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回轉(zhuǎn)分級(jí)篩主要用于飼料廠粉狀物料或顆粒飼料的篩選分級(jí)作業(yè)，還可用于糧食、食品、化工、制糖、采礦、造紙等行業(yè)原料的篩選、中間產(chǎn)品或成品的分級(jí)。回轉(zhuǎn)分級(jí)篩主軸是回轉(zhuǎn)分級(jí)篩的重要部件，作用是傳遞功率，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)分級(jí)篩篩體頭部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)承受彎曲、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力作用。使用中發(fā)現(xiàn)某一型號(hào)的回轉(zhuǎn)分級(jí)篩偶爾出現(xiàn)主軸斷軸的現(xiàn)象，位置都在上鍵槽根部，雖然比例不高，但對(duì)用戶生產(chǎn)影響較大，迫切需要找出原因，杜絕這種現(xiàn)象的發(fā)生。傳統(tǒng)的分析方法計(jì)算繁雜，計(jì)算量大，而且有時(shí)由于計(jì)算系數(shù)的取值范圍較大，造成計(jì)算誤差大，影響了軸的安全性。因此，研究一種新的精確快捷的強(qiáng)度分析方法迫在眉睫。近年來，有限元分析技術(shù)在軸類零件的強(qiáng)度分析和計(jì)算方面得到越來越多的應(yīng)用，但在回轉(zhuǎn)分級(jí)篩主軸中的應(yīng)用尚未見報(bào)道，本文利用有限元分析軟件Ansys對(duì)回轉(zhuǎn)分級(jí)篩主軸進(jìn)行了強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
回轉(zhuǎn)分級(jí)篩由機(jī)座、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)裝置、篩體等部件構(gòu)成，其工作原理是動(dòng)力通過三角皮帶由電機(jī)傳給驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置再帶動(dòng)有一定斜度的篩體運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)有偏心裝置，因此篩體從進(jìn)料端到出料端其運(yùn)動(dòng)軌跡由水平圓周運(yùn)動(dòng)逐漸變成橢圓運(yùn)動(dòng)，最后變?yōu)榻仆鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)。物料從進(jìn)料口進(jìn)入篩體，在篩體進(jìn)料端圓周運(yùn)動(dòng)作用下，迅速均勻地分布在整個(gè)篩面寬度上，并產(chǎn)生自動(dòng)分級(jí)，從而使料層下面粒度較小的物料迅速過篩，而上面粒度較大的物料則沿著篩體斜面向下端(即向出料端)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置由主軸、皮帶輪、下軸承座、偏心塊、箱體、中間軸承座、聯(lián)軸器、連接軸、上軸承座等組成，如圖所示。其中，主軸材質(zhì)為40#，由下軸承座和中間軸承座支撐，偏心塊與篩體安裝方向相反，用來平衡篩體的離心力。已知箱體加物料質(zhì)量共650kg偏心距為0.03mm，轉(zhuǎn)速240r/min,電機(jī)功率3kW。
用Pro/E軟件對(duì)主軸精確建模，經(jīng)由中間IDES文件，導(dǎo)入到Ansys界面中。主軸的有限元模型如圖所示。主軸材料選取40#該材料的彈性模量為2Xe5MPa。泊松比為0.3。單元類型采用Solid95，采用整體自由劃分網(wǎng)格，精度等級(jí)為5，系統(tǒng)自動(dòng)完成網(wǎng)格劃分，并對(duì)鍵槽周圍進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密。傳遞的扭矩為119.38N/m，在主軸下端施加載荷，上端固定，將扭矩施加到整個(gè)主軸上。計(jì)算結(jié)果如圖所示。從計(jì)算結(jié)果看，最大應(yīng)力分布在上下鍵槽的根部，最大合應(yīng)力為10.7MPa，最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為4.3MPa。由于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力較小，不會(huì)是引起斷軸的主要原因。從主軸所受離心力來看，主軸受篩體和偏心塊的離心力作用，軸的上端到上軸承之間受到篩體的離心力作用。與偏心塊的離心力相比，此處離心力值和作用力矩大，并且軸徑小，此處的彎曲應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于偏心塊的離心力引起的彎曲應(yīng)力，所斷的軸都是斷在此處的鍵槽根部，因此重點(diǎn)計(jì)算此處彎曲應(yīng)力。
為了減少計(jì)算量，只截取主軸上面的一段進(jìn)行計(jì)算，下截面與中間軸承座里軸承內(nèi)圈的上表面為同一面。下截面固定約束，載荷按實(shí)際情況加在與聯(lián)軸器接觸的表面上，載荷大小按篩體最大離心力和作用力矩折算。彎曲應(yīng)力計(jì)算模型及載荷分布如圖所示，計(jì)算結(jié)果如圖所示。從計(jì)算結(jié)果看，最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在鍵槽半圓形處根部，為383MPa主軸受扭矩作用引起的應(yīng)力較小，受彎矩引起的應(yīng)力較大，彎曲應(yīng)力是產(chǎn)生斷軸的主要原因。鍵槽處彎曲應(yīng)力最大值為383MPa，比傳統(tǒng)分析方法計(jì)算的值大得多，并且有限元方法的計(jì)算結(jié)果也更精確，軸材質(zhì)為40#屈服點(diǎn)為550MPa，按最大應(yīng)力與屈服點(diǎn)計(jì)算的安全系數(shù)為1.43，安全系數(shù)偏低。如果軸表面加工質(zhì)量不高或軸材質(zhì)存在缺陷，將影響軸的使用壽命，甚至產(chǎn)生斷軸現(xiàn)象。觀察實(shí)際斷軸發(fā)現(xiàn)，所有發(fā)生斷軸的位置都是在上鍵槽半圓形處，如圖所示。這也證明了上述計(jì)算結(jié)果的正確性。
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