自吸式攪拌軸的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

王自強(qiáng) 朱為國(guó) 劉 偉 陳 杰 樂(lè)倩云

（1.淮陰工學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院；2.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

自吸式攪拌軸廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、石油及生化等工業(yè)的發(fā)酵、氫化、氧化、胺化及烷基化等生產(chǎn)過(guò)程。 傳統(tǒng)的實(shí)心攪拌軸在用于固、液、氣三相攪拌時(shí)存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、氣體分布不均勻的問(wèn)題，自吸式攪拌軸通過(guò)在攪拌軸上開(kāi)小孔利用離心力作用實(shí)現(xiàn)氣體的自吸攪拌， 有效提高固、液、氣三相的反應(yīng)速度。

國(guó)外諸如Chemineer公司、Lightnin公司等一些知名攪拌設(shè)備公司對(duì)多相反應(yīng)的混合大多采用組合式攪拌器［1］。 而國(guó)內(nèi)對(duì)多相反應(yīng)的研究還不成熟，以單相和兩相反應(yīng)為主并且對(duì)攪拌軸強(qiáng)度的研究較少。 近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于釜內(nèi)流體分析的研究居多。 高勇等對(duì)一種自吸式攪拌釜的氣液分散性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和CFD模擬， 得出氣含率隨攪拌轉(zhuǎn)速、介質(zhì)黏度和單位體積功耗的增大而增大［2］。 鞠凡為了確定最低臨界轉(zhuǎn)速和吸入氣體流量建立一種自吸式攪拌槳優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，得到吸入氣體流量由攪拌轉(zhuǎn)速、出氣孔位置和條件決定［3］。 陸旭從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，對(duì)空心軸的選用進(jìn)行了論證，得出空心軸適用的軸徑范圍［4］。

自吸式攪拌軸作為攪拌系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，起到傳遞扭矩的作用。 自吸式攪拌軸在工作過(guò)程中承受較大的扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷，為了保證工作過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定，防止發(fā)生斷裂、變形等失效形式，要求自吸式攪拌軸具有足夠的工作強(qiáng)度。 筆者設(shè)計(jì)了一款在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度、 剛度的要求下，尺寸小、重量輕、安全可靠，工藝上經(jīng)濟(jì)合理，又便于維護(hù)和檢修的自吸式攪拌軸。 并利用有限元分析軟件對(duì)攪拌軸軸徑和吸氣口處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 旨在為多相流攪拌器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 自吸式攪拌軸的直徑設(shè)計(jì)

根據(jù)自吸式攪拌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，電機(jī)輸出額定功率55kW，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速470r/min，槳葉直徑600mm，按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算攪拌軸直徑的計(jì)算公式和結(jié)果［5，6］見(jiàn)表1，按扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算攪拌軸直徑的計(jì)算公式和結(jié)果見(jiàn)表2。 考慮在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度、剛度的要求下設(shè)計(jì)出尺寸小、重量輕、安全可靠，工藝上經(jīng)濟(jì)合理，又便于維護(hù)和檢修的最佳直徑D的軸。

根據(jù)公式推導(dǎo)過(guò)程得到自吸式攪拌軸的內(nèi)徑和外徑尺寸，通過(guò)查詢攪拌軸公稱直徑表［7］并考慮到在攪拌軸上開(kāi)設(shè)鍵槽所求得的直徑D≥88mm。 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［7］，如果同一截面上開(kāi)設(shè)鍵槽且原有的直徑在30～100mm之間需要在原有的直徑上增加5%，除此之外，還需要考慮在攪拌軸上開(kāi)設(shè)吸、出氣孔等因素，為慎重起見(jiàn)，取攪拌軸最佳直徑D=100mm，壁厚t=14mm。 繪制攪拌軸簡(jiǎn)圖，如圖1所示。

表1 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算攪拌軸直徑的計(jì)算公式和結(jié)果

表2 按扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算攪拌軸直徑的計(jì)算公式和結(jié)果

圖1 自吸式攪拌軸簡(jiǎn)圖

2 攪拌軸受力分析與強(qiáng)度計(jì)算

2.1 空心攪拌軸的受力模型

空心攪拌軸受力模型的條件為：假設(shè)攪拌反應(yīng)釜中的介質(zhì)為連續(xù)相介質(zhì)［3］；假設(shè)用剛性聯(lián)軸器連接的軸為可拆軸；假設(shè)不考慮攪拌軸上受到的密封部件作用的力；假設(shè)攪拌軸整體是由同一種材料制成，且不考慮攪拌軸不同部位溫度的變化；假設(shè)進(jìn)出口的介質(zhì)流動(dòng)對(duì)作用在攪拌軸上的流體徑向力無(wú)顯著干擾。 自吸式攪拌軸的受力模型如圖2所示。

圖2 自吸式攪拌軸的受力模型簡(jiǎn)圖

2.2 受力分析

電機(jī)的攪拌功率P=55kW，攪拌轉(zhuǎn)速n=470r/min，攪拌槳葉的半徑R=300mm，對(duì)于一個(gè)典型的攪拌軸而言，分析它所受到的彎矩、重力和設(shè)備內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的向上推力。 由于受力情況復(fù)雜， 因此將攪拌軸上受到的力分解為軸向力、周向力和徑向力。 攪拌軸受到攪拌電機(jī)傳遞的扭矩，作用在攪拌器上的周向力F周、軸向力F軸和徑向力F徑［6］。

攪拌軸傳遞的扭矩T=1117.9N·m， 作用在攪拌器上的周向力F周=T/R槳=3726.3N， 作用在攪拌器上的軸向力F軸=0N，作用在攪拌器上的徑向力F徑=Fp+Fs=1042.7N。

2.3 攪拌軸的剛度和強(qiáng)度計(jì)算

2.3.1 扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算

正常工作狀態(tài)下，攪拌軸不會(huì)發(fā)生振動(dòng)和斷裂，但在工作過(guò)程中由于扭轉(zhuǎn)變形過(guò)大，攪拌軸穩(wěn)定性降低。 為了防止因扭轉(zhuǎn)變形過(guò)大而導(dǎo)致攪拌軸發(fā)生斷裂進(jìn)而影響機(jī)器的工作性能，因此對(duì)攪拌軸的扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行校核。 攪拌軸的扭轉(zhuǎn)角γ=5836T/Gd4（1-N4）×105=0.23°/m，通過(guò)查閱攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)［5］，在工作過(guò)程中當(dāng)攪拌軸的扭轉(zhuǎn)角小于0.35°/m時(shí)，攪拌軸不易發(fā)生振動(dòng)和斷裂，有利于提高攪拌軸上各零部件的工作性能和工作精度。

2.3.2 強(qiáng)度計(jì)算

攪拌軸的強(qiáng)度計(jì)算主要為由周向力產(chǎn)生的扭矩、由軸向力和徑向力產(chǎn)生的彎矩［7］，在工程計(jì)算過(guò)程中，常用近似計(jì)算的方法計(jì)算軸的強(qiáng)度。

3 攪拌軸的有限元分析

3.1 攪拌軸材料屬性

根據(jù)攪拌軸所處的工作環(huán)境對(duì)攪拌軸材料的剛度和強(qiáng)度要求， 選用304不銹鋼作為生產(chǎn)攪拌軸的材料，它的力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 304不銹鋼的力學(xué)性能

3.2 網(wǎng)格劃分

將圖3所示的自吸式攪拌軸的三維模型導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 網(wǎng)格劃分方法采用六 面 體 結(jié) 構(gòu) 劃 分 方 法 （Hex Dominant）， 其 中Average對(duì)應(yīng)的值大于0.3表示模型網(wǎng)格劃分質(zhì)量好。 該攪拌軸的網(wǎng)格質(zhì)量檢查信息圖［8～12］如圖4所示，可見(jiàn)其網(wǎng)格數(shù)值為0.6，大于0.3，表明自吸式攪拌軸的網(wǎng)格劃分質(zhì)量好。

圖3 自吸式攪拌軸的簡(jiǎn)化模型

圖4 攪拌軸的網(wǎng)格質(zhì)量劃分信息圖

3.3 設(shè)置邊界條件施加約束和載荷

對(duì)模型施加扭矩1 170.9N/m， 由攪拌電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 在攪拌軸開(kāi)孔處施加徑向力7 086.75N。 求解模型的方法設(shè)置了總位移（Total Deformation）、定向位移（Directional Deformation）、等效應(yīng)變（Equivalent Elastic Strain）和等效應(yīng)力（Equivalent Stress），最后通過(guò)有限元分析的結(jié)果得到應(yīng)力云圖和位移云圖（圖5、6）。

圖5 攪拌軸的應(yīng)力云圖

圖6 攪拌軸的位移云圖

3.4 有限元結(jié)果與分析

分析圖5、6可知， 自吸式攪拌軸的最大位移為0.51mm， 自吸式攪拌軸最大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力值為110.85MPa， 最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力發(fā)生在空心攪拌軸開(kāi)孔處，大于材料的扭轉(zhuǎn)疲勞極限105MPa。 由于攪拌軸材料選用304 不銹鋼， 扭轉(zhuǎn)疲勞極限為105MPa，因此不滿足強(qiáng)度要求，空心攪拌軸的吸氣口處作為危險(xiǎn)截面，需要對(duì)吸氣口處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮到在空心攪拌軸上開(kāi)孔導(dǎo)致空心攪拌軸強(qiáng)度降低的問(wèn)題，需要在自吸式攪拌軸的開(kāi)孔處設(shè)置加強(qiáng)環(huán)結(jié)構(gòu)， 圖7為開(kāi)孔處焊接加強(qiáng)環(huán)的自吸式攪拌軸三維圖。

圖7 設(shè)置加強(qiáng)環(huán)的空心攪拌軸三維圖

將裝配圖導(dǎo)入AnsysWorkbench中進(jìn)行有限元分析［13～15］，得到了應(yīng)力云圖和位移云圖（圖8、9）。 優(yōu)化前的攪拌軸的吸氣口處的最大應(yīng)力為110.85MPa，工作過(guò)程中疲勞磨損程度大，安全性能低，改進(jìn)后的攪拌軸的吸氣口處的最大應(yīng)力為56.30MPa（最大位移為0.4mm），低于材料的扭轉(zhuǎn)疲勞極限105MPa，滿足材料的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要求。

圖8 優(yōu)化后的攪拌軸應(yīng)力云圖

圖9 優(yōu)化后攪拌軸的位移云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

新型自吸式攪拌反應(yīng)釜通過(guò)在空心攪拌軸上設(shè)計(jì)吸氣孔，利用離心力作用實(shí)現(xiàn)氣體的自吸攪拌，有效解決了傳統(tǒng)的三相攪拌反應(yīng)釜中氣體在容器底部停留時(shí)間短的問(wèn)題。 針對(duì)攪拌軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)提升攪拌軸的攪拌效果、延長(zhǎng)使用壽命。 自吸式攪拌軸作為多相流攪拌反應(yīng)釜的重要部件，通過(guò)在吸氣口處安裝加強(qiáng)環(huán)，解決了由于攪拌軸開(kāi)孔導(dǎo)致強(qiáng)度不足的問(wèn)題，對(duì)空心攪拌軸的直徑進(jìn)行改進(jìn)不僅有利于降低在加工過(guò)程中攪拌軸材料的使用，還有利于通過(guò)減少攪拌軸的自重來(lái)降低傳動(dòng)軸承的磨損。 確定攪拌軸直徑為100mm，壁厚14mm時(shí)，既能滿足工作要求、節(jié)省材料又能提高攪拌軸的工作性能。

目前，雖然針對(duì)自吸式攪拌反應(yīng)釜內(nèi)流體分散性能的研究比較成熟，但對(duì)新型自吸式攪拌反應(yīng)釜的機(jī)械強(qiáng)度研究較少。 機(jī)械強(qiáng)度的改進(jìn)不僅有利于提高自吸式攪拌反應(yīng)釜的工作強(qiáng)度，還有利于提高釜內(nèi)流體的分散性能。 由于對(duì)攪拌器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)有利于降低攪拌釜的功率消耗，提高攪拌反應(yīng)釜的攪拌性能。 因此，下一步的研究方向?yàn)獒槍?duì)攪拌器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行改進(jìn)，以提高新型自吸式攪拌反應(yīng)釜的混合性能。