基于simulaion的磁性材料試驗(yàn)球磨機(jī)轉(zhuǎn)軸有限元分析

基于simulaion的磁性材料試驗(yàn)球磨機(jī)轉(zhuǎn)軸有限元分析

研磨機(jī)是一項(xiàng)重要的設(shè)備，通過反復(fù)粉碎損壞的材料，使材料達(dá)到所需的粒度。廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、建筑、冶金、陶瓷、能源、制藥等行業(yè)。其工作原理是依據(jù)粉碎理論和粉碎力學(xué),由轉(zhuǎn)動(dòng)的筒體將筒體內(nèi)研磨物質(zhì)(鋼球、鋼棍等)帶動(dòng)到一定高度然后落下,從而對(duì)物料進(jìn)行擠壓、沖擊等研磨作用。根據(jù)不同用途可分為大型球磨機(jī)和試驗(yàn)球磨機(jī)。大型球磨機(jī)常用于水泥、建筑、冶金等行業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)使用;試驗(yàn)球磨機(jī)是一種小型的多筒體同時(shí)工作的球磨機(jī),其一般用于規(guī)模生產(chǎn)前對(duì)物料粒度的研究。本文以某公司的磁性材料試驗(yàn)球磨機(jī)為例,用SolidWorks及其自帶的Simulation功能,對(duì)試驗(yàn)球磨機(jī)中的關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)軸進(jìn)行有限元分析。SolidWorks是一款基于Windows開發(fā)的三維CAD/CAE/CAM軟件,是目前市場(chǎng)上主流的三維設(shè)計(jì)軟件之一。基于拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等多種特征的參數(shù)化建模方法使其具有強(qiáng)大的三維建模功能;友好、直觀的操作界面以及各特征的合理分類使其易學(xué)易用;由三維實(shí)體直接生成二維工程圖并具有全相關(guān)性使其二維出圖更加方便快捷;同時(shí),其自帶的一些強(qiáng)大的功能如分析、仿真、逆向工程等使其功能更加突出。1轉(zhuǎn)軸是球磨機(jī)的重要零件之一,其誤差導(dǎo)致罐體變動(dòng),與常用于水泥等行業(yè)的大型球磨機(jī)相比,磁性材料試驗(yàn)球磨機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有很大的不同。磁性材料試驗(yàn)球磨機(jī)是為了分析、研究由不同成分、不同比例的磁粉壓制成的磁瓦性能上的不同,因而磁性材料試驗(yàn)球磨機(jī)的筒體不是一個(gè)很大的筒體,而是幾個(gè)甚至十幾個(gè)裝有不同磁粉的的罐體。其工作原理是由兩根平行的轉(zhuǎn)軸利用摩擦帶動(dòng)罐體轉(zhuǎn)動(dòng),從而達(dá)到研磨磁粉的作用。由于利用摩擦帶動(dòng)罐體轉(zhuǎn)動(dòng),因此,在轉(zhuǎn)軸上裹上了一層耐磨橡膠,一方面增大摩擦系數(shù),以減小罐體與轉(zhuǎn)軸的相對(duì)滑動(dòng);另一方面也減小試驗(yàn)球磨機(jī)工作時(shí)的噪音。由此可見,轉(zhuǎn)軸是該球磨機(jī)的重要零件之一,既承受扭矩,又承受彎矩,其強(qiáng)度和剛度直接影響試驗(yàn)球磨機(jī)的使用。在SolidWorks的特征界面選擇旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體,在前視基準(zhǔn)面上畫出轉(zhuǎn)軸的草圖,點(diǎn)擊退出草圖,在旋轉(zhuǎn)的特征管理界面內(nèi),指定旋轉(zhuǎn)軸,給出旋轉(zhuǎn)角度360°,然后確定,即得到球磨機(jī)轉(zhuǎn)軸的三維圖,如圖1所示。2球磨機(jī)轉(zhuǎn)軸傳遞的功率和壓力根據(jù)工作原理做出轉(zhuǎn)軸的受力分析圖,如圖2所示。由圖2,可計(jì)算出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為:式中:D0為球磨機(jī)罐體直徑;D為球磨機(jī)轉(zhuǎn)軸直徑;n0為球磨機(jī)罐體轉(zhuǎn)速。該球磨機(jī)罐體的轉(zhuǎn)速為由文獻(xiàn)確定的最佳轉(zhuǎn)速:由于該球磨機(jī)兩邊同時(shí)工作,轉(zhuǎn)軸與電機(jī)之間通過一級(jí)同步帶和兩級(jí)鏈輪傳動(dòng),故該轉(zhuǎn)軸傳遞的功率為:式中:P電機(jī)為球磨機(jī)電機(jī)的功率;η為傳動(dòng)效率因子。則作用在轉(zhuǎn)軸上的扭矩為:由圖2可知,每個(gè)罐體對(duì)每根轉(zhuǎn)軸的壓力為:式中:M總為每個(gè)罐體的總重量(罐體自身、水、料以及鋼球);θ見受力分析圖2。則每個(gè)罐體對(duì)每根轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力為:由球磨機(jī)工作條件可知,所分析的轉(zhuǎn)軸與4個(gè)罐體接觸,利用力的合成與分解可得,與轉(zhuǎn)軸接觸的4個(gè)罐體對(duì)轉(zhuǎn)軸的作用力大小和方向?yàn)?與轉(zhuǎn)軸接觸的4個(gè)罐體對(duì)轉(zhuǎn)軸的扭矩為;已知試驗(yàn)球磨機(jī)罐體的直徑為D0=215mm,電機(jī)額定功率為P電機(jī)=4.5kW,取傳動(dòng)效率均為η=0.97,每個(gè)罐體的總重量為M總=36kg,取罐體與轉(zhuǎn)軸之間的摩擦系數(shù)為μ=0.4。聯(lián)合以上方程式,帶入已知條件,即可解出:3軸靜態(tài)和疲勞分析3.1有限元模型建立在SolidWorks的主界面內(nèi)選擇辦公產(chǎn)品里面的SolidWorksSimulation,在算例顧問的下拉菜單中新建一個(gè)算例,類型選擇靜態(tài)。(1)定義轉(zhuǎn)軸材料屬性,添加材料為45#鋼,其密度為ρ=7.8×103kg/m3,彈性模量為E=2.1×1011Pa,泊松比為λ=0.28,材料屈服強(qiáng)度為σs=580MPa,抗剪強(qiáng)度為σb=750MPa。(2)設(shè)置邊界條件,為轉(zhuǎn)軸添加正確的夾具約束。右鍵夾具,選擇軸承夾具,將軸承添加在轉(zhuǎn)軸中軸承安裝的位置,去掉允許自我對(duì)齊,勾選上穩(wěn)定軸旋轉(zhuǎn)。(3)添加載荷,根據(jù)前面計(jì)算數(shù)據(jù),給轉(zhuǎn)軸施加載荷。轉(zhuǎn)軸傳遞電機(jī)的扭矩為112.078N·m,罐體對(duì)轉(zhuǎn)軸的扭矩為18.66N·m,罐體對(duì)轉(zhuǎn)軸的作用力大小為759.95N,以及轉(zhuǎn)軸自身的重力(g取9.8kg/m3)。(4)對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。轉(zhuǎn)軸模型網(wǎng)格劃分類型為實(shí)體網(wǎng)格,所用網(wǎng)格器為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格,雅可比點(diǎn)數(shù)為4點(diǎn),采用高品質(zhì)網(wǎng)格單元?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)格,單元大小為7.02188mm,單元總數(shù)54592個(gè),節(jié)總數(shù)81654個(gè)。轉(zhuǎn)軸網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。完成以上四步工作以后,對(duì)有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算,就能得出轉(zhuǎn)軸靜態(tài)應(yīng)力、位移圖。為了使轉(zhuǎn)軸的變形情況顯示得清楚明了而又不太過夸張,將位移圖解中的比例因子設(shè)置為5000,結(jié)果如圖4、圖5所示。由分析結(jié)果可知,載荷加載情況下,轉(zhuǎn)軸的最大應(yīng)力為18.4MPa,遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)軸的屈服極限,滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí),最大位移量為6.8×10-3mm,亦滿足實(shí)際要求。3.2疲勞分析算例疲勞損壞是指零部件在應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)反復(fù)作用下,材料性能發(fā)生巨大改變甚至斷裂的一種現(xiàn)象。零部件的疲勞破損的過程大致可分為三個(gè)階段:(1)微觀裂紋形成階段。零部件在循環(huán)載荷作用下,應(yīng)力最大處易發(fā)展形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中點(diǎn),從而在該點(diǎn)處首先形成微裂紋。(2)宏觀裂紋形成階段。微觀裂紋形成后,裂紋沿著最大剪切應(yīng)力的方向擴(kuò)展,從而形成宏觀裂紋。(3)損壞斷裂階段,當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí),零部件力學(xué)性能就會(huì)發(fā)生很大變化,導(dǎo)致在某一次加載時(shí)零部件發(fā)生疲勞斷裂。目前,疲勞分析的方法主要有三種:名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法以及損傷容限設(shè)計(jì)法。名義應(yīng)力法是以應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)為參數(shù),采用材料的S-N曲線,結(jié)合多種因素,通過插值得出零件的S-N曲線,并根據(jù)Miner線性損傷累積規(guī)則,計(jì)算出零部件疲勞壽命的方法,其主要用于計(jì)算彈性變形為主的高周疲勞壽命。局部應(yīng)力應(yīng)變法主要適用于塑性變形為主的低周疲勞壽命的計(jì)算,對(duì)于以高周彈性變形為主的疲勞計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果誤差比較大。損傷容限設(shè)計(jì)法是基于斷裂力學(xué)理論,將零部件由初始裂紋發(fā)展至臨界裂紋所用時(shí)間作為零部件的疲勞壽命的一種設(shè)計(jì)方法。SolidWorksSimulation對(duì)零件的疲勞分析采用的是名義應(yīng)力法,在Simulation靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上,對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)一步進(jìn)行疲勞分析。S-N(應(yīng)力-壽命)曲線是材料疲勞失效時(shí)應(yīng)力幅值S與對(duì)應(yīng)的疲勞壽命N的關(guān)系曲線。設(shè)置轉(zhuǎn)軸材料的S-N曲線,插值選擇對(duì)對(duì)數(shù),應(yīng)力比率R=-1,如圖6所示。新建一個(gè)算例,在算例類型中選擇疲勞,右鍵選擇添加事件,在循環(huán)周期欄中輸入1000,為疲勞分析算例關(guān)聯(lián)前面介紹的靜態(tài)分析算例,比例為1,負(fù)載類型為完全反轉(zhuǎn)(LR=-1),恒定振幅事件交互作用設(shè)置為隨意交互作用,計(jì)算交替應(yīng)力的手段為對(duì)等應(yīng)力(vonMises),平均應(yīng)力糾正選擇Soderberg。運(yùn)行疲勞算例,得到圖7、圖8的疲勞數(shù)據(jù)。從圖中可見,轉(zhuǎn)軸在1000承載循環(huán)后,其最大生命總數(shù)(周期)都為最大值1.001×106次,最小生命總素(周期)為106次,損壞百分比恒小于1,則表明在當(dāng)前載荷下,轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的,滿足生產(chǎn)要求。4基于solidford軟件的轉(zhuǎn)軸分析(1)本文對(duì)磁性材料試驗(yàn)球磨機(jī)的工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,對(duì)試驗(yàn)球磨機(jī)的重要零件轉(zhuǎn)軸的受力情況做出了分析,為后續(xù)整機(jī)三維建模和有限元分析奠定了基礎(chǔ)。式中:α為F與轉(zhuǎn)軸自身重力方向的夾角。(2)基于Solidworks