立式磨粉機磨輥軸結構優化與疲勞特性分析

胡向宇，王海鵬，胡記偉，曾勇

（1.湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068；2.江蘇工程職業技術學院智能制造學院，江蘇 南通 226007；3.武漢烽火技術服務有限公司，湖北 武漢 430205）

立磨是目前廣泛使用的粉末設備，在工作過程中，磨盤在電機的帶動下自轉，物料持續地從磨盤上方落到磨盤上并在摩擦力的作用下隨磨盤旋轉并向磨盤邊緣做離心運動，進料的連續性保證了磨盤上有相對穩定的料層；同時，磨輥在自重和加壓裝置的壓力下，緊壓在磨盤上的料層上對物料進行粉磨。加壓裝置提供的壓力通過搖臂、動臂、磨輥軸等傳遞到磨輥；磨輥軸一端與動臂固定，另一端通過軸承與輪轂配合，輪轂上固定有磨輥。

磨輥對料層有很大的粉磨壓力，同時由于磨輥受物料摩擦力的作用，使得其自身還會繞磨輥軸自轉，這樣使得在軸承處產生大量的熱量，因此，在磨輥結構中通常設計有軸承腔，軸承腔通過潤滑油路與磨粉機外的潤滑站連通，以循環流動的潤滑油液完成軸承的冷卻與潤滑，軸承腔兩端還會各有一個空氣密封腔，以進一步隔絕軸承腔，空氣密封腔也是通過相應的管路與磨粉機外的空氣泵連通。典型的磨輥軸上有幾個細長孔，這幾個細長孔便充當了軸承腔和空氣密封腔與外界進行潤滑油與氣體交換的通路，磨輥軸為實心軸，細長孔的加工工藝難度很大，這給生產造成了一定程度的不便。

針對以上問題，本文在對傳統錐形磨輥結構進行分析的基礎上，對磨輥軸進行了優化設計，并將優化設計后的磨輥軸與傳統磨輥進行了靜力學、模態分析與疲勞壽命等方面的分析比較，為以后的磨輥軸設計提供參考。

1 典型磨輥結構分析

1.1 結構建模與分析

如圖1 所示為典型錐形磨輥結構簡圖，磨輥軸右端與磨輥輪轂通過一個圓柱滾子軸承和一個雙列滾子軸承連接，外側分別有密封圈組成軸承腔，軸承腔通過磨輥軸內的細孔與外界潤滑站連通，軸承腔兩側各有一個高壓空氣密封腔，磨輥軸上也分別有兩個孔與空氣密封腔對應。磨輥軸左端與動臂固定(左端臺階為固定區域，動臂未表出)，磨輥軸的主要技術參數如表1 所示。

表1 磨輥軸主要技術參數

1.2 受力分析

工作過程中，磨輥軸與水平面夾角15°,根據文獻[6]中的數據，磨輥總研磨力135t，假設磨輥與物料作用區域受力均勻，則每個軸承約受如下力的作用：

其中，Fa 和Fr 分別代表軸向力和徑向力。根據四大強度理論的應用條件，此處選第四強度理論校核磨輥軸的靜強度，即：

其中，σ 為主應力，σ1、σ2、σ3、分別代表三個方向的主應力，[σ]為材料的許用應力根據以上計算結果，在ANSYS 中對磨輥軸進行了靜態有限元分析，得到如圖2 所示的等效應力分布圖與變形云圖。從圖中可以看出，磨輥的最大應力分布在與動臂的連接點的頂部和底部，最大應力約為1.2E3 MPa；磨輥軸最大變形量約4.3mm，位于磨輥軸最右端，總體變形量很小。

圖2 磨輥軸等效應力分布圖（左）與變形云圖（右）

2 結構優化分析

考慮到傳統磨輥軸加工過程中細長孔的加工難度大，本文對磨輥軸結構做了改進，改進后的磨輥軸剖視圖如圖3 所示。

圖3 粉磨截面圖

改進后的磨輥軸外幾何與傳統磨輥保持一致，內部呈空腔形，是由圓鋼管與等直徑的圓盤焊接而成，在圓鋼管壁上和圓盤上打螺紋孔，螺紋孔內側與外絲接頭固定，外絲接頭另一端通過相應管路與油泵或空氣泵連通。

空心結構的磨輥軸不可避免地會對磨輥軸的承載能力等方面造成一定程度的影響，下文主要針對不同壁厚的磨輥軸對其工作特性做仿真分析。

3 工作特性分析

3.1 應力分析

設壁厚為h，在20～50mm每隔5mm取段分別進行計算，得到如圖4 所示的最大應力/變形圖，從圖中可以看出，隨著磨輥軸壁厚的增加，其所受的最大應力與最大變形均呈線性下降趨勢，當壁厚達到50mm 時，磨輥軸所受的最大應力以及其最大變形與實心軸基本相等。

圖4 磨輥軸最大應力/變形圖

3.2 模態分析

在預應力下對實心軸做模態分析，得到如表2 所示的六階變形狀態。

表2 實心磨輥軸六階變形

同時，不同壁厚空心軸的模態分析與變形量分析結果如表3 所示，從數據可以看出，模態頻率與壁厚的關系比較小，而振動的最大變形量隨壁厚的增加而緩慢減小。

表3 磨輥軸壁厚與頻率&最大變形關系表

在振型分析上，壁厚20mm 軸的二階模態與六階模態和壁厚為25mm 時的六階模態均出現了磨輥軸壁徑向壓縮的情況，如圖5 所示為壁厚為25mm 磨輥軸的六階變形云圖，從圖中可以看出，磨輥軸的最大變形處位于兩軸承中間，最大變形量達到了0.14m。因此，仿真結果表明，空心磨輥軸的壁厚如果過薄，會造成振動量過大以及在特定載荷頻率下發生徑向壓縮的情況。

圖5 壁厚25mm 磨輥軸六階變形云圖

3.3 疲勞分析

此處設磨輥受力大小呈余弦變化，受力均值為135t，振幅25t，頻率為1Hz，在nCode DesignLife 中對磨輥軸進行壽命分析，分析模型與結果如圖6 所示。分析結果表明，在所述工況條件下，實心軸的應力循環次數為9.79E4，同時，隨著磨輥軸壁厚的增加，磨輥軸的應力循環次數呈線性增長趨勢，當壁厚增加到50mm時，空心軸的循環次數基本達到實心軸的水平。

圖6 nCode DesignLife 疲勞分析

4 結語

本文淺述了常規立式磨粉機錐形磨輥的基本結構，對磨輥結構中磨輥軸的使用情況進行了分析，考慮到磨輥軸加工過程中細長孔加工工藝難度比較大的問題，提出了新型的空心磨輥軸結構，在ANSYS 及nCode DesignLife 中對新舊磨輥軸做了應力、模態及疲勞壽命等方面的仿真比較。通過分析，得到以下結論：

（1）空心軸隨著壁厚的增加，其所受最大應力和其最大變形量基本呈線性增加，當壁厚達到50mm 時，最大應力和最大變形量與實心磨輥軸基本相同；（2）壁厚過小的空心軸會引起磨輥軸被徑向壓縮的情況；（3）隨著壁厚的增加，磨輥軸的疲勞壽命基本呈線性增加趨勢，當壁厚達到50mm 時，疲勞壽命基本與實心軸相同。