雷蒙磨粉机是一种以碾压粉碎为主的大型粉碎设备，磨粉机在生产线中的重要性不言而喻，其运转以电动机为动能源，在行业广受好评，被广泛应用于矿山、冶炼、建筑和公路等行业。但是由于其工况环境复杂，适用范围仅限于莫氏硬度6以下的物料，其优点是可一次性将几十毫米的矿石破碎至47μm以下，整机生产效率高。

低速轴是磨粉机减速箱中传递动能的重要部件，其大端面与磨粉机的磨盘通过螺栓连接，圆柱面上的键槽与斜齿轮通过键配合安装，键槽的侧面承受很大的力，大端面上的销孔承受大的转矩，所以低速轴对磨粉机的使用性能、工艺性能有至关重要的影响。通过对低速轴进行疲劳分析，可以得到应力、位移、寿命和损坏图解，据此对低速轴进行优化设计，可以节省材料，降低生产成本。

1、低速轴的三维建模

在使用FEA对产品进行研发和设计改进时，由于时间和可用产品数据的限制，需要对所分析的模型进行简化处理。为了便于网格划分，忽略低速轴上的圆角特征，使用数值近似的方法将模型离散化，最终生成用于有限元分析的配置。

2、低速轴的疲劳分析

机械零件的损坏50%~90%为疲劳破坏。疲劳破坏是材料在循环应力或者循环应变作用下，由于某点或者某些点逐渐产生局部循环性结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂。现阶段，疲劳分析的方法主要有名义应力分析法、局部应力分析法和损伤容限分析法。对单个零件的疲劳分析是基于名义应力分析法。对低速轴进行疲劳分析前必须先对其进行静态分析。

（1）低速轴的静态分析

定义材料属性：低速轴的材料为45钢，弹性模量206GPa，泊松比0.27，屈服强度355MPa。

添加约束并施加外部载荷：低速轴上端面的8个螺纹孔与磨粉机的磨盘通过螺栓连接，故需要对螺纹孔添加固定几何体夹具，将其约束完全固定。低速轴与调心滚子轴承、圆锥滚子轴承配合安装，故在低速轴相应的圆柱面上添加2个轴承夹具。根据已计算的力和转矩对低速轴施加外部载荷，每个键槽侧面受到的力为F，低速轴大端面上的4个销孔受到的转矩为T。

划分网格：为达到较好的分析效果，网格参数选择标准网格，整体大小为20mm，公差为1mm，雅克比点为4点，解码器选择FFEPLus算法。

算例求解：对低速轴模型进行静态分析，求解后的应力、位移图解分。低速轴的较大等效应力59.1MPa，出现在键槽的侧面上，它小于材料的屈服强度（355.0MPa），具有较高的安全系数（ns=6.0）。后面得出，较大等效位移为0.019mm，变形很小，完全满足设计要求，可通过进一步优化设计来减少材料的利用。

（2）低速轴的疲劳分析

疲劳分析算例属性中恒定振幅事件交互作用选择随意交互作用，计算交替应力的手段选择应力强度，根据45钢在应力比r=-1的试验条件下，寿命和疲劳极限的对应关系，设置45钢的S-N曲线，添加恒定事件载荷周期为10000，负载类型选择基于零，运行算例求解。最小寿命周期为107，即在给定载荷下发生疲劳失效的较大载荷循环次数为107，出现在轴的键槽处；较大损坏百分比为10.01%（损坏百分比也称为利用率，代表结构消耗模型寿命的比率），意味着10.01%的结构寿命被消耗寿命

出现在轴的键槽处；当损坏百分比达到100%时才会发生疲劳失效。综合应力和疲劳而言，该设计参数使低速轴过于安全，因此可以通过优化分析得到新的产品设计参数。

3、低速轴优化设计

在保证低速轴足够强度和可靠性的前提下，对其进行优化，通过降低零件的厚度，来降低生产成本。由于低速轴的圆柱面要和轴承相配合，因此低速轴的直径为一定值；低速轴的大端面和磨盘通过螺栓相连接，因此螺纹孔和销孔的位置不能改变。优化目标函数是低速轴的最小质量，优化设计的变量设定为低速轴的通孔直径D，约束条件为160≤D≤240mm；步长为20mm；应力范围为0≤o≤300MPa；安全系数ns＞3。

当通孔内径为240mm时，较大等效应力为58.3MPa，由于45钢的屈服强度为355MPa，安全系数ns=6.08，可以满足低速轴的强度要求。低速轴优化后，质量从755.5kg减少到600.1kg，减轻了20.5%，优化效果较好，取得了较好的经济效益。

对磨粉机低速轴进行静态和疲劳分析，其分析结果满足应力强度和疲劳寿命。据此，对低速轴进行优化设计，得到较优结构，实现轻量化设计的目标，减少了设计及制造成本。此分析在实际生产中得到了验证，为以后类似的结构优化设计提供了理论基础和实践依据。