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上海祁立：離心機(jī)螺旋輸送器有限元仿真研究
應(yīng)用Pro/Engineer系統(tǒng)建立了離心機(jī)螺旋輸送器的實(shí)體模型和虛擬樣機(jī)模型,在MSC. VisualNastran環(huán)境下,采用有限元方法進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、模態(tài)分析和靜力學(xué)分析,得到了螺旋輸送器 兩端軸承的力學(xué)狀態(tài)、系統(tǒng)的多階固有振動(dòng)頻率、振型以及應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)值。根據(jù)仿真結(jié)果, 進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核,分析了螺旋輸送器的主要破壞形式和危險(xiǎn)位置以及葉片壁厚的變化對(duì)螺旋 輸送器強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明:現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基本滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)給出了葉片壁厚的優(yōu)化方 案,為離心機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的理論參考。
上海祁立環(huán)保設(shè)備有限公司專業(yè)生產(chǎn)環(huán)保疊螺污水脫泥機(jī)，自動(dòng)泡藥機(jī)，化工攪拌機(jī)、實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)備等一系列高科技并且實(shí)用的環(huán)保設(shè)備，祁立環(huán)保擁有*的技術(shù)中心，具備科研、開(kāi)發(fā)、中試、系統(tǒng)集成等綜合技術(shù)能力，以及整機(jī)和零部件試驗(yàn)、檢測(cè)等多種硬件設(shè)施和軟件條件。產(chǎn)品技術(shù)居水平。：，。
關(guān)鍵詞:螺旋輸送器;結(jié)構(gòu)分析;虛擬樣機(jī);有限元;葉片壁厚 ;臥螺離心機(jī);
中圖分類號(hào):TH237文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng),對(duì)離心機(jī)的 生產(chǎn)能力、分離效果、節(jié)能降耗等的要求越來(lái)越高,如何提高產(chǎn) 品設(shè)計(jì)水平,縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,加速現(xiàn)有產(chǎn)品的更新?lián)Q 代,已成為當(dāng)務(wù)之急。顯然,沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段[1],已不能適應(yīng) 新形勢(shì)的需要,必須采用諸如優(yōu)化設(shè)計(jì),有限元法的靜、動(dòng)力分 析,計(jì)算機(jī)輔助繪圖等技術(shù)[2]。
螺旋輸送器是臥螺離心機(jī)的主要部件,在對(duì)螺旋輸送器進(jìn)行 靜力分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)臥螺離 心機(jī)來(lái)說(shuō),具有十分重要的工程實(shí)際意義。應(yīng)用虛擬樣機(jī)（VP, Virtual Prototyping）技術(shù)對(duì)螺旋輸送器的靜、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行仿 真研究,以Pro/Engineer軟件為平臺(tái),進(jìn)行產(chǎn)品的參數(shù)化實(shí)體建 模,通過(guò)合理簡(jiǎn)化建立螺旋輸送器的虛擬樣機(jī),應(yīng)用有限元法, 在有限元仿真軟件MSC.VisualNastran中進(jìn)行螺旋輸送器的運(yùn) 動(dòng)學(xué)仿真、模態(tài)仿真和應(yīng)力、變形仿真,得到螺旋輸送器的多階 固有振動(dòng)頻率、振型以及應(yīng)力、應(yīng)變、位移等的變化情況,達(dá)到校 核螺旋輸送器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度的目的,并進(jìn)一步分析出螺旋輸 送器的主要失效形式和危險(xiǎn)位置,依據(jù)分析結(jié)果提出了螺旋輸 送器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。
1載荷及邊界條件
1.1載荷
螺旋輸送器在工作過(guò)程中主要承受以下三種載荷:（1）因自 身高速回轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力;（2）被分離介質(zhì)（沉渣）施加給螺旋 葉片的正壓力;（3）被分離介質(zhì)（沉渣）施加給螺旋葉片的摩擦 力。嚴(yán)格來(lái)講,螺旋輸送器還承受設(shè)備自身的重力,但因臥螺離 心機(jī)具有很高的分離因數(shù),即螺旋輸送器的重力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于因高 速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力,因此在計(jì)算和仿真過(guò)程中,忽略了重力 的影響。
1.2邊界條件
由于螺旋輸送器內(nèi)筒的兩端分別與左右軸頸連接,軸頸支 承在轉(zhuǎn)鼓左右端蓋內(nèi)腔里的軸承上。因此,根據(jù)實(shí)際工況,模型 在左右支撐處施加轉(zhuǎn)動(dòng)副約束。
對(duì)螺旋輸送器的強(qiáng)度校核參照壓力容器的分析設(shè)計(jì)法[3]進(jìn) 行。螺旋輸送器的材料為某種合金材料,基本許用應(yīng)力Sm為 203MPa。由于螺旋輸送器和轉(zhuǎn)鼓的zui小間隙為4mm（雙邊）,因 此本分析中將2mm作為考察螺旋輸送器徑向變形的依據(jù)。
2虛擬樣機(jī)建模與動(dòng)力學(xué)仿真
虛擬樣機(jī)是用CAD建模技術(shù)建立與物理樣機(jī)相一致 的數(shù)字化三維模型,然后利用虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。 根據(jù)現(xiàn)有螺旋輸送器的實(shí)際結(jié)構(gòu),應(yīng)用三維參數(shù)化技術(shù)及Pro/ Engineer[4]軟件,建立轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器內(nèi)部各組件及軸承的三 維模型,然后簡(jiǎn)化為一個(gè)整體,并對(duì)模型的凸臺(tái)、倒角、螺栓孔等 特征進(jìn)行處理,并不考慮焊縫的焊接特征[5]。這樣可以省去不必要的約束,避免使用過(guò)于龐大而復(fù)雜的整機(jī)VP模型,通過(guò)通用 的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)--STEP將模型導(dǎo)入有限元仿真軟件MSC. VisualNastran[6]中,如圖1所示,虛擬樣機(jī)模型,分別定義材料、
彈性模量、泊松比、密度等相關(guān)材料性能參數(shù),定義轉(zhuǎn)速、正壓力 等力學(xué)參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)副和邊界條件,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,得到螺旋輸 送器的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)副的受力情況,其中,左右兩端軸承受力 分析結(jié)果,如圖2所示。
3模態(tài)分析
該研究主要是分析螺旋輸送器總成的自由模態(tài),主要材料特 性參數(shù)與前面仿真一致,其中阻尼系數(shù)為0.01,總質(zhì)量為 409.0Kg。
由于臥螺離心機(jī)的轉(zhuǎn)子屬剛性軸設(shè)計(jì),即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于* 階臨界轉(zhuǎn)速,因此,實(shí)踐中比較關(guān)心的是前三階固有頻率及振型。 考慮自身重力以及邊界約束條件,螺旋輸送器采用四面體單 元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,其有限元模型共有75430個(gè)節(jié)點(diǎn),38451個(gè)單元, 其中,前三階應(yīng)力和位移振型圖如圖3、圖4所示。模態(tài)分析主 要結(jié)果（見(jiàn)表1）。
當(dāng)螺旋輸送器在*階固有頻率下發(fā)生共振時(shí),大小圓柱 內(nèi)筒（即軸）連接處和直段葉片變形較大,已發(fā)生明顯彎曲,各階 固有頻率亦對(duì)應(yīng)于各階的臨界轉(zhuǎn)速,由有限元模態(tài)仿真分析可 知,螺旋輸送器*階固有頻率為282.4Hz,對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為13944r/min。由于螺旋輸送器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2742r/min,遠(yuǎn)小于該 臨界轉(zhuǎn)速,因此,螺旋輸送器在正常的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生共振 現(xiàn)象。
4強(qiáng)度剛度分析
對(duì)螺旋輸送器進(jìn)行空載和滿載工況下的靜力分析,滿載工 況下的載荷為正壓力、摩擦力、離心力的線性組合。這是所有工 況分析中zui值得關(guān)心的問(wèn)題。
圖5和圖6分別為滿載工況下螺旋輸送器的應(yīng)力和徑向變 形云圖。在滿載工況下zui大應(yīng)力出現(xiàn)在螺旋輸送器大端螺旋葉 片起始處。zui大值為152.5MPa,在滿載工況下,螺旋輸送器的徑 向位移zui大值發(fā)生在跨越柱錐內(nèi)筒的過(guò)渡段螺旋葉片的徑向邊 緣推料面上,此處是葉片發(fā)生徑向變形的危險(xiǎn)位置,zui大徑向變 形為0.09239mm。應(yīng)力分布云圖表明:大、小端末端葉片根部推 料面和過(guò)渡段葉片根部推料面的應(yīng)力值較大,是發(fā)生塑性變形 或破壞現(xiàn)象的危險(xiǎn)位置。
5結(jié)構(gòu)優(yōu)化
螺旋葉片在臥螺離心機(jī)中直接與沉渣接觸,并起輸送沉渣 的作用。葉片的壁厚并不對(duì)工藝要求起作用,但通過(guò)對(duì)螺旋輸送 器進(jìn)行靜力仿真分析發(fā)現(xiàn),zui大應(yīng)力出現(xiàn)在螺旋葉片上,并且螺 旋葉片在受到過(guò)大的物料反力作用時(shí),容易發(fā)生嚴(yán)重的軸向變 形而遭到破壞。所以本分析不僅要察看葉片壁厚的變化對(duì)應(yīng)力 和徑向位移產(chǎn)生的影響,還要找出葉片壁厚和螺旋輸送器zui大 軸向變形之間的關(guān)系。仿真分析表明現(xiàn)行設(shè)計(jì)的葉片壁厚有安 全裕量,本分析把葉片壁厚依次遞減0.5mm,應(yīng)力、徑向位移、軸 向位移的計(jì)算結(jié)果,如表2~4所示。
從表2~4可以看出,滿載工況下應(yīng)力zui大值在隨著葉片壁 厚的減小而增大。在葉片壁厚為8mm時(shí),應(yīng)力zui大值大于材料 的基本許用應(yīng)力Sm,不符合強(qiáng)度要求;徑向位移zui大值隨葉片 壁厚的減小而增大。但均在許可的范圍內(nèi);減少葉片壁厚時(shí),沉 渣對(duì)螺旋葉片作用的正壓力所引起的葉片的zui大軸向位移增長(zhǎng) 較快,當(dāng)葉片壁厚為8mm時(shí),zui大軸向位移已經(jīng)超過(guò)1mm,葉 片變形很明顯。而螺旋輸送器自身質(zhì)量的離心力在葉片上產(chǎn)生的 軸向位移也隨葉片壁厚的減少而增大,但增大速度緩慢,這是因 為離心力是引起螺旋輸送器的徑向變形的主要因素。在滿載工 況下,各種葉片壁厚下的軸向位移zui大值都發(fā)生在柱段螺旋葉片 的徑向邊緣的推料面上。
分析未考慮實(shí)際生產(chǎn)中可能發(fā)生的堵料現(xiàn)象,生產(chǎn)實(shí)踐證 明,臥螺離心機(jī)一旦在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生堵料,葉片易遭到破壞, 影響正常的生產(chǎn)流程。因此螺旋葉片不能太薄,同時(shí)也對(duì)葉片表 面的處理工藝提出了較高的要求（耐磨性和表面粗糙度）[7]。因 此葉片壁厚不能小于8mm。
6結(jié)論
應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)螺旋輸送器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真以及模 態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變分析。根據(jù)仿真結(jié)果分析葉片壁厚的變化對(duì)螺旋 輸送器強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生的影響。主要結(jié)論:
?。?）螺旋輸送器的模態(tài)仿真表明:在*階固有振動(dòng)頻率下 產(chǎn)生橫向振動(dòng),應(yīng)力zui大值出現(xiàn)在軸承中心對(duì)應(yīng)部位,位移zui大 值出現(xiàn)在兩端軸承位置及肩部;由于實(shí)際轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)小于該臨界轉(zhuǎn) 速,所以螺旋輸送器在正常的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。
?。?）螺旋輸送器的靜力有限元仿真表明:錐段小端葉片接近 根部的推料面和直段末端葉片根部的推料面是出現(xiàn)zui大應(yīng)力的 位置;跨越柱錐內(nèi)筒的過(guò)渡段上螺旋葉片徑向邊緣的推料面是 發(fā)生徑向位移zui大值的位置。
?。?）應(yīng)力zui大值在滿載工況下隨著葉片壁厚的減小而增大; 徑向位移zui大值隨葉片壁厚的減小而增大;減小葉片壁厚,沉渣 對(duì)螺旋葉片作用的正壓力所引起的葉片的zui大軸向位移增長(zhǎng)較 快。
這些結(jié)論對(duì)臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)螺旋輸送器結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有理論的 指導(dǎo)意義,也顯示出虛擬樣機(jī)有限元仿真強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Α?/p>