基于ANSYSWo rkbench bench的辊压机辊子过盈联接应力分析
2015-08-30于浚哲滕延伟褚旭
于浚哲，滕延伟，褚旭
基于ANSYSWo rkbench bench的辊压机辊子过盈联接应力分析
于浚哲1，滕延伟2，褚旭2
对辊压机辊子进行运动及受力分析，采用厚壁圆筒模型计算辊轴和辊套配合过盈量的上、下限，运用ANSYSWorkbench对不同过盈量下的过盈联接进行分析，得到了辊轴与辊套在过盈配合状态下的接触应力分布情况。将有限元计算结果与理论计算结果进行对比，验证了有限元分析结果的可靠性，为辊压机辊子过盈联接的设计提供了一种新途径。
辊压机；过盈联接；ANSYSWorkbench
辊压机是利用两个辊子对物料施压，从而达到使物料粉碎的目的。因此，辊子结构设计的好坏直接影响辊压机的使用效果及寿命等。辊子主要由辊轴和辊套组装而成，两者通过过盈联接传递力，避免了键槽等结构对零件强度的削弱。但由于过盈配合属于接触非线性类型而且难以通过常规方法对其进行测定，一般只能靠经验确定过盈量［1］。文献［2］通过理论计算给出辊轴与辊套的最大、最小过盈量，但未分析在不同过盈量下接触面的应力分布情况。文献［3］利用有限元方法对辊套在不同过盈量下的接触应力进行分析，并通过与理论计算进行对比，验证有限元方法的可行性，但分析过程未考虑辊轴变形对接触面应力的影响。因而辊子过盈配合接触分析还需深入研究。
文中利用三维软件建立辊子模型，通过软件间的无缝联接导入ANSYSWorkbench中进行分析，通过在轴承支座上施加液压力，将结构变形对接触应力的影响考虑其中，相对真实地反映了在不同过盈量下接触面的应力分布，为辊子结构的设计和生产制造工艺提供理论依据。
1 辊子运动及受力分析
文中主要分析辊轴和辊套的接触应力分布情况，故对辊子结构进行必要的简化，简化后的结构如图1所示。
1.1辊子承受的最大转矩计算［2］［3］
辊轴和辊套采用温差法进行过盈装配，为使辊压机工作时两者不发生相对滑动，其接触面间的摩擦力矩应大于或等于辊子承受的转矩。分析可知，当有大块物料进入辊压机使得辊子卡死停转时，此时辊子承受最大转矩。所以辊子承受最大转矩T应为电机额定转矩Td、辊子上方物料作用于辊子的扭矩Tw与辊子惯性力矩Tg之和，计算公式如下：
图1 辊子结构
（1）电动机额定功率所提供的转矩Td
式中：
P——电动机的功率，kW
n——辊子转速，r/min
（2）物料作用于辊子的扭矩Tw
式中：
m——辊子上物料质量，kg
g——重力加速度
R——辊子半径，mm
（3）辊子惯性力矩Tg
其中，J=m1R/2
式中：
m1——辊套与辊轴质量之和
1.2传递载荷所需接触面压强计算［4］
辊套辊轴间的配合采用厚壁圆筒模型进行计算，其传递载荷所需最小压强：
式中：
μ——摩擦系数
d——结合面直径，mm
L——压辊宽度，mm
由于辊轴受压引起的变形比辊套小，所以只需计算辊套不发生塑性变形所能承受的最大压强Pmax。
式中：
d1——辊套外径，mm
σs——屈服极限，MPa
过盈联接传递载荷所需要的最小过盈量：
式中：
E1，E2——辊套、辊轴的弹性模量，
d2——辊轴上的孔径，mm
υ1，υ2——辊套、辊轴材料的泊松比
轴套不产生塑性变形的最大过盈量：
由于辊子在工作时受到的冲击载荷较大，故在选择其最小装配过盈量时，必须考虑一定的安全过载系数，对于一般质量的材料，通常情况取2～2.5，通过比较，选取为2.5，则最小过盈量δ=2.5δmin。
1.3选用配合
所选配合的最小和最大过盈Ymin、Ymax需保证传递载荷，Ymin＞δ，保证联接件不产生塑性变形，Ymax≤δmax。
2 算例分析
文中以ϕ140mm×140mm型辊压机为例进行计算，具体参数为P=1 600kW，n=20r/min，R=710mm，m=1.2× 104kg，L=1 420mm，d=860mm，d1=1 420mm，d2=150mm，辊套的屈服应力σs=315MPa。将参数代入上述公式进行计算，结果如表1、2所示。
表1 辊子最大转矩T
表2 辊套压强及过盈量
根据计算结果，结合实际经验选定［δmin］=1mm，［δmax］=1.2mm。按照式（7）和（8）可得过盈量为1mm和1.2mm时对应的接触面压强：［Pmin］=76.5MPa，［Pmax］= 91.8MPa，介于Pmin和Pmax之间。
3 有限元计算
在Pro/E软件中建立模型，通过Pro/E与ANSYS Workbench的无缝联接，将模型导入Workbench中进行分析［5］。建立的模型包括轴承座、辊轴和辊套，如图2a所示。通过对辊压机运动及受力分析，确定模型约束及加载情况，如图2b所示。为模拟推力轴承作用，并保证整体变形不失真，在A处施加FrictionlessSupport约束限制辊轴的轴向位移，B、C、D处施加Displacement约束限制轴承座及辊子运动。在E处为整个模型施加重力加速度（模拟重力作用）。在轴承支座销孔处（图中F、G、H、I处）施加液压缸作用力。辊轴与辊套设置为摩擦联接（Frictional），摩擦系数设置为0.15。通过offset选项设置过盈量，法向刚度因子（Normal Stiffness Factor）设置为0.1。
图2 有限元模型及约束
图3 结构的整体变形示意图
图4 辊套接触应力示意图
表3 有限元与理论计算结果
4 结果分析
图3和图4分别为在不同过盈量时结构的整体变形及辊套的接触应力示意图，图3中可以看出在辊压机工作时辊轴有变形，所以辊套挤压面接触应力的计算必须考虑辊轴的变形影响。图4显示了考虑变形后的辊套挤压面接触应力，接触应力较大的区域主要分布在轴套变形较大一侧。
表3列出了不同过盈量时有限元计算与理论计算的结果。从表中可以看出，有限元计算得到的接触应力最大值与理论计算值相比误差在2%以内。
5 结论
文中利用ANSYSWorkbench对辊压机辊子过盈联接接触应力进行分析，得到如下结论：
（1）将基于ANSYSWorkbench的过盈联接接触分析引入到辊压机设计中，能很好地将三维设计与有限元计算结合起来，方便求出不同过盈量下辊子挤压面接触应力分布情况，为辊压机辊子设计提供了一种新途径。
（2）辊压机实际工作时，辊轴有较小的变形，为了能真实模拟辊轴和辊套的接触应力，应将辊轴变形考虑在内。
（3）计算结果表明，ANSYS Workbench计算结果不但应力最大值与理论计算有很好一致性，而且能够反映辊轴辊套接触应力、结构整体变形等情况，更加符合工程设计的要求，体现了有限元方法的可行性和优越性。
［1］张建水，殷玉枫，赵肖敏，等.基于ANSYS的轴套过盈配合接触分析［J］.机械设计，2014，31（5）：22-25.
［2］张发展，郝兵，聂明.辊压机辊套的过盈量、圆柱销计算及实例应用［J］.矿山机械，2010，38（3）：69-72.
［3］王进军.高压辊磨机压辊过盈联接应力分析［J］.装备制造技术，2013（8）：27-28.
［4］秦大同，谢里阳.现代机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2011.
［5］凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYSWorkbench 13.0从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，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
通讯地址：1天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；2中材装备集团有限公司，天津300400；
2014-09-04；编辑：吕光
