于浚哲，滕延偉，褚旭

基于ANSYSWo rkbench bench的輥壓機(jī)輥?zhàn)舆^盈聯(lián)接應(yīng)力分析

于浚哲1，滕延偉2，褚旭2

對(duì)輥壓機(jī)輥?zhàn)舆M(jìn)行運(yùn)動(dòng)及受力分析，采用厚壁圓筒模型計(jì)算輥軸和輥套配合過盈量的上、下限，運(yùn)用ANSYSWorkbench對(duì)不同過盈量下的過盈聯(lián)接進(jìn)行分析，得到了輥軸與輥套在過盈配合狀態(tài)下的接觸應(yīng)力分布情況。將有限元計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的可靠性，為輥壓機(jī)輥?zhàn)舆^盈聯(lián)接的設(shè)計(jì)提供了一種新途徑。

輥壓機(jī)；過盈聯(lián)接；ANSYSWorkbench

輥壓機(jī)是利用兩個(gè)輥?zhàn)訉?duì)物料施壓，從而達(dá)到使物料粉碎的目的。因此，輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響輥壓機(jī)的使用效果及壽命等。輥?zhàn)又饕奢佪S和輥套組裝而成，兩者通過過盈聯(lián)接傳遞力，避免了鍵槽等結(jié)構(gòu)對(duì)零件強(qiáng)度的削弱。但由于過盈配合屬于接觸非線性類型而且難以通過常規(guī)方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)定，一般只能靠經(jīng)驗(yàn)確定過盈量［1］。文獻(xiàn)［2］通過理論計(jì)算給出輥軸與輥套的最大、最小過盈量，但未分析在不同過盈量下接觸面的應(yīng)力分布情況。文獻(xiàn)［3］利用有限元方法對(duì)輥套在不同過盈量下的接觸應(yīng)力進(jìn)行分析，并通過與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限元方法的可行性，但分析過程未考慮輥軸變形對(duì)接觸面應(yīng)力的影響。因而輥?zhàn)舆^盈配合接觸分析還需深入研究。

文中利用三維軟件建立輥?zhàn)幽Ｐ停ㄟ^軟件間的無縫聯(lián)接導(dǎo)入ANSYSWorkbench中進(jìn)行分析，通過在軸承支座上施加液壓力，將結(jié)構(gòu)變形對(duì)接觸應(yīng)力的影響考慮其中，相對(duì)真實(shí)地反映了在不同過盈量下接觸面的應(yīng)力分布，為輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造工藝提供理論依據(jù)。

1　輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)及受力分析

文中主要分析輥軸和輥套的接觸應(yīng)力分布情況，故對(duì)輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1輥?zhàn)映惺艿淖畲筠D(zhuǎn)矩計(jì)算［2］［3］

輥軸和輥套采用溫差法進(jìn)行過盈裝配，為使輥壓機(jī)工作時(shí)兩者不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，其接觸面間的摩擦力矩應(yīng)大于或等于輥?zhàn)映惺艿霓D(zhuǎn)矩。分析可知，當(dāng)有大塊物料進(jìn)入輥壓機(jī)使得輥?zhàn)涌ㄋ劳＾D(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)輥?zhàn)映惺茏畲筠D(zhuǎn)矩。所以輥?zhàn)映惺茏畲筠D(zhuǎn)矩T應(yīng)為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Td、輥?zhàn)由戏轿锪献饔糜谳佔(zhàn)拥呐ぞ豑w與輥?zhàn)討T性力矩Tg之和，計(jì)算公式如下：

圖1　輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)

（1）電動(dòng)機(jī)額定功率所提供的轉(zhuǎn)矩Td

式中：

P——電動(dòng)機(jī)的功率，kW

n——輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速，r/min

（2）物料作用于輥?zhàn)拥呐ぞ豑w

式中：

m——輥?zhàn)由衔锪腺|(zhì)量，kg

g——重力加速度

R——輥?zhàn)影霃?，mm

（3）輥?zhàn)討T性力矩Tg

其中，J=m1R/2

式中：

m1——輥套與輥軸質(zhì)量之和

1.2傳遞載荷所需接觸面壓強(qiáng)計(jì)算［4］

輥套輥軸間的配合采用厚壁圓筒模型進(jìn)行計(jì)算，其傳遞載荷所需最小壓強(qiáng)：

式中：

μ——摩擦系數(shù)

d——結(jié)合面直徑，mm

L——壓輥寬度，mm

由于輥軸受壓引起的變形比輥套小，所以只需計(jì)算輥套不發(fā)生塑性變形所能承受的最大壓強(qiáng)Pmax。

式中：

d1——輥套外徑，mm

σs——屈服極限，MPa

過盈聯(lián)接傳遞載荷所需要的最小過盈量：

式中：

E1，E2——輥套、輥軸的彈性模量，

d2——輥軸上的孔徑，mm

υ1，υ2——輥套、輥軸材料的泊松比

軸套不產(chǎn)生塑性變形的最大過盈量：

由于輥?zhàn)釉诠ぷ鲿r(shí)受到的沖擊載荷較大，故在選擇其最小裝配過盈量時(shí)，必須考慮一定的安全過載系數(shù)，對(duì)于一般質(zhì)量的材料，通常情況取2～2.5，通過比較，選取為2.5，則最小過盈量δ=2.5δmin。

1.3選用配合

所選配合的最小和最大過盈Ymin、Ymax需保證傳遞載荷，Ymin＞δ，保證聯(lián)接件不產(chǎn)生塑性變形，Ymax≤δmax。

2　算例分析

文中以?140mm×140mm型輥壓機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算，具體參數(shù)為P=1 600kW，n=20r/min，R=710mm，m=1.2× 104kg，L=1 420mm，d=860mm，d1=1 420mm，d2=150mm，輥套的屈服應(yīng)力σs=315MPa。將參數(shù)代入上述公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1、2所示。

表1　輥?zhàn)幼畲筠D(zhuǎn)矩T

表2　輥套壓強(qiáng)及過盈量

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選定［δmin］=1mm，［δmax］=1.2mm。按照式（7）和（8）可得過盈量為1mm和1.2mm時(shí)對(duì)應(yīng)的接觸面壓強(qiáng)：［Pmin］=76.5MPa，［Pmax］= 91.8MPa，介于Pmin和Pmax之間。

3　有限元計(jì)算

在Pro/E軟件中建立模型，通過Pro/E與ANSYS Workbench的無縫聯(lián)接，將模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行分析［5］。建立的模型包括軸承座、輥軸和輥套，如圖2a所示。通過對(duì)輥壓機(jī)運(yùn)動(dòng)及受力分析，確定模型約束及加載情況，如圖2b所示。為模擬推力軸承作用，并保證整體變形不失真，在A處施加FrictionlessSupport約束限制輥軸的軸向位移，B、C、D處施加Displacement約束限制軸承座及輥?zhàn)舆\(yùn)動(dòng)。在E處為整個(gè)模型施加重力加速度（模擬重力作用）。在軸承支座銷孔處（圖中F、G、H、I處）施加液壓缸作用力。輥軸與輥套設(shè)置為摩擦聯(lián)接（Frictional），摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。通過offset選項(xiàng)設(shè)置過盈量，法向剛度因子（Normal Stiffness Factor）設(shè)置為0.1。

圖2　有限元模型及約束

圖3　結(jié)構(gòu)的整體變形示意圖

圖4　輥套接觸應(yīng)力示意圖

表3　有限元與理論計(jì)算結(jié)果

4　結(jié)果分析

圖3和圖4分別為在不同過盈量時(shí)結(jié)構(gòu)的整體變形及輥套的接觸應(yīng)力示意圖，圖3中可以看出在輥壓機(jī)工作時(shí)輥軸有變形，所以輥套擠壓面接觸應(yīng)力的計(jì)算必須考慮輥軸的變形影響。圖4顯示了考慮變形后的輥套擠壓面接觸應(yīng)力，接觸應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在軸套變形較大一側(cè)。

表3列出了不同過盈量時(shí)有限元計(jì)算與理論計(jì)算的結(jié)果。從表中可以看出，有限元計(jì)算得到的接觸應(yīng)力最大值與理論計(jì)算值相比誤差在2%以內(nèi)。

5　結(jié)論

文中利用ANSYSWorkbench對(duì)輥壓機(jī)輥?zhàn)舆^盈聯(lián)接接觸應(yīng)力進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）將基于ANSYSWorkbench的過盈聯(lián)接接觸分析引入到輥壓機(jī)設(shè)計(jì)中，能很好地將三維設(shè)計(jì)與有限元計(jì)算結(jié)合起來，方便求出不同過盈量下輥?zhàn)訑D壓面接觸應(yīng)力分布情況，為輥壓機(jī)輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)提供了一種新途徑。

（2）輥壓機(jī)實(shí)際工作時(shí)，輥軸有較小的變形，為了能真實(shí)模擬輥軸和輥套的接觸應(yīng)力，應(yīng)將輥軸變形考慮在內(nèi)。

（3）計(jì)算結(jié)果表明，ANSYS Workbench計(jì)算結(jié)果不但應(yīng)力最大值與理論計(jì)算有很好一致性，而且能夠反映輥軸輥套接觸應(yīng)力、結(jié)構(gòu)整體變形等情況，更加符合工程設(shè)計(jì)的要求，體現(xiàn)了有限元方法的可行性和優(yōu)越性。

［1］張建水，殷玉楓，趙肖敏，等.基于ANSYS的軸套過盈配合接觸分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2014，31（5）：22-25.

［2］張發(fā)展，郝兵，聶明.輥壓機(jī)輥套的過盈量、圓柱銷計(jì)算及實(shí)例應(yīng)用［J］.礦山機(jī)械，2010，38（3）：69-72.

［3］王進(jìn)軍.高壓輥磨機(jī)壓輥過盈聯(lián)接應(yīng)力分析［J］.裝備制造技術(shù)，2013（8）：27-28.

［4］秦大同，謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［5］凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYSWorkbench 13.0從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

Stress Analysisof Interference Fitof Roller for Roller Press Based on ANSYSW orkbench

YU Junzhe1，TENG Yanwei2，CHU Xu2
（1.Tianjin Cement Industry Design&Research Institute Co.,Ltd,Tianjin 300400,China；2.Sinoma Technology&Equipment Group Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China）

This paper showskinematicsand force analysisof the roller for roller press.Contactstressdistribution of roller and roller sleeve in the condition of interference fitwas obtained using Tick-walled Tube Theorem to calculate upper and lower limits of interference fit between the roller and the roller sleeve and using ANSYS Workbench to analyze the interference fit under different interference conditions.Comparing finite element calculation resultswith theoreticalsolutions,we verified the feasibility of the finite elementmethod.Accordingly a new approach isprovided for interference fitdesign of rollerpress.

roller press；interference fit；ANSYSworkbench

TH 131.7

A

1001-6171（2015）03-0038-03

通訊地址：1天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；2中材裝備集團(tuán)有限公司，天津300400；

2014-09-04；編輯：呂光