大型球磨机静压轴承有限元模型的研究

大型球磨机静压轴承有限元模型的研究

作为一种重要的固体材料制备工艺，该工艺广泛应用于建筑物、水泥、冶金、化工、陶瓷、能源、制药、国防等部门。由于能源费用增长,矿石品位的下降,降低建设投资和生产费用是各行业面临的一个严峻问题,因此球磨机的大型化已成为技术发展的方向。轴承作为球磨机的关键部件,其工作的稳定性,直接影响球磨机正常运行,一旦发生故障,往往给企业带来巨大的经济损失。大型球磨机的轴承主要采用静压轴承,静压轴承的轴瓦材料的选择,对静压轴承的工作性能和使用寿命显得尤为重要。本文采用有限单元法对某大型球磨机的静压轴承工作状态进行了有限元分析,采用了双接触对更真实地模拟了该轴承的工作状态,得到了相关数据,为轴瓦材料的选取提供了理论依据。1球磨机中空轴与轴瓦的接触状态轴承装配体主要由中空轴、轴瓦、轴承衬体以及鞍形座组成,见图1。球磨机在正常工作情况下,静压轴承表面上的油膜将中空轴和轴承分开,没有金属之间的直接接触,但是考虑到轴承在工作过程中可能出现瞬时超载,在不安全情况下启动回转体、润滑油突然中断(例如突然停电或供油装置发生故障)等因素,会造成球磨机中空轴与轴瓦的直接接触。为了使轴承受损坏的危险性减到最小,通常情况下,轴瓦材料选用的是具有一定减磨作用的合金。其中对轴瓦材料的选择主要取决于接触面的最大接触压力,接触面的最大压力值必须小于减磨合金材料的许用压力值。以往的经验公式认为轴瓦无变形,也没考虑中空轴变形对接触压力的影响。实际上球磨机中空轴与轴瓦的接触状态非常复杂,以往的经验公式并不能完全反映实际压力的大小。因此本文考虑了各个结构对接触力分布的影响,建立了球磨机的整体模型,在球磨机满载静止的情况下,对球磨机回转体与两个轴瓦直接接触进行了仿真分析,能够真实地模拟出回转体与轴瓦实际接触的状态,以及各部件应力变化情况。2元模型的构建为了准确地模拟轴承的工作状态,必须将与轴承相接触的球磨机回转体的有限元模型建立出来,然后通过建立接触对,来进行有限元计算。2.1回转体几何模型的建立球磨机回转体主要是由两个截锥形的端盖和一个圆筒形的滚筒用螺钉装配而成,两个端盖各焊有一个中空轴,出料端用螺栓连有大齿轮。由于球磨机的回转体的几何结构具有周向对称性,因此采用了其一半的几何模型进行模拟,但是由于回转体的内部是个复杂体,因此对球磨机回转体做了简化。在建模过程中,去掉了螺纹孔、很小的倒角等不影响计算结果的要素,建模过程中没有建立筒体及端盖的衬板、中空轴内部的衬套及固定环等,而是在施加载荷时将其重量按等效密度加到相应位置的回转体上,从而实现其重力补偿。简化后建立球磨机回转体的几何模型见图2。2.2轴承模型的构建本文利用CATIA建立模型后导入ANSYS软件中进行计算,球磨机轴承的几何模型见图3。2.3材料的弹性模量和密度球磨机的回转体和静压轴承选用的单元为Solid45六面体单元,回转体材料的弹性模量为210GPa,泊松比为0.3;轴瓦合金材料的弹性模量为1.03GPa,泊松比为0.3,密度为8650kg/m3;轴承衬体材料的弹性模量为1.35GPa,泊松比为0.27,密度为7860kg/m3;鞍形座材料的弹性模量为1.75GPa,泊松比为0.27,密度为7800kg/m3。2.4筒体受力分析球磨机回转体载荷的施加主要有两部分:一是回转体自身的重力;二是筒体中物料与钢球在重力的作用下施加在筒体内壁的压力。在实体建模时没有建立筒体及端盖的衬板、中空轴内部的衬套及固定环等,因此在施加重力载荷时,需要把衬板的重量按等效密度加到筒体及端盖上,把中空轴内部的衬套和固定环等的重量按等效密度加到中空轴上,以实现重力补偿。等效方法如表1所列。为了能对筒体施加变化面载荷,本文在筒体受到物料与钢球作用的区域内建立了一层表面效应单元surf154。然后对surf154单元施加变化的压强载荷,所施加的压强值正比于作用区域内节点在坐标下(笛卡儿坐标系)的高度。设置物料深度为零处的节点所施加的压强为零,比例系数为k(k=4.5×103×9.8=44100N/m3),即松散比重与重力加速度的乘积。通过以上操作便实现了物料与钢球对筒体的作用力。由于仅建立了1/2球磨机结构有限元模型,因此在对称面上的节点施加对称约束。对一端鞍形座模型底面上的节点施加全约束,另一端鞍形座模型底面的节点释放x轴方向的自由度,进而来模拟轴承一端固定,一端游动。2.5维界面接触面的模拟本文定义中空轴与轴瓦合金的接触、轴瓦与鞍形座的接触都是柔体和柔体的面接触。中空轴的外表面、轴承衬体的圆弧面为目标面,用三维单元Targe170来模拟。轴瓦的上表面、鞍形座的上表面定义为接触面,用三维单元Conta174来模拟。3结果分析3.1轴瓦组合结构设计从图4中可以看出,中空轴与轴瓦合金接触压力分布、进料端与出料端的接触压力分布情况基本相同。进料端最大接触压力为11.7MPa,出料端最大接触压力为13.1MPa,其位置都发生在靠近筒体一端油腔边界处。图5为出料端中空轴与轴瓦合金接触压力分布曲线。从图5a和图5c中可以看出,接触面左边界(靠近筒体一端)处的接触压力比接触面右边界(远离筒体一侧的边界)接触压力大,左边界在接触面的上端接触压强为零,而右边界在接触面的上端接触压强较大。其原因是由于中空轴在垂直方向的变形(由圆形变成椭圆形),随着其端面与筒体端面距离增加而增大所致。在图5b可以看出接触面轴向1/2处周向压力比较大,该图有两个尖角,其位置为油腔的两个边界处,油腔内接触压强为零,最大压强在接触面的上端,其值为11.63MPa。在图5d中可以看出接触面底端接触压力分布,接触面的两端接触压力比较大,中间的接触压力比较小,在1/2处压力有所增加。接触压力大小及其分布与中空轴的结构刚度、中空轴与轴瓦合金的半径间隙、承载力的大小和轴承衬体结构有关。总之,轴瓦合金的材料为ZCuAl10Fe3Mn2,最大许用压强值为20MPa,故计算的结果没有超过其最大许用压强值,满足要求。图6为轴承衬体与鞍形座接触应力分布云图。进料端的最大接触压强为51.6MPa,出料端的最大接触压强为57.3MPa,其位置发生在接触面周向的1/2处。3.2鞍形座材料轴承衬体材料为HT300,其屈服极限为300MPa,鞍形座材料为ZG230-450,其屈服极限为230MPa。从图7、图8轴承应力分布云图可知,各结构都满足强度要求和刚度要求。4球磨机接触压力分布的有限元分析为保证某大型球磨机静压轴承材料选择的合理性,本文考虑了