螺旋分级机轴头连接结构的有限元分析比较

撰文/云南锡业机械制造有限责任公司　史川山



螺旋分级机轴头连接结构的有限元分析比较

撰文/云南锡业机械制造有限责任公司史川山

利用SolidWorks三维设计软件的Simulation分析模块，对φ2m螺旋分级机上轴头不同的几种连接结构进行建模，并做了有限元分析比较，对今后轴头连接结构的进一步改进和优化设计提供了理论依据。

一、引言

螺旋分级机是重力选矿厂的主要设备之一，其构造简单、工作稳定且操作方便，与球磨机配成闭路循环，借助固体颗粒因比重不同而在液体中沉淀速度不同的机理，来进行机械分级。主要用于磨矿回路中的预先分级和检查分级，也可用于洗矿和脱泥等作业。螺旋分级机主要有高堰式单螺旋和双螺旋、低堰式单螺旋和双螺旋、沉没式单螺旋和双螺旋分级机，低堰式分级机目前运用较少，主要是高堰式和沉没式。螺旋分级机主要结构如图1所示。

图1　螺旋分级机主要结构图

其主要由传动装置、螺旋轴体、槽体、升降机构、下部支座和排矿阀等组成。

螺旋分级机的工作原理是：因为于固体颗粒的大小和比重不同，所以在液体中沉降速度不同的原理，通过螺旋轴体的转动，对矿浆起搅拌作用，细矿颗粒浮游于矿浆上面由槽体溢流口流出，粗矿粒沉于槽底，由螺旋在搅拌的同时推向槽体上部排料口作为返砂排出。通常螺旋分级机与磨机组成闭路，将粗砂返回磨机再磨。

螺旋分级机的螺旋轴体结构如图2所示，其通过电动机、减速器、圆柱齿轮或圆锥齿轮副进行传动，其使用寿命决定了螺旋分级机整体工作性能和生产效率，螺旋轴体的轴头和中空轴在螺旋分级机工作中，长期处于交变应力的作用下，轴头、中空轴及其连接处容易发生断裂或脱离。因此，对螺旋轴体的轴头与中空轴的连接进行分析设计是十分必要的。本文利用SolidWorks三维设计软件，以φ2m螺旋分级机上轴头连接为例，对目前采用的几种轴头与中空轴的连接方式进行三维建模有限元分析，为进一步结构设计和改进提供合理的依据。

图2　螺旋轴体结构图

二、φ2m螺旋分级机主要技术参数

1.主要技术参数

（1）电机功率：15kW。

（2）电机转速：970r/min。

（3）减速机速比：31.5。

（4）大小齿轮速比：8.5523。

（5）总速比：269.4。

（6）螺旋轴转速：3.6r/min。

（7）中空轴规格：φ377×30mm。

2.有限元分析时零件材质相关属性参数

有限元分析时零件材质相关属性参数如表1所示。

表1

3. 计算中空轴所受的最大扭矩

（1）电机输出扭矩。

式中，T为电机输出转矩，单位为N·m；P为电机功率，单位为kW；n为电机输出转速，单位为r/min。

根据平衡方程式计算电机输出转矩扭：

（2）中空轴所受最大扭矩。

T(轴)=T×i减×i齿

式中，i减为减速机速比；i齿为大小齿轮速比。

T(轴)=147.68×31.5×8.5523=39785N·m

三、轴连接结构的有限元分析

SolidWorks三维CAD设计软件，除其基本的零部件三维建模和工程图快速生成外，它还内容包括了应力分析、应变分析、变形分析、热力分析、运动分析、线性和非线性分析等有限元分析模块，通过对这些模块的应用，我们可以大大地缩短设计周期，对零部件的结构进行优化设计，非常接近地模拟出产品在实际工况条件下的使用状态，降低产品测试成本，提高产品质量。

下面就分级机轴头几种常用的连接方式进行建模分析比较。

1.传统轴头的连接方式

（1）连接方式如图3所示。

图3　传统连接方式

图3中轴头材质为：ZG270-500；中空轴为：φ377×30钢管，材质：20钢；圆柱销材质为：45钢。

（2）利用SolidWorks软件对轴、中空轴和圆柱销连接建模如图4所示。

图4　轴、中轴和圆柱销走接三维模型

因我们主要是分析轴头连接处的应力分布情况，中空轴下部支座体简化为用一轴套固定。

（3）打开SolidWorks软件中的SolidWorks Simulation插件，新建静应力分析算例，分析零件为：轴、中空轴和圆柱销，并应用材质，输入各零件材质属性参数。连结选择边焊缝接头：使轴和中空轴焊缝连接（图5），再选择零部件接触为全局接触无穿透。

（4）确定边界条件（即软件中的夹具）：选择固定的几何体，使轴键槽段和中空轴末端的轴套约束固定（图6）。

（5）添加外载荷为扭矩，选择中空轴外表面受扭，输入扭矩为39785 N·m。

（6）生成网格如图7所示，网格细节为：最大单元大小40mm，最小单元大小8mm，节总数131932节，单元总数71750个。

图5　轴与中空轴缝连接

图6　轴套约束固定

图7　生成网格

（7）运行此算例得到如图8～11所示的结果。

图8　轴最大VON Mises（MPa）应力

图9　管最大应力

图10　轴最小安全系数

图11　管最小安全系数

表2

在实际工作中，螺旋分级机槽为倾斜一定角度（14°）安装，螺旋轴倾斜，除承受一定的扭力外，还承受自重、叶片自重等的径向力和叶片推动物料的轴向力，在此分析中忽略不计。

由此算例可以得出表2中的数据，轴的最大VON Mises应力为：27.22 MPa，所在部位为轴肩直径过处，最小安全系数为8.6，钢管的最大VON Mises应力为46.62MPa，所在部位为钢管与轴焊接处，最小安全系数为4.6,圆柱销的最大VON Mises应力为11.8MPa，最小安全系数为14，此连接结构轴和钢管的强度是满足的，圆柱销的安全系数为最大，在本文以下的分析中，不再专门列出。

同时，利用此模型算例，在其他条件都不变的情况下，在去除管与轴的焊缝连接(即管和轴不焊接，而只用圆柱销连接)，得到表3所示结果。

表3

此结果可看出，如只采用圆柱销连接，在较恶劣的工况条件下，是不可靠的，轴和钢管在圆柱销连接处容易发生应力屈服，在交变应力下断裂。

此传统的设计方案由于主轴头采用一般铸钢件材质（ZG270-500），虽然理论上强度已够，制造成本较低，但作为分级机的重要传动零件，在实际生产过程中，其铸造制造工艺过程的控制质量，往往对最终的产品使用效果有很大的影响。铸件内部易产生晶粒粗大、疏松、夹渣、气孔、裂纹和元素偏析等缺陷，并有较大的残留内应力，其强度、塑性和韧性指标难以达到规定要求。通过有限元分析我们可以得知，在轴受扭矩的情况下，其最大应力在轴肩处，在分级机的实际工作中，常常由于矿浆浓度、返砂量的大小等，使轴头在交变应力的作用下发生断裂。对此我们进行了改进设计。

2.改进后的轴头连接方式

改进后的轴头连接方式如图12所示。

图12　改进连接方式

图12中的轴头通过轴套与中空管连接。轴头材质改为45钢，为节约材料降低制造成本，使之与中空轴钢管的连接用一轴套来过渡，轴套材质为ZG270-500；中空轴为φ377×30钢管，材质20钢；圆柱销为二排且在轴截面上交叉均布，材质为45钢。

利用SolidWorks软件，按分析传统连接方式的步骤，输入与传统连接方式相同的分析数据和条件（相同的材料属性数据、网格大小和边界条件等），进行有限元分析结果如图13～18所示。

图13　轴最大应力

图14　管最大应力

图15　轴套最大应力

图16　轴最小安全系数

图17　管最小安全系数

图18　轴套最小安全系数

由分析数据可以得出表4结果，此改进后的连接结构，轴的最大VON Mises应力为26.84MPa，所在部位为轴肩直径过处，最小安全系数为6，钢管的最大VON Mises应力为37.32MPa，所在部位为钢管与轴焊接处，为4.3,轴套的最大VON Mises应力为63.41MPa，最小安全系数为3.7，所在部位为轴套与轴焊接处，此连接结构轴、钢管和轴套的强度是满足的。

表4

从分析数据上来看，改进后的轴头连接方式上，轴头的最大VON Mises（MPa）应力比传统的连接方式要低，最大剪应力下的最小安全系数略有下降，这是因为45钢的抗剪模量和弹性模量比ZG270-500铸钢低，但从制造厂的角度来说，45为轧制钢，轴头毛坯可直接从专业厂家购入，材料的各项性能指标容易得到保证，轴头的制造成本降低，且质量稳定。

改进后的轴头连接方式，在多年制造和使用过程中，偶尔出现在轴头与轴套焊缝处发现裂纹，有的用户和设计人员提出了再改进的方案如图19所示。

图19　拟改进后的连接方式

拟再改进的结构中，加长了轴套长度，并增加了一排圆柱销连接，预期提高整个轴头的连接强度和抗扭性。

使用SolidWorks软件，按以上分析步骤，输入相同的分析数据和条件（相同的材料属性数据、网格大小、边界条件等），进行有限元分析结果如表5所示。

表5

从以上分析数据可以看出，拟改进的连接结构，轴、钢管和轴套的最大VON Mises应力及安全系数均与改进前相比，没有大的改善，并略有降低，拟改进前轴头与轴套焊缝处出现裂纹的主原因是由于焊接质量而产生的。由于轴和轴套的材质分别为45钢和铸钢ZG270-500，它们均属于中碳钢，其焊接性能较差，且为异种钢的焊接，其焊件刚度较大，淬硬倾向也大，焊缝区容易产生低塑性的淬硬组织，如焊接工艺控制不严时，焊缝金属本身易产生热裂纹和冷裂纹，所以轴头的连接质量，除应充分考虑其结构的工艺性外，还应严格控制其制造的工艺。

四、结语

通过以上应用SolidWorks三维设计软件，对几种不同的分级机轴头连接结构进行建模有限元分析，对分级机轴头结构连接的设计和进一步的改进提供了合理的依据，SolidWorks的有限元分析法为设计者提供了方便、直观、快捷且可靠的计算结果，虽然其分析结果为理论性的，不能完全替代产品的实际测试，但对产品的实际生产和应用仍有着较大的指导意义。本文希望通过对分级机轴头连接结构的有限元分析，对利用SolidWorks有限元分析产品起到一定的借鉴意义。同时，希望各位同行对本文的不足之处提出宝贵意见。