張一風，邊若普，李新奇

(1.中原工學院，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力評定

張一風1，邊若普2，李新奇3

(1.中原工學院，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HV582A-0600輥筒為研究對象，合理分析輥筒結構及其應力分布，目的是確保牽伸工藝可靠穩(wěn)定。通過ANSYS有限元分析軟件對其進行結構分析，分析輥筒產生應力集中的區(qū)域以及變形的位置。結果表明，整個輥筒部件的最大應力為132.14MPa，小于材料的允許應力186～310MPa，該部件的設計滿足載荷工況的要求。

有限元方法；輥筒；大軸；應力；牽伸機

0 引 言

滌綸短纖維數字化成套設備主要由前紡部分和后處理聯(lián)合機組成。近年來，恒天重工股份有限公司自行開發(fā)研制出了日產200t的大容量滌綸短纖后處理設備，其中后處理聯(lián)合機的關鍵環(huán)節(jié)就是纖維的牽伸處理，因此化纖牽伸機對正常生產起到了重要的作用。為了牽伸機工藝的穩(wěn)定，保證牽伸機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后進行靜力強度計算，分析輥筒部件在齒輪傳動產生扭矩時，同時受到絲束拉力和重力作用下變形的情況，以及其受到的應力分布情況，是否滿足設計的要求，為設備正常工作提供可靠的保證，降低設備設計制造的成本。

1 輥筒部件的結構分析

HV582A-0600輥筒部件的結構由大軸和輥筒組成，中間通過12個螺栓連接。首先，要對輥筒部件的結構進行建模。結構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的結構力學特征。

由于在ANSYS中建立輥筒部件的三維模型比較復雜，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)為輥筒的簡化圖，圖1(b)為輥筒具體的三維模型，圖1(b)中標明的兩個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力的分布，找出應力分布較大的部分，并對其進行應力計算，與材料的允許應力進行比較，分析輥筒部件的設計是否能滿足工況要求。

圖1 輥筒的三維模型

2 輥筒部件的相關參數

2.1 材料的物理性能

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

表1 輥筒部件的物理參數

2.2 載荷計算

根據圖1中零件的結構，對支承面A進行固定約束，支承面B進行徑向約束。

本次計算按輥筒的實際受力計算，相關參數及結果如下：

進絲張力F1=53.563kN；出絲張力F2=50.234kN；

張力差F1-F2=3329N(本次計算取大一點，取3500N)；

由扭矩公式：M=FL/2[1]可以計算出在輥筒上產生的扭矩為：

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

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

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,對建好的數學模型直接施加重力加速度g=9810mm/s2。

以上計算的載荷參數如表2。

表2 載荷參數

3 有限元分析研究

有限元分析主要有3個步驟，分別是前處理、施加載荷與求解和后處理。具體來說，前處理包括設計分析準備、設定參數、建立模型和劃分網格等；施加載荷與求解主要是設定模型的邊界條件和載荷的求解；后處理可以顯示分析結果的彎力、剪力和扭矩等參數[2]。下面就這3個步驟的內容進行分析。

3.1 建立模型與劃分網格

圖1所示的輥筒零件的三維模型結構已經建立，在零件導入到有限元分析軟件前，應該先在Pro/E中檢查一下，看是否有裝配干涉的問題[3]。因為在有限元軟件中無法對有裝配干涉的零件進行網格劃分，檢查過后將零件完整地導入Ansys workbench，對零件建立有限元模型[4]。

在對零件進行有限元建立模型過程中，單元選擇帶有中間節(jié)點的SOLID 95[5]。由于SOLID 95是三維多節(jié)點，所以采用該單元建立模型的精度不會受到模型形狀不規(guī)則的影響，同時可以表現帶有彎曲的邊界，適用于模擬大應變[6]。在對模型進行網格劃分時，應盡量劃分細一些[7-8]，將輥筒部件的總體特征在網格劃分的過程中充分的表現出來，劃分后的網格模型見圖2。

圖2 輥筒劃分后的網格模型

3.2 邊界條件與載荷求解

輥筒部件是水平放置的，因此對其進行約束時，根據圖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的轉動約束為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 分析結果

經過ANSYS有限元軟件對輥筒部件分析，可以得到輥筒總體的應力分布情況，如圖4所示。

圖4 輥筒部件總體綜合應力分布

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

輥筒部件的總體變形結果如圖5所示。

圖5 輥筒部件的總體變形結果

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個視圖來表現大軸零件的綜合應力分布，已經將后面的輥筒部分虛化掉了。

圖6 大軸零件的綜合應力分布情況

圖7 大軸零件的綜合應力分布情況(從后面看)

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

圖8、圖9分別是從上下2個視圖來表現大軸零件的綜合應力分布。

圖8 大軸零件的綜合應力分布情況(上面受拉部分看)

圖9 大軸零件的綜合應力分布情況(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力有所加大，下面受擠部分比上面受拉部分的應力要大，如果受到達到最大值的載荷，這兩個地方的應力將首先擴大。

5 結 語

本文主要是對恒天重工股份有限公司的滌綸短纖后處理聯(lián)合機中HV582A-0600輥筒部件的應力分布進行分析，通過運用三維繪圖軟件Pro/E和有限元軟件ANSYS對部件進行建模和分析。從整體的應力和變形情況看，整個輥筒部件的最大應力為132.14MPa，小于材料的允許應力，如果載荷增加到輥筒的最大應力值，大軸的階梯面和法蘭的圓弧處將最先受到載荷的影響，應力也會首先擴大，輥筒部件能滿足目前設計的載荷工況，不需要更改部件的整體結構。通過對輥筒應力分布的分析，對化纖牽伸機的正常運轉提供了可靠的保證，同時對提高滌綸生產線的總產量和降低設備的設計制造成本也有一定的幫助。

[1] 徐鋼濤.機械設計基礎[M].北京：高等教育出版社，2007：126-256.

[2] 曾 攀.有限元分析及運用[M].北京：清華大學出版社，2004：66-125.

[3] 朱 燕.有限元分析法在軋輥設計中的應用[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防措施[J].橡塑技術與裝備，2009,38(1)：31-35.

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

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

[7] 丁 科,陳月順.有限單元法[M].北京：北京大學出版社，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主軸靜動態(tài)特性有限元分析[J].機械設計，2013，30(2)：83.

(責任編輯：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(1958-)，男，河南三門峽人，教授，主要從事紡織工藝與技術方面的研究。

邊若普，E-mail：brpnet2009@126.com.

TS152.8

B

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