XZ－1400上悬式离心机主轴的应力分析与结构优化

韩玉坤 段 非 姜永涛

（1.安阳工学院，河南 安阳 455000；2.中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安 710032）

XZ－1400上悬式离心机主轴的应力分析与结构优化

韩玉坤1段 非1姜永涛2

（1.安阳工学院，河南 安阳 455000；2.中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安 710032）

为了解决上悬式离心机主轴经常因断裂导致的机器故障问题，运用有限元分析法对主轴进行静力学分析。结果表明，该轴因集中应力过高造成疲劳损坏。根据分析结果对结构进行改进与校核。改进后的结构满足强度和刚度要求，提高了主轴的力学性能；同时分析所得数据可为设备的升级和进一步改进提供参考。

离心机；有限元法；应力分析；轴

上悬式离心机是高速旋转机械，转鼓就是一个高速旋转的转子，动力通过主轴传递给转鼓。工作中主轴转速和载荷循环变化，进料时可能由于物料分布不均匀或转鼓变形而出现偏心力，使主轴发生弯曲。主轴为挠性轴，支承跨距较长，在应力和变形上都有很高的要求［1，2］。合理设计离心机的转鼓不仅是保证离心机正常运行的前提，也是直接影响离心机性能和经济指标的重要因素。传统的设计方法很难准确计算主轴的应力，而有限元法能很好地解决这一问题。

本文涉及的XZ－1400上悬式离心机适用于40%～60%固－液相悬浮结晶物的分离，特别适用于糖厂对甲膏、乙膏的分离［3］。针对其在生产中出现的一些问题，运用有限元法对主轴进行应力分析，找出结构的薄弱环节，并以此为基础进行结构改进。

1 主轴的有限元模型

1.1 上悬式离心机工况分析

XZ－1400上悬式离心机的装配简图见图1。其结构特点是［4］：转篮固定在较长的挠性轴下端，轴的上端与联轴器相连，两个轴承做径向支承，总体悬挂在铰接支承中。这种支承方式使支承点远高于转子的质量中心，从而保证了运行时的稳定性，并使转子能自动调心。此外，这种支承与传动方式不至于使滤液或滤渣受到污染。

图1 离心机装配简图Figure 1 Assembly diagram of the centrifuge

1.2 有限元模型

1.2.1 几何模型的建立 在三维软件中建立主轴的三维实体模型，然后导入到ANSYS中。

1.2.2 定义主轴的性能参数 主轴的材料为40CrNi，弹性模量E＝206GPa，泊松比μ＝0.25～0.30，查《机械设计手册》［5］：

表1中数据是参照《机械设计手册》［5］并根据毛坯直径Φ25mm试验所得，当前轴径较大，因热处理工艺的影响应对表中数值适当降低。

表1 40CrNi的机械性能Table 1 Mechanical property of the 40CrNi／MPa

1.2.3 划分网格 采用SOLID92单元类型并对微小结构进行简化。其有限元模型见图2。

图2 离心机主轴的有限元模型Figure 2 The shaft FEM of the centrifuge

1.2.4 约束和加载 上悬式离心机主轴是上端固定在球轴承里面，下端悬挂转栏，电机安装于上部通过联轴器传递扭矩。其约束情况见图1，建模和分析时对部分约束进行简化。

（1）工况一：主轴平稳运转未出现偏心力。将联轴器连接端设为固定，约束3个方向的自由度，约束角接触球轴承内圈与轴接触面的径向和轴向位移；约束圆柱滚子轴承内圈与轴接触面处的径向的位移。转鼓端输入扭矩，并添加转鼓和物料因重力产生的轴向拉力，同时轴为上悬轴，应添加重力。其具体的约束情况见图3和图4。

（2）工况二：主轴受偏心力，出现偏心情况。在工况一的约束和载荷基础上，在轴的下端添加偏心力Fe，见图4。

1.2.5 具体载荷的计算 离心机完成一次分离需要经历6个工况，分析中选择受力最恶劣的一个工况和出现布料不匀有较大偏心力的一个特殊情况。

图3 主轴约束和载荷施加面Figure 3 The surface to apply constraints and loads

图4 主轴约束和载荷施加示意图Figure 4 The indicators of constraints and loads applied to the shaft

（1）正常运转（工况一）：正常运转时主轴转速高但承受扭矩不大，主轴在离心机启动或加速的时候所承受的扭矩最大。分析机器运转的各个工况，发现在布料完成，加速到分离转速时主轴所受扭矩最大。

此时轴的转速：n＝260r／min；

传递扭矩T：T＝7 272N·m；

轴向拉力F：F＝23 128N。

（2）物料分布不均出现偏心（工况二）：在工作过程中，有时由于布料不均匀而出现偏心情况，偏心引起的交变载荷作用于转鼓质心处。按照设计要求，主轴因偏心力造成的变形应控制在20mm以内［4］，超出该值设备就会报警停车。因此由于物料分布不均匀产生的偏心力Fe为：

Fe＝mω2e＝1 100×27.232×0.02＝16 038N

式中：

m—— 偏心质量，1 100kg；

w—— 角速度，27.23rad／s；

e—— 偏心距，0.02m。

2 计算结果及分析

2.1 强度评定条件

对转鼓进行应力分析的目的是对其安全性进行评定。碳钢等塑性材料通常以屈服形式失效，在ANSYS中的指标是SINT。

2.2 应力分析

2.2.1 结构未改进情况下正常运转时的主轴的应力 正常工作时，离心机加料完成开始加速，主轴平稳运转无偏心，分析载荷按工况一载荷添加。将三维CAD模型导入ANSYS，添加载荷和约束进行分析所得主轴的应力图见图5。

由图5可知，应力最大值出现在下端圆柱辊子轴颈的过度圆角处，值为423MPa，超过主轴的许用应力。分析结果可以看出，除该处以外主轴所承受的应力都相对较小，这也印证现有产品主轴的使用寿命偏低，常检测出裂纹并发生断裂。另外从轴的破坏形式来看，主要为疲劳破坏（弯曲及扭转疲劳破坏），疲劳破坏裂纹的发源地大多发生在应力集中的过渡圆角区，而该处为轴承轴肩定位位置，倒角为R2。

图5 工况一下主轴的应力图Figure 5 Stress diagram of the shaft in 1st working condition

经分析得出，当前结构是由于应力集中造成轴疲劳损坏，不应加大轴径来提高轴的使用寿命，应改变结构。轴承内径为Φ120mm，轴肩处为Φ150mm，在轴肩与轴承之间加一定距环，将倒角由R2加大到R6。对新结构重新建模并进行分析。

2.2.2 结构改进后的应力分析

（1）工况一：正常运转。

将主轴轴肩倒角由R2加大到R6重新建模，添加工况一的载荷和约束进行分析，所得结果见图6和图7。

由图6可知，主轴最大应力仍在轴肩倒角处为87MPa，相比原结构应力大幅降低，满足强度要求。由图7可知，主轴下端的最大位移不到0.2mm，说明主轴的刚度很好，满足设计要求。

图6 工况一下的应力图Figure 6 Stress diagram of the shaft in 1st working condition

（2）工况二：受偏心力。

工况二是由于布料不均匀出现偏心情况。主轴在工况一的载荷和约束的基础上，在轴的下端添加偏心力，分析所得结果见图8和图9。

图7 工况一下的各向位移合图Figure 7 Displacement diagram of the shaft in 1st working condition

图8 受偏心力作用下的应力图Figure 8 Stress diagram of the shaft loaded with eccentric force

图9 受偏心力作用下的各向位移合图Figure 9 Displacement diagram of the shaft loaded with eccentric force

由图8可知，主轴应力最大值出现在轴与圆柱辊子轴承内圈接触处，值为221MPa，小于轴的许用应力，满足强度要求。在偏心力作用下，主轴的应力大幅升高，轴长30%的区域里应力都接近或超过100MPa，故应严格监测转鼓的偏移量，对设备进行保护。由图9可知，在受到偏心力作用下，主轴下端的最大位移不到6mm，这样的变形相对较小；设计要求是轴因偏心力作用产生的位移应在20mm以内，因此偏移量满足刚度要求。

3 结论

按照常规的计算方法需要对轴的结构做大量的简化，这样得到的应力和位移的数值与实际情况差异较大，而且很难计算出结构因截面突变产生的集中应力。采用有限元方法对主轴模型进行适当简化并分析能够得到与实际比较贴切的结果。

1 Xuan Hai－jun，Song Jian.Failure analysis and optimization design of a centrifuge rotor［J］.Engineering Failure Analysis，2007（14）：101～109.

2 Richard J.Wakeman，separation technologies for sludge dewatering［J］.Journal of Hazardous Materials，2007，144：614～619.

3 Harald Anlauf.Recent developments in centrifuge technology［J］.Separation and Purification Technology，2007，58：242～246.

4 全国分离机械标准化技术委员会.JB／T 8051——96离心机转鼓强度计算规范［S］.北京：机械科学研究院，1996.

5 闻邦椿.机械设计手册4［M］.北京：机械工业出版社，2010：2～42.

Stress analysis and optimization for shaft of hang type centrifuge

HAN Yu－kun1DUAN Fei1JIANG Yong－tao2

（1.Anyang Institute of Technology，Anyang，Henan45500，China；2.China National Heavy Machinery Research Institute Co，.Ltd，Xi an，Shaanxi710032，China）

To address the fracture and low life issues for shaft of hang type centrifuge，the finite element analysis conducted on the shaft static analysis.The problem which is excessive fatigue caused by stress concentration of shaft was found，and the structure was improved and verified.The new structure meets the requirements.Also the analyzed data can provide reference for further improvement.

centrifuge；finite－element method；stress concentration；shaft

10.3969／j.issn.1003－5788.2011.04.027

韩玉坤（1967－），男，安阳工学院机械学院讲师，硕士。E－mail：yk.han＠163.com

2011－04－01