基于疲劳分析的螺旋轴有限元分析.pdf

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1、374化工机械2014焦基于疲劳分析的螺旋轴有限元分析路原睿刈马耀宏2郭少华1左振京3(1．天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2．南京天华化学工程有限公司；3．中国纺织科学研究院)摘要通过有限元分析软件ANSYS建立螺旋轴有限元模型，对螺旋轴在自重、物料作用、冲击栽荷、传动扭矩和冲击载荷作用下的受力状况进行数值计算，采用循环载荷下疲劳应力评定方法对计算结果进行评定分析。结果表明，螺旋轴寿命可以满足设计要求。关键词螺旋输送机螺旋轴疲劳分析有限元中图分类号TQ051．2文献标识码A文章编号0254-6094(2014)03-0374-03螺旋输送机作为

2、输送物料的设备，适宜输送各种粉料、粒状和小块的物料，但不宜输送易变质、粘性大和易结块的大块物料⋯。螺旋加料器具有结构简单、横截面尺寸小、密封性能好、便于中间进料／出料、操作安全方便及制造成本低等优点，广泛应用于采矿、化工、建材、冶金、机械制造、轻纺织工业及粮食等行业。螺旋结构可按使用场合的不同分为实体螺旋、带式螺旋和叶片螺旋。实体螺旋适宜输送干燥、粒度小的颗粒或粉状物料，其螺距等于直径的0．8倍；带式螺旋适宜输送块状物料或粘性中等物料，其螺距等于直径；叶片螺旋适宜输送粘性大和可压缩性物料，其螺距等于直径的1．2倍。决定螺旋输送机的工作性能、生产效率和使用

3、寿命的主要零部件是螺旋轴。螺旋轴一般由空一1、5'轴管外焊螺旋叶片和管两端装配轴头组成，轴头部位由轴承支撑，中间悬空。螺旋轴主要受自身重力所产生的弯矩作用力、传动端扭矩作用力和轴向作用力。螺旋轴每转动一周，轴上对应点的应力完成一个周期循环，所以螺旋轴长期处在交变应力作用下进行工作，即使最大应力远低于材料的许用应力，在没有发生塑性变形的情况下也会发生疲劳断裂。1螺旋轴结构螺旋轴结构如图1所示，它由轴头、轴管和螺旋叶片组成，两端轴头通过轴承支撑，在传动端轴头装有驱动装置用以提供轴体转动所需的动力，转动的轴体通过螺旋叶片推动所需输送物料流动。螺旋叫图1螺旋轴结

4、构简图2有限元模型的建立螺旋轴受到的力有4个主要来源：由自重产生的应力；传动端轴头受到驱动而在轴体上产生的扭矩作用；进料口物料由高处掉落而产生的冲击载荷；输送物料过程中物料对螺旋轴产生的反作用力。考虑到螺旋轴结构和受力的复杂性，并长期处于交变循环应力环境下，采用常规的经验公式无法准确计算螺旋轴各处的应力及其寿命，笔者利用有限元软件ANSYS旧3，采用参数化建模的研究方法，对螺旋轴的应力分布状况、变形情况进行分析，并通过疲劳分析法准确预测其寿命情况。}路原睿，男，1982年9月生，工程师。甘肃省兰州市，730060。第41卷第3期化工机械375笔者以某化工

5、企业螺旋输送机螺旋轴为研究对象，螺旋轴转速约为40r／min，叶片外径为800mm，轴管规格为咖180mm×20ram，轴承支撑跨距为6198mm，螺旋输送机所输送物料为CTA，螺旋轴各部件所用材料及其特性见表1。表l螺旋轴各部件所用材料及其特性三维有限元数值分析可以准确地描述螺旋轴的受力情况，使应力的计算更为精确"1，螺旋轴有限元模型如图2所示，为了方便同类结构轴体的分析计算，笔者利用ANSYS的参数化建模方法和APDL代码建立了完整的螺旋轴有限元模型，所选用的有限元单元均为三维实体单元SOL—ID45‘4。，为了保证求解的准确性，笔者通过特有的建模方

6、式，确保有限元模型中全部网格均为求解性能良好的六面体网格。图2螺旋轴有限元模型3边界条件的加载螺旋轴所受载荷有自重、物料作用力、传动端所施加的扭矩、来自上游的物料冲击载荷和物料对螺旋轴的腐蚀作用。考虑到有限元模型所用单元类型为solid45，施加竖直方向的重力加速度即可，该螺旋轴所加重力载荷为988kg。物料施加在螺旋叶片上的力按作用在叶片上的压力施加于叶片表面，物料密度为1050kg／m3，填充率为30％，该压力载荷沿整个螺旋轴长度均匀分布，物料载荷的施加情况如图3所示。传动轴功率为14．8kW，传动轴转速为40r／min，故传动端所受扭矩为3533N

7、·m。物料坠落高度按4．5m考虑，计算得到上游物料跌落对螺旋轴的冲击力为4725N。由于物料具有腐蚀性，在计算中轴管和叶片考虑1．5mm的腐蚀裕量。轴头与轴管采用过盈配合的连接方式，在本计算中通过设置接触单元来实现过盈配合。图3模型物料载荷的施加4计算结果在所施加载荷的作用下，螺旋轴竖直方向的最大变形约为1．586mm，该最大变形位于螺旋轴的中点，是螺旋轴的最大挠度，如图4所示。螺旋叶片与轴管连接部位的应力分布云如图5a所示，应力最大位置位于螺旋轴最中间位置，最大应力为13．0MPa，根据JB4732．1995应力强度的定义‘51，螺旋叶片与轴管连接处应

8、力幅为6．50MPa。轴头位置的应力分布云如图5b所示，最大应力值位于轴头直径最