基于Ansys的橡膠密煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍分析

熊　杰，官　文

（江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，江西　贛州　341000）

基于Ansys的橡膠密煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍分析

熊杰，官文

（江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，江西贛州341000）

橡膠密煉機(jī)是高分子材料加工中所需要的重要設(shè)備，而作為橡膠密煉機(jī)的核心部件的轉(zhuǎn)子，其可靠性對混煉效率和混煉質(zhì)量有重要影響。對某橡膠密煉機(jī)轉(zhuǎn)子運用Ansys Workbench平臺進(jìn)行模態(tài)分析，得到其前6階固有頻率，并從防止共振的角度分析得出該密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的合理轉(zhuǎn)速范圍。

橡膠密煉機(jī)轉(zhuǎn)子；模態(tài)分析；Ansys Workbench

1　問題的提出

近年來橡膠工業(yè)的新型橡膠產(chǎn)品以及橡塑共混制品，發(fā)展迅速。而橡膠密煉機(jī)作為橡膠產(chǎn)品的加工設(shè)備，其性能的好壞將對混煉膠產(chǎn)生重要的影響，進(jìn)而影響橡膠產(chǎn)品的質(zhì)量及適用壽命。

橡膠密煉機(jī)進(jìn)行加工作業(yè)時，主要是靠其本身的轉(zhuǎn)子進(jìn)行相互的剪切和拉伸來完成。在加工過程中，轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其固有頻率和激振頻率相等時，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象；轉(zhuǎn)子軸劇烈振動，進(jìn)而損害轉(zhuǎn)子軸的使用壽命。為避免共振的產(chǎn)生，在設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時應(yīng)盡量避開產(chǎn)生共振時的臨界轉(zhuǎn)速。

根據(jù)模態(tài)分析理論，在Ansys Workbench平臺對某橡膠密煉機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了詳細(xì)的模態(tài)分析，從中得到了該轉(zhuǎn)子的前6階固有頻率，并通過計算和分析得到了其臨界轉(zhuǎn)速，進(jìn)而得出其合理的轉(zhuǎn)速范圍。

2　密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的模態(tài)分析

（1）定義材料屬性與網(wǎng)格劃分。橡膠密煉機(jī)轉(zhuǎn)子材料采用45號鋼；分析時將其定性為線彈性材料，然后在Ansys Workbench平臺中設(shè)置其工程數(shù)據(jù)，其楊氏模量為210GPa，泊松比為0.31，密度為7.85g/cm3。在對轉(zhuǎn)子進(jìn)行有限元分析時，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分是極其重要的一步，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到解算的精度和速度。為了優(yōu)化網(wǎng)格，在Ansys Workbench平臺中首先對模型的轉(zhuǎn)子軸以及棱體進(jìn)行分割，并使用from new part命令將其合并為一個多體，使其節(jié)點共享。網(wǎng)格劃分方法選擇Tetrahedrons（四面體網(wǎng)格），其中轉(zhuǎn)子棱體部分網(wǎng)格平均單元邊長設(shè)為5mm，轉(zhuǎn)子軸部分網(wǎng)格平均單元邊長設(shè)為10mm。對轉(zhuǎn)子網(wǎng)格的劃分結(jié)果如圖1所示，其中共有單元39005個，節(jié)點62244個。

圖1　轉(zhuǎn)子網(wǎng)格劃分結(jié)果

（2）約束添加。轉(zhuǎn)子軸主要由2個可調(diào)心的滾子軸承支撐，其位置為圖3中A和B處。在不考慮軸承角剛度的情況下，本次分析可認(rèn)為軸承只有徑向剛度且為常值，則軸承可簡化為徑向壓縮的彈簧單元。本轉(zhuǎn)子的軸承型號選用22215CC/W33，其內(nèi)徑為75mm，外徑為130mm，厚度為31mm，額定動荷載為238kN，接觸角為12°，滾動體數(shù)目為34，滾動體直徑為10mm。計算可得22215CC/W33的徑向剛度K為1090N/um，又由于軸承與轉(zhuǎn)子軸的接觸面積S為7300.5mm2。因此，本次分析在Mechanical中對于轉(zhuǎn)子軸承處分別添加elastic support（彈性約束），其值為149.3N/mm3（即K/s）。

（3）分析求解。在Ansys Workbench中對轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，得到其前6階固有頻率，如表1所示。

表1　轉(zhuǎn)子前6階固有頻率

圖2　第1階振型圖

圖3　第2階振型圖

分析可知，第3階之后的固有頻率和實際情況有較大的差異，故不予考慮。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如果轉(zhuǎn)子的固有頻率大于激振頻率的85%，且小于115%時將產(chǎn)生共振。根據(jù)表1中轉(zhuǎn)子的前2階固有頻率，我們計算出其所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，同時還計算出轉(zhuǎn)子應(yīng)該避開的轉(zhuǎn)速范圍，如表2所示。根據(jù)分析，我們得出了轉(zhuǎn)子的前2階的振型圖，分別如圖2和圖3所示。

表2　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍分析

3　分析結(jié)論

（1）根據(jù)表2可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子的速度處于38～69r/min時，容易產(chǎn)生共振；所以在設(shè)置轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速時，應(yīng)使其低于37r/min或高于70r/min。

（2）轉(zhuǎn)子工作時如果要求高于70r/min時，為避免共振，啟動時應(yīng)快速的通過38～69r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)間。

（3）根據(jù)圖2和圖3所得的前2階振型圖分析，轉(zhuǎn)子凸棱頂處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這與實際運行時經(jīng)常出現(xiàn)的凸棱失效和斷裂相吻合。

The Analysis of Speed Range of Rubber Mixer Rotor Based on Ansys

XIONG Jie，GUAN Wen
（Jiangxi Environmental Engineering Vocational College，Ganzhou，Jiangxi 341000，China）

The rubber mixer is one of the important equipment needed in polymer materials processing，and as the core component of rubber mixer rotor，its reliability has important influence on the mixing efficiency and mixing quality.This article analyzes a rubber mixer rotor with Ansys Workbench platform，obtains its first six order natural frequency，and analyzes the reasonable mixer rotor speed range from the perspective of preventing resonance.

rubber mixer rotor；mode analysis；Ansys Workbench

TQ330

A

2095-980X（2015）11-0058-01

2015-10-06

熊杰（1984-），男，江西贛州人，碩士，講師，主要研究方向：機(jī)電工程。