大型球磨機靜壓軸承有限元模型的研究

大型球磨機靜壓軸承有限元模型的研究

作為一種重要的固體材料制備工藝，該工藝廣泛應用于建筑物、水泥、冶金、化工、陶瓷、能源、制藥、國防等部門。由于能源費用增長,礦石品位的下降,降低建設投資和生產(chǎn)費用是各行業(yè)面臨的一個嚴峻問題,因此球磨機的大型化已成為技術發(fā)展的方向。軸承作為球磨機的關鍵部件,其工作的穩(wěn)定性,直接影響球磨機正常運行,一旦發(fā)生故障,往往給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。大型球磨機的軸承主要采用靜壓軸承,靜壓軸承的軸瓦材料的選擇,對靜壓軸承的工作性能和使用壽命顯得尤為重要。本文采用有限單元法對某大型球磨機的靜壓軸承工作狀態(tài)進行了有限元分析,采用了雙接觸對更真實地模擬了該軸承的工作狀態(tài),得到了相關數(shù)據(jù),為軸瓦材料的選取提供了理論依據(jù)。1球磨機中空軸與軸瓦的接觸狀態(tài)軸承裝配體主要由中空軸、軸瓦、軸承襯體以及鞍形座組成,見圖1。球磨機在正常工作情況下,靜壓軸承表面上的油膜將中空軸和軸承分開,沒有金屬之間的直接接觸,但是考慮到軸承在工作過程中可能出現(xiàn)瞬時超載,在不安全情況下啟動回轉(zhuǎn)體、潤滑油突然中斷(例如突然停電或供油裝置發(fā)生故障)等因素,會造成球磨機中空軸與軸瓦的直接接觸。為了使軸承受損壞的危險性減到最小,通常情況下,軸瓦材料選用的是具有一定減磨作用的合金。其中對軸瓦材料的選擇主要取決于接觸面的最大接觸壓力,接觸面的最大壓力值必須小于減磨合金材料的許用壓力值。以往的經(jīng)驗公式認為軸瓦無變形,也沒考慮中空軸變形對接觸壓力的影響。實際上球磨機中空軸與軸瓦的接觸狀態(tài)非常復雜,以往的經(jīng)驗公式并不能完全反映實際壓力的大小。因此本文考慮了各個結構對接觸力分布的影響,建立了球磨機的整體模型,在球磨機滿載靜止的情況下,對球磨機回轉(zhuǎn)體與兩個軸瓦直接接觸進行了仿真分析,能夠真實地模擬出回轉(zhuǎn)體與軸瓦實際接觸的狀態(tài),以及各部件應力變化情況。2元模型的構建為了準確地模擬軸承的工作狀態(tài),必須將與軸承相接觸的球磨機回轉(zhuǎn)體的有限元模型建立出來,然后通過建立接觸對,來進行有限元計算。2.1回轉(zhuǎn)體幾何模型的建立球磨機回轉(zhuǎn)體主要是由兩個截錐形的端蓋和一個圓筒形的滾筒用螺釘裝配而成,兩個端蓋各焊有一個中空軸,出料端用螺栓連有大齒輪。由于球磨機的回轉(zhuǎn)體的幾何結構具有周向?qū)ΨQ性,因此采用了其一半的幾何模型進行模擬,但是由于回轉(zhuǎn)體的內(nèi)部是個復雜體,因此對球磨機回轉(zhuǎn)體做了簡化。在建模過程中,去掉了螺紋孔、很小的倒角等不影響計算結果的要素,建模過程中沒有建立筒體及端蓋的襯板、中空軸內(nèi)部的襯套及固定環(huán)等,而是在施加載荷時將其重量按等效密度加到相應位置的回轉(zhuǎn)體上,從而實現(xiàn)其重力補償。簡化后建立球磨機回轉(zhuǎn)體的幾何模型見圖2。2.2軸承模型的構建本文利用CATIA建立模型后導入ANSYS軟件中進行計算,球磨機軸承的幾何模型見圖3。2.3材料的彈性模量和密度球磨機的回轉(zhuǎn)體和靜壓軸承選用的單元為Solid45六面體單元,回轉(zhuǎn)體材料的彈性模量為210GPa,泊松比為0.3;軸瓦合金材料的彈性模量為1.03GPa,泊松比為0.3,密度為8650kg/m3;軸承襯體材料的彈性模量為1.35GPa,泊松比為0.27,密度為7860kg/m3;鞍形座材料的彈性模量為1.75GPa,泊松比為0.27,密度為7800kg/m3。2.4筒體受力分析球磨機回轉(zhuǎn)體載荷的施加主要有兩部分:一是回轉(zhuǎn)體自身的重力;二是筒體中物料與鋼球在重力的作用下施加在筒體內(nèi)壁的壓力。在實體建模時沒有建立筒體及端蓋的襯板、中空軸內(nèi)部的襯套及固定環(huán)等,因此在施加重力載荷時,需要把襯板的重量按等效密度加到筒體及端蓋上,把中空軸內(nèi)部的襯套和固定環(huán)等的重量按等效密度加到中空軸上,以實現(xiàn)重力補償。等效方法如表1所列。為了能對筒體施加變化面載荷,本文在筒體受到物料與鋼球作用的區(qū)域內(nèi)建立了一層表面效應單元surf154。然后對surf154單元施加變化的壓強載荷,所施加的壓強值正比于作用區(qū)域內(nèi)節(jié)點在坐標下(笛卡兒坐標系)的高度。設置物料深度為零處的節(jié)點所施加的壓強為零,比例系數(shù)為k(k=4.5×103×9.8=44100N/m3),即松散比重與重力加速度的乘積。通過以上操作便實現(xiàn)了物料與鋼球?qū)ν搀w的作用力。由于僅建立了1/2球磨機結構有限元模型,因此在對稱面上的節(jié)點施加對稱約束。對一端鞍形座模型底面上的節(jié)點施加全約束,另一端鞍形座模型底面的節(jié)點釋放x軸方向的自由度,進而來模擬軸承一端固定,一端游動。2.5維界面接觸面的模擬本文定義中空軸與軸瓦合金的接觸、軸瓦與鞍形座的接觸都是柔體和柔體的面接觸。中空軸的外表面、軸承襯體的圓弧面為目標面,用三維單元Targe170來模擬。軸瓦的上表面、鞍形座的上表面定義為接觸面,用三維單元Conta174來模擬。3結果分析3.1軸瓦組合結構設計從圖4中可以看出,中空軸與軸瓦合金接觸壓力分布、進料端與出料端的接觸壓力分布情況基本相同。進料端最大接觸壓力為11.7MPa,出料端最大接觸壓力為13.1MPa,其位置都發(fā)生在靠近筒體一端油腔邊界處。圖5為出料端中空軸與軸瓦合金接觸壓力分布曲線。從圖5a和圖5c中可以看出,接觸面左邊界(靠近筒體一端)處的接觸壓力比接觸面右邊界(遠離筒體一側的邊界)接觸壓力大,左邊界在接觸面的上端接觸壓強為零,而右邊界在接觸面的上端接觸壓強較大。其原因是由于中空軸在垂直方向的變形(由圓形變成橢圓形),隨著其端面與筒體端面距離增加而增大所致。在圖5b可以看出接觸面軸向1/2處周向壓力比較大,該圖有兩個尖角,其位置為油腔的兩個邊界處,油腔內(nèi)接觸壓強為零,最大壓強在接觸面的上端,其值為11.63MPa。在圖5d中可以看出接觸面底端接觸壓力分布,接觸面的兩端接觸壓力比較大,中間的接觸壓力比較小,在1/2處壓力有所增加。接觸壓力大小及其分布與中空軸的結構剛度、中空軸與軸瓦合金的半徑間隙、承載力的大小和軸承襯體結構有關?？傊?軸瓦合金的材料為ZCuAl10Fe3Mn2,最大許用壓強值為20MPa,故計算的結果沒有超過其最大許用壓強值,滿足要求。圖6為軸承襯體與鞍形座接觸應力分布云圖。進料端的最大接觸壓強為51.6MPa,出料端的最大接觸壓強為57.3MPa,其位置發(fā)生在接觸面周向的1/2處。3.2鞍形座材料軸承襯體材料為HT300,其屈服極限為300MPa,鞍形座材料為ZG230-450,其屈服極限為230MPa。從圖7、圖8軸承應力分布云圖可知,各結構都滿足強度要求和剛度要求。4球磨機接觸壓力分布的有限元分析為保證某大型球磨機靜壓軸承材料選擇的合理性,本文考慮了