球磨机轴承设计及动态特性分析毕业设计论文0.doc

毕 业 设 计设计题目：球磨机轴承设计及动态特性分析机电工程系 系 别：_ 班 级：_姓 名：_指 导 教 师：_年 月 日球磨机轴承设计及动态特性分析摘 要球磨机是冶金、建材、煤炭和化工等工业部门最重要的设备之一，本文在三维设计的基础上对轴承进行了相关分析，主要内容如下：1） 在了解球磨机原理的基础上进行了三维设计，用理论计算的方法对球磨机相关部件做了受力分析。2） 在未考虑接触的情况下，建立了该球磨机轴承的有限元模型,得出滚子轴承在正常工作下的应力和变形分析结果及分布规律。3） 依据赫兹接触强度计算理论，在考虑接触的情况下，研究了圆柱滚子轴承的接触应力。得出当内圈与滚动体运动到与轴承所受径向载荷方向重合时，内圈与滚动体之间的接触应力最大，并对轴承相关部件做了有限元分析及讨论。4） 利用大型有限元分析软件ANSYS对轴承进行了模态分析, 其结果对轴承设计质量的提高有一定的指导意义。关键词：球磨机；轴承；有限元；应力；变形The design and dynamic analysis for the bearing of ball millAbstractBall mill is one of the most importance equipments of industry sections, such as metallurgy, building materials, coal and chemical engineering.This text carried on to the bearings on the foundation of three-dimensional design related analysis, main contents as follows：1） On the foundation of understanding Ball mill,s principle , carried on a three-dimensional design to it，then use the method of theories calculation to make analysis for the related parts of the Ball mill .2） Under the circumstance that don't consideration contact，the finite element model of the bearing of ball mill was established.Then the result of stress and displacement of the rotator under the conditions of working and their distributing law was got.3） Beased on the theory of Hertz stress,under the circumstance that consideration contact，the contact stress of roller bearing is analysed in this paper.The result prove that contact stress between roller and inner circle is maximum when they are in the line with radial load，and bearing related components to do a finite element analysis and discussion.4） Make use of a large finite element software ANSYS to the bearing carry on modal analysis，the results will have a certain significance on improving the quality of bearing,s design.Key words: Ball mill; bearing; finite element; Stress; displaced shape目 录1引言12概述22.1球磨机磨矿22.2球磨机主轴承改革的趋势22.2.1球磨机滑动轴承的优点与缺点22.2.2球磨机主轴承采用滚动轴承的优点32.2.3滚动轴承代替滑动轴承的设计要求42.2.4结语42.3球磨机应力研究的发展现状52.4相关理论概要52.4.1接触力学 contact mechanics62.4.2屈服准则72.5 Pro/E技术的发展82.5.1 Pro/E软件应用82.5.2 Pro/E行业优势和发展92.6本课题研究的意义103球磨机工作原理和主要参数计算113.1球磨机工作原理简介113.2研磨体两种运动状态的假设123.3静态下球磨机主轴承的受力分析123.3.1电动机的选取123.3.2筒体大齿轮受力分析123.3.3研磨体处于静态时筒体两侧主轴承的受力分析133.4动态下球磨机主轴承的受力分析153.4.1筒体所受离心力的确定153.4.2筒体所受冲击力的确定173.4.3研磨体处于动态时筒体两侧主轴承的受力分析203.5本章小结204主轴承有限元分析214.1有限单元法概述214.1.1有限单元法原理214.1.2有限元分析软件简介224.1.3 ANSYS在模态分析中的应用244.2轴承内外圈承载区最大压力的计算264.3轴承内圈有限元分析284.3.1内圈有限元模型的建立284.3.2内圈应力应变分析304.4轴承外圈有限元分析354.4.1外圈有限元模型的建立354.4.2外圈应力应变分析374.5滚动轴承的强度研究404.5.1载荷分析404.5.2内外圈及滚动体的应力分布414.5.3 三元件应力分析414.6轴承的三维接触有限元分析434.6.1轴承的三维实体建模444.6.2单元选择及网格划分444.6.3轴承接触问题的描述454.6.4边界条件及加载464.6.5有限元分析结果464.6.6本节结论494.7轴承模态分析494.8轴承的优化505结论52致谢53参考文献54外文资料55毕 业 设 计1 引言磨机是冶金、建材、煤炭和化工等工业部门最重要的设备之一。主轴承是这些设备中的一个关键部件,它的选型及性能好坏,直接关系到磨机的作业率、能耗及生产能力。磨机主轴承处于重载、低速恶劣环境下工作,因而对其可靠性、寿命、维护及能耗都有很高的要求。轴承有两种类型:一种为滑动轴承,一种为滚动轴承。前者通常分为普通滑动轴承、动压油膜轴承和静压油膜轴承等几种。目前中小磨机一般采用普通滑动轴承,只有在大型磨机中才采用油膜轴承。滚动轴承式球磨机由于具有显著的节能效果,近年来发展很快,在新设计的圆锥球磨机中均采用滚动轴承,一些老式磨机的技术改造主要是用滚动轴承代替滑动轴承。滚动轴承正常的失效形式是滚动体或内外滚道上的点蚀破坏，这是在安装、润滑、维护很好的条件下，由于大量重复地承受变化的应力而产生的。一旦遭受到点蚀破坏后，通常在运转时会出现比较强烈的振动、噪声和发热现象。因此对滚动轴承的内外圈等轴承部件进行应力和应变的分析意义显得十分重大。但解析法建立力学模型必须简化处理，解析解误差太大，而数值解就可以克服这些缺点。目前，工程技术领域内的数值模拟法，主要是有限单元法。本文采用ANSYS有限元分析软件，建立滚动轴承的有限元模型、加载求解，进行应力场分析，计算出轴承的最大应力、应变，利用ANSYS的有限元分析和计算机图形学功能，显示三维应力等值面，位移等值面等，并作相关分析讨论。球磨机是选矿工业中非常重要的设备，其主轴承部又是球磨机主体大型关键部件，主轴承的失效与否直接决定了球磨机整体的正常运行。主轴承在转动运行过程中承受较大的载荷，因此计算分析主轴承危险部位的应力等相关数据，进而预测轴承的失效与否，以保证其正常的运转，具有非常重要的实际意义。2概述2.1球磨机磨矿从矿山开采出来的原矿通常是由有用矿物和脉石组成，有用矿物即含有有用成分的矿物，而脉石就是原矿中没有使用价值的或不能利用的部分。原矿多为品位较低的矿石，例如贫铁矿石通常只含铁20% - 30% ,铜矿石只有0.5% - 2.0% ,而现代冶炼技术对矿石的品位有一定的要求，例如铁矿石的品位应高于45% - 50%,铜矿石中的铜品位应高于8%等，并且有用矿物在矿石中通常是嵌布状态，嵌布粒度的大小通常为几毫米至0.05毫米，所以为了提高矿石品位、节省矿石运输费用，在矿石冶炼之前必须进行选矿。磨矿是在磨矿机中进行的。圆筒形磨矿机如图2.1所示，圆筒内装有各种直径的破碎介质(钢球、钢棒和砾石等)。当圆筒绕水平轴线按规定的转数旋转时，装在筒内的破碎介质和矿石在离心力和摩擦力的作用下，随着筒壁上升到一定高度，然后脱离筒壁自由落下或滚下。矿石的磨碎主要是靠破碎介质落下时的冲击力和运动时的磨剥作用。矿石是从圆筒一端的空心轴颈不断地给入，而磨碎以后的产品经圆筒另一端的空心轴颈不断地排出，筒内矿石的移动是利用不断给入矿石的压力来实现。湿磨时，矿石被水流带走，干磨时，矿石被向筒外抽出的气流带走。1一筒体 2一端盖 3一轴承 4一齿轮图2.1磨机结构示意简图按照破碎介质的不同，磨矿机可以分为球磨机、棒磨机、砾磨机和自磨机。球磨机的介质是钢球或铸铁球，棒磨机的介质是钢棒，砾磨机使用的是磨圆了的硅质卵石，自磨机则是用被磨碎物料本身作为介质。在选矿工业中广泛使用的是球磨机和棒磨机。2.2球磨机主轴承改革的趋势2.2.1 球磨机滑动轴承的优点与缺点(一)优点作为粉磨设备的球磨机,目前一般采用滑动轴承作为主轴承,轴承衬采用巴氏合金材料。因其具有良好的摩擦相容性、顺应性和嵌入性,非常适合像球磨机这样的重载、低速,并伴有冲击现象的机械设备的要求,因此在生产中已被广泛采用。(二)缺点1.能耗高。由于滑动摩擦力远远大于滚动摩擦力,摩擦力引起产生大量热量,消耗大量能耗。据计算,滑动轴承支承的球磨机,轴颈与轴瓦的接触面积最少达75%。传统的球面瓦滑动轴承的摩擦功耗理论上约占总装机容量的1/3。2.维修困难。滑动轴承虽然结构简单,但巴氏合金的浇铸工艺复杂,须经过巴氏合金材料的配比、熔炼、轴承底座的清洗、预热、挂锡和巴氏合金浇铸以及研刮,每道工序均有严格的技术要求,稍有不慎,即有可能引起报废。3.滑动轴承的保养复杂。由于主轴承工作时,滑动摩擦以及热物料通过空心轴的结果不断产生热量,如不及时排除,将使轴瓦温度升高,破坏润滑作用,甚至发生“烧瓦”现象。因此主轴承还必须安装一套冷却装置。球磨机的滑动轴承的润滑,分为动压润滑和静压润滑。油勺和强制润滑系统都属于动压润滑。这种润滑油膜的形成是借助于中空轴回转时所起的“油泵”作用将润滑油带入轴承间隙造成一定压力的油膜。但由于球磨机转速低、产生“油泵”作用不大,故形成油膜很薄,达不到液体摩擦润滑,而是半液体摩擦润滑。这样不但容易擦伤轴衬,缩短轴衬使用寿命,而且增加了磨机的传动功率消耗,起动也比较困难。静压润滑的油膜的形成是依靠外部的压力油,使轴颈悬浮于油膜之上。虽然静压润滑承载能力大,摩擦系数低,但必须有一套复杂且安全可靠的供油系统,保养与维护工作量大,而且价格昂贵。可见,滑动轴承的维修与保养所需要的技术要求高。这对于技术力量相对薄弱的企业,确实是件困难的事情,设备的正常运行常常因此而受到严重影响。2.2.2 球磨机主轴承采用滚动轴承的优点(一)节能显著由于滚动轴承自身运动的特点,使其摩擦力远远小于滑动轴承,可减少消耗在摩擦阻力的功耗,因此节能效果显著。从理论分析及生产实践中,主轴承采用滚动轴承的一般小型球磨机节电达30%35%,中型磨机节电达15%20%,大型球磨机节电可达10%20%。由于球磨机本身是生产中的耗能大户,这将意味着可节约一笔极其可观的费用。(二)维修方便,质量可靠【1】采用滚动轴承可以省去巴氏合金材料的熔炼、浇铸及刮瓦等一系列复杂且技术要求甚高的维修工艺过程以及供油、供水冷却系统,因此维修量大大减少。而且滚动轴承由于是由专业生产厂家制造,质量往往得到保证。滚动轴承维修省时省力的特点,特别适合于技术力量相对薄弱的企业。2.2.3 滚动轴承代替滑动轴承的设计要求(一)轴承类型的选择轴承类型应选用双列向心球面滚子轴承。因为球磨机荷载大,两端支承跨度大,球磨机筒体弯曲变形在运行过程中将产生不同轴线挠度。而向心球面滚子轴承具有自动调心性能,可补偿筒体在动、静负荷下变形产生的轴线挠度,又具有较强的承载能力,并能减少外径尺寸。(二)配合的选择【2】由于球磨机滚动轴承内圈旋转,承受方向固定的径向载荷,所以内圈是循环负荷,中空轴与轴承内圈应采用过盈配合。过盈量取决于负荷的大小，较重的负荷取较大的过盈量。过盈量必须保证在接触面间产生的压力满足轴承受筒体轴向力及中空轴颈与轴承内圈的摩擦力矩,保证两者在转动过程中不产生相对滑动。但过盈量也要保证轴承的正常运行,如果过盈量过大,就会造成轴承变形严重,甚至报废。而滚动轴承外圈不旋转,承受方向固定的径向荷载,所以外圈是局部负荷。轴承外圈与轴承座的配合应选用间隙配合,轴承外圈可沿轴向滑动,也可绕轴线转动。为了补偿筒体轴向伸缩变形,把筒体的一端支承设计为自由支承。为了保证齿轮的正确啮合,不让卸料端中空轴有轴向串动,而使伸缩的预留间隙设在进料端。当筒体受热伸长后,自由端的轴承外圈可沿轴承座滑动,减少筒体及端盖的轴向内力,以适应筒体受热伸长后轴向的串动。(三)承载力的保证由于球磨机中空轴的尺寸是按球磨机生产能力设计的,因此选用与中空轴尺寸相应的滚子轴承的承载力偏大,即承载能力是能够得到保证的。(四)滚动轴承的润滑由于是滚动轴承,且转速较慢,直径较大,只要定期加入润滑脂即可。维修保养方便,操作容易。(五)滚动轴承的密封对滚动轴承的密封装置要求较高,这是因为球磨机工作环境恶劣的原因所致。密封盖和轴承盖之间应采用轴向迷宫式密封,径向需有毛毡密封,防止外界粉尘进入,引起轴承滚道磨损加剧,使轴承温度升高,降低润滑油粘度,润滑油效果下降。同时,潮气渗入,也会使轴承锈蚀,降低轴承使用寿命。2.2.4结语传动球磨机主轴承由滚动轴承替代滑动轴承后,不仅可节约能耗,降低生产成本,而且维修量大大减少,维修费用随之降低。维修操作简单方便,适合于众多的球磨机使用企业,使设备正常运行率得到较好保障,带来显著的经济效益。因此滚动轴承替代滑动轴承将成为球磨机主轴承改革的必然趋势。2.3球磨机应力研究的发展现状尽管球磨机应用很广泛，但是对球磨机主轴承关键件的分析研究一直停留在传统粗略的方法上，随着计算机技术和计算方法的发展，其研究也日益丰富成熟。当球磨机正常运转时，磨球被提升到一定高度后抛落，以一定的速度对物料产生冲击而粉碎物料，同时也对主轴承及磨球和衬板自身产生冲击，这可能造成轴承的失效及磨球和衬板的破碎开裂，因此，磨球冲击应力有两方面的重要性，一方面是从破碎角度而言，磨球冲击应力的大小决定了粉碎效率；另一方面则从降低主轴承的破坏率及磨球和衬板在使用中的破碎率而言。磨球冲击应力的大小是主轴承选型及磨球和衬板选材的一个重要依据。然而，工程上对球磨机磨球冲击应力的大小始终缺乏准确的认识，这是由于从实际运转球磨机中测量磨球的冲击应力十分困难，因为测量时简直无法进行准确记录。美国climax molybdenum公司的D.J.Dunn和R.G.Martin设计了一套繁复的实验来测量磨球冲击应力，他们用加速度计记录最大加速度，再计算出冲击应力。但是，当冲击速度较大时，由于冲击作用时间短于加速度计的应答时间，加速度计记录不下来。清华大学的许根华，刘英杰等人提出了一种简单易行的应力测定方法，不需要特别的仪器设备，不受冲击速度的限制，可以确定不同直径磨球在不同直径球磨机中不同磨料情况下的冲击应力。这种测定应力的方法对本文有十分重要的借鉴意义。有限单元法是20世纪中叶在电子计算机诞生之后，在计算数学、计算力学和计算工程科学领域里诞生的最有效的计算方法。其基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解。目前，有限元数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到了广泛的应用。ANSYS具有丰富的前后处理功能，特别是在后处理中计算结果可视化，可直接观察变形，位移的彩色云图，各种相关应力的彩色云图，多种工况的计算可一步完成，而且模型一旦建立以后，可很方便地修改其局部结构，使结构逐步达到最优。所以这种方法已经越来越为广大工程技术人员所接受。2.4相关理论概要2.4.1接触力学 contact mechanics研究两物体因受压相触后产生的局部应力和应变分布规律的学科。1881 年 H.R.赫兹最早研究了玻璃透镜在使它们相互接触的力作用下发生的弹性变形。他假设：接触区发生小变形。接触面呈椭圆形。相接触的物体可被看作是弹性半空间，接触面上只作用有分布的垂直压力。凡满足以上假设的接触称为赫兹接触。当接触面附近的物体表面轮廓近似为二次抛物面，且接触面尺寸远比物体尺寸和表面的相对曲率半径小时，由赫兹理论可得到与实际相符的结果。在赫兹接触问题中，由于接触区附近的变形受周围介质的强烈约束，因而各点处于三向应力状态，且接触应力的分布呈高度局部性，随离接触面距离的增加而迅速衰减。此外，接触应力与外加压力呈非线性关系，并与材料的弹性模量和泊松比有关。实际工程中的很多接触问题并不满足赫兹理论的条件 。例如，接触面间存在摩擦时的滑动接触，两物体间存在局部打滑的滚动接触，因表面轮廓接近而导致较大接触面尺寸的协调接触，各向异性或非均质材料间的接触，弹塑性或粘弹性材料间的接触，物体间的弹性或非弹性撞击，受摩擦加热或在非均匀温度场中的两物体的接触等。对以上问题的研究已取得不少成果。赫兹理论相关简介【3】图2.2图2.2所示的两个物体的接触，在两个主平面1，2上具有不同的曲率半径。在载荷Q的作用下接触，当载荷Q为0时，接触为一点，当载荷逐渐增大，接触区域变化成一椭圆。曲率和为：其中是接触物体的主曲率，分别为半径r的倒数，对于轴承沟道的凹曲面的曲率取负值。假定物体I和II的弹性模量、泊松比分别为E1，E2；1，2。由赫兹理论得最大应力为：2.4.2屈服准则 1）屈服准则的概念A.受力物体内质点处于单向应力状态时，只要单向应力大到材料的屈服点时，则该质点开始由弹性状态进入塑性状态，即处于屈服。 B.受力物体内质点处于多向应力状态时，必须同时考虑所有的应力分量。在一定的变形条件（变形温度、变形速度等）下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为受力物体中不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的力学条件，这种力学条件一般可表示为 f（ij） C又称为屈服函数，式中是与材料性质有关而与应力状态无关的常数，可通过试验求得。 屈服准则是求解塑性成形问题必要的补充方程。2）米塞斯（ Von.Mises ）屈服准则 A.米塞斯屈服准则的数学表达式 在一定的变形条件下，当受力物体内一点的应力偏张力的第二不变量达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。即屈服准则，也称塑性条件。它的描述是用主应力表示为 （1-2）2+（2-3）2+（3-1）2=2S2=6K2【4】式中 s材料的屈服点， 材料的剪切屈服强度与等效应力比较，可得 所以，米塞斯屈服准则也可以表述为：在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。B.米塞斯屈服准则的物理意义 在一定的变形条件下，当材料的单位体积形状改变的弹性位能（又称弹性形变能）达到某一常数时，材料就屈服。 3）屈服准则的几何描述 空间主应力中的屈服平面 屈服表面 以应力主轴为坐标轴可以构成一个主应力空间，屈服准则的数学表达式在主应力空间中的几何图形是一个封闭的空间曲面。图2.3主应力空间米塞斯屈服表面 由于矢量OP=OM+MP所以矢量的模 ,其中 而OM就是1、2、3在ON线上的投影之和，即由此可求得 根据米塞斯屈服准则，当=s时材料就屈服，故P点屈服时有 MP=S因此，若以M为圆心，S为半径，在垂直于ON线的平面上作圆，则该面上各点的应力偏张量均相等，即均为S，所以圆上各点都进入塑性状态。由于静水应力（包括 OM）不影响屈服，所以，以ON为轴线，以S为半径作一圆柱面，则此圆柱面上的点都满足米塞斯屈服准则。这个圆柱面就是用主应力表示的米塞斯屈服准则在主应力空间中的几何表达。2.5 Pro/E技术的发展2.5.1 Pro/E软件应用随着现代工业的不断发展，计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术逐渐成为提高工程绘图、产品设计、模具设计和加工水平的主导力量。任何单位和个人要想在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须熟练掌握和应用计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术。 Pro/Engineer（Pro/E）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation简称PTC）的软件。Pro/E软件以其先进的参数化设计、基于特征的实体造型深受广大用户的喜爱，该软件的应用领域主要是针对产品的三维实体模型建立、结构分析、以及模具设计等，用户界面简洁、概念清晰、逻辑性强，比较符合工程技术人员的设计思想与习惯，是目前国内企业和技术人员使用最广泛的CAD软件之一。Pro /ENGINEER是一个全方位的三维产品设计和开发软件，它集零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、钣金设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、电路布线、装配管路设计等功能模块和专有模块于一体，可以实现面向制造的设计(Design For Manufacturing，DFM)、面向装配的设计(Design For Assembly，DFA)、逆向设计(Inverse Design，ID)、并行工程(Concurrent Engineering，CE)等先进的设计方法和模式。2.5.2Pro/E行业优势和发展Pro/ENGINEER 野火版具有多项新特征和附加功能，使用起来更加直观。它增加了自由形式曲面处理等新技术，强化了建模和使用范围。作为Pro /ENGINEER的行业优势和发展方向，Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。它的参数化设计优势包括以下特性：* 三维实体模型三维实体模型除了可以将用户的设计理念以最真实的模型在计算机上表现以外，还可以随时计算出产品的体积、面积、质心、质量和惯性矩等，以便了解产品的真实情况，可以减少对以上参数的人为计算时间。* 单一数据库 Pro/ENGINEER是建立在单一数据库上的，即工程的资料全部来自一个库，使多个独立用户可以同时处理同一个产品的造型。并可随时由三维实体模型产生二维工程图，而且自动标注工程图的尺寸。在三维实体模型或二维图形上作尺寸修正时，其相关的二维图形或三维实体模型均自动修改，同时装配、制造等相关设计也会自动修改，这样可确保数据的正确性，避免了耗时的反复修改。* 以特征作为设计的单元 Pro/ENGINEER以最自然的思考方式从事设计工作，如凸起(Protrusion)、切削(Cut)、钻孔(Hole)、开槽(Slot)、圆角(Round)、斜角(Chamfer)、圆轴(Shaft)、轴颈(Neck)、凸缘(Flange)、薄壳(Shell)、加强肋(Rib)及管件(Pipe)等均视为基本特征。也正因为以特征作为设计的单元，因此可随时对特征做出合理、不违反几何关系的修改操作，如重新定义(Redefine)、重新排序(Reorder)、重新参考(Reroute)、插入模式(Insert Mode)、替换模式(Change Mode)和删除(Delete)等。* 参数式设计 配合单一数据库，所有的设计过程中使用的尺寸(参数)都存储在数据库中，设计者只要更改三维零件(Part)的尺寸，则二维工程图(Drawing)、三维装配图(Assembly)、模具(Mold)等立即依照尺寸的更改做几何形状的变化，这样可以保证设计修改工作的一致性。正因为用参数式的设计，用户可以运用强大的数学运算方式，创建各尺寸参数间的关系式，自动计算出模型应有的外形，减少了逐一修改尺寸的时间，并可避免错误的发生。* 直接建模：让用户在最小限度的界面交互和较少使用鼠标的情况下，交互地建立和修改特征。* 灵活的草绘和骨架：柔性特征可以很容易地对复杂的几何体进行有效更改。* 过程变形：能够对变形进行详尽的更改，而不需要修改原设计。* 自由形式曲面处理：使用方便的工具栏和鼠标，自由设计美学曲面和曲线。* 行为建模：行为建模(BMX)已经成为设计过程自动化的流行工具。* 小组数据管理：具有安全多点协作功能，便于本地数据管理。* 系统互连设计：用于制作电路图，以及过程和测量示意图。模型检测等原有的模块。PTC公司同时提供了新的装配功能、数据管理功能、仿真功能，并扩展了Pro/ENGINEER的* 全相关二维制图：新的智能化约束捕捉功能加快了制图实体的创建。* 制造：高速加工的改进功能。* 仿真：Pro/MECHANICA是一个分析工具，可单独使用。* 模型检查：ModelCHECK 使CAD检查过程自动化。* 造船：具有船体整体布局和细分的船体概念设计功能，具有建立详尽的船舶结构化框架的钢结构生成功能。另外，Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。2.6本课题研究的意义球磨机作为一种应用非常广泛而且十分重要的生产机械，日益向大型化、自动化及复杂化发展;这样的关键设备一旦发生故障，往往会给生产带来巨大的影响，常常由于对故障的出现值估计不足，致使企业蒙受较大的经济损失，在球磨机的使用中，主轴承常常发生破坏失效进而导致整台球磨机生产的突然中断，从而造成重大经济损失，严重的还有可能导致人员伤亡。解决球磨机使用安全性问题，将直接提高生产效率，促进相关行业的发展。从经济效益和应用前景上来看，可以提高设备的利用率，大大降低生产成本。故本文的选题“球磨机轴承设计及动态特性分析”对磨矿生产具有非常积极的理论和现实意义。要解决球磨机工作过程中的实际问题，势必对球磨机的工作状况有一个全面清楚的认识，这样作出的分析才是科学有效的。基于该分析本文在三维设计的基础上对球磨机主轴承的受力情况进行了详细的理论分析计算，并在此基础上用有限单元法结合相关理论进行了分析及讨论。3球磨机工作原理和主要参数计算本课题利用Pro/E三维制图软件对球磨机做了总体三维设计，对球磨机结构中的零件做了结构特征建模，通过球磨机主轴承部等各大型关键件的实体建模可以让人们清楚的了解各零件的基本构造，并且可以清楚的看到它的几何尺寸，为各零件的设计和制造提供便捷途径，省去了对二维图烦琐的阅读。磨机的总体造型使球磨机的整体构造一目了然，表达了用许多二维图才能表达清楚的球磨机构造。同时在给定轴承相关参数的基础上所做的轴承相关件的三维设计也为进一步做有限元分析提供了实体模型，为问题的进一步深入讨论打下了基础。在分析球磨机轴承过程中，必须对球磨机的工作过程进行近似的模拟，为了能更合理地对球磨机实际的工作条件进行模拟，必须先研究球磨机工作时破碎介质在筒体内的运动规律并计算出筒体的受力情况，进而确定出球磨机主轴承的承载情况。3.1球磨机工作原理简介图3.1球磨机组装图球磨机工作时由电动机驱动，通过减速器把力和转矩传递给齿轮轴，再通过齿轮轴与筒体上大齿轮的啮合把动力传递给筒体使其转动，这样在离心力和摩擦力的作用下，筒体内物料和研磨体（钢球）与筒体一起运动。任何一层的运动轨迹为以筒体中心为中心，以R为半径(球所在回转层的半径)的圆周。但球与筒体一起转动而被提升到一定高度以后，因球的离心力小于球的向心力，此时，球就以初速度V(筒体的圆周速度)离开筒壁作抛物线运动，下落后重又回到圆的轨迹上。在运转过程中，钢球在球磨机内按圆与抛物线的轨迹周而复始地运动着。矿石的磨碎主要是靠破碎介质落下时的冲击力和运动时的磨剥作用。3.2研磨体两种运动状态的假设目前球磨机筒体两侧主轴承的受力计算中，对筒体内研磨体有两种假设方法：一种按静态，即筒体内研磨体及物料等重量按静止的均布的作用在筒体的有效长度上；另一种按动态【5】，即球磨机在回转运动中，部分研磨体贴着筒体一起回转上升，另一部分研磨体则成抛出状态，由离心力和自重使研磨体抛落对筒体产生较大的冲击力，但此冲击力假设如同瀑布冲击岩石，是连续的传递给筒体。实际上每一个研磨体冲击筒体时是不连续的，冲击时间一般在2.5×10-3S以下，而研磨体相继冲击间隔时间一般为0.20.3秒。对于湿式球磨机，由于筒体内有矿浆，球载抛落时的冲击载荷被矿浆和球载所吸收，传到筒体上的力已很小，因此可以不考虑。所以，湿式球磨机的筒体上只作用有筒体的自重，作圆周运动的破碎介质和物料的重量及离心力。干式球磨机则要考虑到冲击载荷的影响。3.3静态下球磨机主轴承的受力分析3.3.1电动机的选取根据已知条件得：01=0.993；12=·=0.97×0.98=0.95；23=·=0.993×0.98=0.97；34=·=0.97×0.98=0.95；其中各符号意义如下：联轴器传动效率； 齿轮传动效率； 轴承传动效率;ij第i轴与第j轴间的传动效率；（其具体数值可由机械设计手册查得）根据齿轮间传动比与齿轮齿数间的关系得：I12=Z2Z1=5; I34=Z4Z3=18621=8.86其中Iij:第i轴与第j轴间的齿轮传动比； Zi:第i轴上齿轮齿数由筒体工作转速及各级传动比间的关系可估算电机转速N:N=nI1234=16.5×8.86×5=730.95（rmin）其中n筒体工作转速根据机械设计手册查得电动机规格型号中739 rmin的电机最合适，其型号为YR56058，电机额定功率为630KW, 其额定电压10000V。3.3.2筒体大齿轮受力分析现对大齿轮受力情况分析如下：由电机正常工作的功率Pd及各级轴间的传递效率得：大齿轮上所承受的转矩：T=Pd·01·12·23·34N=9550×630×0.9332×0.972×0.98216.5=318397(n·m)大齿轮所受切向力：Ft=T(d÷2)=2×318397×10004690.125=135777N大齿轮所受径向力：Fr=Fttanncos7.50=Fttan200cos7.50=135777×0.3640.991=49872 N大齿轮所受轴向力：Fa= Ft·tan=135777×tan7.50=17875 N式中各符号意义如下：n法向压力角； 节圆螺旋角，对标准齿轮即分度圆螺旋角3.3.3研磨体处于静态时筒体两侧主轴承的受力分析1)筒体及其两侧承压轴承简化模型的建立在符合理论计算要求的前提下，为了便于计算现把筒体及其两侧轴承间尺寸关系规定如下3.2球磨机局部结构图左右两轴承中心间距L=7370mm,筒体长度（考虑端盖）L=5550mm,L1： 左侧轴承中心到大齿轮中心距离，L2：大齿轮中心到右侧轴承中心距离，其中L1=7370-(7370-5550)2=7370-910=6460mm=6.46mL2=7370-6460=910mm=0.91m左侧轴承为轴承1，右侧轴承为轴承2.2)轴承配置方法的选取由于轴的跨距较大（7370mm 350mm）且工作温度较高，其热伸长量大，故应采用一支点双向固定，另一支点游动的支承结构。轴承采用双列调心滚子轴承。作为固定支承的轴承，应能承受双向轴向载荷，故轴承内外圈在轴向都要固定。作为补偿轴的热膨胀的游动轴承，由于使用的是内外圈不可分离型轴承，故只需固定内圈，其外圈在座孔内可以轴向游动，即采用一支点双向固定，另一支点游动的配置方法。3)轴承的受力分析G1:筒体和物料、钢球所受的总重力G1=N=1016171.8NG2：大齿轮重力G2=33009.8N=32340NM:筒体轴所受弯矩M=FaD2=178754.692=41917N·MT:筒体轴所受扭矩T=FtD2=1357774.692=318397N·M其中D：筒体上大齿轮节圆直径。在水平面内:由于轴承2为固定端，轴承1为游动端，故轴承2承受轴向力，得Fa1=0 N; Fa2= Fa=17875 N由水平面内力平衡方程和弯矩平衡方程得：F1H+ F2H= Fr (1)Fr·L2+M=F1H（L1+L2） (2)代入数据得F1H + F2H=49872l498720.91+41917=7.37 F1H解得 F1H=11854 N F2H=38027 N在竖直面内：由竖直面内力平衡方程和弯矩平衡方程得：F1V+ F2V= G1+G2+Ft (3)G1L3+( G2+ Ft)L2 = F1V（L1+L2） (4)L3=（L1+L2）/2 (5)代入数据得F1V+ F2V