立式輥磨機磨盤的疲勞強度分析

周健

【摘?要】立式輥磨機是現在應用比較廣泛的大型研磨設備，與其他研磨設備相比具有結構緊湊、投資費用低、生產效率高、操作簡單、維修方便、產品質量穩定、節能環保等優點。由于立式輥磨機是利用料床原理進行粉磨，這就避免了磨盤與磨輥之間的撞擊與磨損，其最明顯的優點就是粉磨效率高、產生的噪音很小及電量消耗較低。

【關鍵詞】立式輥磨機;磨盤;強度分析;疲勞分析;

立式輥磨機的結構和工作原理，對關鍵部位進行了受力分析。運用Pro/E三維軟件建立磨盤的三維實體模型，應用有限元軟件對磨盤進行強度分析。分析結果表明：磨盤的最大應力值出現在磨盤外側從下往上的第1個拐角附近，最大應力值為22.727MPa，遠小于磨盤材料的屈服強度。同時采用有限元軟件對磨盤最大應力處進行疲勞分析，得到磨盤的疲勞安全系數、疲勞壽命及失效情況等數據，為以后磨盤的設計提供理論參考依據。

一、優化思路

使用Ansys有限元分析軟件為工具，對磨盤進行強度分析、疲勞分析及優化設計，具體思路如下所示：（1）首先對磨盤進行初步分析，通過計算磨盤運行時所受到的載荷，加載到磨盤的模型上，通過軟件分析磨盤的應力分布及形變狀況，可以初步觀察磨盤的應力集中的位置、大小及形變量等情況，為下一步分析提供參考依據。（2）然后對磨盤進行疲勞分析，由于磨盤受到周期性載荷的作用，磨盤的疲勞壽命受到影響，在磨盤具有應力集中的情況下，疲勞壽命減少得更為明顯，通過尋找疲勞壽命薄弱的地方，從而進行避免和改進，這樣可以明確優化的目標。（3）明確優化目標之后，先對磨盤的結構作合理改進，再使用軟件的優化分析功能對新結構進行優化分析，之后根據分析的結果再次調整磨盤的結構，最終得出完善的設計。

二、磨盤的拓撲優化

ANsYS提供拓撲優化技術，用于確定系統的最佳幾何形狀。其原理是在使系統材料發揮最大利用率的同時，確保諸如整體剛度、自振頻率等在滿足工程要求的條件下獲得極大值或極小值。拓撲優化時，對網格的要求不是很高，可采用細而均勻的網格。但若優化執行次數過多、網格過細，則會造成運行時間過長。

三、分析模型的建立和受力

1.磨盤實體模型的建立。立磨的類型很多，結構和功能各有特色，但基本結構大同小異，它們都具有傳動裝置、磨盤、磨輥、噴口環、液壓拉伸裝置、選粉裝置、潤滑系統、機殼等，其主要工作原理也基本相同。對立式磨輥機的工作原理、過程和基本構造有一定的了解后，根據某廠的磨盤尺寸，應用Pro/E建模軟件建立磨盤的三維實體模型。

2.受力分析。立式輥磨機的磨粉部分由1個磨盤和4個磨輥組成。物料經中心進料管落入磨盤中央，由于離心力作用慢慢移動到磨盤邊緣，進入碾磨軌道，在磨輥與磨盤間碾壓粉碎，并在磨盤上形成料床。在整個碾壓過程中，物料經過反復碾壓進一步地粉碎，物料主要受到磨輥的壓力和磨盤與磨輥之間相對運動時產生的剪切力，所以物料主要是沖擊粉碎和剪切粉碎。

四、分析強度

磨盤的材料為ZG35，其基本屬性參數：彈性模量為2e+005 MPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，許用應力為250 MPa。在進行疲勞強度分析之前先進行強度分析，由磨盤的受力分析可知，4個磨輥均勻分布在磨盤上，分別給磨盤施加4個碾壓力，經計算得4個碾壓力均為16.5 MPa，分別作用在121.3 mm×630 mm的小長條上，又由于磨盤是直接與電機的輸出軸通過法蘭聯接的，所以在磨盤的底部施加一個固定約束。

由Workbench分析結果可知磨盤應力集中的地方在磨盤外側第2個轉彎處，應力集中主要在4個受力面下面的拐角處，有小圓圈的位置就是應力集中的位置。

另外，利用有限元分析軟件對磨盤的強度進行分析，可得最大應力為22.727MPa，最大位移為0.195 22 mm，最小安全系數為11。

五、疲勞強度的分析

金屬構件經過一段時間交變應力的作用后發生的斷裂現象稱為“疲勞破壞”，簡稱疲勞。在靜應力作用下，機械零件的失效形式主要是斷裂和塑性變形。在變應力作用下，構件的主要失效形式是疲勞斷裂。所以對大型構件做疲勞分析是非常有必要的，不僅可以更了解構件的受力疲勞情況，而且可以預防減少工程意外的發生，保護工人的人身安全。磨盤在轉動過程中，不斷受磨輥碾壓物料時由物料傳遞到磨盤上的力，且磨盤轉動一圈，4個磨輥在磨盤上碾壓循環一圈，所受的力是有周期性的，根據前面給定的參數及計算的數據可以計算出磨盤受力的循環次數，再利用Aansys有限元分析軟件計算出磨盤的最大使用壽命、疲勞敏感性、安全系數及損傷等相關數據與曲線。先由材料的特性可知該材料的S-N曲線，其循環次數與變交應力的列表。隨著應力水平的降低，循環次數（壽命）迅速增加。當應力為86.2 MPa時，循環次數就達到了600萬次，磨盤的最大應力為22.727 MPa。所以磨盤的使用壽命還是有比較大的上升空間的。從前面的分析可知，磨盤在運動的過程中是循環的，有周期性，但所受的力是不均勻的，所以就導致了磨盤振幅是不恒定的，但假設是比例載荷的情況，就要在分析磨盤的疲勞強度時給磨盤定義一個不恒定的振幅載荷歷程數據及平均應力對其的影響。根據磨盤運動情況及受力環境的分析，在Ansys中選取比較合理的不恒定的振幅載荷歷程數據及平均應力對其的影響曲線圖（Ansys系統中已定義的），運用有限元軟件的疲勞分析功能—fatigue tool對磨盤進行疲勞分析。在分析過程中的參數設置，疲勞強度因子為0.8，比例因子為0.005，在分析疲勞敏感性時，定義一個最小基本載荷變化幅度為50%和一個最大基本載荷變化幅度為200%的2個交互應力。可以得到疲勞敏感性特性曲線。從分析結果可以得出，應力幅在0～57MPa，平均應力在-56.71～114 MPa。又由疲勞敏感性曲線可以看出曲線的主要變化在80%～120%，變化范圍還是圍繞強度分析出的等效應力在變化，最大的可用壽命為1.17e6，大于其設計壽命，完全符合要求;雨流”陣列（略）指出了在每個平均值和范圍值下所計算的循環次數，較高值表示這些循環的將出現在載荷歷程中，在一個疲勞分析完成以后，每個“豎條”（即循環）造成的損傷量將被繪出，對于“雨流”陣列中的每個“豎條”，顯示的是對應的所用掉的壽命量的百分比。雨流圖中顯示cycle counts絕大多數是在低平均應力和低應力幅下的;損傷陣列（略）顯示的是指定的實體的評定位置的損傷，它反映了所生成的每個豎條損傷的大小。

總之，運用Pro/E三維建模軟件建立磨盤的實體模型，并利用有限元分析軟件對磨盤進行強度分析，得到了磨盤應力集中的具體位置和最大應力為22.727MPa，遠小于磨盤材料的屈服強度，最大位移也在合理的范圍之內;對磨盤進行了疲勞分析，主要是對應力集中的關鍵部位進行疲勞分析，這樣得出的數據更有說服力。初步確定了磨盤的使用壽命及疲勞和損傷主要發生在低應力幅和低平均應力的情況下。這就為以后的設計提供了理論依據。

參考文獻：

[1]趙義生.淺談立式輥磨機磨盤的疲勞強度分析.2018.

[2]陳方霞.盤輥式磨粉機設計中核心技術問題的分析與研究.2019.

（作者單位：重慶建合石粉有限責任公司）