辊磨磨辊轴的受力计算及有限元分析

辊磨磨辊轴的受力计算及有限元分析
赵剑波;韩有昂
【摘要】为了获得磨辊轴的应力云图和变形位移,结合材料力学和有限元分析的方法对磨辊轴进行分析.通过受力分析计算磨辊轴的外载荷,并采用有限元软件对其进行有限元分析,校核计算磨辊轴的强度及变形,并提出了优化设计建议.该方法为磨辊轴的设计、优化提供了依据.
【期刊名称】《水泥技术》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】3页(P32-34)
【关键词】辊磨;磨辊轴;有限元分析
【作者】赵剑波;韩有昂
【作者单位】中材(天津)粉体技术装备有限公司,天津300400;中材(天津)粉体技术装备有限公司,天津300400
【正文语种】中文
【中图分类】TQ172.632.5
目前有关辊磨的设计往往采用基于经验和类比的方法，缺少理论计算。

近年来，对辊磨的研究主要针对结构的改进等方面，如郑锐锋等[1]对辊磨的摇臂进行建模和有限元分析，校核了摇臂的强度；赵冬梅等[2]采用ANSYS软件对摇臂进行有限元分析，并给出了结构优化的建议。

本文将分别采用材料力学和有限元的方法对磨辊装置中的关键件——磨辊轴进行
分析研究。

1.1 磨辊装置的结构特点
磨辊装置是辊磨的关键部件，主要由轮毂、磨辊轴、轴承、辊套、轴承密封件、闷盖、端盖、润滑油管等组成。

磨辊装置与摇臂之间通过磨辊轴和两组胀套连接固定。

轴承是磨辊装置的关键零件，通常采用圆柱滚子轴承和双列圆锥滚子轴承的组合配置方式。

圆柱滚子轴承作为浮动端，仅承受径向力；双列圆锥滚子轴承作为固定端，承受轴向力和径向力。

两个轴承通过内外间隔套定位并相互支撑。

轴承通过磨辊的闷盖和端盖而压紧。

磨辊轴承采用强制循环稀油润滑，可以改善轴承的润滑和散热，提高轴承的寿命和可靠性。

1.2 磨辊轴的受力分析
辊磨是借助于对料床施加高压而实现物料的粉碎。

在粉磨过程中，磨辊主要受到垂直于磨盘面向上的压力F、磨辊与物料间产生的滑动摩擦力Fn和滚动摩擦力Ft。

为简化计算，不考虑磨辊的重力等。

其中滑动摩擦力和滚动摩擦力均与磨辊所受正压力成正比例关系，比例系数分别取0.25和0.05[3]。

由于物料所受真实辊压很
难计算，通常采用相对辊压来表示。

磨辊的投影压力F为：
式中：
P——单位磨辊在投影面积的辊压
D——磨辊平均直径
B——磨辊宽度
通过坐标变换，可得磨辊承受的径向力FMy，轴向力FMx，切向力FMz：
（1）将磨辊装置整体进行受力分析（如图1所示）
XY平面受力分析：
式中：
FAy——磨辊轴在A处y方向上的载荷
XZ平面受力分析：
式中：
FAz——摇臂轴在A处z方向所受的载荷
FBz——摇臂轴在B处z方向所受的载荷
由此可得摇臂轴在A处、B处所受的径向力FAr、FBr：
根据胀套联接的特性[4]，胀套在承受径向力Fr时，会产生一个派生轴向力Fd。

由式（6）分别得到A处、B处的派生轴向力FAd、FBd。

式中：
α——胀套锥面的锥度
ϕ——摩擦角
若FAd+FMx≤FBd，则A处胀套被“压紧”，B处胀套被“放松”。

但实际上轴并没有移动，被“压紧”胀套的轴向力为被“放松”胀套自身派生的轴向力与外加的轴向力的代数和，被“放松”胀套的轴向力仅仅为自身派生的轴向力。

则：
若FAd+FMx≥FBd，则B处胀套被“压紧”，A处胀套被“放松”。

则：
由式（7）、（8）可得摇臂轴在A处、B处x方向的载荷FAx、FBx。

（2）对磨辊轴进行单独受力分析（如图2所示）
XY平面受力分析：
式中：
FDx——磨辊轴在D轴承位x方向上的载荷
FCy——磨辊轴在C轴承位y方向上的载荷
FDy——磨辊轴在D轴承位y方向上的载荷
XZ平面受力分析：
式中：
FDz——磨辊轴在D处z方向上的载荷
磨辊轴只承受弯矩，应按抗弯强度条件计算。

首先将磨辊轴上所受载荷分解为XY
面和XZ面上的力；其次分别按XY面和XZ面计算各力产生的弯矩，并绘制出XY 面弯矩图、XZ面弯矩图；然后计算合成弯矩，并绘制合成弯矩图；最后根据载荷
的分布情况及应力集中部位，确定磨辊轴的危险截面，并对危险截面进行强度校核。

式中：
M——磨辊轴所受的弯矩
W——抗弯截面系数
通过对某型号的磨辊轴进行计算，最后得到磨辊轴的最大应力为84MPa，满足强度要求。

理论计算没有考虑应力集中、直径大小等因素对轴的强度的影响，因此应结合采用有限元软件对磨辊轴进行强度分析等。

有限元分析包括模型建立、划分网格、添加材料属性和边界条件、施加载荷计算及后处理等。

采用Solid⁃Works中的Simulation对摇臂轴进行有限元分析，为简化计算，略去磨辊轴的倒角、螺纹孔。

将摇臂轴平均划分网格；将摇臂轴的A处、B 处采用圆柱面约束，固定其径向、轴向、切向自由度；在摇臂轴C处、D处加载
外载荷。

摇臂轴的材质为40Cr，调质处理，其主要机械性能参数：杨氏模量210GPa，泊
松比为0.29，屈服强度450MPa，抗拉强度600MPa。

2.1 结果分析
通过分析可得磨辊轴的应力分布图（如图3所示）和位移分布图（如图4所示）。

磨辊轴的最大应力在胀套B处，最大应力为98MPa，安全系数4.5，属于安全设计。

磨辊轴应力较大的区域在胀套B处和圆柱滚子轴承轴肩处，这是由于应力集
中引起的。

从图4可以看出，磨辊轴的最大位移在磨辊轴的端部，最大变形量为0.7mm，其刚度足够满足要求。

2.2 优化设计
通过分析结果对磨辊轴进行结构优化，磨辊轴在胀套B处不宜设计轴肩，采用间
隔套对胀套进行轴向定位；在圆柱滚子轴承轴肩处设计合理的圆角等。

在不改变磨辊轴的轴承安装尺寸的情况下，将磨辊轴胀套B处的轴径多次试探性
减小，并经有限元计算，得到优化后的磨辊轴的应力分布图（图5）及位移分布图（图6）。

结果表明，磨辊轴的最大应力的位置没变，最大应力为126MPa，安全系数为3.5，最大变形为0.8mm，磨辊轴刚度足够。

优化后磨辊轴的最大轴径减少了10%，降低了制造成本。

对磨辊轴结构优化的措施还有，合理布置各受力位置，降低磨辊轴的总长，优化时需考虑轴承的寿命等因素。

采用材料力学的方法对磨辊轴进行受力分析，结合采用有限元软件对磨辊轴进行有限元分析，并对磨辊轴进行优化设计，为磨辊轴的设计、校核、优化等提供了理论依据和解决方案。

此外，为了获得更准确的磨辊外载荷，需要对其进行试验验证。

【相关文献】
[1]郑锐锋，郑刚，姜永军.大中型矿渣辊磨摇臂的建模及有限元分析[J].包钢科技，2012，38（4）:45-48.
[2]赵冬梅.辊式辊磨摇臂部件的有限元分析[J].科技导报，2013，31（28/29）:53-56.
[3]程福安，陈延信，刘宁昌.高压辊式立式磨关键部件的有限元分析[J].西安建筑科技大学学报，
2010，42（1）:142-146.
[4]韩有昂.辊磨中胀套联接的理论研究及有限元分析[J].矿山机械，2015，（10）:77-80.。