0、引言 生物质固化成型技术是将农作物秸秆、稻壳、锯末、木屑等生物质废弃物，在一定温度、湿度和压力下，将原来松散、无定形的粉碎原料压缩成具有一定形状、密度大、能量度高的固体成型燃料。目前，降低成型机能耗，提高成型机产量，延长成型机寿命已成为当今生物质固化成型的热点和重点。 目前，成型机寿命的零部件分析方面国内外研究重点大多集中在成型机的核心工作部件压辊和平模上，而主轴作为成型机传动系统的核心工作部件，对成型机的寿命起着重要的影响。本文针对新研制的KLCX550平模成型机的主轴的轴肩部位出现的小裂纹现象，对平模成型机主轴应力进行有限元分析，研究主轴的应力分布，然后用实验测试主轴的应力。 1、KLCX550生物质平膜成型机 本文以山东百川同创能源有限公司自主研制的KLCX550平模成型机作为测试实验设备，实验设备如图1所示。该平模成型机属于冷压成型机，外接电机提供动力，基本的动力传递过程如下：电机通过减速器把动力传给主轴，主轴用上下两个轴承支撑；主轴将动力传递到压辊，压辊和平模相互碾切挤压生物质原料，完成动力传递过程。其主要传递结构如图1所示。 1.1主轴连接部件 平模成型机的传动系统由主轴、花键、压辊、轴承和减速器组成。主轴通过上端的花键与压辊连接，中间部位有两个轴承支撑；下端通过减速器与电机连接。该系统既有减速功能，又有动力和扭矩分配功能。在整个成型过程中，主轴为主要动力传输设备，是影响传动系统工作寿命的关键部件。在传统设计方法中，其结构强度和刚度通常采用加大安全系数的方法来保证，只能得到一定条件的局部应力和位移；但在实际工作过程中，主轴某些部位会有小裂纹产生。出现小裂纹的原因很复杂，一般包括以下几种情况：原材料选材不合理；制造及安装工艺不合理；使用维护不当；结构设计不合理。通常前3项较易处理，但结构设计不合理往往会造成结构所受应力应变过大，且伴有应力集中现象。采用传统设计方法不能保证在整个生命周期中主轴不出现裂纹。因此，本文采用有限元分析软件ANSYS对成型机主轴进行有限元分析，研究主轴工作过程中其整体应力和应变场分布规律，同创新能源生产销售环模式木屑颗粒机、秸秆压块机等生物质燃料成型机械设备，同时我们还有大量的杨木木屑生物质颗粒燃料销售。 1.2主轴的受力分析 根据成型机的工作条件和主轴的装配关系，主轴受力情况如图2所示。 2成型机主轴有限元分析 2.1模型的建立 2.1.1材料特性的设定 采用ANSYS对主轴进行有限元分析。主轴材料根据经济型和使用性选用S45C，弹性模量200CPa，泊松比为0.3，屈服极限355MPa，选取强度安全系数n=1.5，经计算许用屈服应力为 2.1.2有限元模型 ANSYS Meahinr模块-p提供了用于创建及管理节点和单元的命令。本文采用了Solid95体单元，利用自由网格划分生成主轴的有限元模型如图3所示。 2.2边界条件的创建 2.2+1载荷施加 根据综合分析，主轴工作系统所受外载荷主要包括两方面：一方面为压辊与主轴花键连接部位的扭矩作用；另一方面由于主轴所受止推轴承的作用，主轴模型端面处还受到一轴向拉力作用。 2.2.2位移约束 主轴系统采用Solid95单元，节点有3个自由度，即沿x，y，z轴的移动自由度。在实际工作中，轴分别由上下两个轴承固定支撑，使整个轴只能绕Z轴连续旋转和沿轴向移动；止推轴承具有止推作用，限制主轴的轴向移动。因此，根据实际约束的情况，约束轴与轴承接触的圆周面上的2个自由度，并且约束右端面的1个自由度， 2.3优化前后计算结果分析 利用FRONT DIRECT渡前求解器，对该有限元模型进行计算求解。 图4为主轴拉应力图，图4(a)是主轴出现小裂纹的拉应力。由图4(a)可见．主轴拉应力最大值为237.43MPa，超过了轴的许用屈服应力235+ 7MPa：拉应力最大位置在下轴肩和键槽周围，由于压辊在工作时通过键施加给主轴反作用轴向力，反力传递到轴肩和键槽周围，而轴肩和键槽具有轴向约束作用，因此在该部位附近形成较大的应力集中，属于危险截面。图4(h)把主轴的下轴肩加大，同时增大过渡圆角，进行ANSYS模拟的主轴部位拉应力分析。从图4(h)应力的分布来看，应力部分较均匀；最大应力的数值有所减小，最大值208. 89MPa，低于轴的许用屈服应力235.7 MPa。 图5为主轴剪应力图，图5(a)为主轴出现小裂纹的拉应力图。由图5可见，主轴剪应力的最大值为58. 2MPa．接近轴的许用剪切应力60MPa。切应力最大位置在键槽上，其原因是键传递电机与主轴的扭矩，主轴在键槽部位沿轴向应力较大，靠近键槽侧的轴承断面结合部位出现应力集中，属于危险截面。图5(b)把主轴下轴肩部位加大，同时增大过渡圆角，进行ANSYS模拟的主轴拉应力分析。从图5上应力的分布来看，应力部分较均匀；最大应力的数值有所减小，最大值51.7MPa。 3、实验测试验证 在利崩ANSYS有限元对成型机主轴工作状态时应力的模拟基础上，采用东华DH5923动态测试仪对主轴作应力状态进行测试： 3.1测试设备及成型原料 本测试应用DH5923测试仪、集流环、光点开关和激流环，对主轴应力进行测试，主轴是采用优化后主轴，成型原料是樟木松锯末，含水率20.2%。 3.2测试方法 图6是测试过程连接图。由图6可见，光电开关联接到DH5923动态测试仪转速通道1，动态测试转速。应变片1和应变片2接到集流环上，通过集流环接到电桥盒1和电桥盒2，电桥盒l和电桥盒2接到DH5923动态测试分析仪的通道2和通道3，测试应力。DH5923测量界面图形如图7所示。 实验过程过程：启动成型机，打开测试仪，测量主轴的主应力和切应力。KLCX550成型机连续工作4—5h，记录数据，共测得40—50组数据，数据绘制成曲线，如图8和图9所示。 3.3测试结果与分析 主轴拉应力的测试数据绘制成曲线，主轴拉应力如图8所示。 图8是原料为20. 2%樟木松锯末，测试得到优化后主轴的拉应力图。由图8中可见，主轴的最大拉应力在208MPa附近波动，未超出材料的许用应力，主轴的轴肩部位没有新的裂纹产生。由此可见，主轴的应力是主轴出现裂纹的关键因素。 主轴切应力的测试数据绘制成曲线，如图9所示。 图9是原料为20.2%樟木松锯末，测试得到优化后主轴的剪应力图。由图9可见：主轴切应力加剧了轴肩和键槽附近裂纹的产生。主轴的最大切应力在50. 5MPa附近波动，未超出材料的许用切应力。由此可见，主轴的结构优化减小最大切应力的数值，同时切应力的分布较均匀。 4、结论 1)对小裂纹主轴进行ANSYS有限元分析，得到了主轴拉应力分布图和主轴切应力分布图，主轴上的轴肩部位拉应力是出现裂纹的关键因素。 2)对出现小裂纹的主轴进行结构优化，加大轴肩高度，增大过度圆角。对结构优化后的主轴进行有限元分析，并与原来的主轴进行对比，由应力分布云图得出：结构优化后的主轴主应力和切应力分布比较均匀，应力的最大值都有所减小。 3)对结构优化的主轴进行实验，实验结果和模拟结果吻合较好，表明优化的主轴的拉应力和切应力数值都有所减小，没有超出许用应力的范围，而且没有新的裂纹产生。 4)针对主轴的轴肩部位易出现小裂纹的情况，可通过改变主轴结构，加高和加厚轴肩，在轴肩与轴的连接处使用圆角过渡；或对主轴进行表面热处理等优化方法提高轴肩的强度；对于键槽周围的裂纹，可以用花键来代替单键，提高承受载荷能力。