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1、HFCG120辊压机机架优化设计第24卷第5期2007年5月机械设计JOURNALOFMACHINEDESIGNVo1.24No.5Mav2007HFCG120辊压机机架优化设计包家汉,潘紫微,包玮,胡俊亚(1.安徽工业大学机械工程学院,安徽-B鞍山243002I2.合肥水泥研究设计院,安徽合肥230051)摘要:利用APDL语言,建立了辊压机机架有限元模型与优化设计模型,采用耦合节点自由度的方式处理机架各部件间的螺栓和销轴联接,同时对螺栓联接的预应力,采用温降法加以考虑.优化设计结果表明,机架中各钢板的厚度
2、分布趋于合理,第一主应力降幅显着,机架强度能够满足工程应用要求.关键词:辊压机;销轴联接;有限元;优化设计中图分类号:TH133.1,TBl15文献标识码:A文章编号:1001—2354【2007)O5—0063一O3辊压机是2O世纪8O年代中期由德国首先开发的节能粉磨设备,从1985年世界上第1台辊压机投入工业性试验以来,现在已有各种规格的辊压机在世界各地的工厂投入运行.该技术可显着提高后续球磨机的粉磨效率,节省电耗,钢耗,已在水泥生料,熟料等物料粉碎作业中得到了成功的应用[1].机架是辊压机的基础,承受和
3、平衡着电机,液压系统所产生的粉磨力,保证在机架内形成封闭的力回路,使得在正常工作时,辊压机压力不会传递到基础,最新的辊压机机架有铰接式和销轴式两种结构型式.HFCG120辊压机机架为销轴式结构,主要有前后下横梁,左右立柱及前后上横梁等部件组成,各部件均采用钢板焊接,部件间采用螺栓联接,结合面的剪切力则主要通过销轴承担.这种结构的辊压机装配间隙小,工作平稳.辊压机机架虽然结构并不复杂,但采用传统的力学方法仍很难计算出机架的强度,剐度,特别是某些危险点的应力集中程度和机架中的应力分布情况.同时,机架中钢板厚度的合
4、理分配,不仅可起到降低机架整体质量的作用,还可使得机架中应力水平有一定程度的下降.随着计算机技术的发展,有限元法为以上问题的解决提供了一种新的方法和手段.文中采用ANSYS软件对HFCG120辊压机机架进行优化设计,计算出辊压机机架的应力分布情况.1辊压机有限元模型1.1实体模型与网格划分根据HFCG120辊压机机架结构尺寸,采用APDL语言,建立机架的实体模型(图1).由于机架的对称性,只需要建立1/2模型,然后在对称面上施加对称约束便可得到完整模型的应力和变形数据.建模过程中,对各焊接件中的钢板实体采用布
5、尔运算GLUE命令粘结在一起,采用GLUE命令能够保证在设计变量变化时,需焊接的钢板不会出现分离和渗入的现象,确保优化设计过程中模型的正确性.在1/2辊压机架模型中,存在8根垂直XY平面的销轴(直销),4根位于XY平面的销轴(横销)及24个螺栓孔,造成结构中曲线较多,并且这部分结构对应力及各焊接件间传递力的大小影响很大,因此,网格划分选择了对曲线边界的拟合能力强的四面体二次等参单元solid92,在对销轴与销轴孑L,螺栓(螺栓头部与螺母)与联接件的接触面进行单元控制后,采用自由网格划分,设定SmartSizi
6、ng为8,初始模型共划分118765个单元,201565节点.上横粱左立柱螺栓直销圉1I-IFCG120辊压机机架实体模型1,2联接关系的处理辊压机机架下横梁与左右立柱及上横梁等焊接件间联接关系的合理处理是有限元计算的关键.若完全采用体的布尔操作将各焊接件连为一体E,而忽略它们之间的装配关系,模型的处理最为简单,但这种简化与实际情况有较大出入.在接触部位采用接触单元的模型虽然更符合实际情况,分析的结果也更精确c3],但接触分析属于高度非线性问题,计算时间漫长,其计算所需内存太大,对于辊压机机架的节点规模,若再
7、进行优化计算,在一般微机上无法计算.因此,文中通过体的粘结与节点耦合方式对各种联接关系进行了合理处理.1.2.1螺栓联接1/2辊压机架模型中,下横梁与左右立柱,上横梁与左右立柱各通过一组受横向载荷的螺栓(6个直径24ITlin的螺栓)联接.建立3个圆柱体,分别表示螺栓头部,螺杆和螺母,然后粘结成一体,形成螺栓联接件.在辊压机机架网格划分前,将螺栓头部与机架也粘结在一起,限制螺栓联接件的刚体位移,螺栓联接件网格划分后,耦合螺母同机架接触部位相近节点的y方向和x方向位移.螺栓联接的预应力,则采用温降法[4]加以施
8、加.÷收稿日期:2006一O8一O8;修订日期:2007--01—24作者简介:包家~Y.(1971--),男,安徽南陵人,副教授,硕士,主要从事机械设计与理论研究工作.64机械设计第24卷第5期优化设计前的有限元强度计算结果表明,连接部位的剪切力完全由直销(X方向载荷)和横销(y方向载荷)承担,螺栓只承受垂直方向的作用力,螺栓中预应力的增大只会增加螺栓的应力及被联接件同螺栓接触部位的局部应力,使得
