锤式破碎机销轴的有限元分析及改进措施

 锤式破碎机是废钢破碎生产线上的关键设备，销轴的断裂严重影响破碎机的破碎效率，进而降低企业经济效率。由于破碎机销轴工作的复杂性，其他设备上的销轴规律并不适应于破碎机销轴。因此，很有必要对破碎机销轴进行研究，找到破碎机销轴大应力分布规律，延长销轴使用寿命。

一、理论分析

销轴作为衬板和锤头的连接件，不仅要传递来自主轴的动力，还要承受来自破碎物料的冲击力。衬板和销轴之间的作用力的方向和大小都是不确定的，根据销轴在破碎过程中的变形，各个衬板和销轴表面接触，相互作用。如果销轴变形小，可能不和衬板接触。因此，退役汽车车身破碎过程中衬板对销轴的作用力也是在不断的变化着。

通过对破碎机断裂销轴进行实际考察，发现很多销轴都是疲劳断裂的。国内外对不同金属的疲劳损伤研究已经很丰富，对有限元方法和实验方法对齿轮之间的疲劳损伤的研究也很多，但是很少对破碎机销轴进行疲劳分析。文中对破碎机销轴进行疲劳分析，为进一步研究提高销轴疲劳寿命的方法具有重要借鉴意义。

二、有限元分析

1、有限元模型的建立

在锤式破碎机中，衬板、护板以及锤头往往是高锰钢材料，销轴的材料为40Cr。而转子系统以及锤头的抗拉强度远大于销轴的，运动过程中其微小变形对销轴的影响可忽略，可将其视为刚体。销轴运动过程要考虑到销轴的断裂，销轴采用双向性随动强化模型。

根据破碎机的实际运行速度594r/min，在模拟销轴运动过程中，转子系统、销轴和锤头都有594r/min绕主轴的初始角速度，在运动过程中转子系统的速度不变，即受到594r/min的角速度载荷。运动过程中考虑销轴和锤头质量的影响。由于销轴运动过程中，破碎物料对锤头的冲击力受到的影响因素很多，破碎物料的材料属性、破碎物料在破碎腔中的密度以及破碎物料的尺寸等，很难确定破碎物料对破碎锤头的冲击力。因此，该仿真过程中不考虑锤头受冲击载荷的作用力，只考虑销轴的空载情况。

2、大应力分布规律

从获得的数据中可知，大的应力是在中间锤头安装附近的位置。虽然中间锤头安装位置处受力比两端的要小，但是这里的冲击力大，更容易达到销轴的断裂极限，容易损伤断裂。因此，销轴上各锤头安装的位置以及Path1都是易断的位置。Path1上的应力总是高于其他路径，是因为销轴工作过程中，锤头不仅仅绕着主轴做匀速运动，而且还绕着销轴做匀速运动。在主轴逆时针运动过程中，Path1相对于其他路径总是处于销轴运动轨迹的前端。锤头附近受力大，是由于运动过程中锤头受到很大的离心力，传递给销轴后，造成销轴表面很大的应力。

3、疲劳寿命分析

基于疲劳累积理论，提取销轴在0.22s和0.27s时两个应力状态进行分析。为了防止销轴断裂破坏破碎机或是影响破碎效率，破碎机销轴平均工作70～100h更换一次，而破碎机的速度为594r/min，可计算出破碎机销轴整个工作过程中至少要旋转3.56×106圈。因此，销轴的疲劳安全系数为0.20，符合销轴的疲劳设计强度。

利用有限元方法对锤式破碎机销轴运动过程进行了有限元分析，发现了破碎机空载时大应力分布规律以及延长销轴使用寿命的方法，并且通过对断裂销轴进行了宏观断口分析，发现其为疲劳断裂，断裂前不仅承受着弯曲载荷，还承受着扭转载荷，工作时工况十分恶劣。如果定期以90°大小旋转销轴或者按一定顺序更换销轴的位置，能有效延长销轴的寿命。