0、引言
生物質(zhì)固化成型技術(shù)是將農(nóng)作物秸稈、稻殼、鋸末、木屑等生物質(zhì)廢棄物，在一定溫度、濕度和壓力下，將原來松散、無定形的粉碎原料壓縮成具有一定形狀、密度大、能量度高的固體成型燃料。目前，降低成型機能耗，提高成型機產(chǎn)量，延長成型機壽命已成為當今生物質(zhì)固化成型的熱點和重點。
目前，成型機壽命的零部件分析方面國內(nèi)外研究重點大多集中在成型機的核心工作部件壓輥和平模上，而主軸作為成型機傳動系統(tǒng)的核心工作部件，對成型機的壽命起著重要的影響。本文針對新研制的KLCX550平模成型機的主軸的軸肩部位出現(xiàn)的小裂紋現(xiàn)象，對平模成型機主軸應(yīng)力進行有限元分析，研究主軸的應(yīng)力分布，然后用實驗測試主軸的應(yīng)力。
1、KLCX550生物質(zhì)平膜成型機
本文以山東百川同創(chuàng)能源有限公司自主研制的KLCX550平模成型機作為測試實驗設(shè)備，實驗設(shè)備如圖1所示。該平模成型機屬于冷壓成型機，外接電機提供動力，基本的動力傳遞過程如下：電機通過減速器把動力傳給主軸，主軸用上下兩個軸承支撐；主軸將動力傳遞到壓輥，壓輥和平模相互碾切擠壓生物質(zhì)原料，完成動力傳遞過程。其主要傳遞結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.1主軸連接部件
平模成型機的傳動系統(tǒng)由主軸、花鍵、壓輥、軸承和減速器組成。主軸通過上端的花鍵與壓輥連接，中間部位有兩個軸承支撐；下端通過減速器與電機連接。該系統(tǒng)既有減速功能，又有動力和扭矩分配功能。在整個成型過程中，主軸為主要動力傳輸設(shè)備，是影響傳動系統(tǒng)工作壽命的關(guān)鍵部件。在傳統(tǒng)設(shè)計方法中，其結(jié)構(gòu)強度和剛度通常采用加大安全系數(shù)的方法來保證，只能得到一定條件的局部應(yīng)力和位移；但在實際工作過程中，主軸某些部位會有小裂紋產(chǎn)生。出現(xiàn)小裂紋的原因很復(fù)雜，一般包括以下幾種情況：原材料選材不合理；制造及安裝工藝不合理；使用維護不當；結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。通常前3項較易處理，但結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理往往會造成結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力應(yīng)變過大，且伴有應(yīng)力集中現(xiàn)象。采用傳統(tǒng)設(shè)計方法不能保證在整個生命周期中主軸不出現(xiàn)裂紋。因此，本文采用有限元分析軟件ANSYS對成型機主軸進行有限元分析，研究主軸工作過程中其整體應(yīng)力和應(yīng)變場分布規(guī)律，富通新能源生產(chǎn)銷售環(huán)模式
木屑顆粒機、
秸稈壓塊機等生物質(zhì)燃料成型機械設(shè)備，同時我們還有大量的楊木木屑生物質(zhì)顆粒燃料銷售。
1.2主軸的受力分析
根據(jù)成型機的工作條件和主軸的裝配關(guān)系，主軸受力情況如圖2所示。
2成型機主軸有限元分析
2.1模型的建立
2.1.1材料特性的設(shè)定
采用ANSYS對主軸進行有限元分析。主軸材料根據(jù)經(jīng)濟型和使用性選用S45C，彈性模量200CPa，泊松比為0.3，屈服極限355MPa，選取強度安全系數(shù)n=1.5，經(jīng)計算許用屈服應(yīng)力為
2.1.2有限元模型
ANSYS Meahinr模塊-p提供了用于創(chuàng)建及管理節(jié)點和單元的命令。本文采用了Solid95體單元，利用自由網(wǎng)格劃分生成主軸的有限元模型如圖3所示。
2.2邊界條件的創(chuàng)建
2.2+1載荷施加
根據(jù)綜合分析，主軸工作系統(tǒng)所受外載荷主要包括兩方面：一方面為壓輥與主軸花鍵連接部位的扭矩作用；另一方面由于主軸所受止推軸承的作用，主軸模型端面處還受到一軸向拉力作用。
2.2.2位移約束
主軸系統(tǒng)采用Solid95單元，節(jié)點有3個自由度，即沿x，y，z軸的移動自由度。在實際工作中，軸分別由上下兩個軸承固定支撐，使整個軸只能繞Z軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)和沿軸向移動；止推軸承具有止推作用，限制主軸的軸向移動。因此，根據(jù)實際約束的情況，約束軸與軸承接觸的圓周面上的2個自由度，并且約束右端面的1個自由度，
2.3優(yōu)化前后計算結(jié)果分析
利用FRONT DIRECT渡前求解器，對該有限元模型進行計算求解。
圖4為主軸拉應(yīng)力圖，圖4(a)是主軸出現(xiàn)小裂紋的拉應(yīng)力。由圖4(a)可見．主軸拉應(yīng)力最大值為237.43MPa，超過了軸的許用屈服應(yīng)力235+ 7MPa：拉應(yīng)力最大位置在下軸肩和鍵槽周圍，由于壓輥在工作時通過鍵施加給主軸反作用軸向力，反力傳遞到軸肩和鍵槽周圍，而軸肩和鍵槽具有軸向約束作用，因此在該部位附近形成較大的應(yīng)力集中，屬于危險截面。圖4(h)把主軸的下軸肩加大，同時增大過渡圓角，進行ANSYS模擬的主軸部位拉應(yīng)力分析。從圖4(h)應(yīng)力的分布來看，應(yīng)力部分較均勻；最大應(yīng)力的數(shù)值有所減小，最大值208. 89MPa，低于軸的許用屈服應(yīng)力235.7 MPa。
圖5為主軸剪應(yīng)力圖，圖5(a)為主軸出現(xiàn)小裂紋的拉應(yīng)力圖。由圖5可見，主軸剪應(yīng)力的最大值為58. 2MPa．接近軸的許用剪切應(yīng)力60MPa。切應(yīng)力最大位置在鍵槽上，其原因是鍵傳遞電機與主軸的扭矩，主軸在鍵槽部位沿軸向應(yīng)力較大，靠近鍵槽側(cè)的軸承斷面結(jié)合部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，屬于危險截面。圖5(b)把主軸下軸肩部位加大，同時增大過渡圓角，進行ANSYS模擬的主軸拉應(yīng)力分析。從圖5上應(yīng)力的分布來看，應(yīng)力部分較均勻；最大應(yīng)力的數(shù)值有所減小，最大值51.7MPa。
3、實驗測試驗證
在利崩ANSYS有限元對成型機主軸工作狀態(tài)時應(yīng)力的模擬基礎(chǔ)上，采用東華DH5923動態(tài)測試儀對主軸作應(yīng)力狀態(tài)進行測試：
3.1測試設(shè)備及成型原料
本測試應(yīng)用DH5923測試儀、集流環(huán)、光點開關(guān)和激流環(huán)，對主軸應(yīng)力進行測試，主軸是采用優(yōu)化后主軸，成型原料是樟木松鋸末，含水率20.2%。
3.2測試方法
圖6是測試過程連接圖。由圖6可見，光電開關(guān)聯(lián)接到DH5923動態(tài)測試儀轉(zhuǎn)速通道1，動態(tài)測試轉(zhuǎn)速。應(yīng)變片1和應(yīng)變片2接到集流環(huán)上，通過集流環(huán)接到電橋盒1和電橋盒2，電橋盒l(wèi)和電橋盒2接到DH5923動態(tài)測試分析儀的通道2和通道3，測試應(yīng)力。DH5923測量界面圖形如圖7所示。
實驗過程過程：啟動成型機，打開測試儀，測量主軸的主應(yīng)力和切應(yīng)力。KLCX550成型機連續(xù)工作4—5h，記錄數(shù)據(jù)，共測得40—50組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖8和圖9所示。
3.3測試結(jié)果與分析
主軸拉應(yīng)力的測試數(shù)據(jù)繪制成曲線，主軸拉應(yīng)力如圖8所示。
圖8是原料為20. 2%樟木松鋸末，測試得到優(yōu)化后主軸的拉應(yīng)力圖。由圖8中可見，主軸的最大拉應(yīng)力在208MPa附近波動，未超出材料的許用應(yīng)力，主軸的軸肩部位沒有新的裂紋產(chǎn)生。由此可見，主軸的應(yīng)力是主軸出現(xiàn)裂紋的關(guān)鍵因素。
主軸切應(yīng)力的測試數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖9所示。
圖9是原料為20.2%樟木松鋸末，測試得到優(yōu)化后主軸的剪應(yīng)力圖。由圖9可見：主軸切應(yīng)力加劇了軸肩和鍵槽附近裂紋的產(chǎn)生。主軸的最大切應(yīng)力在50. 5MPa附近波動，未超出材料的許用切應(yīng)力。由此可見，主軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化減小最大切應(yīng)力的數(shù)值，同時切應(yīng)力的分布較均勻。
4、結(jié)論
1)對小裂紋主軸進行ANSYS有限元分析，得到了主軸拉應(yīng)力分布圖和主軸切應(yīng)力分布圖，主軸上的軸肩部位拉應(yīng)力是出現(xiàn)裂紋的關(guān)鍵因素。
2)對出現(xiàn)小裂紋的主軸進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加大軸肩高度，增大過度圓角。對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的主軸進行有限元分析，并與原來的主軸進行對比，由應(yīng)力分布云圖得出：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的主軸主應(yīng)力和切應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力的最大值都有所減小。
3)對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主軸進行實驗，實驗結(jié)果和模擬結(jié)果吻合較好，表明優(yōu)化的主軸的拉應(yīng)力和切應(yīng)力數(shù)值都有所減小，沒有超出許用應(yīng)力的范圍，而且沒有新的裂紋產(chǎn)生。
4)針對主軸的軸肩部位易出現(xiàn)小裂紋的情況，可通過改變主軸結(jié)構(gòu)，加高和加厚軸肩，在軸肩與軸的連接處使用圓角過渡；或?qū)χ鬏S進行表面熱處理等優(yōu)化方法提高軸肩的強度；對于鍵槽周圍的裂紋，可以用花鍵來代替單鍵，提高承受載荷能力。
