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轉(zhuǎn)筒烘干機廣泛應(yīng)用于化工、建材、冶金、采礦等行業(yè)，是生產(chǎn)復(fù)合肥的重要設(shè)備之一。托輪通過輪帶承擔(dān)轉(zhuǎn)筒烘干機的全部載荷，并在徑向?qū)ν搀w起定位作用，托輪軸與托輪過盈配合。轉(zhuǎn)筒烘干機在運行中，托輪軸承受的主要是交變的彎曲應(yīng)力，同時，由于不均勻的熱膨脹、磨損等原因，當(dāng)支承載荷分布不均時，承載較高的托輪軸容易發(fā)生塑性變形產(chǎn)生疲勞裂紋，進而導(dǎo)致托輪軸斷裂，這不僅極大地影響了托輪軸的使用壽命和設(shè)備的正常運行，還可能造成災(zāi)難性事故和巨大經(jīng)濟損失。因此，有限元分析轉(zhuǎn)筒烘干機托輪軸的應(yīng)力分布情況，對預(yù)防托輪軸斷裂，以及其結(jié)構(gòu)的改進具有重要意義。
本文首先分析托輪軸和托輪的受力情況，求出施加到托輪軸上的載荷，然后應(yīng)用ANSYS軟件對托輪軸進行有限元分析，得出危險載荷下托輪軸的應(yīng)力分布和變形，為托輪軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和調(diào)整提供了理論依據(jù)。
轉(zhuǎn)筒烘干機筒體、物料等所有回轉(zhuǎn)部分的載荷通過輪帶施加到托輪上，輪帶與托輪靠摩擦力傳動，帶動托輪軸和托輪克服軸端的摩擦力矩而轉(zhuǎn)動，支承組件的安裝圖如圖1所示。
圖1中，L1表示支承到軸肩的距離，L2為托輪軸在配合面上的長度。托輪軸的受力情況如圖2所示，R為輪帶對托輪的正壓力；N為軸承對托輪軸的支反力，α是N與鉛垂方向的夾角；F1為輪帶與托輪之間的摩擦力；F2為托輪軸與滑動軸承之間的摩擦力，F(xiàn)2=μN，μ為摩擦系數(shù)；G1是托輪軸的重力，G2是托輪的重力。根據(jù)圖2建立x、y方向的力學(xué)平衡方程，再根據(jù)軸兩端F2產(chǎn)生的力矩與F1產(chǎn)生的力矩平衡，其中，r1為托輪軸半徑，r2為托輪半徑。聯(lián)立以上三個等式可解得α、F1、F2以Ф1.2×10m的轉(zhuǎn)筒烘干機為例，托輪軸的材料為45號鍛鋼，其密度為（7.85×e3）kg/m3，彈性模量為（2.06×e11）Pa，泊松比為0.3，托輪軸及托輪的主要參數(shù)如表1所示。
在ANSYS中建立該托輪軸的有限元模型，軸肩處為半徑5mm的倒圓角，其它小倒角忽略不計。為了能夠較好地逼近托輪軸的曲面邊界，選取solid95單元對托輪軸進行離散處理，采用自由網(wǎng)格劃分方式，共劃分網(wǎng)格52581個，節(jié)點73149個，得到托輪軸的有限元模型如圖3所示。
以qx1表示托輪軸L1段在x方向上的均布載荷，qx2表示托輪軸L2段在x方向上的均布載荷，qy1表示托輪軸L1段在y方向上的均布載荷，qy2表示托輪軸L2段在y方向上的均布載荷，則摩擦系數(shù)μ=0.017，托輪載荷R=70kN，將這些數(shù)據(jù)帶入平衡方程，用Matlab解得α=31.9807°，F(xiàn)2=575N，F(xiàn)1=279N，進而可算得qx2=220260N/m，qy1=427.63N/m，qy2=385548N/m。
輸入托輪軸的材料參數(shù)，將各載荷加載到托輪軸有限元模型的單元并最終施加到節(jié)點上。托輪軸上的力通過滑動軸承傳到軸承座上，通常情況下，軸承座和軸承的變形很小，因此在研究托輪軸的力學(xué)特征時，可將軸承座和軸承視為剛性支承，即可在軸承支撐托輪軸的部位施加固定約束，然后設(shè)置求解的步長，將當(dāng)前載荷步進行求解，進入ANSYS的通用后處理模塊，之后得到托輪軸的等效應(yīng)力云圖如圖4所示、托輪軸軸向應(yīng)力分布圖如圖5所示。
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