0、引言
    生物質(zhì)固化成型技術(shù)是將農(nóng)作物秸稈、稻殼、鋸末、木屑等生物質(zhì)廢棄物，在一定溫度、濕度和壓力下，將原來松散、無定形的粉碎原料壓縮成具有一定形狀、密度大、能量度高的固體成型燃料。目前，降低成型機(jī)能耗，提高成型機(jī)產(chǎn)量，延長成型機(jī)壽命已成為當(dāng)今生物質(zhì)固化成型的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
    目前，成型機(jī)壽命的零部件分析方面國內(nèi)外研究重點(diǎn)大多集中在成型機(jī)的核心工作部件壓輥和平模上，而主軸作為成型機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的核心工作部件，對成型機(jī)的壽命起著重要的影響。本文針對新研制的KLCX550平模成型機(jī)的主軸的軸肩部位出現(xiàn)的小裂紋現(xiàn)象，對平模成型機(jī)主軸應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，研究主軸的應(yīng)力分布，然后用實(shí)驗(yàn)測試主軸的應(yīng)力。
1、KLCX550生物質(zhì)平膜成型機(jī)
    本文以山東百川同創(chuàng)能源有限公司自主研制的KLCX550平模成型機(jī)作為測試實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。該平模成型機(jī)屬于冷壓成型機(jī)，外接電機(jī)提供動(dòng)力，基本的動(dòng)力傳遞過程如下：電機(jī)通過減速器把動(dòng)力傳給主軸，主軸用上下兩個(gè)軸承支撐；主軸將動(dòng)力傳遞到壓輥，壓輥和平模相互碾切擠壓生物質(zhì)原料，完成動(dòng)力傳遞過程。其主要傳遞結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.1主軸連接部件
    平模成型機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)由主軸、花鍵、壓輥、軸承和減速器組成。主軸通過上端的花鍵與壓輥連接，中間部位有兩個(gè)軸承支撐；下端通過減速器與電機(jī)連接。該系統(tǒng)既有減速功能，又有動(dòng)力和扭矩分配功能。在整個(gè)成型過程中，主軸為主要?jiǎng)恿�傳輸設(shè)備，是影響傳動(dòng)系統(tǒng)工作壽命的關(guān)鍵部件。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度通常采用加大安全系數(shù)的方法來保證，只能得到一定條件的局部應(yīng)力和位移；但在實(shí)際工作過程中，主軸某些部位會(huì)有小裂紋產(chǎn)生。出現(xiàn)小裂紋的原因很復(fù)雜，一般包括以下幾種情況：原材料選材不合理；制造及安裝工藝不合理；使用維護(hù)不當(dāng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。通常前3項(xiàng)較易處理，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理往往會(huì)造成結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力應(yīng)變過大，且伴有應(yīng)力集中現(xiàn)象。采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不能保證在整個(gè)生命周期中主軸不出現(xiàn)裂紋。因此，本文采用有限元分析軟件ANSYS對成型機(jī)主軸進(jìn)行有限元分析，研究主軸工作過程中其整體應(yīng)力和應(yīng)變場分布規(guī)律，富通新能源生產(chǎn)銷售環(huán)模式木屑顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑生物質(zhì)顆粒燃料銷售。
1.2主軸的受力分析
    根據(jù)成型機(jī)的工作條件和主軸的裝配關(guān)系，主軸受力情況如圖2所示。
2成型機(jī)主軸有限元分析
2.1模型的建立
2.1.1材料特性的設(shè)定
    采用ANSYS對主軸進(jìn)行有限元分析。主軸材料根據(jù)經(jīng)濟(jì)型和使用性選用S45C，彈性模量200CPa，泊松比為0.3，屈服極限355MPa，選取強(qiáng)度安全系數(shù)n=1.5，經(jīng)計(jì)算許用屈服應(yīng)力為
2.1.2有限元模型
    ANSYS Meahinr模塊-p提供了用于創(chuàng)建及管理節(jié)點(diǎn)和單元的命令。本文采用了Solid95體單元，利用自由網(wǎng)格劃分生成主軸的有限元模型如圖3所示。
2.2邊界條件的創(chuàng)建
2.2+1載荷施加
    根據(jù)綜合分析，主軸工作系統(tǒng)所受外載荷主要包括兩方面：一方面為壓輥與主軸花鍵連接部位的扭矩作用；另一方面由于主軸所受止推軸承的作用，主軸模型端面處還受到一軸向拉力作用。
2.2.2位移約束
    主軸系統(tǒng)采用Solid95單元，節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，即沿x，y，z軸的移動(dòng)自由度。在實(shí)際工作中，軸分別由上下兩個(gè)軸承固定支撐，使整個(gè)軸只能繞Z軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)和沿軸向移動(dòng)；止推軸承具有止推作用，限制主軸的軸向移動(dòng)。因此，根據(jù)實(shí)際約束的情況，約束軸與軸承接觸的圓周面上的2個(gè)自由度，并且約束右端面的1個(gè)自由度，
2.3優(yōu)化前后計(jì)算結(jié)果分析
    利用FRONT DIRECT渡前求解器，對該有限元模型進(jìn)行計(jì)算求解。
    圖4為主軸拉應(yīng)力圖，圖4(a)是主軸出現(xiàn)小裂紋的拉應(yīng)力。由圖4(a)可見．主軸拉應(yīng)力最大值為237.43MPa，超過了軸的許用屈服應(yīng)力235+ 7MPa：拉應(yīng)力最大位置在下軸肩和鍵槽周圍，由于壓輥在工作時(shí)通過鍵施加給主軸反作用軸向力，反力傳遞到軸肩和鍵槽周圍，而軸肩和鍵槽具有軸向約束作用，因此在該部位附近形成較大的應(yīng)力集中，屬于危險(xiǎn)截面。圖4(h)把主軸的下軸肩加大，同時(shí)增大過渡圓角，進(jìn)行ANSYS模擬的主軸部位拉應(yīng)力分析。從圖4(h)應(yīng)力的分布來看，應(yīng)力部分較均勻；最大應(yīng)力的數(shù)值有所減小，最大值208. 89MPa，低于軸的許用屈服應(yīng)力235.7 MPa。
    圖5為主軸剪應(yīng)力圖，圖5(a)為主軸出現(xiàn)小裂紋的拉應(yīng)力圖。由圖5可見，主軸剪應(yīng)力的最大值為58. 2MPa．接近軸的許用剪切應(yīng)力60MPa。切應(yīng)力最大位置在鍵槽上，其原因是鍵傳遞電機(jī)與主軸的扭矩，主軸在鍵槽部位沿軸向應(yīng)力較大，靠近鍵槽側(cè)的軸承斷面結(jié)合部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，屬于危險(xiǎn)截面。圖5(b)把主軸下軸肩部位加大，同時(shí)增大過渡圓角，進(jìn)行ANSYS模擬的主軸拉應(yīng)力分析。從圖5上應(yīng)力的分布來看，應(yīng)力部分較均勻；最大應(yīng)力的數(shù)值有所減小，最大值51.7MPa。
3、實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證
    在利崩ANSYS有限元對成型機(jī)主軸工作狀態(tài)時(shí)應(yīng)力的模擬基礎(chǔ)上，采用東華DH5923動(dòng)態(tài)測試儀對主軸作應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行測試：
3.1測試設(shè)備及成型原料
    本測試應(yīng)用DH5923測試儀、集流環(huán)、光點(diǎn)開關(guān)和激流環(huán)，對主軸應(yīng)力進(jìn)行測試，主軸是采用優(yōu)化后主軸，成型原料是樟木松鋸末，含水率20.2%。
3.2測試方法
    圖6是測試過程連接圖。由圖6可見，光電開關(guān)聯(lián)接到DH5923動(dòng)態(tài)測試儀轉(zhuǎn)速通道1，動(dòng)態(tài)測試轉(zhuǎn)速。應(yīng)變片1和應(yīng)變片2接到集流環(huán)上，通過集流環(huán)接到電橋盒1和電橋盒2，電橋盒l(wèi)和電橋盒2接到DH5923動(dòng)態(tài)測試分析儀的通道2和通道3，測試應(yīng)力。DH5923測量界面圖形如圖7所示。
    實(shí)驗(yàn)過程過程：啟動(dòng)成型機(jī)，打開測試儀，測量主軸的主應(yīng)力和切應(yīng)力。KLCX550成型機(jī)連續(xù)工作4—5h，記錄數(shù)據(jù)，共測得40—50組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖8和圖9所示。
3.3測試結(jié)果與分析
    主軸拉應(yīng)力的測試數(shù)據(jù)繪制成曲線，主軸拉應(yīng)力如圖8所示。
    圖8是原料為20. 2%樟木松鋸末，測試得到優(yōu)化后主軸的拉應(yīng)力圖。由圖8中可見，主軸的最大拉應(yīng)力在208MPa附近波動(dòng)，未超出材料的許用應(yīng)力，主軸的軸肩部位沒有新的裂紋產(chǎn)生。由此可見，主軸的應(yīng)力是主軸出現(xiàn)裂紋的關(guān)鍵因素。
    主軸切應(yīng)力的測試數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖9所示。
    圖9是原料為20.2%樟木松鋸末，測試得到優(yōu)化后主軸的剪應(yīng)力圖。由圖9可見：主軸切應(yīng)力加劇了軸肩和鍵槽附近裂紋的產(chǎn)生。主軸的最大切應(yīng)力在50. 5MPa附近波動(dòng)，未超出材料的許用切應(yīng)力。由此可見，主軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化減小最大切應(yīng)力的數(shù)值，同時(shí)切應(yīng)力的分布較均勻。
4、結(jié)論
    1)對小裂紋主軸進(jìn)行ANSYS有限元分析，得到了主軸拉應(yīng)力分布圖和主軸切應(yīng)力分布圖，主軸上的軸肩部位拉應(yīng)力是出現(xiàn)裂紋的關(guān)鍵因素。
    2)對出現(xiàn)小裂紋的主軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加大軸肩高度，增大過度圓角。對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的主軸進(jìn)行有限元分析，并與原來的主軸進(jìn)行對比，由應(yīng)力分布云圖得出：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的主軸主應(yīng)力和切應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力的最大值都有所減小。
    3)對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主軸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果吻合較好，表明優(yōu)化的主軸的拉應(yīng)力和切應(yīng)力數(shù)值都有所減小，沒有超出許用應(yīng)力的范圍，而且沒有新的裂紋產(chǎn)生。
    4)針對主軸的軸肩部位易出現(xiàn)小裂紋的情況，可通過改變主軸結(jié)構(gòu)，加高和加厚軸肩，在軸肩與軸的連接處使用圓角過渡；或?qū)χ鬏S進(jìn)行表面熱處理等優(yōu)化方法提高軸肩的強(qiáng)度；對于鍵槽周圍的裂紋，可以用花鍵來代替單鍵，提高承受載荷能力。