康新亞，王亞安，尹躍峰

（1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007 2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司/甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州 730314）

盤輥破碎機(jī)輥?zhàn)有妮S的抗疲勞設(shè)計(jì)研究

康新亞1，王亞安2，尹躍峰1

（1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007 2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司/甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州 730314）

鑒于盤輥破碎機(jī)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、工作條件惡劣、疲勞破壞尤為明顯的特點(diǎn)，針對(duì)盤輥破碎機(jī)的關(guān)鍵部件輥?zhàn)有妮S進(jìn)行研究，對(duì)其劃分有限元網(wǎng)格并進(jìn)行靜應(yīng)力分析，得出其等效應(yīng)力圖解、合位移圖解以及安全系數(shù)圖解。在此基礎(chǔ)之上，運(yùn)用SolidWorks Simulation有限元軟件的疲勞分析模塊，進(jìn)行輥?zhàn)有妮S的疲勞分析，得出輥?zhàn)有妮S的損壞百分比圖解和生命總數(shù)圖解，從而可知輥?zhàn)有妮S符合設(shè)計(jì)要求，在一定程度上為該破碎機(jī)及同類型破碎機(jī)的研發(fā)提供了理論依據(jù)。

抗疲勞；盤輥破碎機(jī)；應(yīng)力分析；疲勞分析

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備承受的交變應(yīng)力越來越高，疲勞破壞問題日益突出，給航空、交通運(yùn)輸、動(dòng)力機(jī)械、工程機(jī)械等工業(yè)造成了嚴(yán)重威脅。在現(xiàn)代工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中，大約有50%～90%以上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞都是由于疲勞破壞造成的，如軸、曲軸、連桿、齒輪、彈簧、螺栓和焊接結(jié)構(gòu)等，很多機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)件的主要破壞方式都是疲勞[1,2]。盡管近十幾年我國的機(jī)械制造業(yè)發(fā)展迅猛，機(jī)械產(chǎn)品的出口大幅增長，品質(zhì)也越來越好，但是客觀地說，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平及其信息化程度仍然有待提高，特別是產(chǎn)品的抗疲勞設(shè)計(jì)水平較低，直接影響了企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力以及產(chǎn)品品質(zhì)。因此，機(jī)械零件的抗疲勞設(shè)計(jì)和制造已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要課題之一。

破碎機(jī)廣泛運(yùn)用于礦山、冶煉、建材、公路、鐵路、水利和化學(xué)工業(yè)等眾多行業(yè)，其運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，工作條件惡劣。鄂式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、齒輥式破碎機(jī)和沖擊式破碎機(jī)等物料破碎設(shè)備是許多行業(yè)如冶金、礦山、建材、化工、陶瓷、筑路等不可缺少的重要設(shè)備。近年來，為了滿足生產(chǎn)上的需求，破碎機(jī)的發(fā)展方向是大功率、大破碎比，甚至是自動(dòng)化程度高的大型移動(dòng)式破碎機(jī)組，這就對(duì)破碎裝置提出了新的要求。

1 PG406型盤輥破碎機(jī)簡介

PG406型盤輥破碎機(jī)是一種新型的以碾壓為主兼有擠壓機(jī)理的大型單元破碎機(jī)，適用于莫氏硬度6度以下的物料，可將40 mm的礦石等物料一次破碎至6 mm以下，破碎比大，生產(chǎn)率250～400 t/h，在多種生產(chǎn)場合可以替代傳統(tǒng)的鄂式、圓錐、齒輥式和沖擊式破碎機(jī)，主要由分料器、下料器、減速器、輥?zhàn)?、碾壓盤等部分組成。目前該設(shè)備已經(jīng)調(diào)試投入使用，但存在噪音大、振動(dòng)大的情況，直接影響工人的工作環(huán)境和設(shè)備的使用壽命。其中，輥?zhàn)有妮S作為該盤輥破碎機(jī)關(guān)鍵的受力和工作部件，對(duì)整機(jī)的使用性能、工藝性能及整機(jī)成本有重要影響。

本文通過SolidWorks Simulation有限元分析軟件對(duì)關(guān)鍵部件輥?zhàn)有妮S進(jìn)行詳細(xì)的靜力學(xué)分析及疲勞壽命分析，旨在為PG406型盤輥破碎機(jī)輥?zhàn)有妮S的校核及疲勞壽命分析提供有力的理論依據(jù)，從而為后續(xù)設(shè)計(jì)節(jié)約材料、降低制造成本。

2 盤輥破碎機(jī)的輥?zhàn)有妮S結(jié)構(gòu)簡圖及工況分析

圖1所示為盤輥破碎機(jī)的輥?zhàn)拥慕Y(jié)構(gòu)，輥?zhàn)有妮S所選用的材料為45鋼，輥?zhàn)有妮S安裝軸承的部位的直徑為φ220 mm。盤輥破碎機(jī)的四個(gè)輥?zhàn)优c碾壓盤耐磨板之間的間隙為6 mm，工作時(shí)四個(gè)從動(dòng)輥?zhàn)优c主軸驅(qū)動(dòng)的碾壓盤上的耐磨板之間靠擠壓將物料粉碎，最大壓力達(dá)到2 400 kN，由于在使用過程中，受力狀況極為惡劣，會(huì)出現(xiàn)不同工況，所以要求在工作時(shí)具有足夠的安全系數(shù)。在滿足強(qiáng)度的前提下，獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量，以滿足經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)要求。

圖1 PG406型盤輥破碎機(jī) 的輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)

3 輥?zhàn)有妮S3D模型的建立

SolidWorks Simulation對(duì)來自SolidWorks的零件和裝配體的幾何模型進(jìn)行分析，該幾何模型必須能用正確的、適度小的有限單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通常情況下，需要修改CAD幾何模型以滿足網(wǎng)格劃分的要求[3]。由于本模型為對(duì)稱實(shí)體且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，故在進(jìn)行SolidWorks Simulation有限元分析時(shí)可直接對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算。

4 Simulation靜力學(xué)分析計(jì)算

SolidWorks Simulation是一款基于有限元（即FEA數(shù)值）技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件，通過給模型分配材料屬性，定義載荷和約束，再使用數(shù)值近似方法，將模型離散化以便分析[3]。FEA在結(jié)構(gòu)分析中提供位移、應(yīng)變和應(yīng)力的解，大多數(shù)情況下，使用von Mises應(yīng)力作為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全的度量值[4]。由于疲勞分析是基于靜力分析的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行的，因此應(yīng)先對(duì)輥?zhàn)有妮S進(jìn)行SolidWorks Simulation有限元靜態(tài)分析。

PG406型盤輥破碎機(jī)的輥?zhàn)有妮S的Simulation有限元靜態(tài)分析過程如下：

（1）設(shè)置材料屬性：定義輥?zhàn)有妮S的材料為45鋼，其中彈性模量E=206 GPa，泊松比u=0.3，屈服強(qiáng)度為σs=355 MPa。

（2）添加約束并施加載荷：輥?zhàn)有妮S中間兩個(gè)φ220 mm軸肩通過滾動(dòng)軸承與輥?zhàn)酉嗯浜希虼嗽赟imulation中設(shè)置為固定幾何體，將其完全固定約束。心軸一段通過上部液壓缸與上殼體相連接，另一端通過銷軸與輥?zhàn)诱{(diào)整塊相連接，破碎機(jī)在工作時(shí)，上部液壓缸向下對(duì)輥?zhàn)有妮S施加150 kN的壓力，輥?zhàn)诱{(diào)整塊對(duì)心軸施加向下150 kN的拉力，因此分別對(duì)兩孔施加150 kN的載荷，來模擬實(shí)際工作時(shí)的受力情況。

（3）網(wǎng)格劃分：為達(dá)到較好的模擬能力，SolidWorks Simulation采用二階實(shí)體四面體單元?jiǎng)澐謱?shí)體幾何體，每個(gè)二階實(shí)體四面體單元有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。默認(rèn)的網(wǎng)格設(shè)置使離散化誤差保持在可接受的范圍內(nèi)，同時(shí)使計(jì)算時(shí)間較短[3]。對(duì)碾壓盤模型采用高品質(zhì)單元?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)格，具體參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)格劃分參數(shù)

圖2 實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分

（4）算例求解：對(duì)模型進(jìn)行靜態(tài)分析，求解結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 等效應(yīng)力云圖

圖4 合位移云圖

圖5 安全系數(shù)云圖

從圖3、4、5可以看出，輥?zhàn)有妮S的最大等效應(yīng)力von Mises為209.8 MPa，發(fā)生在與上部液壓缸聯(lián)接的銷孔處，小于材料的屈服強(qiáng)度355 MPa，最大合位移為0.334 7 mm，有較高的安全系數(shù)n=1.7，完全滿足設(shè)計(jì)要求，模型是相當(dāng)安全的，因此可以通過優(yōu)化分析得到新的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從而減少材料浪費(fèi)，達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)性的目的。

5 疲勞分析

（1）疲勞分析相關(guān)項(xiàng)目的確定 定義分析事件類型為指定的恒定循環(huán)，循環(huán)次數(shù)為1 000，負(fù)載類型為基于零（LR=0），相關(guān)聯(lián)的事件為上述已經(jīng)分析過的靜態(tài)分析，確保比例值為1；在疲勞屬性中設(shè)定為隨意交互作用，改變計(jì)算交替應(yīng)力的手段為對(duì)等應(yīng)力（von Mises），平均應(yīng)力糾正采用Gerber方法，疲勞強(qiáng)度縮減因子（Kf）設(shè)定為1；定義計(jì)算交替應(yīng)力手段為結(jié)果選項(xiàng)定義為輥?zhàn)有妮S整個(gè)模型。

（2）結(jié)果分析及強(qiáng)度校核 在進(jìn)行了靜態(tài)分析后，即可對(duì)承壓容器進(jìn)行疲勞分析，所得疲勞分析結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖6 輥?zhàn)有妮S損壞百分比圖解

圖7 輥?zhàn)有妮S生命總數(shù)圖解

由圖6、7 可以看出，輥?zhàn)有妮S、經(jīng)過1 000次承載循環(huán)后，其最小生命周期為106次，最大生命周期為1.001×106次，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)100 000 次，故此處高壓容器的整體結(jié)構(gòu)滿足n＝100 000 次條件下的疲勞強(qiáng)度要求。

6 結(jié)語

本文介紹了新型盤輥破碎機(jī)的應(yīng)用場合及其構(gòu)成，然后建立了輥?zhàn)有妮S的結(jié)構(gòu)模型，在進(jìn)行疲勞分析前對(duì)載荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)分析計(jì)算，獲取輥?zhàn)有妮S的應(yīng)力、合位移、安全系數(shù)的相關(guān)信息；隨后在定義設(shè)計(jì)疲勞曲線（S-N 曲線）的基礎(chǔ)上，利用SolidWorks Simulation對(duì)輥?zhàn)有妮S進(jìn)行了疲勞分析，得出了輥?zhàn)有妮S的使用壽命等相關(guān)數(shù)據(jù)，使破碎機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與疲勞分析結(jié)合起來，從而合理的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的效率與經(jīng)濟(jì)性，縮短設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本。該分析在理論上為以后進(jìn)行其他同類型輥?zhàn)有妮S的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)以及安全評(píng)估有一定的參考價(jià)值。

[1] 王珉. 抗疲勞制造原理與技術(shù)[M]. 南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

[2] 郭攀成，屈蘭鋒. 現(xiàn)代抗疲勞制造應(yīng)用技術(shù)研究與發(fā)展[J]. 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2011(18).

[3] 葉修梓，陳超祥. SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程(2010版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2010.4.

[4] 胡明振，彭會(huì)清，劉艷杰. 基于COSMOS的永磁盤式強(qiáng)磁選機(jī)磁盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，2011(39).

Anti-fatigue design research of the center spindle of plate-rolling crusher’s roller

KANG XinYa1，WANG Ya’an2，YIN YueFeng1
（1.No.6 Institute of Design and Research of Machine Building Industry, Zhengzhou 450007, Henan, China；2.Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute Co.,Ltd./Gansu Engineering＆Technology Research Center For Casting and Forging, Lanzhou 730314,Gansu, China）

In consideration of the complex environment and working conditions, especially the fatigue damage, this article performs the static stress analysis by dividing the fi nite element grid after the center spindle studying of the plate-rolling crusher’s roller, concluding the equivalent stress diagram, the resultant displacement diagram and the safety coeffi cient illustration. On the basis above that, it gets the center spindle’s damage percentage diagram and the total life diagram through the fatigue analysis of the center spindle, applying the fatigue analysis module of the fi nite element software SolidWorks Simulation. In view of the fatigue analysis results, it is concluded that the roller’s center spindle conforms to the design requirements, providing theory basis for the same kind of crushers’ research and development to some extent.

anti-fatigue; plate-rolling crusher; stress analysis; fatigue analysis

TG115；

A；

1006-9658（2017）02-0029-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.010

2016-09-13

稿件編號(hào):1609-1549

康新亞（1962—），男， 高級(jí)工程師，從事工業(yè)爐及余熱利用等非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)及研發(fā)工作.