搜索基于COSMOS 的粉碎机主轴有限元分析
2013-06-09 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
根据机械冲击式超细粉碎机的工作原理与工作过程,分析主轴参数和冲击过程载荷的变化,得出机械冲击式超细粉碎机的受力简化模型,利用COSMOS 进行主轴有限元分析,为精确计算零部件强度和优化设计提供依据。
作者: 张超 来源: 万方数据
关键字: 超细粉碎机 主轴有限元 COSMOS
机械冲击式粉碎设备是我国近几年发展较快的超细粉碎设备之一。由于其具有工艺简单、投资少、能耗低、粉碎比大等特点,近年来,这类设备在非金属矿物加工行业销售量呈强劲增长势头。目前对于机械冲击式起细粉碎机的设汁,国内仍缺乏成熟的设计理论及足够的设计依据。本文通过主轴受力分析,利用SolidWorks的COSMOS模块对主轴进行了有限元分析,为主轴的强度校核和设计优化提供了有效的途径。
1 机械冲击式超细粉碎机的工作原理
机械冲击式粉碎机按转子的布置方式可分为立式和卧式两大类。卧式粉碎机的转子辅水平放置,转子围绕水平轴高速回转实现物料粉碎,其结构如图1 所示。物料由料斗经螺旋给料机给人,首先被送入第一粉碎室(转子1 与转子2组成的腔体)。具有5-8 只叶片的粉碎叶轮(转子1 和转子3)其叶片有30。左右扭转角,旋转时有助于形成风压。而分级叶轮(转子2和转子的的5只叶片为径向布置,旋转时形成气流阻力,两者旋转时便在室内形成气流循环,随气流旋转的颗粒之间由此产生相互冲击、碰撞、摩擦、剪切。同时由于离心力作用,颗粒与内壁之间反复冲击、摩擦、剪切成细颗粒,经过第一粉碎室中的分级叶轮后,细颗粒随气流进入第二粉碎室(转子3与转子4组成的腔体) .其粉碎过程与第一粉碎室的基本相同。只是第二粉碎室的粉碎叶轮和分级叶轮较大,在该室造成的风压更大,颗控之间相互冲击更加激烈.粉碎能力更强,产品细度可达数微米。
2 超细粉碎机的主轴结构设计
CM系列超细粉碎机主轴上排列了4个转子和风扇,其结构决定了主轴长度较长。粉碎机长时间工作时,在颗粒冲击和摩擦等作用下不可避免地会产生大量的热量.为了补偿主轴热变形、降低内应力,将主轴支撑方式设计为一瑞游动,一端固定。由于送料端在左侧,为满足结构紧凑要求,所以将主轴动力端放置在右侧;同时为了保证动力输入端的传动精度,将右端设计为固定捕。为了方便轴上零部件装配,将主轴设计为阶梯形状。轴上磨削加工部分应有砂轮超程槽,螺纹部分应有退刀槽等。主轴结构如图2所示。
3 粉碎机的主轴系统受力分析
粉碎机的主轴上排列有转子1 , 2 、3 、4和风扇(见图1)实际物料的冲击过程非常复杂,故采用转矩分配法先进行受力简化。组件1 :转子1 和转子2简化的整体;组件2: 转子3 和转子4简化的整体;组件3: 风扇部分。另外,在转矩分配时不考虑系统的摩擦、不考虑、阻尼等因素的影响。由主轴键联接的长度与载荷性质计算零部件的转矩分配系数。
3.1 考点就荷性质的转短分配
粉碎机工作时,组件1 受颗控较大的冲击,组件2受颗位较小的冲击,组件3则可近似看作静载荷。各组件与主轴键联接的许用挤压应力设为[σp]1、[σp]2、[σp]3,(单位MPa) 。考虑载荷性质时的各组件转矩分配系数为:
3.2 综合考虑戴荷性质与键联接尺寸的转短分配
综合各键联接尺寸,可得如下考虑载荷性质与键联接尺寸的转矩分配系数:
3. 3 主轴系统受力分析
3.4 实例计算
4 主轴的有限元分析
4.1 COSMOS 模块简介
COSMOS 是完全整合在SolidWorks 中设计分析系统的,提供压力、频率、约束、热量和优化分析。为设计工程师在SolidWorks 的环境下,提供比较完整的分析手段,获得修正和优化设计所需的必要信息。
4.2 主轴静态分析与疲劳分析
在COSMOS 中,按照主输工作状态建立主轴两端的约束类型(A 为固定端,B 为浮动编) ;同时对轴施加粉碎一室的转矩、粉碎二室的转矩、风扇部分的转短、离心力和带对轴的压力载荷,运行静态分析结果如图4所示。
从运行结果知,轴的静强度是足够的.最危险部位是轴承支撑处。运行疲劳分析,结果如图5 、图6所示。
生命周期图解给出了主轴上每个节点发生疲劳破坏的循环次数。由安全系数图解知B 端的键槽部位最不安全,设计时要留有足够的圆角降低应力集中;最小安全系数2. 56,主轴疲劳强度足够。
5 小结
本文以CM 系列超细粉碎机的主轴为研究对象,根据粉碎机主轴的结构和受力特点,得出主轴的受力简化模型。在此力学模型基础之上,进行CM31 型粉碎机的力学计算,最终利用SolidWorks 的COSMOS 功能对主铀进行有限元分析。此分析可用于主铀的强度校核.并为进一步进行主轴的优化设计提供了有效的途径。该方法也可用于同类型的轴类零件的校核与优化设计。
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