盘辊破碎机辊子心轴的抗疲劳设计研究

康新亚，王亚安，尹跃峰

（1.机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450007 2.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司/甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心，甘肃兰州 730314）

盘辊破碎机辊子心轴的抗疲劳设计研究

康新亚1，王亚安2，尹跃峰1

（1.机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450007 2.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司/甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心，甘肃兰州 730314）

鉴于盘辊破碎机运行环境复杂、工作条件恶劣、疲劳破坏尤为明显的特点，针对盘辊破碎机的关键部件辊子心轴进行研究，对其划分有限元网格并进行静应力分析，得出其等效应力图解、合位移图解以及安全系数图解。在此基础之上，运用SolidWorks Simulation有限元软件的疲劳分析模块，进行辊子心轴的疲劳分析，得出辊子心轴的损坏百分比图解和生命总数图解，从而可知辊子心轴符合设计要求，在一定程度上为该破碎机及同类型破碎机的研发提供了理论依据。

抗疲劳；盘辊破碎机；应力分析；疲劳分析

0 引言

随着科学技术的飞速发展，现代工业设备承受的交变应力越来越高，疲劳破坏问题日益突出，给航空、交通运输、动力机械、工程机械等工业造成了严重威胁。在现代工业各个领域中，大约有50%～90%以上的结构强度破坏都是由于疲劳破坏造成的，如轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓和焊接结构等，很多机械零部件的结构件的主要破坏方式都是疲劳[1,2]。尽管近十几年我国的机械制造业发展迅猛，机械产品的出口大幅增长，品质也越来越好，但是客观地说，机械产品的设计水平及其信息化程度仍然有待提高，特别是产品的抗疲劳设计水平较低，直接影响了企业的产品开发能力以及产品品质。因此，机械零件的抗疲劳设计和制造已成为现代工业生产中的重要课题之一。

破碎机广泛运用于矿山、冶炼、建材、公路、铁路、水利和化学工业等众多行业，其运行环境复杂，工作条件恶劣。鄂式破碎机、圆锥破碎机、齿辊式破碎机和冲击式破碎机等物料破碎设备是许多行业如冶金、矿山、建材、化工、陶瓷、筑路等不可缺少的重要设备。近年来，为了满足生产上的需求，破碎机的发展方向是大功率、大破碎比，甚至是自动化程度高的大型移动式破碎机组，这就对破碎装置提出了新的要求。

1 PG406型盘辊破碎机简介

PG406型盘辊破碎机是一种新型的以碾压为主兼有挤压机理的大型单元破碎机，适用于莫氏硬度6度以下的物料，可将40 mm的矿石等物料一次破碎至6 mm以下，破碎比大，生产率250～400 t/h，在多种生产场合可以替代传统的鄂式、圆锥、齿辊式和冲击式破碎机，主要由分料器、下料器、减速器、辊子、碾压盘等部分组成。目前该设备已经调试投入使用，但存在噪音大、振动大的情况，直接影响工人的工作环境和设备的使用寿命。其中，辊子心轴作为该盘辊破碎机关键的受力和工作部件，对整机的使用性能、工艺性能及整机成本有重要影响。

本文通过SolidWorks Simulation有限元分析软件对关键部件辊子心轴进行详细的静力学分析及疲劳寿命分析，旨在为PG406型盘辊破碎机辊子心轴的校核及疲劳寿命分析提供有力的理论依据，从而为后续设计节约材料、降低制造成本。

2 盘辊破碎机的辊子心轴结构简图及工况分析

图1所示为盘辊破碎机的辊子的结构，辊子心轴所选用的材料为45钢，辊子心轴安装轴承的部位的直径为φ220 mm。盘辊破碎机的四个辊子与碾压盘耐磨板之间的间隙为6 mm，工作时四个从动辊子与主轴驱动的碾压盘上的耐磨板之间靠挤压将物料粉碎，最大压力达到2 400 kN，由于在使用过程中，受力状况极为恶劣，会出现不同工况，所以要求在工作时具有足够的安全系数。在满足强度的前提下，获得最优结构尺寸和质量，以满足经济性的设计要求。

图1 PG406型盘辊破碎机 的辊子结构

3 辊子心轴3D模型的建立

SolidWorks Simulation对来自SolidWorks的零件和装配体的几何模型进行分析，该几何模型必须能用正确的、适度小的有限单元进行网格划分，通常情况下，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的要求[3]。由于本模型为对称实体且结构相对简单，故在进行SolidWorks Simulation有限元分析时可直接对其进行网格划分和计算。

4 Simulation静力学分析计算

SolidWorks Simulation是一款基于有限元（即FEA数值）技术的设计分析软件，通过给模型分配材料属性，定义载荷和约束，再使用数值近似方法，将模型离散化以便分析[3]。FEA在结构分析中提供位移、应变和应力的解，大多数情况下，使用von Mises应力作为评价结构安全的度量值[4]。由于疲劳分析是基于静力分析的应力结果进行的，因此应先对辊子心轴进行SolidWorks Simulation有限元静态分析。

PG406型盘辊破碎机的辊子心轴的Simulation有限元静态分析过程如下：

（1）设置材料属性：定义辊子心轴的材料为45钢，其中弹性模量E=206 GPa，泊松比u=0.3，屈服强度为σs=355 MPa。

（2）添加约束并施加载荷：辊子心轴中间两个φ220 mm轴肩通过滚动轴承与辊子相配合，因此在Simulation中设置为固定几何体，将其完全固定约束。心轴一段通过上部液压缸与上壳体相连接，另一端通过销轴与辊子调整块相连接，破碎机在工作时，上部液压缸向下对辊子心轴施加150 kN的压力，辊子调整块对心轴施加向下150 kN的拉力，因此分别对两孔施加150 kN的载荷，来模拟实际工作时的受力情况。

（3）网格划分：为达到较好的模拟能力，SolidWorks Simulation采用二阶实体四面体单元划分实体几何体，每个二阶实体四面体单元有10个节点，并且每个节点有3个自由度。默认的网格设置使离散化误差保持在可接受的范围内，同时使计算时间较短[3]。对碾压盘模型采用高品质单元创建网格，具体参数如表1所示。

表1 网格划分参数

图2 实体模型的网格划分

（4）算例求解：对模型进行静态分析，求解结果如图3、图4所示。

图3 等效应力云图

图4 合位移云图

图5 安全系数云图

从图3、4、5可以看出，辊子心轴的最大等效应力von Mises为209.8 MPa，发生在与上部液压缸联接的销孔处，小于材料的屈服强度355 MPa，最大合位移为0.334 7 mm，有较高的安全系数n=1.7，完全满足设计要求，模型是相当安全的，因此可以通过优化分析得到新的设计数据，从而减少材料浪费，达到良好的经济性的目的。

5 疲劳分析

（1）疲劳分析相关项目的确定 定义分析事件类型为指定的恒定循环，循环次数为1 000，负载类型为基于零（LR=0），相关联的事件为上述已经分析过的静态分析，确保比例值为1；在疲劳属性中设定为随意交互作用，改变计算交替应力的手段为对等应力（von Mises），平均应力纠正采用Gerber方法，疲劳强度缩减因子（Kf）设定为1；定义计算交替应力手段为结果选项定义为辊子心轴整个模型。

（2）结果分析及强度校核 在进行了静态分析后，即可对承压容器进行疲劳分析，所得疲劳分析结果如图6、图7 所示。

图6 辊子心轴损坏百分比图解

图7 辊子心轴生命总数图解

由图6、7 可以看出，辊子心轴、经过1 000次承载循环后，其最小生命周期为106次，最大生命周期为1.001×106次，远大于设计循环次数100 000 次，故此处高压容器的整体结构满足n＝100 000 次条件下的疲劳强度要求。

6 结语

本文介绍了新型盘辊破碎机的应用场合及其构成，然后建立了辊子心轴的结构模型，在进行疲劳分析前对载荷结构进行了静态分析计算，获取辊子心轴的应力、合位移、安全系数的相关信息；随后在定义设计疲劳曲线（S-N 曲线）的基础上，利用SolidWorks Simulation对辊子心轴进行了疲劳分析，得出了辊子心轴的使用寿命等相关数据，使破碎机关键部件的设计与疲劳分析结合起来，从而合理的进行结构设计，提高设计的效率与经济性，缩短设计周期，降低生产成本。该分析在理论上为以后进行其他同类型辊子心轴的设计、检验以及安全评估有一定的参考价值。

[1] 王珉. 抗疲劳制造原理与技术[M]. 南京：江苏科学技术出版社，1999.

[2] 郭攀成，屈兰锋. 现代抗疲劳制造应用技术研究与发展[J]. 兰州工业高等专科学校学报，2011(18).

[3] 叶修梓，陈超祥. SolidWorks Simulation基础教程(2010版)[M].北京：机械工业出版社2010.4.

[4] 胡明振，彭会清，刘艳杰. 基于COSMOS的永磁盘式强磁选机磁盘结构优化设计[J].矿山机械，2011(39).

Anti-fatigue design research of the center spindle of plate-rolling crusher’s roller

KANG XinYa1，WANG Ya’an2，YIN YueFeng1
（1.No.6 Institute of Design and Research of Machine Building Industry, Zhengzhou 450007, Henan, China；2.Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute Co.,Ltd./Gansu Engineering＆Technology Research Center For Casting and Forging, Lanzhou 730314,Gansu, China）

In consideration of the complex environment and working conditions, especially the fatigue damage, this article performs the static stress analysis by dividing the fi nite element grid after the center spindle studying of the plate-rolling crusher’s roller, concluding the equivalent stress diagram, the resultant displacement diagram and the safety coeffi cient illustration. On the basis above that, it gets the center spindle’s damage percentage diagram and the total life diagram through the fatigue analysis of the center spindle, applying the fatigue analysis module of the fi nite element software SolidWorks Simulation. In view of the fatigue analysis results, it is concluded that the roller’s center spindle conforms to the design requirements, providing theory basis for the same kind of crushers’ research and development to some extent.

anti-fatigue; plate-rolling crusher; stress analysis; fatigue analysis

TG115；

A；

1006-9658（2017）02-0029-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.010

2016-09-13

稿件编号:1609-1549

康新亚（1962—），男， 高级工程师，从事工业炉及余热利用等非标设备的设计及研发工作.