链篦机头轮轴的分析与优化

田国富，陈金铭

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870)

链篦机头轮轴的分析与优化

田国富，陈金铭

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870)

头轮轴是链篦机的关键部件之一，在高温环境下工作，要求强度比较高，加工难度大。根据管标准手册确定几种相关头轮轴的管结构尺寸，并利用ANSYS软件对其进行有限元分析，得到了不同内径尺寸下头轮轴的应力和位移分布状况，为链篦机头轮轴的结构改进提供了参考依据。根据管的标准手册加工成的头轮轴，降低了制造成本，保证了设备质量。

链篦机头轮轴;管结构;有限元;应力分布;位移

0 前言

链篦机-回转窑是用于生产氧化球团矿的一种大型设备。近年来，随着钢铁工业的飞速发展，极大地推动了球团业的发展步伐。链篦机属非标准大型冶金设备，在高温状态下工作。头轮轴是链篦机的关键部件之一，用于驱动篦床装置行走，其尺寸较大，结构复杂，加工难度大，成本高。

本文以弹性力学为理论基础，利用ANSYS软件对头轮轴结构进行有限元分析，并根据计算结果从强度和刚度两个方面进行了分析和讨论，在满足载荷工况要求和具有一定安全系数的前提下，改成管结构，以降低加工难度。

头轮轴位于链篦机的排料端。头轮轴通过减速器与电机相连，作为驱动轴带动整个篦床运行，实现对生球的干燥、预热过程。链篦机结构示意图如图1所示。

图1 链篦机结构示意图Fig.1Grate structure sketch

1 头轮轴结构模型的建立

原头轮轴结构如图2所示，各部轴颈尺寸分别为φ260 mm，φ270 mm，φ275 mm，φ280 mm，φ275 mm，φ310 mm，φ345 mm，长度5 990 mm，内径为φ80 m。头轮轴上的两个钩头楔键键槽尺寸为长3 042 mm，宽70 mm，高22 mm，相隔120°。本文利用Solid Works软件建立头轮轴的三维实体模型，并存为.x_t格式导入到ANSYS软件中进行分析。

图2 原头轮轴三维实体图Fig.23D image of original axle

原头轮轴的坯料为实心钢材，采用钻孔方式进行加工。由于头轮轴的尺寸较长，采用钻内孔方式加工难度大，考虑到降低制造成本，采用管结构。本文根据管标准手册提出几种头轮轴管结构方案，采用φ356 mm的管坯料进行加工获得管结构的头轮轴，管的外径尺寸与原头轮轴相同，管内径尺寸不同，分别为φ125 mm、φ140 mm、φ156 mm三种情况。

2 头轮轴的分析与优化

2.1 头轮轴材料参数

头轮轴的材质为42CrMo，弹性模量E=2.1 ×1011N/m2，泊松比μ=0.28，密度ρ=7.87g/ cm3，重3 140 kg，屈服极限为930 MPa。

2.2 头轮轴分析

本文针对链篦机的头轮轴，利用有限元软件进行分析，计算出头轮轴的应力与变形，进行优化分析。

图3为头轮轴的具体结构总图，该图表示链轮与头轮轴的配合及滚动轴承所处位置。

利用ANSYS软件对头轮轴的材料参数进行设置，并划分网格。图4为头轮轴有限元网格划分模型。网格划分:由于头轮轴结构较大，形状较复杂，采用自由网格划分。单元类型采用SOLID45单元，该单元有8个节点，3个自由度，单元网格设置为0.040 m。

图3 头轮轴的具体结构总图Fig.3Structure image of head axle

图4 头轮轴有限元网格划分模型Fig.4FEM grid model of head axle

头轮轴的边界约束条件:在与滚动轴承配合的表面上施加径向约束，在与减速器配合的表面施加轴向、径向与周向约束。将牵引力和扭矩转变成的力偶施加到四个链轮与头轮轴配合处。

经理论计算得到头轮轴所受总牵引力为620 024 N。假设作用在四个链轮上的牵引力大小均为155 006 N，等值传递到头轮轴上，产生的扭矩为91 143，换算成力偶为588 023 N，加到头轮轴上。受力图如图5所示。

图5 头轮轴载荷模型图Fig.5Load model of head axle

2.3 原头轮轴的有限元分析

原头轮轴的内径为φ80 mm，通过ANSYS软件进行分析，得到其应力变形云图。图6、图7为头轮轴应力变形分布情况图，由图知最大等效应力为222 MPa，发生在滚动轴承所在位置。最大变形为1.452 mm，在头轮轴中部直径为φ345 mm处。

图6 头轮轴内径为φ80 mm的等效应力云图Fig.6The equivalent stress nephogram of head axle inner diameter φ80mm

图7 头轮轴内径为φ80 mm的变形云图Fig.7Deformation nephogram of head axle inner diameter φ80mm

2.4 头轮轴管结构的有限元分析

头轮轴由于尺寸较长，内孔加工难度大，质量重，加工成本高。在相同边界约束条件下，将头轮轴设计成管结构，可降低加工难度，减轻其重量。经查相关管标准手册，采用φ356 mm的管坯料进行加工获得管结构的头轮轴，内径分别为φ125 mm、φ140 mm、φ156 mm三种情况。

(1)三种管结构有限元分析应力分布云图。管内径为φ125 mm的头轮轴应力分布情况如图8所示，最大等效应力为221 MPa。

图8 管内径为φ125 mm的等效应力云图Fig.8The equivalent stress nephogram of head

管内径为φ140 mm的头轮轴应力分布情况如图9所示，最大等效应力为218 MPa。

图9 管内径为φ140 mm的等效应力云图Fig.9The equivalent stress nephogram of head axle inner diameter φ140mm

管内径为φ156 mm的头轮轴应力分布情况如图10所示，最大等效应力为219 MPa。

图10 管内径为φ156 mm的等效应力云图Fig.10The equivalent stress nephogram of head axle inner diameter 156mm

(2)三种管结构有限元变形分布云图。管内径为φ125 mm的头轮轴变形分布情况如图11所示，最大等效变形为1.504 mm。

管内径为φ140 mm的头轮轴变形分布情况如图12所示，最大等效变形为1.542 mm。管内径为φ156 mm的头轮轴变形分布情况如图13所示，最大等效变形为1.596 mm。

图11 管内径为φ125 mm的变形云图Fig.11Deformation nephogram of head axle inner diameter φ125mm

图12 管内径为φ140 mm的变形云图Fig.12Deformation nephogram of head axle inner diameter φ140mm

图13 管内径为φ156 mm的变形云图Fig.13Deformation nephogram of head axle inner diameter φ156mm

3 计算结果分析

将计算结果汇总见表1。

表1 头轮轴有限元计算结果比较Tab.1FEM results comparison of head axle

管标准下的内径尺寸不同对头轮轴的力学性能影响不同，增加头轮轴内径尺寸减小了最大等效应力，增加了变形量。改造后的头轮轴:①较原头轮轴最大等效应力减小了0.45%，变形增加了3.58%;②较原头轮轴最大等效应力减小了1.8%，变形增加了6.2%;③较原头轮轴最大等效应力减小了1.35%，变形增加了9.92%。在材料力学性能允许范围内，改造后的头轮轴(φ140 mm，φ156 mm)是较优化和经济的结构参数。

4 结论

在材料力学性能允许范围内，将原头轮轴改成管结构，通过ANSYS软件分析是合理的。采用原料外径为φ356 mm，内径为φ156 mm的管进行加工，理论上是可行的。

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Analysis and optimization of the head axle of the grate

TIAN Guo-fu，CHEN Jin-ming
(School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

The head axle is one of the key parts of the grate and there is a high requirement for its strength under high temperature environment in processing.Several dimensions related the tube structure of the head axle were determined by Richard tube Standards Manual.It is analyzed with ANSYS finite element analysis software.The stress distribution and displacement of different diameter size of the head axle were given，which provides reference basis for design of grate structure improvement.According to the standard manual，the tube head axle is processed lower costs and ensure the quality of equipment.The manufacturing cost is lower and the quality of equipment is ensured.

the head axle of the grate;tube structure;finite element;stress distribution;displacement

TFO46

A

1001-196X(2014)06-0070-04

2014-06-25;

2014-07-10

田国富(1968-)，男，沈阳工业大学机械工程学院副教授，博士后，研究方向为CAD/CAE技术、工程车辆设计与试验、智能算法应用等。

技术改造