基于ANSYS的粉碎机主轴系统的有限元分析

【摘 要】粉碎机在现代工业中有着越来越重要的作用，冲击式粉碎机尤其在冶金和建材等领域有着广泛的应用。主轴系统是冲击式粉碎机的主要部件，其受力复杂，它的强度和寿命直接影响着粉碎机的工作效率，因此，本文应用大型有限元分析软件ansys对冲击式粉碎机进行强度校核，使其能够很好的满足工作需要，并为以后的优化做准备。

【关键词】冲击式粉碎机；ANSYS；有限元；强度校核

1 引言

粉碎机在矿山，建材等多种行业中有着广泛的应用。高速机械冲击式粉碎机是利用围绕水平或垂直轴高速旋转的回转体（棒、锤、板等）对物料以猛烈的冲击，使其与固定体碰撞或颗粒之间冲击碰撞，从而使物料粉碎的一种超细粉碎设备。冲击式粉碎机的主要结构为机体和转子。机体中主轴起着支撑传递的重要作用，主轴的强度和寿命大大影响了粉碎机的工作效率，因此对粉碎机主轴系统进行受力分析和强度校核是很有必要的。

本文以CM31机械冲击式粉碎机为例，对冲击式粉碎机的主轴系统进行受力分析，应用大型有限元分析软件ANSYS对其进行强度分析和校核，为接下来的结构优化打下基础。

2 工作原理

机械冲击式粉碎机按转子的布置方式可分为立式和卧式两大类。卧式粉碎机的转子辅水平放置，转子围绕水平轴高速回转实现物料粉碎，其结构如图1 所示。

物料由料斗经螺旋给料机给入，首先被送入第一粉碎室（转子1 与转子2组成的腔体）。具有5-8 只叶片的粉碎叶轮（转子1 和转子3）其叶片有30。左右扭转角，旋转时有助于形成风压。而分级叶轮（转子2和转子的的5只叶片为径向布置，旋转时形成气流阻力，两者旋转时便在室内形成气流循环，随气流旋转的颗粒之间由此产生相互冲击、碰撞、摩擦、剪切。同时由于离心力作用，颗粒与内壁之间反复冲击、摩擦、剪切成细颗粒，经过第一粉碎室中的分级叶轮后，细颗粒随气流进入第二粉碎室（转子3与转子4组成的腔体） .其粉碎过程与第一粉碎室的基本相同。只是第二粉碎室的粉碎叶轮和分级叶轮较大，在该室造成的风压更大，颗控之间相互冲击更加激烈.粉碎能力更强，产品细度可达数微米。

3 主轴的结构设计

CM系列超细粉碎机主轴上排列了4个转子和风扇，其结构决定了主轴长度较长。粉碎机长时间工作时，在颗粒冲击和摩擦等作用下不可避免地会产生大量的热量.为了补偿主轴热变形、降低内应力，将主轴支撑方式设计为一瑞游动，一端固定。由于送料端在左侧，为满足结构紧凑要求，所以将主轴动力端放置在右侧；同时为了保证动力输入端的传动精度，将右端设计为固定捕。为了方便轴上零部件装配，将主轴设计为阶梯形状。轴上磨削加工部分应有砂轮超程槽，螺纹部分应有退刀槽等。主轴结构如图2所示。

4 粉碎机的主轴系统受力分析

粉碎机的主轴上排列有转子1、2 、3 、4和风扇实际物料的冲击过程非常复杂，故采用转矩分配法先进行受力简化。组件1 ：转子1 和转子2简化的整体；组件2： 转子3 和转子4简化的整体；组件3： 风扇部分。另外，在转矩分配时不考虑系统的摩擦、不考虑、阻尼等因素的影响。由主轴键联接的长度与载荷性质计算零部件的转矩分配系数。

4.1 考虑载荷性质的转矩分配

粉碎机工作时，组件1 受颗控较大的冲击，组件2受颗位较小的冲击，组件3则可近似看作静载荷。各组件与主轴键联接的许用挤压应力设为[σp]1、[σp]2、[σp]3，（单位MPa） 。考虑载荷性质时的各组件转矩分配系数为：

从运行结果知，轴的静强度是足够的.最危险部位是轴承支撑处。在设计主轴尺寸时，要保证轴承支撑处的强度满足工作条件的要求。另外，也可在保证主轴强度的情况下，可对轴身进行优化设计，致力于提高轴的刚度并减小主轴的质量，达到轻量化设计的目的。

6 小结

本文以CM 系列超细粉碎机的主轴为研究对象，根据粉碎机主轴的结构和受力特点，得出主轴的受力简化模型。在此力学模型基础之上，进行CM31 型粉碎机的力学计算，最终利用ANSYS对主铀进行有限元分析。此分析可用于主铀的强度校核.并为进一步进行主轴的优化设计提供了有效的途径。该方法也可用于同类型的轴类零件的校核与优化设计。

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