基于有限元法对单螺杆挤出机减速箱箱体强度分析

2016-11-27李一鸣丛丹大连橡胶塑料机械有限公司辽宁116300

橡塑技术与装备 2016年16期

关键词：挤出机有限元法轴承座

李一鸣，丛丹(大连橡胶塑料机械有限公司，辽宁 116300)

Strength analysis of the reduction box of single screw extruder based on fi nite element method

李一鸣，丛丹(大连橡胶塑料机械有限公司，辽宁 116300)

主要利用有限元法对单螺杆挤出机减速箱箱体进行强度分析，并根据计算结果对箱体结构进行优化，为挤出机减速箱箱体的优化设计提供一种有效方法。

最大拉应力；总变形；bearing load；ANSYS workbench

单螺杆挤出机组是橡塑制品厂的重要设备，主要用于原料的混炼、塑化及挤出。单螺杆挤出机工作时，机头压力很大，一般动载荷在20 MPa左右，有的甚至高达40 MPa，这对传动装置—减速箱的推力轴承的设计与布局提出很高要求，尤其是减速箱箱体上安装推力轴承部位的强度设计与计算。在传统的机械设计手册中只给出理论的箱体壁厚和结构，无法进行精确的强度与刚度计算，本文应用有限元法，对减速箱箱体进行强度分析，并根据计算结果对箱体的结构进行优化。

本文以φ180机组的单螺杆挤出机减速箱为例，利用有限元法对其箱体进行强度分析。主要技术参数是螺杆输出扭矩63 000 N.m，螺杆转速50 r/min，机头负载压力40 MPa。

1 分析条件

箱体材料 QT450-10

弹性模量 E=147 GPa

泊松比 Pi=0.25

2 模型简化

在I-DEAS V5下完成减速箱造型，输出为parasolid格式，如图1所示。

图1 减速箱三维造型图

3 网格划分与边界条件

在ANSYS workbench中调入parasolid格式的减速箱模型，划分的网格如图2所示。

根据齿轮参数计算报告和有关图纸，得到各级齿轮径向力(x)、切向力(y)、轴向力(z)，得到各级受力数据及齿轮受力数据如表1及表2所示，对4根轴分别进行有限元静力分析，得到各轴的轴承支反力如表3(第4轴计算时加入了机头压力引起的轴向力)，其反力即是轴承座受力，见表4，各轴轴向力是每级两个z向力的和。

图2 减速箱网格划分图

表1 挤出机减速箱各级受力

表2 挤出机减速箱各齿轮受力

表3 挤出机减速箱各轴承座支反力

表4 挤出机减速箱各轴承座受力

固定减速箱底面，在减速箱各轴承座分别施加表4中的x、y载荷，在序2、4处端盖接触面分别施加I轴和II轴轴向力，在序6处轴承座端面施加III轴轴向力，在序8处大止推轴承端面施加IV轴轴向力。边界条件施加如图3所示。（由于软件限制，左侧只能显示出10个边界条件，其余的数值详见表4）。

图3 减速箱边界条件施加

4 求解

定义材料参数，进入ANSYS中利用常规求解器进行求解。

5 结果分析

减速箱的最大主应力如图4、图5及图6所示，最大主应力值为113.99 MPa，出现在图中Max位置，其他各极大值位置如图中所标。（图4为正面，图5为背面箱盖图，图6为箱底图）

图4 减速箱最大主应力图

减速箱的变形如图7所示，最大变形出现在图中Max位置，最大变形值为0.567 1 mm。

6 结论

图5 减速箱最大主应力图（箱盖剖开）

（1）根据GB/T1348—2009球墨铸铁件QT450-10的力学性能——抗拉强度:σb(MPa)≥450，屈服强度 σ0.2(MPa)≥250，冲击韧性值 αkv (J/cm2)≥18，硬度 :130～180 HBS。减速箱的最大主应力如上图4、图5及图6所示，最大主应力值为113.99 MPa，出现在图中Max位置，其它各极大值位置如图中所标。应力最大处的安全系数S1=250/113.99=2.2，满足箱体的强度设计要求，设计箱体时对其圆角处理并加强强度；推力轴承座S2=250/99.027=2.5。减速箱的变形如图7所示，最大变形出现在图中Max位置，最大变形值为0.567 1 mm。设计过程中增加箱盖上轴承座壁厚及最大变形值处增加筋板等结构，通过修改、优化，使箱体所受到的最大变形值降低到0.40 mm，减速箱的最大变形符合要求。