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破碎力計算是各零部件強度有限元分析的基礎(chǔ)。當(dāng)破碎腔進入硬度較高的非破碎物時，定錐和支承環(huán)將繞機架一固定點A抬起一個角度，迫使預(yù)緊彈簧進一步壓縮，以增大定錐和動錐之間的距離，使物料順利排出。此時動錐和物料之間的作用力為最大破碎力，主軸受力計算把主軸與偏心軸套在中間位置接觸作為分析工況，動錐（包含主軸）與偏心軸套及球面軸承相互作用力如圖所示，此時最大破碎力的作用線與過主軸與偏心軸套接觸點的水平線在P點相交，圖中l(wèi)3=650mm。不計動錐及主軸自重，根據(jù)平面匯交力系的平衡條件，球面軸承對動錐的反力FR1必定通過P點，根據(jù)圖1列出Fmax、FR1及FR0三力的關(guān)系。
（1）建立有限元模型主軸總體結(jié)構(gòu)為階梯形，總長度2449.6mm，最小軸徑250mm。主軸材料為42CrMo，彈性模量212GPa，泊松比0.28，密度7850kg/m3，屈服強度930MPa。與動錐及偏心軸套配合的軸段為錐形，中部有油孔，為減小應(yīng)力集中各截面變化處均做了圓角處理。圖2為該主軸的結(jié)構(gòu)及主要尺寸。為得到精度較高的六面體網(wǎng)格，在ANSYS軟件中通過由面單元生成體單元的方法建立有限元模型，首先根據(jù)主軸工程圖，建立各關(guān)鍵點并形成軸截面，采用PLANE42單元進行網(wǎng)格劃分，然后經(jīng)旋轉(zhuǎn)操作形成由20節(jié)點SOLID186體單元組成的有限元模型。面網(wǎng)格劃分及體網(wǎng)格形成過程中需進行網(wǎng)格控制操作，以達到合適的網(wǎng)格精度。整個模型共包含71656個節(jié)點，30300個單元，如圖所示。
（2）邊界條件及載荷步考慮到主軸的左端準(zhǔn)250圓柱面為外螺紋，與鎖緊螺母相配合，中部準(zhǔn)300及準(zhǔn)400圓柱面與動錐內(nèi)圓柱面配合，因此這3個面可視做固定，約束全部自由度。
主軸右端錐面與錐襯套接觸，承受大小為FR0的傾斜壓力，由于錐度很小（3°），故近似認(rèn)為是正壓力，這樣處理結(jié)果也偏于安全。該壓力分布規(guī)律為：沿軸向按二次拋物線分布，沿軸頸圓周方向120°按余弦分布，本文沿軸向?qū)⒅鬏S右端錐面劃分為多個小段，各段均按上述規(guī)律進行加載。由于隨著偏心軸套的旋轉(zhuǎn)，主軸受力部位隨之變化，分別令FR0的作用面為相對的2個120°扇面定義2個載荷步，這2個載荷步受力大小完全相同。
（3）靜力分析結(jié)果圖4、圖5分別為主軸在靜力作用下的等效應(yīng)力云圖和位移云圖，反映了主軸承受靜力作用下的應(yīng)力及變形。
由圖4可知，主軸的最大等效應(yīng)力發(fā)生在右部錐面與中部柱面的結(jié)合圓角處，節(jié)點號為77，最大應(yīng)力值為188.42MPa，其反方向則受到較大的壓應(yīng)力。由圖5可知，主軸最大位移發(fā)生在右端面，為2.01mm，上述結(jié)果與主軸的近似懸臂梁工況是吻合的。靜態(tài)有限元分析表明主軸的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強度，有較大的靜強度安全系數(shù)。
破碎機正常工作時，偏心軸套具有245r/min的轉(zhuǎn)速，使主軸承受周期性的交變載荷，進而易發(fā)生疲勞破壞。ANSYS軟件采用名義應(yīng)力法進行疲勞分析，根據(jù)零部件的名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)，按S-N曲線用疲勞損傷累積理論進行疲勞壽命計算。該方法定義彈性變形為結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)變形，適用于高周疲勞分析。
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