冷却机液压挡轮装置中关键部件的有限元分析

　　1　冷却机液压挡轮装置简介

　　以某公司改进后的冷却机液压挡轮装置中滑座与导向轴的接触分析为主要目标^[1-2],分别在上行与下行2种工况下进行有限元数值仿真.冷却机是烧结法生产氧化铝的重要设备,主要由筒体、衬砖、托轮、轮带、齿圈式传动装置以及液压挡轮装置等组成.冷却机的筒体与水平面有2%～5%的斜度,为了限制并控制筒体部分的轴向运动,在冷却机上要设置挡轮装置.冷却机挡轮装置包括液压系统和挡轮机械组件.挡轮机械组件受力复杂,且承受冲击载荷,其结构刚度直接影响冷却机液压挡轮装置的使用效果.

　　液压挡轮装置结构如图1所示,滑座5上安装有上挡轮2和下挡轮4,而滑座5装配在导向轴6上,导向轴6由前、后支承座1和12支承,液压缸安装在前支承座1上,液压缸通过推杆与滑座5铰接,推杆7的右端球面与凹面球座10及盖板8相配合组成球面摩擦副,以减小液压缸施予滑座的径向力.冷却机液压挡轮装置工作时,固定于前支承座上的液压缸通过推杆7推动滑座5,再由滑座5的下挡轮2和上挡轮4夹持轮带3作上、下行运动.

　　2　接触分析的数值模型基础

　　在接触数值模型中,接触物体的场变量除了满足基本方程、边界条件和初始条件以外,还要满足接触界面上的接触条件,即法向接触条件和切向接触条件^[3-4].将t时刻相互接触的2个物体A、B分开一定距离,设作用于主接触点的接触力为FA和FB,在接触点的局部坐标系中可以表示为

　　式中:F^r_n和F^r_t分别为F^r的法向分量和切向分量;上标r分别为物体A,B.

　　法向接触条件是判定物体是否进入接触以及已进入接触所遵循的条件.在运动学方面,接触面之间必须服从不可贯入性;在动力学方面,法向接触力必须为压力,即

　　式中:F^A_n,F^B_n分别为A,B 2物体接触力的法向分量.切向接触条件是判断已进入接触间2个物体的接触面的具体接触状态,以及它们各自应服从的条件.对于无摩擦模型,假定接触面之间的切向摩擦力为零,即

　　式中:F^A_t,F^B_t分别为A,B 2物体接触力的切向分量.对于有摩擦模型,则要考虑应采用哪种摩擦模型.在工程分析中,库仑摩擦模型因其简单和适用性而被广泛采用.库仑摩擦模型认为切向接触力,即摩擦力FAt的数值不能超过它的极限值μF^A_n,即:

　　式中:μ为摩擦系数;F^A_t和F^A_n分别为切向和法向接触力.当F^A_t<μF^A_n时,接触面间无切向相对滑动;当F^A_t=μF^A_n时,接触面将发生切向相对滑动.