基于ANSYS Wor kbench的立式離心機轉(zhuǎn)鼓動力學分析

劉建華，趙立宏，周其旺

（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

轉(zhuǎn)鼓是立式離心機的主要旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。目前國內(nèi)大部分廠家主要采用近似公式對轉(zhuǎn)鼓進行設(shè)計與計算，對于大型轉(zhuǎn)鼓主要憑經(jīng)驗公式設(shè)計，這使得設(shè)計方案具有較大的盲目性，也無法直接知道轉(zhuǎn)鼓的危險點及其應力分布狀態(tài)。

離心機是核燃料后處理過程中重要的組成部分，其大運量、高帶速和大分離因數(shù)對轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計提出了新的要求。同時離心機主軸也是離心機的重要部件之一，一般離心機都是通過皮帶帶動主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動離心機轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，離心機主軸與轉(zhuǎn)鼓是兩個不可分割的部分。離心機的主要材質(zhì)有45鋼調(diào)質(zhì)與40Cr兩種，每種離心機的主軸可能形狀大小不一，但是原理基本相同，主軸的加工精度一定要達到相關(guān)的標準才能保證離心機安全可靠。本文利用Solid Wor ks 2011軟件建立物理模型，選用ANSYS13.0進行網(wǎng)格劃分，對大型立式離心機的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓進行動力學分析，找出受力薄弱環(huán)節(jié)，為進一步分析轉(zhuǎn)鼓的受力狀況、改進設(shè)計方法提供有效幫助。

1 轉(zhuǎn)鼓的有限元模型

1.1 建立轉(zhuǎn)鼓三維實體模型

本文以離心機轉(zhuǎn)鼓為研究對象，主要包括主軸和轉(zhuǎn)鼓，其主要尺寸參數(shù)如下：轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑為Φ500 mm，外徑為Φ520 mm，寬度為525 mm，鼓殼厚度為10 mm。

對轉(zhuǎn)鼓進行建模時，為使有限元網(wǎng)格劃分與實體結(jié)構(gòu)一致，在不影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的原則下，可對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)小尺寸的結(jié)構(gòu)進行省略簡化處理。轉(zhuǎn)鼓部件三維實體模型見圖1。最后將其導入到了A WB中，節(jié)省了實體建模的工作量。

1.2 有限元模型的建立

將圖1所示的實體轉(zhuǎn)鼓導入到ANSYS Wor kbench中，分別設(shè)置轉(zhuǎn)鼓材料為HT200，彈性模量為1.48×1011Pa，泊松比為0.31；轉(zhuǎn)軸材料為0Cr18Ni9，彈性模量為2.04×1011Pa，屈服強度為2.05×108Pa，泊松比為0.285。

圖1 轉(zhuǎn)鼓三維實體模型

對轉(zhuǎn)鼓和主軸采用面網(wǎng)格劃分，并對模型體設(shè)置網(wǎng)格尺寸，單元尺寸分別為轉(zhuǎn)鼓25 mm、主軸20 mm，生成網(wǎng)格。在轉(zhuǎn)鼓的有限元模型中，得到16 612個單元、32 582個節(jié)點。在Mesh Metric中，Aspect Ration里最小值為1.221 3，最大值為168.8，平均值為3.006，標準偏差為4.508。轉(zhuǎn)鼓的有限元模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)鼓的有限元模型

1.3 邊界約束設(shè)置

在實際工作中，轉(zhuǎn)鼓在電機驅(qū)動下做旋轉(zhuǎn)運動，由于主軸受到了兩對角接觸球軸承的約束，主軸與滾動軸承之間存在間隙，為減小摩擦，因此在此處裝填鋁制潤滑脂。由于載荷的存在，主軸在上、下軸瓦之間會發(fā)生相應的形變，而主軸外的內(nèi)套筒則可以有效地防止主軸發(fā)生軸向竄動，進而保證轉(zhuǎn)鼓組件正常工作。

引起機器振動的原因是多方面的，其中主要包括電機轉(zhuǎn)子的剩余不平衡量、電機與驅(qū)動組件的聯(lián)接方式和減振器的設(shè)置等。根據(jù)動力學原理，主軸在一定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生不平衡量，其中影響較大的是主軸的偏心量及撓度，而這兩者與主軸的制造精度、傳動軸的幾何尺寸和軸承的支承位置有關(guān)。該振源將直接造成徑向和軸向的振動，尤其是在徑向。由于轉(zhuǎn)鼓和電機始終存在不同程度的剩余不平衡量，這兩個不平衡量就是兩個振源。

本文對主軸上的2個滾動軸承施加圓柱面表面約束和轉(zhuǎn)矩約束，同時還對轉(zhuǎn)鼓添加了一個質(zhì)量塊的約束。

2 觀察結(jié)果

2.1 插入位移值并求解

本文采用的是線性屈曲分析，尋找分歧點。求解結(jié)束后，觀察屈曲模態(tài)，轉(zhuǎn)鼓的前6階模態(tài)最大變形量見表1。

表1 轉(zhuǎn)鼓的前6階模態(tài)最大變形量

2.2 屈曲分析結(jié)果

進入后處理，查看結(jié)果。前6階模態(tài)振型圖和各階最大變形量的位置見圖3。

圖3 前6階模態(tài)振型圖和各階最大變形量的位置

3 結(jié)果分析

從圖3可知，大部分是以彎曲變形為主，并且發(fā)生彎曲變形最大的部位出現(xiàn)在軸頸和轉(zhuǎn)鼓外沿處（即轉(zhuǎn)鼓的折彎處）。一般而言，負載運轉(zhuǎn)主要是物料分布不均勻引起偏重而造成振動，通過調(diào)整加料方法，均勻布料即可；其次，可能由于轉(zhuǎn)鼓時間過長或遭受磕碰而引起變形，在使用過程中，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成的濾餅層的厚度就不可能均勻?？梢灶A見，應力集中區(qū)域是最容易出現(xiàn)疲勞裂紋的。

4 結(jié)束語

利用三維建模軟件Solid Works和有限元分析軟件ANSYS相結(jié)合，對離心機的轉(zhuǎn)鼓進行線性屈曲分析，建立合適的模型，選取合理的單元，設(shè)置正確的邊界約束條件，進行有限元求解，得到的計算結(jié)果為隨后的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

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