EM250 型高压均质机曲轴性能分析

2022-12-28丁福生吕红明

农业装备与车辆工程 2022年12期

丁福生，吕红明

（224051 江苏省盐城市盐城工学院汽车工程学院）

0 引言

随着食品机械行业的快速发展，超高压均质机日益受到食品企业的青睐。曲轴作为均质机最重要、负载最重和最昂贵的零件之一[1]，其结构形式不仅影响着均质机的整体尺寸和质量，而且对均质机的寿命及可靠性有着很大的影响。均质机工作时，电动机带动曲轴进行旋转，带动连杆活塞组做往复运动，从而实现泵体单向阀阀芯的开闭，形成强大的高压能，使物料瞬间在湍流、剪切、碰撞、空穴等复合力的作用下达到均质、乳化的目的[2]。均质机在工作的过程中，曲轴承受着周期变化的载荷，在这种交变载荷的作用下，曲轴将产生很大的交变应力和扭矩。曲轴失效可能会引起整机中的其他零件的损坏[3]。曲轴设计是否可靠，对均质机的使用寿命有很大影响[4]。传统的曲轴设计方法采用的是经验公式，经设计、制造，样机完成后试验，再根据试验结果修改参数以达到合格曲轴设计要求，这个过程繁琐复杂且不直观、生产周期长且成本高[5]。

本文以EM250 型高压均质机五缸曲轴为研究对象，通过HyperWorks 软件对曲轴的各种工况进行仿真分析，在保证曲轴静强度以及疲劳强度的要求的前提下，权衡各优化目标，尽可能减少曲轴的质量，以达到均质机曲轴高刚度、轻量化的目的，进而降低制造成本，提高产品竞争力。

1 曲轴工作载荷的确定

EM250 型高压均质机五缸曲轴全长516 mm，主轴颈直接为300 mm，连杆轴颈直径为120 mm，减速器的左端通过联轴器与电动机相连，右端也通过联轴器与曲轴的左端相连。电动机带动减速器旋转，减速器将动力传递给曲轴，曲轴做匀速转动，其转速为185 r/min，曲轴通过连杆带动活塞做往复运动将液态食物不断往外挤压，通过工作压力为45 MPa 单向阀。均质机主要技术参数如表1 所示。

表1 均质机主要技术参数Tab.1 Main parameters of homogenizer

曲轴连接着5 个活塞连杆组，相连的连杆轴颈相差72°，为了使曲轴受力分布均匀，曲轴的各连杆轴颈的工作顺序依次为1、3、5、2、4。如图1 所示，当连杆轴颈越过水平位置A 点处，活塞开始慢慢向上移动，开始压缩液态食物，当连杆轴颈处于垂直位置B 点处，受力最大，当曲轴转过最高位置B点后，曲轴带动与之相连的活塞往回运动，此时活塞缸开始填充液态食物，活塞所受液态食物压力几乎为0，连杆轴颈也就不受力。以连杆轴颈2 进行受力分析，它在位于曲轴转过127°时开始慢慢受力，当曲轴转到216°位置处，曲轴所受的力达到最大值。

图1 曲柄连杆结构简图Fig.1 Structural diagram of crank connecting rod

当活塞处于顶点位置处，活塞所受最大压力为

式中：P——活塞的最大工作压力，MPa；S——活塞的面积，mm2；D——活塞的直径，mm。

表1中的工作压力P和活塞直径D代入式（1），计算出活塞所受的最大压力为 F=154 kN。

由于曲轴的转速不高，本文忽略活塞和连杆的惯性力，只考虑液态食物对活塞加的压力，通过连杆作用到曲轴上。当曲轴连续转动一周时，各个连杆轴颈同时受力的情况如图2 所示。

由图2 可见，先是1#连杆轴颈受力，然后依次是3#轴颈、5#轴颈、2#轴颈和4#轴颈，各连杆轴颈的受力顺序与设计的意图相同。当1#连杆轴颈受到最大推力时，3#轴颈已经处于工作状态。通过计算，当1#连杆轴颈达到最大推力为154 kN时，3#轴颈受到的推力为47.6 kN。同样可观察到，当3#轴颈受到最大推力为154 kN 时，5#轴颈受到的推力为47.6 kN；当5#轴颈受到最大推力为154 kN 时，2#轴颈受到的推力为47.6 kN；当2#轴颈受到最大推力为154 kN 时，4#轴颈受到的推力为47.6 kN；当4#轴颈受到最大推力为154 kN 时，1#轴颈受到的推力为47.6 kN。曲轴在受到连杆推力的同时，还要承受变速器传来的扭矩，计算曲轴扭矩时，忽略由于摩擦引起的功率损失，仅考虑电动机以额定功率工作时，曲轴承受的扭矩T 为

图2 曲轴旋转一周过程中各连杆轴颈受力情况Fig.2 Force acting on connecting rod journal during one cycle of crankshaft rotation

式中：P1——电动机的额定功率，即曲轴的工作功率，kW；n——曲轴的转速，r/min。

将表1 中的相关参数代入式（2），可得扭矩T=12.9 kN·m。

2 曲轴有限元分析

2.1 曲轴有限元模型

应用三维软件UG NX 建立曲轴的几何模型，并导入到HyperMesh 软件，划分网格，建立有限元模型，如图3 所示。

图3 曲轴网格模型Fig.3 Grid model of crankshaft

考虑连杆轴颈和主轴颈之间的过渡圆角可能会存在应力集中的现象，以及曲轴的弯曲和扭转变形，利用四面体网格把模型一共划分为1 597 092个单元和327 180 个节点。本文中曲轴材料为45，经过调质处理，其弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg/mm3，屈服强度σs=345 MPa，抗拉强度σb=590 MPa。

2.2 曲轴边界条件的施加

曲轴的边界条件分为两大类：一类是位移边界条件，另一类是力边界条件。

（1）位移边界条件。根据曲轴的安装情况，曲轴的两端由轴承支撑，同时，其左端通过联轴器与减速器相连，减速器将动力传递给曲轴。因此，将曲轴的右端施加固定约束，限制所有自由度；将左边的轴承支撑处施加支撑约束，曲轴不能发生平移变形，但可以发生扭转变形，如图4 所示。

图4 曲轴模型的位移边界约束Fig.4 Displacement boundary constraint of crankshaft

（2）力边界条件。曲轴在工作的过程中，一直承受着减速器传来的扭矩，扭矩为12.9 kN·m，同时还会受到工作活塞传来的压力。以曲轴受力的工况1 进行说明，一拐受到最大推力154 kN 时，三拐受到推力47.5 kN，如图5 所示。

图5 曲轴模型工况1 的力边界约束Fig.5 Force boundary constraints of crankshaft model for condition 1

曲轴在各工况下载荷施加位置如表2 所示。

表2 各工况载荷施加位置Tab.2 Load application position under each working condition

3 曲轴静强度分析

利用OptiStruct 进行计算，可以得到各种工况下曲轴的总变形量云图和应力云图，如图6 所示。

图6 各种工况下曲轴的总变形量云图和应力云图Fig.6 Figures of total deformation and stress of crankshaft under various working conditions

按照不同工况，以1#曲柄销对应转过角度的先后顺序（分别为工况1—5）绘制曲轴总变形量和最大应力曲线（如图7 所示），并将各工况下曲轴的总变形量和最大应力值进行统计，如表3 所示。

由图7 可以看出，在不同的转角处，曲轴的总变形量和最大应力变化比较明显，而且呈现出交变的特征。工况2（转角为72°）时，曲轴的总变形量最大，其值为0.937 mm；工况3（转角为144°）时，曲轴的应力最小，其值为141.5 MPa；工况4（转角为216°）时，曲轴的应力突然变成最大，其值为218.4 MPa。调质后的45 钢的屈服强度为345 MPa，均质机曲轴的最小安全系数为1.58，由于均质机由电动机驱动，所受冲击较小，安全系数为1.58，满足静强度的要求。

图7 不同转角下曲轴总变形量和最大应力Fig.7 Total deformation and maximum stress of crankshaft at different angles

4 曲轴疲劳分析

疲劳损伤是曲轴失效的重要原因[6]。曲轴在稳定的扭转和旋转弯曲应力共同作用下运转[7]，承受着弯曲疲劳损伤和扭转疲劳损伤[8]。曲轴静态疲劳分析主要依据是最大应变能量强度理论，计算分析交变弯曲应力和交变扭转应力，并按此理论合成当量交变应力进行疲劳强度校核[9]。

由于均质机虽然转速不高，但是一直承受着交变载荷，同时有连续工作5 y 的要求，曲轴在生命周期内需工作5×108圈，因此需要进行疲劳强度校核。计算曲轴主轴颈处、连杆轴颈处的单元格的寿命云图如图8 所示。

图8 曲轴疲劳寿命云图Fig.8 Nephogram of crankshaft fatigue life

可以看出，曲轴的最小疲劳寿命为3.58×105圈，远低于均质机的连续工作5 y 的设计要求。在考虑到均质机的总体尺寸、曲轴的尺寸及成本等问题，通过加大曲轴的直径来提升疲劳寿命，需要改动的地方较多，对整机的成本的增加比较明显。通过更改机体的结构，在曲轴的中间部位增加支撑，仅需要对箱体进行改动，从而达到提升疲劳寿命的目标，对整机的成本增加不大。因此，将曲轴中间的2 个旋转平衡块上安装2 个轴承，如图9 所示。对改进位移约束后的曲轴进行上述5 个工况分析计算，其曲轴的最大应力云图如图10 所示。

图9 改进后的曲轴的支撑方式Fig.9 Support mode of crankshaft after improvement

由图10 可以看出，增加支撑后曲轴的最大应力为118.1 MPa，与未增加支撑的曲轴的工况4 的最大应力218.4 MPa 相比，增加支撑后最大应力降低了100.3 MPa，降幅高达46%。对增加支撑后的曲轴进行疲劳分析，结果如图11 所示。曲轴的各处的疲劳寿命趋于无限寿命，满足均质机连续工作5 年的设计要求。