在工業(yè)和食品行業(yè)中常用到的振動篩在使用過程中會出現(xiàn)安裝軸發(fā)生斷裂的情況。本文主要通過對安裝軸進行受力分析,找出造成安裝軸斷裂的原因,并進行疲勞強度校核,發(fā)現(xiàn)安裝軸不一定能滿足疲勞強度要求。對此還對設(shè)計做出了一些改進建議。
現(xiàn)在在食品領(lǐng)域和重工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域上都會用到由振動電機作為驅(qū)動的振動篩,食品領(lǐng)域主要有糧食、飼料、食品加工等,重工業(yè)領(lǐng)域主要有冶金、機械、采礦等,主要是利用振動將物料中的雜質(zhì)去除,還可將物料進行篩選分類等。隨著市場需求的不斷加大,食品行業(yè)規(guī)模也在不斷擴大,振動篩的需求開始向著中大型發(fā)展。
在日常生產(chǎn)中,見得比較多的是振動電機安裝在篩體兩側(cè)的振動篩,但少數(shù)的電機也會安裝在篩體的底部或者頂部的安裝軸上。對于某些中大型的振動篩,它的電機一般選擇安裝在篩體底部。在使用過程中,偶爾會出現(xiàn)篩體震裂和安裝軸斷裂的現(xiàn)象。因此,在設(shè)計和制造的過程中,要重視此類情況,盡可能的避免其發(fā)生。當篩體的長、寬、重量較大的時候,就算安裝軸直徑增得較大,但在使用過程中還是會發(fā)生斷裂。
在工作的時候,篩體的提供振動的電機的安裝軸都會承受多種形式的動載荷,在動載荷的作用下就會在軸和篩體上產(chǎn)生相應(yīng)的動應(yīng)力。由于振動是周期性的,所以產(chǎn)生了周期性的應(yīng)力變化。當應(yīng)力變化隨著時間不斷循環(huán)到達某個值的時候,篩體和安裝軸就會出現(xiàn)疲勞破壞。因此,在設(shè)計時,除了要考慮篩體和安裝軸的靜強度以外,還要考慮他們的疲勞破壞,綜合彎曲、扭轉(zhuǎn)等情況以及交變應(yīng)力的作用,對構(gòu)件進行疲勞強度計算。
振動電機安裝軸受力分析
在對振動電機安裝軸進行受力分析之前,為了簡化分析,對其做了幾點假設(shè):假設(shè)一,將電機安裝軸的自重忽略;假設(shè)二,將安裝軸看做是一端為鉸鏈支座另一端為活動鉸鏈支座的梁,另外,振動篩工作時,兩耳板會有彎曲變形;假設(shè)三,兩電機的在工作時會產(chǎn)生脈動動載荷,會使安裝軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動,故其重量的影響不能忽略;假設(shè)四,忽略需要篩選的物料對分析計算的影響,將振動篩的振動看為線性振動。
從三個坐標平面對振動電機安裝軸進行受力分析,發(fā)現(xiàn)安裝軸在三個平面內(nèi)均受到力偶的作用。電機產(chǎn)生的兩個激振力集中作用在安裝軸上,且隨著時間不斷變化。同時振動電機還會以力矩的形式給安裝軸兩個軸向的激振力,力矩的大小也會隨著時間周期性變化。由于振動慣性力導致篩體發(fā)生彎曲變形,又產(chǎn)生兩個力矩,且這兩個力矩也會隨時間不斷變化。最后,由電機自重和偏心距的影響,產(chǎn)生能使安裝軸做彈性振動的扭矩,且扭矩也會隨時間周期性變化。
安裝軸的疲勞強度計算
做完了受力分析,接下來進行疲勞強度計算。通過之前的分析可以知道,在外載荷和彎矩的作用下,在安裝軸內(nèi)產(chǎn)生了彎矩,在振動電機自重的作用下,對安裝軸產(chǎn)生了扭矩。因此,有兩種組合變形需要進行討論:一是彎曲扭轉(zhuǎn)組合變形,二是拉壓彎曲與扭轉(zhuǎn)組合變形。
根據(jù)設(shè)計手冊選擇安裝軸在受到交變應(yīng)力作用下的工作安全系數(shù)和許用安全系數(shù)。通過查找材料手冊,找到安裝軸對應(yīng)的材料的力學性能,例如屈服強度值、剪切許用應(yīng)力值等,在根據(jù)所選擇的安裝軸尺寸大小,計算安裝軸的重量,結(jié)合之前受力分析得到的力、力矩的大小,帶入公式計算。
接著計算交變應(yīng)力的大小。通過查找機械手冊可以得到計算公式,然后代入公式計算。
最后將所得數(shù)值代入疲勞強度公式里,算出此安裝軸的疲勞強度不滿足條件。
幾項改進措施
4.1 增大篩體橫向抗彎曲剛度。要想增大篩體橫向的抗彎曲剛度,可以采用在篩體的上部和下部增加橫向的鋼件的方法,在此之上耳,將加固了加強筋的耳板加設(shè)在篩體底部,以加強篩體的剛度。
4.2 提高安裝軸的疲勞強度。提高安裝軸的疲勞強度可以通過以下方法達成:將周徑減小,換一種材質(zhì)更合適的鋼材;為加強安裝軸的強度,可以將棒料改成厚壁鋼管;在剛體表面進行調(diào)質(zhì)處理以增強剛體強度。另外,盡量減少交變應(yīng)力的產(chǎn)生和降低電機的振動,可以通過將兩電機安裝在一塊特制的板上來實現(xiàn)。電機的振動頻率也會影響安裝軸的疲勞強度,選擇合適的激振力和振動頻率,能較好的避免安裝軸和篩體達到疲勞極限。
根據(jù)中大型振動篩電機的布置情況,對電機的安裝軸進行了受力分析和強度計算,分析計算結(jié)果表明,在工作過程中,安裝軸受到來自振動電機的三個方向的交變動載荷,這是直接導致安裝軸發(fā)生斷裂破壞的最主要原因。針對上述疲勞強度計算的結(jié)果可以知道,大型振動篩沒有滿足強度要求。對此,筆者針對大型振動篩的設(shè)計提出了一些改進方法,希望有助于改善振動篩振動電機安裝軸斷裂的情況。