基于疲劳分析的螺旋轴有限元分析

路原睿 马耀宏 郭少华 左振京

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.南京天华化学工程有限公司;3.中国纺织科学研究院)

螺旋输送机作为输送物料的设备，适宜输送各种粉料、粒状和小块的物料，但不宜输送易变质、粘性大和易结块的大块物料[1]。螺旋加料器具有结构简单、横截面尺寸小、密封性能好、便于中间进料/出料、操作安全方便及制造成本低等优点，广泛应用于采矿、化工、建材、冶金、机械制造、轻纺织工业及粮食等行业。螺旋结构可按使用场合的不同分为实体螺旋、带式螺旋和叶片螺旋。实体螺旋适宜输送干燥、粒度小的颗粒或粉状物料，其螺距等于直径的0.8倍；带式螺旋适宜输送块状物料或粘性中等物料，其螺距等于直径；叶片螺旋适宜输送粘性大和可压缩性物料，其螺距等于直径的1.2倍。

决定螺旋输送机的工作性能、生产效率和使用寿命的主要零部件是螺旋轴。螺旋轴一般由空心轴管外焊螺旋叶片和管两端装配轴头组成，轴头部位由轴承支撑，中间悬空。螺旋轴主要受自身重力所产生的弯矩作用力、传动端扭矩作用力和轴向作用力。螺旋轴每转动一周，轴上对应点的应力完成一个周期循环，所以螺旋轴长期处在交变应力作用下进行工作，即使最大应力远低于材料的许用应力，在没有发生塑性变形的情况下也会发生疲劳断裂。

1 螺旋轴结构

螺旋轴结构如图1所示，它由轴头、轴管和螺旋叶片组成，两端轴头通过轴承支撑，在传动端轴头装有驱动装置用以提供轴体转动所需的动力，转动的轴体通过螺旋叶片推动所需输送物料流动。

图1 螺旋轴结构简图

2 有限元模型的建立

螺旋轴受到的力有4个主要来源：由自重产生的应力；传动端轴头受到驱动而在轴体上产生的扭矩作用；进料口物料由高处掉落而产生的冲击载荷；输送物料过程中物料对螺旋轴产生的反作用力。考虑到螺旋轴结构和受力的复杂性，并长期处于交变循环应力环境下，采用常规的经验公式无法准确计算螺旋轴各处的应力及其寿命，笔者利用有限元软件ANSYS[2]，采用参数化建模的研究方法，对螺旋轴的应力分布状况、变形情况进行分析，并通过疲劳分析法准确预测其寿命情况。

笔者以某化工企业螺旋输送机螺旋轴为研究对象，螺旋轴转速约为40r/min，叶片外径为800mm，轴管规格为φ180mm×20mm，轴承支撑跨距为6 198mm，螺旋输送机所输送物料为CTA，螺旋轴各部件所用材料及其特性见表1。

表1 螺旋轴各部件所用材料及其特性

三维有限元数值分析可以准确地描述螺旋轴的受力情况，使应力的计算更为精确[3]，螺旋轴有限元模型如图2所示，为了方便同类结构轴体的分析计算，笔者利用ANSYS的参数化建模方法和APDL代码建立了完整的螺旋轴有限元模型，所选用的有限元单元均为三维实体单元SOLID45[4]，为了保证求解的准确性，笔者通过特有的建模方式，确保有限元模型中全部网格均为求解性能良好的六面体网格。

图2 螺旋轴有限元模型

3 边界条件的加载

螺旋轴所受载荷有自重、物料作用力、传动端所施加的扭矩、来自上游的物料冲击载荷和物料对螺旋轴的腐蚀作用。考虑到有限元模型所用单元类型为solid45，施加竖直方向的重力加速度即可，该螺旋轴所加重力载荷为988kg。物料施加在螺旋叶片上的力按作用在叶片上的压力施加于叶片表面，物料密度为1 050kg/m3，填充率为30%，该压力载荷沿整个螺旋轴长度均匀分布，物料载荷的施加情况如图3所示。传动轴功率为14.8kW，传动轴转速为40r/min，故传动端所受扭矩为3 533N·m。物料坠落高度按4.5m考虑，计算得到上游物料跌落对螺旋轴的冲击力为4 725N。由于物料具有腐蚀性，在计算中轴管和叶片考虑1.5mm的腐蚀裕量。轴头与轴管采用过盈配合的连接方式，在本计算中通过设置接触单元来实现过盈配合。

图3 模型物料载荷的施加

4 计算结果

在所施加载荷的作用下，螺旋轴竖直方向的最大变形约为1.586mm，该最大变形位于螺旋轴的中点，是螺旋轴的最大挠度，如图4所示。螺旋叶片与轴管连接部位的应力分布云如图5a所示，应力最大位置位于螺旋轴最中间位置，最大应力为13.0MPa，根据JB 4732-1995应力强度的定义[5]，螺旋叶片与轴管连接处应力幅为6.50MPa。轴头位置的应力分布云如图5b所示，最大应力值位于轴头直径最大端的第一个轴肩处，其值为49.80MPa；轴管位置的应力分布云如图5c所示，轴管的应力最大值位于轴管与轴头过盈配合的最外侧，应力最大值为91.00MPa。

图4 螺旋轴挠度分布云图

a. 螺旋叶片与轴管连接部位

b. 轴头

c. 轴管图5 螺旋轴应力分布云图

笔者所研究螺旋轴的转速为40r/min，寿命按10年考虑，故所研究的应力循环次数为1.92×108次，按照文献[5]附录 C4进行应力评价，考虑到焊缝削弱的影响，轴管与叶片焊接部位的焊缝许用应力幅为28.75MPa，根据上述计算结果，此处应力幅只有6.50MPa，远远小于焊缝许用应力幅；同样，轴头与轴管连接处的许用应力为115.00MPa，而根据计算结果，此处的最大应力分别为49.80MPa与91.00MPa，也小于许用应力。

5 结束语

对螺旋轴的结构特点和受力状况进行了分析，考虑到疲劳断裂是螺旋轴损坏的主要因素，以常规强度校核为主的设计手段无法对螺旋轴寿命进行准确预测。笔者建立螺旋轴有限元模型进行分析计算，通过疲劳循环应力评定的方法对螺旋轴使用寿命进行预测，确保所研究的螺旋轴在使用工况下完全达到设计寿命要求，对实际生产具有一定的指导作用。

[1] 刘相东，于才渊，财德仁.常用工业干燥设备及应用[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2] 商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3] 付光杰，甄东芳，邢建华.开关磁阻电机的三维有限元分析及性能研究[J].化工自动化及仪表，2010，37(6)：68～71，75.

[4] 博弈创作室.ANSYS 9.0经典产品高级分析技术与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[5] JB 4732-1995,钢制压力容器——分析设计标准[S].北京：中国机械工业出版社，2005.