基于液固耦合的搅拌轴疲劳强度分析.pdf

9 2 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 8 ．0 6 ．0 1 8 基于液固耦合的搅拌轴疲劳强度分析 陈强，赖茂河，张建辉，史帅星 北京矿冶研究总院北矿机电科技有限责任公司 矿物加工科学与技术国家重点实验室北京1 0 0 1 6 0 摘要针对浮选机主轴的疲劳强度问题，基于液固耦合的方法，采用流体分析与疲劳强度分析相结合的方式 对浮选机主轴的疲劳强度进行协同计算。根据疲劳强度理论，通过数值分析确定主轴的疲劳极限应力，得出主轴的应 力分布规律，该研究对防止主轴疲劳断裂，优化设计浮选机主轴，具有一定的指导意义。 关键词叶轮；主轴；液．固耦合；疲劳强度分析 中图分类号T D 4 6 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 8 0 6 - 0 0 9 2 4 2 4 F a t i g u eS t r e n g t hA n a l y s i so fF l o t a t i o nS h a f tB a s e do n t h eF l u i d ．S t r u c t u r eI n t e r a c t i o n C H E NQ i a n g ，M ，M a o h e ，Z H A N GJ i a n h u i ，S H IS h u a i x i n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ， B G R I M MM a c h i n e r y A u t o m a t i o nT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．， S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lP r o c e s s i n g ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t F o rt h ef a t i g u es t r e n g t ho ff l o t a t i o ns h a f t ，w et a k et h ec o l l a b o r a t i v ec o m p u t i n gb a s e do nt h ef l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nb yt h em e t h o dw h i c hc o m b i n e st h eC F Da n dt h es t r e n g t hs i m u l a t i o n ．A c c o r d i n gt o f a t i g u e a n a l y s i st h e o r ya n dt h en u m e r i c a la n a l y s i s i t ，w eg e tt h el i m i t i n gf a t i g u es t r e s sa n dr e g u l a r i t i e so fd i s t r i b u t i o no f s h a f t ．T h er e s e a r c hh a sc e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o ro p t i m i z i n ga n dd e s i g n i n gf l o t a t i o ns h a f tt op r e v e n tf a t i g u e f r a c t u r e ． K e yw o r d s i m p e l l e r ；s h a f t ；f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ；f a t i g u es t r e n g t ha n a l y s i s 浮选机主轴是传递扭矩，实现矿浆快速搅拌和 分选的重要部件，如果出现疲劳断裂，轻则影响浮选 机正常运行，中断浮选流程，重则造成安全事故。 主轴靠组合轴承实现支撑，动力源来自电机，电 机通过皮带将动力传递给主轴，主轴两端分别固定 皮带轮和叶轮，皮带轮实现扭矩的传递，叶轮则扮演 了将扭矩转化为流体动能的重要角色。叶轮在旋转 过程中，叶片前后的压力差对叶片形成反向推力，进 而引起轴的变形和扭转。 在实际工况条件下，由于矿浆的不均匀性和其 它因素的影响，导致轴系的受力并非处于一种稳定 状态，其受力更接近于脉动形式。轴系在这种循环 作用下产生交变应力，且长期处于水介质中更容易 产生疲劳破坏㈦1 。 文章一方面采用流固耦合的方法，获得搅拌叶 片的准确受力分布，另一方面通过施加在叶片的力 对主轴进行疲劳强度分析，找到应力最大，疲劳安全 系数最小的位置。本研究对浮选机搅拌主轴的结构 分析和优化设计提供数值依据。 1 疲劳强度分析 在变应力工作的零件，疲劳断裂是主要的失效 形式之一，表面无缺陷的金属材料，其疲劳断裂过程 分为两个阶段第一阶段是零件表面上应力较大处 的材料出现剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源， 疲劳源可以有一个或多个；第二阶段是裂纹尖端在 切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展至直至发 生疲劳断裂。一般情况下，零件的疲劳过程是从第 二阶段开始的，应力集中促使表面裂纹产生和发展。 影响疲劳损伤的因素主要包括载荷、材料、环境条件 基金项目国家自然科学基金资助 5 1 5 0 4 0 2 6 收稿日期2 0 1 8 - 0 7 - 0 6修回日期2 0 1 8 - 0 9 - 2 9 作者简介陈强 1 9 8 2 一 ，男，山东临沂人，硕士，助理工程师，从事矿物加工设备研究及工程转化方面的研究。 万方数据 2 0 1 8 年第6 期陈强等基于液固耦合的搅拌轴疲劳强度分析 9 3 以及零件本身的结构和表面状态有关。载荷的变化 对结构的疲劳损伤主要以应力循环特性、应力幅和 应力均值来表征。 寿命N 1 0 3 的零件，一般可按照静应力强度 进行计算。当Ⅳ≥Ⅳ0 时，疲劳曲线为水平线，疲劳 极限不再随循环次数的增加而降低。而在有限寿命 区1 0 3 ≤N 1 ，最大 等效交变应力为7 2 ．6M P a 2 7 0M P a 。满足疲劳强 度要求。从图9 和1 0 可以看出，应力最大处和最容 易出现疲劳的位置在上下轴的连接法兰处，因此，在 主轴的设计时应特别注意此处的优化设计。 5结论 1 基于单向流一固耦合理论，以C F D 和F E M 相 结合的方式对浮选机的内部流场和主轴的受力进行 了分析。 2 计算结果显示，K Y F ，3 0 浮选机主轴满足设 计疲劳强度要求。 3 计算结果显示，在旋转载荷和流体压力作用 下的应力集中点主要在上下轴连接处的法兰位置。 该研究对浮选机主轴的优化设计提供了数值指导。 参考文献 [ 1 ] 沈政昌．浮选机发展历史及发展趋势[ J ] ．有色金属 选 矿部分 ，2 0 1 1 增刊1 3 4 4 6 ． [ 2 ] 刘厚林，徐欢，吴贤芳，等．谈明高．基于流固耦合的导 叶式离心泵强度分析[ J ] ．振动与冲击，2 0 1 3 ，3 2 1 2 2 7 ．3 0 ． [ 3 ] 裴吉，袁寿其，袁建平．流固耦合作用对离心泵内部流 场影响的数值计算[ J ] ．农业机械学报，2 0 0 9 ，4 1 2 1 0 7 1 1 2 ． [ 4 ] 邱宣怀．机械设计[ M ] ．北京高等教育出版社，2 0 0 7 1 2 ．2 5 ． [ 5 ] 贾宁宁，杨昌明，张圣，等．基于A N S Y SW o r k b e n c h 的 离心泵叶轮强度分析[ J ] ．西华大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ，3 0 6 5 2 - 5 5 ． [ 6 ] 陈强，赖茂河，张建辉，等．基于流固耦合的浮选机搅拌 轴强度分析[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 7 增刊1 1 3 2 ．1 3 5 ． 万方数据