辊套过盈配合的有限元分析

辊套过盈配合的有限元分析

辊型作为提取棕榈油的重要装置，干燥后的棕榈油在高压下形成，影响整个提取过程系统的工作效率，以及煤炭产品的抗压强度、沉降强度和防水性。成型辊部件的辊套、辊轴作为褐煤成型的关键部件,采用过盈配合连接来转递转矩。过盈配合连接是利用过盈量产生半径方向的接触压力,接触面压力产生的摩擦力来传递转矩和轴向力。过盈配合连接是接触问题的一种,属于边界条件高度非线性的力学问题,配合面间有着复杂的接触状态和应力状态。过大的过盈量容易引起辊套开裂,过小的过盈量会影响转矩动力的传递,因而确定辊轴和辊套的装配过盈量就显得尤为重要。基于有限元软件ANSYS的强大非线性分析功能,研究轴套、辊轴的过盈连接问题,确定过盈量的大小对辊套、辊轴的等效应力和接触压力的关系,以及辊套变形量对其设计加工的影响;同时,用ANSYS非线性分析辊套、辊轴的强度和变形量,并和传统理论结果进行比较。1双辊辊面加工对辊成型机由两个相向且同步转动的挤压辊组成,一个为固定辊,另一个为活动辊,两辊辊面均加工有凹形球坑。小颗粒细粉物料从两辊上方通过压实送入两辊之间的咬入角内,通过两辊的转动进入两辊之间的凹形球坑内,在水平方向的液压推力作用下被挤压成型,随着辊子的转动,成型物料在弹力和重力的作用下脱离辊子球坑。2辊轴、辊套的结合压力根据辊轴、辊套传递的转矩T和所用材料的屈服强度,得出传递转矩所需的最小、最大结合压强[P],由过盈量δ和结合压强的关系公式可计算过盈量的取值范围。考虑装配时的压平量δΔ来修正过盈量,由不同的过盈量可以得到辊套、辊轴的最大应力和变形量。辊轴、辊套的结合压强相当于有限元分析中的接触压力,辊轴、辊套传递转矩所需要的最小结合压强最大结合压强式中:µ为摩擦系数,取µ=0.1;a为由塑性材料包容件确定的系数。过盈量δ与结合压强[P]的关系式为式中:Ea、Ei分别为辊套和辊轴的弹性模量;qa、qi分别为辊套和辊轴的直径比;na、ni分别为辊套和辊轴的泊松比。经计算,δmin=0.083mm,δmax=3.595mm。考虑到辊轴、辊套热装时的压平量δΔ=0.2mm,则过盈量δ的取值范围为[0.103,3.618]。过盈量[δmax]=1mm时的结合压强式中:σamax为连接件辊套的最大应力;Δdamax为外径增大量;σimax为连接件辊轴的最大应力;Δdimax为内径减小量;c为由塑性材料包容件确定的系数。3建立接触对模型在ANSYS中建立辊轴、辊套的有限元模型,辊轴为被包容件,辊套为包容件,在有限元数值分析中,只有包容件和被包容件的结合部分产生接触压力,为了分析最关键部件,同时保证必要的精度,合理简化分析可以提高计算效率。只建立辊轴、辊套的结合部分的有限元模型,同时忽其倒角和锥度。辊轴、辊套采用带中间节点的二阶六面体20node、solid186实体单元,求解计算时打开大变形效应,应用加强的拉格朗日算法。为节省计算时间,建立1/4模型,采用扫掠方式对实体进行网格划分,轴套划分为1350个单元,辊轴划分为2490个单元,如图2所示。创建的接触对模型如图3所示。辊套定义为目标面,目标单元采用TARGET170;辊轴定义为接触面,接触单元采用CONTACT174,并通过该接触单元的关键点选项和实常数设置定义过盈量。4加力约束的方式在对辊轴、辊套过盈配合进行有限元分析时,有两种不同的约束方式。δ=1mm时,由于过盈配合属于高度非线性问题,在有限元ANSYS非线性数值计算中,采用了数值的迭代计算,同时在计算中打开了大变形效应。(1)在辊轴、辊套的侧面施加轴对称约束,并且在辊轴的一端施加x、y、z3个方向的位移约束,另一端施加x、y方向的位移(轴向不加约束),经计算,等效应力云图如图4所示,径向变形云图如图5所示,接触压力云图如图6所示,辊套等效应力云图如图7所示。(2)在辊轴、辊套的侧面施加轴对称约束,并且约束辊套外表面的全部自由度,这种方式相当于辊套外表面固定。辊轴、辊套等效应力云图如图8所示,变形云图如图9所示,接触压力云图如图10所示,辊轴等效应力云图如图11所示。两种不同的约束方式中,第一种约束方式,辊套的外表面自由膨胀,等效应力最大点出现在辊套的两个内端面处,为290.878MPa,接触压力由外向内变小,辊套向外变形,变形量为-0.105094mm,同时辊轴向内变形,变形量为0.458872mm;第二种约束方式是辊套外表面固定,等效应力最大值出现在辊轴的内表面,为413.04MPa,接触压力由外向内增大,辊套、辊轴向内变形,辊轴两边最大,这均与实际不符,故边界条件按第一种约束方式处理。5辊轴、辊套间的接触压力不同过盈量时,用ANSYS分析辊轴、辊套的等效应力和变形量,以及辊轴、辊套之间的接触压力,如表2所列,辊套的等效应力云图如图12所示。不同过盈量时,采用传统理论计算方法计算辊轴、辊套的最大应力、变形量和接触压力,结果如表3所列。6辊轴和辊套接触压力的变化从以上数据可以得出,辊套内端面等效应力最大,从内端面向内逐渐减小到一定值;辊套端面处变形量最大,向内逐渐减小;接触压力最大值在辊轴、辊套的端面接触处。对比ANSYS的非线性分析结果和传统理论计算结果发现,有限元计算的辊套平均等效应力是传统理论值的1.28倍;辊套的径向变形量是传统理论计算结果的0.82倍;辊轴的变形量是传统理论计算结果的0.87倍,如图13、14所示。针对接触压力,ANSYS的非线性分析计算结果是传统理论计算结果的1.49倍,如图15所示。7辊套应力分析传动理论计算是对辊套、辊轴和接触压力的线性计算,无法找到应力最大点,不能精确反映辊轴、辊套的实际过盈配合对应力的影响,以及应力分布和应力集中情况,设计过程中会影响过盈量的选取,选取过盈量后需要经过有限元分析,确定最大等效应力点和应力分布。从有限元ANSYS分析结果可知,辊套内端面受到的等效应力、接触压力最大,辊套从内端面向中间应力相等,受力