螺旋分級機軸頭連接結構的有限元分析比較

撰文/云南錫業機械制造有限責任公司　史川山

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螺旋分級機軸頭連接結構的有限元分析比較

撰文/云南錫業機械制造有限責任公司史川山

利用SolidWorks三維設計軟件的Simulation分析模塊，對φ2m螺旋分級機上軸頭不同的幾種連接結構進行建模，并做了有限元分析比較，對今后軸頭連接結構的進一步改進和優化設計提供了理論依據。

一、引言

螺旋分級機是重力選礦廠的主要設備之一，其構造簡單、工作穩定且操作方便，與球磨機配成閉路循環，借助固體顆粒因比重不同而在液體中沉淀速度不同的機理，來進行機械分級。主要用于磨礦回路中的預先分級和檢查分級，也可用于洗礦和脫泥等作業。螺旋分級機主要有高堰式單螺旋和雙螺旋、低堰式單螺旋和雙螺旋、沉沒式單螺旋和雙螺旋分級機，低堰式分級機目前運用較少，主要是高堰式和沉沒式。螺旋分級機主要結構如圖1所示。

圖1　螺旋分級機主要結構圖

其主要由傳動裝置、螺旋軸體、槽體、升降機構、下部支座和排礦閥等組成。

螺旋分級機的工作原理是：因為于固體顆粒的大小和比重不同，所以在液體中沉降速度不同的原理，通過螺旋軸體的轉動，對礦漿起攪拌作用，細礦顆粒浮游于礦漿上面由槽體溢流口流出，粗礦粒沉于槽底，由螺旋在攪拌的同時推向槽體上部排料口作為返砂排出。通常螺旋分級機與磨機組成閉路，將粗砂返回磨機再磨。

螺旋分級機的螺旋軸體結構如圖2所示，其通過電動機、減速器、圓柱齒輪或圓錐齒輪副進行傳動，其使用壽命決定了螺旋分級機整體工作性能和生產效率，螺旋軸體的軸頭和中空軸在螺旋分級機工作中，長期處于交變應力的作用下，軸頭、中空軸及其連接處容易發生斷裂或脫離。因此，對螺旋軸體的軸頭與中空軸的連接進行分析設計是十分必要的。本文利用SolidWorks三維設計軟件，以φ2m螺旋分級機上軸頭連接為例，對目前采用的幾種軸頭與中空軸的連接方式進行三維建模有限元分析，為進一步結構設計和改進提供合理的依據。

圖2　螺旋軸體結構圖

二、φ2m螺旋分級機主要技術參數

1.主要技術參數

（1）電機功率：15kW。

（2）電機轉速：970r/min。

（3）減速機速比：31.5。

（4）大小齒輪速比：8.5523。

（5）總速比：269.4。

（6）螺旋軸轉速：3.6r/min。

（7）中空軸規格：φ377×30mm。

2.有限元分析時零件材質相關屬性參數

有限元分析時零件材質相關屬性參數如表1所示。

表1

3. 計算中空軸所受的最大扭矩

（1）電機輸出扭矩。

式中，T為電機輸出轉矩，單位為N·m；P為電機功率，單位為kW；n為電機輸出轉速，單位為r/min。

根據平衡方程式計算電機輸出轉矩扭：

（2）中空軸所受最大扭矩。

T(軸)=T×i減×i齒

式中，i減為減速機速比；i齒為大小齒輪速比。

T(軸)=147.68×31.5×8.5523=39785N·m

三、軸連接結構的有限元分析

SolidWorks三維CAD設計軟件，除其基本的零部件三維建模和工程圖快速生成外，它還內容包括了應力分析、應變分析、變形分析、熱力分析、運動分析、線性和非線性分析等有限元分析模塊，通過對這些模塊的應用，我們可以大大地縮短設計周期，對零部件的結構進行優化設計，非常接近地模擬出產品在實際工況條件下的使用狀態，降低產品測試成本，提高產品質量。

下面就分級機軸頭幾種常用的連接方式進行建模分析比較。

1.傳統軸頭的連接方式

（1）連接方式如圖3所示。

圖3　傳統連接方式

圖3中軸頭材質為：ZG270-500；中空軸為：φ377×30鋼管，材質：20鋼；圓柱銷材質為：45鋼。

（2）利用SolidWorks軟件對軸、中空軸和圓柱銷連接建模如圖4所示。

圖4　軸、中軸和圓柱銷走接三維模型

因我們主要是分析軸頭連接處的應力分布情況，中空軸下部支座體簡化為用一軸套固定。

（3）打開SolidWorks軟件中的SolidWorks Simulation插件，新建靜應力分析算例，分析零件為：軸、中空軸和圓柱銷，并應用材質，輸入各零件材質屬性參數。連結選擇邊焊縫接頭：使軸和中空軸焊縫連接（圖5），再選擇零部件接觸為全局接觸無穿透。

（4）確定邊界條件（即軟件中的夾具）：選擇固定的幾何體，使軸鍵槽段和中空軸末端的軸套約束固定（圖6）。

（5）添加外載荷為扭矩，選擇中空軸外表面受扭，輸入扭矩為39785 N·m。

（6）生成網格如圖7所示，網格細節為：最大單元大小40mm，最小單元大小8mm，節總數131932節，單元總數71750個。

圖5　軸與中空軸縫連接

圖6　軸套約束固定

圖7　生成網格

（7）運行此算例得到如圖8～11所示的結果。

圖8　軸最大VON Mises（MPa）應力

圖9　管最大應力

圖10　軸最小安全系數

圖11　管最小安全系數

表2

在實際工作中，螺旋分級機槽為傾斜一定角度（14°）安裝，螺旋軸傾斜，除承受一定的扭力外，還承受自重、葉片自重等的徑向力和葉片推動物料的軸向力，在此分析中忽略不計。

由此算例可以得出表2中的數據，軸的最大VON Mises應力為：27.22 MPa，所在部位為軸肩直徑過處，最小安全系數為8.6，鋼管的最大VON Mises應力為46.62MPa，所在部位為鋼管與軸焊接處，最小安全系數為4.6,圓柱銷的最大VON Mises應力為11.8MPa，最小安全系數為14，此連接結構軸和鋼管的強度是滿足的，圓柱銷的安全系數為最大，在本文以下的分析中，不再專門列出。

同時，利用此模型算例，在其他條件都不變的情況下，在去除管與軸的焊縫連接(即管和軸不焊接，而只用圓柱銷連接)，得到表3所示結果。

表3

此結果可看出，如只采用圓柱銷連接，在較惡劣的工況條件下，是不可靠的，軸和鋼管在圓柱銷連接處容易發生應力屈服，在交變應力下斷裂。

此傳統的設計方案由于主軸頭采用一般鑄鋼件材質（ZG270-500），雖然理論上強度已夠，制造成本較低，但作為分級機的重要傳動零件，在實際生產過程中，其鑄造制造工藝過程的控制質量，往往對最終的產品使用效果有很大的影響。鑄件內部易產生晶粒粗大、疏松、夾渣、氣孔、裂紋和元素偏析等缺陷，并有較大的殘留內應力，其強度、塑性和韌性指標難以達到規定要求。通過有限元分析我們可以得知，在軸受扭矩的情況下，其最大應力在軸肩處，在分級機的實際工作中，常常由于礦漿濃度、返砂量的大小等，使軸頭在交變應力的作用下發生斷裂。對此我們進行了改進設計。

2.改進后的軸頭連接方式

改進后的軸頭連接方式如圖12所示。

圖12　改進連接方式

圖12中的軸頭通過軸套與中空管連接。軸頭材質改為45鋼，為節約材料降低制造成本，使之與中空軸鋼管的連接用一軸套來過渡，軸套材質為ZG270-500；中空軸為φ377×30鋼管，材質20鋼；圓柱銷為二排且在軸截面上交叉均布，材質為45鋼。

利用SolidWorks軟件，按分析傳統連接方式的步驟，輸入與傳統連接方式相同的分析數據和條件（相同的材料屬性數據、網格大小和邊界條件等），進行有限元分析結果如圖13～18所示。

圖13　軸最大應力

圖14　管最大應力

圖15　軸套最大應力

圖16　軸最小安全系數

圖17　管最小安全系數

圖18　軸套最小安全系數

由分析數據可以得出表4結果，此改進后的連接結構，軸的最大VON Mises應力為26.84MPa，所在部位為軸肩直徑過處，最小安全系數為6，鋼管的最大VON Mises應力為37.32MPa，所在部位為鋼管與軸焊接處，為4.3,軸套的最大VON Mises應力為63.41MPa，最小安全系數為3.7，所在部位為軸套與軸焊接處，此連接結構軸、鋼管和軸套的強度是滿足的。

表4

從分析數據上來看，改進后的軸頭連接方式上，軸頭的最大VON Mises（MPa）應力比傳統的連接方式要低，最大剪應力下的最小安全系數略有下降，這是因為45鋼的抗剪模量和彈性模量比ZG270-500鑄鋼低，但從制造廠的角度來說，45為軋制鋼，軸頭毛坯可直接從專業廠家購入，材料的各項性能指標容易得到保證，軸頭的制造成本降低，且質量穩定。

改進后的軸頭連接方式，在多年制造和使用過程中，偶爾出現在軸頭與軸套焊縫處發現裂紋，有的用戶和設計人員提出了再改進的方案如圖19所示。

圖19　擬改進后的連接方式

擬再改進的結構中，加長了軸套長度，并增加了一排圓柱銷連接，預期提高整個軸頭的連接強度和抗扭性。

使用SolidWorks軟件，按以上分析步驟，輸入相同的分析數據和條件（相同的材料屬性數據、網格大小、邊界條件等），進行有限元分析結果如表5所示。

表5

從以上分析數據可以看出，擬改進的連接結構，軸、鋼管和軸套的最大VON Mises應力及安全系數均與改進前相比，沒有大的改善，并略有降低，擬改進前軸頭與軸套焊縫處出現裂紋的主原因是由于焊接質量而產生的。由于軸和軸套的材質分別為45鋼和鑄鋼ZG270-500，它們均屬于中碳鋼，其焊接性能較差，且為異種鋼的焊接，其焊件剛度較大，淬硬傾向也大，焊縫區容易產生低塑性的淬硬組織，如焊接工藝控制不嚴時，焊縫金屬本身易產生熱裂紋和冷裂紋，所以軸頭的連接質量，除應充分考慮其結構的工藝性外，還應嚴格控制其制造的工藝。

四、結語

通過以上應用SolidWorks三維設計軟件，對幾種不同的分級機軸頭連接結構進行建模有限元分析，對分級機軸頭結構連接的設計和進一步的改進提供了合理的依據，SolidWorks的有限元分析法為設計者提供了方便、直觀、快捷且可靠的計算結果，雖然其分析結果為理論性的，不能完全替代產品的實際測試，但對產品的實際生產和應用仍有著較大的指導意義。本文希望通過對分級機軸頭連接結構的有限元分析，對利用SolidWorks有限元分析產品起到一定的借鑒意義。同時，希望各位同行對本文的不足之處提出寶貴意見。