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磨粉机磨辊轴有限元分析及结构优化

磨粉机广泛应用于矿山、冶金、化工和建材等领域对矿料进行粉磨加工。随着工业技术的发展,对磨粉机系统改造及运行提出了更高的要求。河南红星机械有限公司研究开发的新型盘辊式磨粉机是一种耗能低、产能高的粉磨设备,尤其是该设备中采用的磨辊快速移出 ,有效 了以往磨辊部件维修难的问题。

新型磨粉机

1、新型磨粉机及磨辊移出 的组成和工作原理

新型磨粉机主要由底座、主电动机、减速器、磨盘部件、磨辊部件、液压缸和分级机等组成。该新型磨粉机采用一盘托6辊的形式,磨辊均匀分布于磨盘之上,分别由六个液压缸单独控制。

磨粉机工作时,气流通过进气口沿壳体内壁进入磨粉机,在机体内部形成高速旋转向上的气流,同时原料从进料管落入旋转磨盘的中间部位被分散,在离心力的作用下进入到磨辊与磨盘组成的楔形工作腔,粉磨后的细颗粒物料被高速旋转的气流带到机体上部,通过分级机后被收集。

工作时,在液压缸的作用下,磨辊处于实线位置。由于粉磨过程中物料与辊盘之间存在较大摩擦,使得磨辊与磨盘磨损较快,需要经常修补或更换。在对磨辊或磨盘等易损部件维修或更换时,液压缸中的活塞杆回缩,先带动磨辊轴和磨辊一起绕销轴逆时针旋转一定角度,而后继续带动磨辊轴和磨辊连同支撑门绕另一销轴顺时针旋转到虚线位置,使磨辊移出到磨粉机外部,机壳体敞开,为维护提供了较大的维修空间(该 已申报国家发明专利)。

从新型盘辊式磨粉机的工作原理可以看出,磨辊轴是一个受力较大的悬臂轴,又是该机的关键部件,直接影响到磨粉机的工作性能。因此,对磨辊轴进行详细的力学分析和研究,设计出合理结构是必要的。

磨粉机

2、磨辊轴的有限元分析

有限元法是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法,广泛应用于零件的应力、应变和动态响应计算及结构优化分析中。对磨辊轴进行分析之前,需要对几何模型进行修改,以满足网格划分的要求。为获得正确的、适度小的有限单元网格,将磨辊轴的一些不重要几何特征消隐,如阶梯孔、螺钉孔、油孔和气孔等。

磨辊轴的有限元分析过程如下:

(1)运用创建实体模型。

(2)建立新算例,根据磨辊轴的工作特性和加工工艺性,选定磨辊轴材料为45钢,其弹性模量为206GPa,泊松比是0.3,屈服强度355MPa。

(3)根据磨辊轴的实际工况分析可知,磨辊轴三个销孔处的约束应为固定铰链约束,被加工物料对磨辊的反作用力165kN通过轴承作用于磨辊轴上,由此将磨辊轴上安装轴承的部位设置为轴承载荷,来近似模拟磨辊轴工作时的受力状况,使分析结果更加精确。

(4)划分网格时,设定全局兼容结合接触,并采用基于曲率的网格算法,用二阶四面体单元划分网格,这有利于磨辊轴中的支撑板与圆柱轴之间的网格平滑过渡,可获得精确的结果。对磨辊轴上的支撑板和直径过渡较大圆角处应用网格控制,划分更小的网格,以便获取更精确的结果。

(5)对模型进行算例求解,得出结果。

由结果可知,较大应力为197.051MPa,发生在磨辊轴大径与小径之间的过渡圆角处,该应力小于材料屈服强度355MPa。磨辊轴有较高的安全系数(n=5.82),满足了设计安全系数(n≥4)的要求。分析可知,设计的磨辊轴是安全的,为达到实际生产中成本较低的要求,还可对其结构进行进一步优化。

磨粉机

3、磨辊轴结构的优化设计

为了使磨辊轴在满足强度和刚度的条件下,达到质量轻、结构合理的要求,可在磨辊轴应力分析的基础上,结合机械结构优化方法,采用一阶优化方法对磨辊轴进行优化,优化目标是磨辊轴的最小质量。

由于磨辊轴直径160mm处要与轴承配合,所以该直径为一定值。在进行优化时,将“磨辊轴较大直径220mm”作为优化设计变量,约束条件为:183-220;应力范围为:0-355MPa;安全系数≥4。优化后的磨辊轴的较大直径为183mm,此时较大等效应力为284.69MPa,小于材料的屈服强度355MPa,安全系数5.06,满足磨辊轴的强度要求。磨辊轴优化后,质量从327.383kg减少到267.186kg,减轻了18.4%,优化 较好,取得了很好的经济效益。

磨粉机

上述对磨粉机磨辊轴有限元进行了分析,并对设备结构进行了优化,希望对广大用户有一定的帮助,如有购买磨粉机的用户,请到红星机器选购。

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