對輥破碎機輥子動靜態可靠性的數值模擬

楊曉東

【摘 要】 為提升對輥破碎機輥子的工作可靠性，利用三維建模軟件Proe/E及有限元分析軟件ANSYS Workbench對其進行建模并進行靜力學分析和離心力分析。本文驗證了其強度可靠且受力變形較小，通過提取、研究其模態振型及固有頻率確保了其動態性能的可靠。研究結果為產品質量的提升及相關設備的設計提供了參考。

【關鍵詞】 對輥破碎機;輥子;結構強度;模態分析

【中圖分類號】 TD451 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）01-0022-02 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

對輥破碎機就是大型礦井常用破碎設備，其動靜態可靠性直接關系到煤、矸石破碎效果。

本文以山西某大型煤礦采用的對輥破碎機為研究對象，利用有限元分析軟件ANSYS對其進行靜力分析及離心力分析驗證了其結構強度的可靠;對其進行模態分析驗證了其動態性能的可靠。通過以上分析為對輥破碎機的設計及改進提供一定參考。

1靜態可靠性分析

1.1網格劃分

由于對輥破碎機輥子的模型并不復雜，所以其建模過程在此不再贅述，只是給出其最終模型。Workbench已有Pro/E接口，但將其轉換為第三方格式能夠減少出錯，將其轉換為x-t格式以便轉入Workbench。在靜態分析過程當中默認的是ANSYS當中的Solid185單元，將40CrMo的材質屬性賦予輥子：密度7850kg/m3，楊氏模量212GPa，泊松比0.28。

使用Workbench內部的ICEM-CFD模塊劃分網格。劃分完成之后的輥子模型如圖1所示。

1.2靜力分析

邊界條件當中，以無摩擦約束模擬軸承之間的接觸條件，固定輥子的軸向竄動。施加的載荷，加載于上輥面，大小為500000N，方向豎直向下，得到其應力云圖及變形云圖如圖2所示。

由云圖可以看出，輥子的最大等效應力處在固定端的軸頸處，大小為33Mpa左右，并未達到42CrMo的屈服輕度，輥子的總變形不大。

1.3離心力分析

在對輥子進行模態分析時，必須考慮到離心力對其模態帶來的影響，所以首先計算其離心力的大小。

對輥破碎機的轉速為200r/s即10.5rad/s，由于Workbench當中轉速的添加是以角速度為單位添加的，因而有必要將其轉換為角速度。

離心力的計算還是在static structural中計算，只是將壓力改為角速度，其余邊界條件不需要改變。

得到離心力作用下輥子應力云圖及變形云圖如圖3所示。

由圖（3）a可見：滾子在工作轉速下其受到的離心應力最大為0.015352MPa，最大位移部位位于左側軸伸軸肩部位，該部位為整個滾子直徑最小的部位，與實際狀況相符;

由圖（3）b可見：輥子在離心力作用下最大變形為0.000014419mm，最大位移部位位于輥子工作面，該部位為輥子直徑最大部位，變形云圖與實際狀況相符。

2動態可靠性分析

模態分析被用于確定結構的固有頻率和振型。固有頻率和振型的計算是進行結構設計的重要參考依據。模態分析是進行瞬態動力學分析和諧響應分析等的重要依據。

在Workbench當中模態分析的計算需與靜力學分析結果偶合。將TOOL box當中的Model選項托動至靜力學分析的result選項上面，可以完成耦合。

模擬結果給出了輥子的標準轉速下的6階固有頻率以及每階模態對應的振型，見表1。

模態振型圖在此只給出比較典型的前兩階，如圖4所示。

對輥破碎機的轉速為200r/s，根據（1）算出其一階臨界固有頻率為31.831Hz，與對輥破碎機的一階固有頻率165.9Hz相隔較遠，可以判斷其不會發生共振。

3結論

對輥子施加500000N的向下載荷，此時輥子的最大等效應力處在固定端的軸頸處，大小為33Mpa左右，并未達到42CrMo的屈服輕度，輥子的總變形不大。

對輥子進行離心力分析：輥子在200R/s的轉速下，其離心力的等效應力不到1MPa，變形可忽略不計。

分析出輥子的前六階固有頻率及相應的模態振型，計算出其一階臨界固有頻率，與對輥破碎機的一階固有頻率對比，確保輥子工作遠離共振區間。

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