.0738 MPa，最大應力產生在軌道右端，因為兩端固定，發生了應力集中現象。考慮材料為不銹鋼，屈服應力310 MPa，產生的應力還是遠遠小于材料的屈服強度，不會造成安全損壞。

圖12 施加載荷示意圖

圖13 軌道變形示意圖

圖14 整體應力示意圖

分析結果表明，裝配后的軌道所承受的應力為2.0738 MPa，產生的應力遠遠小于材料的屈服強度，滿足設計要求。

4 結論

（1）參考實物研磨機和筒體的結構，對研磨機筒體進行了改造，對此進行設計出軌道。利用Soildwoks2019 建立了軌道和軌道支架的三維模型，包括筒體軌道、筒體地腳滑塊和整體裝配的模型圖。

（2）對研磨機筒體軌道靜力學分析，結果表明：軌道在使用過程中，軌道變形最大量5.9645E-10 m，軌道最大應力為0.30933 MPa，最大應力產生在軌道兩端，因為兩端固定，發生了應力集中現象。考慮到選用的材料為不銹鋼，屈服應力310MPa，產生的應力遠小于材料的屈服強度，不會造成安全損壞。

（3）為安裝和拆卸軌道方便，對軌道進行了輕量化設計。主要對軌道進行通孔處理，軌道輕量化后的質量為21.209 kg。為了便于筒體清洗，延伸軌道長度500 mm，同時設計了支撐軌道。建立了軌道，延伸軌道，支撐架并進行了裝配。輕量化后的軌道力學特性表現為：裝配后研磨機筒體軌道最大應力為2.0738 MPa，裝配軌道變形最大量6.1472 E-6 m。產生的應力遠小于材料的屈服強度，不會造成損壞。