張一風(fēng)，邊若普，李新奇

(1.中原工學(xué)院，鄭州 450007； 2.河南紡織服裝協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 451191； 3.恒天重工有限公司，鄭州 450053)

HV582A-0600輥筒部件的三維有限元分析及應(yīng)力評(píng)定

張一風(fēng)1，邊若普2，李新奇3

(1.中原工學(xué)院，鄭州 450007； 2.河南紡織服裝協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 451191； 3.恒天重工有限公司，鄭州 450053)

以牽伸機(jī)HV582A-0600輥筒為研究對(duì)象，合理分析輥筒結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力分布，目的是確保牽伸工藝可靠穩(wěn)定。通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，分析輥筒產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域以及變形的位置。結(jié)果表明，整個(gè)輥筒部件的最大應(yīng)力為132.14MPa，小于材料的允許應(yīng)力186～310MPa，該部件的設(shè)計(jì)滿足載荷工況的要求。

有限元方法；輥筒；大軸；應(yīng)力；牽伸機(jī)

0 引 言

滌綸短纖維數(shù)字化成套設(shè)備主要由前紡部分和后處理聯(lián)合機(jī)組成。近年來，恒天重工股份有限公司自行開發(fā)研制出了日產(chǎn)200t的大容量滌綸短纖后處理設(shè)備，其中后處理聯(lián)合機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是纖維的牽伸處理，因此化纖牽伸機(jī)對(duì)正常生產(chǎn)起到了重要的作用。為了牽伸機(jī)工藝的穩(wěn)定，保證牽伸機(jī)輥筒承受的作用力滿足其工作的要求，本文主要利用有限元分析的方法，對(duì)由于加大容量，引起作用力增加的通用的HV582A-0600輥筒部件的大軸法蘭加厚30mm后進(jìn)行靜力強(qiáng)度計(jì)算，分析輥筒部件在齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生扭矩時(shí)，同時(shí)受到絲束拉力和重力作用下變形的情況，以及其受到的應(yīng)力分布情況，是否滿足設(shè)計(jì)的要求，為設(shè)備正常工作提供可靠的保證，降低設(shè)備設(shè)計(jì)制造的成本。

1 輥筒部件的結(jié)構(gòu)分析

HV582A-0600輥筒部件的結(jié)構(gòu)由大軸和輥筒組成，中間通過12個(gè)螺栓連接。首先，要對(duì)輥筒部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。結(jié)構(gòu)模型建立的精度高與低，直接影響隨后的有限元分析的可靠性，即模型必須能夠反映出輥筒部件的真實(shí)的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征。

由于在ANSYS中建立輥筒部件的三維模型比較復(fù)雜，本文采取的是先在專業(yè)的三維繪圖軟件Pro/E中建模，建成后的輥筒三維模型如圖1所示。圖1(a)為輥筒的簡(jiǎn)化圖，圖1(b)為輥筒具體的三維模型，圖1(b)中標(biāo)明的兩個(gè)圓柱面分別是支承面A和支承面B，鍵槽連接輸出，輸出部件向輥筒傳遞扭矩。本次分析輥筒部件在工作載荷作用下的整體彎曲變形和應(yīng)力的分布，找出應(yīng)力分布較大的部分，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，與材料的允許應(yīng)力進(jìn)行比較，分析輥筒部件的設(shè)計(jì)是否能滿足工況要求。

圖1 輥筒的三維模型

2 輥筒部件的相關(guān)參數(shù)

2.1 材料的物理性能

輥筒的材料為42CrMo，允許應(yīng)力186～310MPa，試樣毛坯尺寸為25mm，具體的參數(shù)如表1。

表1 輥筒部件的物理參數(shù)

2.2 載荷計(jì)算

根據(jù)圖1中零件的結(jié)構(gòu)，對(duì)支承面A進(jìn)行固定約束，支承面B進(jìn)行徑向約束。

本次計(jì)算按輥筒的實(shí)際受力計(jì)算，相關(guān)參數(shù)及結(jié)果如下：

進(jìn)絲張力F1=53.563kN；出絲張力F2=50.234kN；

張力差F1-F2=3329N(本次計(jì)算取大一點(diǎn)，取3500N)；

由扭矩公式：M=FL/2[1]可以計(jì)算出在輥筒上產(chǎn)生的扭矩為：

M1=(F1-F2)×300mm=3500N×300mm=1050kN·mm。

分析中齒輪力切向力為49.302kN(本次計(jì)算取大一點(diǎn)，取50kN)，分度圓直徑為745.4mm,則產(chǎn)生的扭矩為：

M2=745.4/2mm×50kN=18635kN·mm。

輸入端加扭矩為M3=M1+M2=19685kN·mm。

在有限元分析的過程中,對(duì)建好的數(shù)學(xué)模型直接施加重力加速度g=9810mm/s2。

以上計(jì)算的載荷參數(shù)如表2。

表2 載荷參數(shù)

3 有限元分析研究

有限元分析主要有3個(gè)步驟，分別是前處理、施加載荷與求解和后處理。具體來說，前處理包括設(shè)計(jì)分析準(zhǔn)備、設(shè)定參數(shù)、建立模型和劃分網(wǎng)格等；施加載荷與求解主要是設(shè)定模型的邊界條件和載荷的求解；后處理可以顯示分析結(jié)果的彎力、剪力和扭矩等參數(shù)[2]。下面就這3個(gè)步驟的內(nèi)容進(jìn)行分析。

3.1 建立模型與劃分網(wǎng)格

圖1所示的輥筒零件的三維模型結(jié)構(gòu)已經(jīng)建立，在零件導(dǎo)入到有限元分析軟件前，應(yīng)該先在Pro/E中檢查一下，看是否有裝配干涉的問題[3]。因?yàn)樵谟邢拊浖袩o法對(duì)有裝配干涉的零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，檢查過后將零件完整地導(dǎo)入Ansys workbench，對(duì)零件建立有限元模型[4]。

在對(duì)零件進(jìn)行有限元建立模型過程中，單元選擇帶有中間節(jié)點(diǎn)的SOLID 95[5]。由于SOLID 95是三維多節(jié)點(diǎn)，所以采用該單元建立模型的精度不會(huì)受到模型形狀不規(guī)則的影響，同時(shí)可以表現(xiàn)帶有彎曲的邊界，適用于模擬大應(yīng)變[6]。在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)盡量劃分細(xì)一些[7-8]，將輥筒部件的總體特征在網(wǎng)格劃分的過程中充分的表現(xiàn)出來，劃分后的網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 輥筒劃分后的網(wǎng)格模型

3.2 邊界條件與載荷求解

輥筒部件是水平放置的，因此對(duì)其進(jìn)行約束時(shí)，根據(jù)圖1，在大軸的支承面A上施加位移約束，把位移載荷值取0位移，支承面B施加圓柱支承,約束其徑向位移,重力加速度為Y方向-9810mm/s2。在輥筒面上施加115kN的力，輥筒面上加扭矩1050kN·mm,方向相反,在鍵槽面施加扭矩18635kN·mm，在輸入端施加扭矩19685kN·mm。邊界條件見圖3。

圖3 輥筒邊界條件的受力圖

從圖3上可以看出，大軸的支承面A和支承面B的轉(zhuǎn)動(dòng)約束為0mm,輥筒面C上的受力為1.25×105N，鍵槽面D受到的力為5×104N，方向相反，輸入端E受到的扭矩為4×106N·mm，方向相反，重力加速度F為9806.6mm/s2，輥筒面受到的扭矩G為3×106N·mm。

3.3 分析結(jié)果

經(jīng)過ANSYS有限元軟件對(duì)輥筒部件分析，可以得到輥筒總體的應(yīng)力分布情況，如圖4所示。

圖4 輥筒部件總體綜合應(yīng)力分布

從圖4輥筒總體應(yīng)力分布上看，整個(gè)輥筒部件的最大應(yīng)力為132.14MPa,出現(xiàn)在圖上所示的H處，即大軸支撐面A后端上面的圓弧處，小于材料的允許應(yīng)力，而整個(gè)輥筒部件的應(yīng)力分布比較均勻。

輥筒部件的總體變形結(jié)果如圖5所示。

圖5 輥筒部件的總體變形結(jié)果

從圖5輥筒部件的總體變形情況來看，前面的大軸部分變形量較小，后面輥筒部分的變形是根據(jù)離大軸的距離逐漸加大，最大彎曲變形量為0.84mm，變形量能滿足工作的要求。

圖6、圖7分別是從前后2個(gè)視圖來表現(xiàn)大軸零件的綜合應(yīng)力分布，已經(jīng)將后面的輥筒部分虛化掉了。

圖6 大軸零件的綜合應(yīng)力分布情況

圖7 大軸零件的綜合應(yīng)力分布情況(從后面看)

從圖6和圖7大軸零件的前后視圖來看，主要的應(yīng)力分布在大軸和法蘭處，其中大軸靠近法蘭的2個(gè)接觸面之間應(yīng)力達(dá)到最大，法蘭的前后都有較大的應(yīng)力分布，其他部分的應(yīng)力分布的比較均勻，沒有明顯的擴(kuò)大趨勢(shì)。

圖8、圖9分別是從上下2個(gè)視圖來表現(xiàn)大軸零件的綜合應(yīng)力分布。

圖8 大軸零件的綜合應(yīng)力分布情況(上面受拉部分看)

圖9 大軸零件的綜合應(yīng)力分布情況(下面受擠部分看)

從圖8和圖9大軸零件的上下視圖來看，在法蘭的圓弧處，上面受拉和下面受擠部分應(yīng)力有所加大，下面受擠部分比上面受拉部分的應(yīng)力要大，如果受到達(dá)到最大值的載荷，這兩個(gè)地方的應(yīng)力將首先擴(kuò)大。

5 結(jié) 語

本文主要是對(duì)恒天重工股份有限公司的滌綸短纖后處理聯(lián)合機(jī)中HV582A-0600輥筒部件的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，通過運(yùn)用三維繪圖軟件Pro/E和有限元軟件ANSYS對(duì)部件進(jìn)行建模和分析。從整體的應(yīng)力和變形情況看，整個(gè)輥筒部件的最大應(yīng)力為132.14MPa，小于材料的允許應(yīng)力，如果載荷增加到輥筒的最大應(yīng)力值，大軸的階梯面和法蘭的圓弧處將最先受到載荷的影響，應(yīng)力也會(huì)首先擴(kuò)大，輥筒部件能滿足目前設(shè)計(jì)的載荷工況，不需要更改部件的整體結(jié)構(gòu)。通過對(duì)輥筒應(yīng)力分布的分析，對(duì)化纖牽伸機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了可靠的保證，同時(shí)對(duì)提高滌綸生產(chǎn)線的總產(chǎn)量和降低設(shè)備的設(shè)計(jì)制造成本也有一定的幫助。

[1] 徐鋼濤.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2007：126-256.

[2] 曾 攀.有限元分析及運(yùn)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：66-125.

[3] 朱 燕.有限元分析法在軋輥設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科技與企業(yè)，2012,20(7):322.

[4] 石繁章,陶麗梅,章虹濱.輥筒失效原因分析及預(yù)防措施[J].橡塑技術(shù)與裝備，2009,38(1)：31-35.

[5] 胡志煒.基于有限元法計(jì)算機(jī)直接制版設(shè)備輥筒模態(tài)分析[J].機(jī)械工程師，2014,12(3)：156-159.

[6] 李曉強(qiáng).基于ANSYS的推力球軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].上海：上海大學(xué)，2008:12-35.

[7] 丁 科,陳月順.有限單元法[M].北京：北京大學(xué)出版社，2007:114-116.

[8] 馬淑梅,柯于林,李愛華,等.基于ANSYS的高效永磁同步電機(jī)主軸靜動(dòng)態(tài)特性有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30(2)：83.

(責(zé)任編輯：陳和榜)

Finite Element Analysis HV582A-0600 Roller Components and Stress Assessment

ZHANGYifeng1,BIANRuopu2,LIXinqi3

(1.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191, China;2.Henan textile and clothing collaborative innovation center, Zhengzhou 451191, China;3.Hi-Tech Heavy Industry Co., Ltd., Zhengzhou 450053, China)

Chemical fiber spinning drawing machine is the key to the production, which need to withstand enormous forces roll, it is necessary according to process requirements, reasonable structure and stress analysis of the distribution of the roll to ensure stable and reliable drafting machine technology. In this paper, drafting machine HV582A-0600 roll as the research object, its structural analysis by finite element analysis software ANSYS to analyze the deformation of the roller produce area and the location of stress concentration. And according to the results of the analysis, the components meet the current load conditions.

finite element method；roller；shaft；stress；draw machine

2014-11-27

張一風(fēng)(1958-)，男，河南三門峽人，教授，主要從事紡織工藝與技術(shù)方面的研究。

邊若普，E-mail：brpnet2009@126.com.

TS152.8

B

1009-265X(2015)04-0047-03