雷蒙磨粉機是一種以碾壓粉碎為主的大型粉碎設備，磨粉機在生產線中的重要性不言(yan)而喻，其(qi)運轉(zhuan)以(yi)電動機為動能源，在行(xing)業廣受好評，被(bei)廣泛(fan)應(ying)用(yong)于(yu)礦山、冶煉(lian)、建筑和公(gong)路等行(xing)業。但(dan)是由于(yu)其(qi)工況(kuang)環境復雜，適用(yong)范圍僅限于(yu)莫氏(shi)硬度6以(yi)下的(de)物(wu)料，其(qi)優點是可一次(ci)性將幾(ji)十(shi)毫米(mi)的(de)礦石破碎至47μm以(yi)下，整機生產(chan)效(xiao)率高(gao)。

低(di)速(su)(su)(su)軸(zhou)是磨(mo)粉(fen)機減速(su)(su)(su)箱中傳(chuan)遞動能的重要(yao)部件，其大(da)端面(mian)與(yu)磨(mo)粉(fen)機的磨(mo)盤通(tong)過螺(luo)栓連接(jie)，圓柱面(mian)上的鍵槽(cao)與(yu)斜齒(chi)輪通(tong)過鍵配合安(an)裝，鍵槽(cao)的側(ce)面(mian)承受很大(da)的力，大(da)端面(mian)上的銷孔(kong)承受大(da)的轉矩，所以低(di)速(su)(su)(su)軸(zhou)對(dui)磨(mo)粉(fen)機的使(shi)用(yong)性能、工藝性能有至關重要(yao)的影(ying)響。通(tong)過對(dui)低(di)速(su)(su)(su)軸(zhou)進(jin)行(xing)(xing)疲勞分(fen)析，可以得(de)到應(ying)力、位移(yi)、壽命(ming)和損壞圖(tu)解(jie)，據此對(dui)低(di)速(su)(su)(su)軸(zhou)進(jin)行(xing)(xing)優(you)化設計，可以節省材(cai)料(liao)，降低(di)生產成本。

1、低速軸的三維建模

在使用(yong)FEA對產品(pin)進行研發和(he)設(she)計改進時(shi)，由于(yu)時(shi)間和(he)可用(yong)產品(pin)數據(ju)的(de)(de)限(xian)制，需要對所分析的(de)(de)模型進行簡化處理。為了(le)便于(yu)網格劃分，忽略低(di)速軸(zhou)上的(de)(de)圓角特征，使用(yong)數值近似的(de)(de)方(fang)法(fa)將模型離散(san)化，最(zui)終(zhong)生成用(yong)于(yu)有限(xian)元分析的(de)(de)配置。

2、低速軸的疲勞分析

機械零件(jian)(jian)的(de)損(sun)壞50%~90%為疲勞(lao)(lao)破壞。疲勞(lao)(lao)破壞是材(cai)料在循環(huan)應(ying)力或者循環(huan)應(ying)變作用(yong)下(xia)，由于(yu)某(mou)點(dian)或者某(mou)些點(dian)逐漸產生局部循環(huan)性結構變化，從而在一定的(de)循環(huan)次數以(yi)后形(xing)成裂紋或發生斷裂。現階段，疲勞(lao)(lao)分(fen)(fen)析的(de)方法主要有名(ming)義應(ying)力分(fen)(fen)析法、局部應(ying)力分(fen)(fen)析法和損(sun)傷容(rong)限分(fen)(fen)析法。對單個(ge)零件(jian)(jian)的(de)疲勞(lao)(lao)分(fen)(fen)析是基于(yu)名(ming)義應(ying)力分(fen)(fen)析法。對低(di)速(su)軸進行疲勞(lao)(lao)分(fen)(fen)析前必須先對其進行靜態分(fen)(fen)析。

（1）低速軸(zhou)的靜(jing)態分析

定義材料(liao)屬性：低(di)速軸的材料(liao)為45鋼，彈性模量(liang)206GPa，泊松比0.27，屈服(fu)強(qiang)度(du)355MPa。

添(tian)加約束(shu)(shu)并(bing)施加外部載荷(he)(he)：低速軸上(shang)端(duan)面的(de)(de)8個(ge)螺紋孔(kong)(kong)與磨粉機的(de)(de)磨盤通過(guo)螺栓連接，故需要對螺紋孔(kong)(kong)添(tian)加固定幾何體夾(jia)具，將其約束(shu)(shu)完全(quan)固定。低速軸與調心滾子(zi)(zi)軸承、圓(yuan)錐滾子(zi)(zi)軸承配合安裝，故在低速軸相應(ying)的(de)(de)圓(yuan)柱(zhu)面上(shang)添(tian)加2個(ge)軸承夾(jia)具。根據已計算(suan)的(de)(de)力(li)和轉矩對低速軸施加外部載荷(he)(he)，每個(ge)鍵槽側面受到的(de)(de)力(li)為(wei)F，低速軸大端(duan)面上(shang)的(de)(de)4個(ge)銷(xiao)孔(kong)(kong)受到的(de)(de)轉矩為(wei)T。

劃分網(wang)(wang)格：為達到較好的分析效果(guo)，網(wang)(wang)格參數選擇標準網(wang)(wang)格，整體大小(xiao)為20mm，公差為1mm，雅克比點(dian)為4點(dian)，解碼器選擇FFEPLus算法。

算例求(qiu)解(jie)：對低速軸模型進行靜態(tai)分析，求(qiu)解(jie)后的(de)應(ying)力、位(wei)移(yi)圖解(jie)分。低速軸的(de)較(jiao)(jiao)大(da)等(deng)效應(ying)力59.1MPa，出現在鍵槽的(de)側面上(shang)，它小于材料的(de)屈服(fu)強度（355.0MPa），具(ju)有較(jiao)(jiao)高的(de)安(an)全(quan)系(xi)數（ns=6.0）。后面得(de)出，較(jiao)(jiao)大(da)等(deng)效位(wei)移(yi)為0.019mm，變形很小，完全(quan)滿足設(she)(she)計要求(qiu)，可(ke)通過進一步(bu)優化(hua)設(she)(she)計來減少材料的(de)利用(yong)。

（2）低速軸的(de)疲(pi)勞分析

疲勞分(fen)析算例(li)屬(shu)性中恒定振幅事件交互作用選(xuan)擇(ze)隨意交互作用，計(ji)算交替應(ying)力(li)的(de)手段選(xuan)擇(ze)應(ying)力(li)強度，根(gen)據45鋼在應(ying)力(li)比(bi)r=-1的(de)試驗條件下，壽(shou)命和疲勞極限的(de)對應(ying)關系，設置45鋼的(de)S-N曲(qu)線，添加恒定事件載荷(he)周(zhou)期為10000，負載類型選(xuan)擇(ze)基于零(ling)，運行算例(li)求解。最小壽(shou)命周(zhou)期為107，即在給(gei)定載荷(he)下發生疲勞失效的(de)較(jiao)大(da)載荷(he)循環次數為107，出(chu)現在軸的(de)鍵槽處；較(jiao)大(da)損(sun)壞(huai)百(bai)分(fen)比(bi)為10.01%（損(sun)壞(huai)百(bai)分(fen)比(bi)也稱為利用率，代表結構消耗(hao)模型壽(shou)命的(de)比(bi)率），意味(wei)著10.01%的(de)結構壽(shou)命被(bei)消耗(hao)壽(shou)命

出現在軸(zhou)的(de)(de)鍵槽(cao)處；當損壞(huai)百分(fen)比(bi)達到(dao)100%時才會發生疲勞失效。綜合應力和疲勞而言，該設計(ji)參數使低(di)速軸(zhou)過(guo)于(yu)安全(quan)，因此可以通過(guo)優化分(fen)析得到(dao)新的(de)(de)產品(pin)設計(ji)參數。

3、低速軸優化設計

在保(bao)證低(di)速(su)(su)軸(zhou)足夠強度(du)和(he)可靠性的前提下，對其(qi)進行優(you)化(hua)，通(tong)(tong)過(guo)(guo)降(jiang)低(di)零件的厚度(du)，來降(jiang)低(di)生產成本(ben)。由于低(di)速(su)(su)軸(zhou)的圓(yuan)柱面(mian)要和(he)軸(zhou)承(cheng)相配(pei)合，因此低(di)速(su)(su)軸(zhou)的直(zhi)徑為一定(ding)(ding)值；低(di)速(su)(su)軸(zhou)的大端(duan)面(mian)和(he)磨盤(pan)通(tong)(tong)過(guo)(guo)螺(luo)栓(shuan)相連(lian)接，因此螺(luo)紋(wen)孔和(he)銷孔的位置(zhi)不能改變。優(you)化(hua)目標函數是(shi)低(di)速(su)(su)軸(zhou)的最小(xiao)質量，優(you)化(hua)設計的變量設定(ding)(ding)為低(di)速(su)(su)軸(zhou)的通(tong)(tong)孔直(zhi)徑D，約束(shu)條(tiao)件為160≤D≤240mm；步長為20mm；應(ying)力范圍為0≤o≤300MPa；安全(quan)系(xi)數ns＞3。

當通孔內徑為240mm時(shi)，較大(da)等效應力為58.3MPa，由于45鋼的屈(qu)服強(qiang)度(du)(du)為355MPa，安全系數ns=6.08，可(ke)以滿足低(di)速(su)軸的強(qiang)度(du)(du)要求。低(di)速(su)軸優化(hua)后(hou)，質(zhi)量(liang)從755.5kg減少到(dao)600.1kg，減輕了20.5%，優化(hua)效果較好，取得了較好的經濟效益。

對磨粉機低速軸進(jin)(jin)行靜態和疲勞分(fen)析(xi)(xi)，其分(fen)析(xi)(xi)結果滿(man)足應力強度(du)和疲勞壽命(ming)。據(ju)此(ci)，對低速軸進(jin)(jin)行優(you)化設計(ji)，得(de)到較優(you)結構(gou)(gou)，實(shi)現輕(qing)量化設計(ji)的目標(biao)，減少了設計(ji)及制造成本(ben)。此(ci)分(fen)析(xi)(xi)在實(shi)際生產中得(de)到了驗證，為(wei)以后類似的結構(gou)(gou)優(you)化設計(ji)提供(gong)了理論基礎和實(shi)踐依據(ju)。