立式磨粉机磨辊轴结构优化与疲劳特性分析

胡向宇，王海鹏，胡记伟，曾勇

（1.湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068；2.江苏工程职业技术学院智能制造学院，江苏 南通 226007；3.武汉烽火技术服务有限公司，湖北 武汉 430205）

立磨是目前广泛使用的粉末设备，在工作过程中，磨盘在电机的带动下自转，物料持续地从磨盘上方落到磨盘上并在摩擦力的作用下随磨盘旋转并向磨盘边缘做离心运动，进料的连续性保证了磨盘上有相对稳定的料层；同时，磨辊在自重和加压装置的压力下，紧压在磨盘上的料层上对物料进行粉磨。加压装置提供的压力通过摇臂、动臂、磨辊轴等传递到磨辊；磨辊轴一端与动臂固定，另一端通过轴承与轮毂配合，轮毂上固定有磨辊。

磨辊对料层有很大的粉磨压力，同时由于磨辊受物料摩擦力的作用，使得其自身还会绕磨辊轴自转，这样使得在轴承处产生大量的热量，因此，在磨辊结构中通常设计有轴承腔，轴承腔通过润滑油路与磨粉机外的润滑站连通，以循环流动的润滑油液完成轴承的冷却与润滑，轴承腔两端还会各有一个空气密封腔，以进一步隔绝轴承腔，空气密封腔也是通过相应的管路与磨粉机外的空气泵连通。典型的磨辊轴上有几个细长孔，这几个细长孔便充当了轴承腔和空气密封腔与外界进行润滑油与气体交换的通路，磨辊轴为实心轴，细长孔的加工工艺难度很大，这给生产造成了一定程度的不便。

针对以上问题，本文在对传统锥形磨辊结构进行分析的基础上，对磨辊轴进行了优化设计，并将优化设计后的磨辊轴与传统磨辊进行了静力学、模态分析与疲劳寿命等方面的分析比较，为以后的磨辊轴设计提供参考。

1 典型磨辊结构分析

1.1 结构建模与分析

如图1 所示为典型锥形磨辊结构简图，磨辊轴右端与磨辊轮毂通过一个圆柱滚子轴承和一个双列滚子轴承连接，外侧分别有密封圈组成轴承腔，轴承腔通过磨辊轴内的细孔与外界润滑站连通，轴承腔两侧各有一个高压空气密封腔，磨辊轴上也分别有两个孔与空气密封腔对应。磨辊轴左端与动臂固定(左端台阶为固定区域，动臂未表出)，磨辊轴的主要技术参数如表1 所示。

表1 磨辊轴主要技术参数

1.2 受力分析

工作过程中，磨辊轴与水平面夹角15°,根据文献[6]中的数据，磨辊总研磨力135t，假设磨辊与物料作用区域受力均匀，则每个轴承约受如下力的作用：

其中，Fa 和Fr 分别代表轴向力和径向力。根据四大强度理论的应用条件，此处选第四强度理论校核磨辊轴的静强度，即：

其中，σ 为主应力，σ1、σ2、σ3、分别代表三个方向的主应力，[σ]为材料的许用应力根据以上计算结果，在ANSYS 中对磨辊轴进行了静态有限元分析，得到如图2 所示的等效应力分布图与变形云图。从图中可以看出，磨辊的最大应力分布在与动臂的连接点的顶部和底部，最大应力约为1.2E3 MPa；磨辊轴最大变形量约4.3mm，位于磨辊轴最右端，总体变形量很小。

图2 磨辊轴等效应力分布图（左）与变形云图（右）

2 结构优化分析

考虑到传统磨辊轴加工过程中细长孔的加工难度大，本文对磨辊轴结构做了改进，改进后的磨辊轴剖视图如图3 所示。

图3 粉磨截面图

改进后的磨辊轴外几何与传统磨辊保持一致，内部呈空腔形，是由圆钢管与等直径的圆盘焊接而成，在圆钢管壁上和圆盘上打螺纹孔，螺纹孔内侧与外丝接头固定，外丝接头另一端通过相应管路与油泵或空气泵连通。

空心结构的磨辊轴不可避免地会对磨辊轴的承载能力等方面造成一定程度的影响，下文主要针对不同壁厚的磨辊轴对其工作特性做仿真分析。

3 工作特性分析

3.1 应力分析

设壁厚为h，在20～50mm每隔5mm取段分别进行计算，得到如图4 所示的最大应力/变形图，从图中可以看出，随着磨辊轴壁厚的增加，其所受的最大应力与最大变形均呈线性下降趋势，当壁厚达到50mm 时，磨辊轴所受的最大应力以及其最大变形与实心轴基本相等。

图4 磨辊轴最大应力/变形图

3.2 模态分析

在预应力下对实心轴做模态分析，得到如表2 所示的六阶变形状态。

表2 实心磨辊轴六阶变形

同时，不同壁厚空心轴的模态分析与变形量分析结果如表3 所示，从数据可以看出，模态频率与壁厚的关系比较小，而振动的最大变形量随壁厚的增加而缓慢减小。

表3 磨辊轴壁厚与频率&最大变形关系表

在振型分析上，壁厚20mm 轴的二阶模态与六阶模态和壁厚为25mm 时的六阶模态均出现了磨辊轴壁径向压缩的情况，如图5 所示为壁厚为25mm 磨辊轴的六阶变形云图，从图中可以看出，磨辊轴的最大变形处位于两轴承中间，最大变形量达到了0.14m。因此，仿真结果表明，空心磨辊轴的壁厚如果过薄，会造成振动量过大以及在特定载荷频率下发生径向压缩的情况。

图5 壁厚25mm 磨辊轴六阶变形云图

3.3 疲劳分析

此处设磨辊受力大小呈余弦变化，受力均值为135t，振幅25t，频率为1Hz，在nCode DesignLife 中对磨辊轴进行寿命分析，分析模型与结果如图6 所示。分析结果表明，在所述工况条件下，实心轴的应力循环次数为9.79E4，同时，随着磨辊轴壁厚的增加，磨辊轴的应力循环次数呈线性增长趋势，当壁厚增加到50mm时，空心轴的循环次数基本达到实心轴的水平。

图6 nCode DesignLife 疲劳分析

4 结语

本文浅述了常规立式磨粉机锥形磨辊的基本结构，对磨辊结构中磨辊轴的使用情况进行了分析，考虑到磨辊轴加工过程中细长孔加工工艺难度比较大的问题，提出了新型的空心磨辊轴结构，在ANSYS 及nCode DesignLife 中对新旧磨辊轴做了应力、模态及疲劳寿命等方面的仿真比较。通过分析，得到以下结论：

（1）空心轴随着壁厚的增加，其所受最大应力和其最大变形量基本呈线性增加，当壁厚达到50mm 时，最大应力和最大变形量与实心磨辊轴基本相同；（2）壁厚过小的空心轴会引起磨辊轴被径向压缩的情况；（3）随着壁厚的增加，磨辊轴的疲劳寿命基本呈线性增加趋势，当壁厚达到50mm 时，疲劳寿命基本与实心轴相同。