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轉筒烘干機托輪軸的有限元分析

發布于:2023-07-17 19:18
有限元分析

      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。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。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,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,有限元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。
      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,支承組件的安裝圖如圖1所示。
      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,再根據軸兩端F2產生的力矩與F1產生的力矩平衡,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以Ф1.2×10m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×e3)kg/m3,彈性模量為(2.06×e11)Pa,泊松比為0.3,托輪軸及托輪的主要參數如表1所示。
      在ANSYS中建立該托輪軸的有限元模型,軸肩處為半徑5mm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52581個,節點73149個,得到托輪軸的有限元模型如圖3所示。
      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=70kN,將這些數據帶入平衡方程,用Matlab解得α=31.9807°,F2=575N,F1=279N,進而可算得qx2=220260N/m,qy1=427.63N/m,qy2=385548N/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,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。


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