上懸式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的動(dòng)態(tài)性能分析與優(yōu)化
                                  韋堯兵，姜永濤，劉軍
               (蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730050)
    摘要:為了解決上懸式離心機(jī)運(yùn)行中跨越臨界轉(zhuǎn)速出現(xiàn)共振、沖擊等問題，文中運(yùn)用有限元分析法對上懸式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，探討了轉(zhuǎn)鼓各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對動(dòng)態(tài)性能的影響關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)對轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了優(yōu)化，分析獲得了轉(zhuǎn)鼓各結(jié)構(gòu)對動(dòng)態(tài)性能的影響程度。優(yōu)化后轉(zhuǎn)鼓臨界轉(zhuǎn)速避開了工作轉(zhuǎn)速，分離性能提高了16%。所得轉(zhuǎn)鼓各參數(shù)對動(dòng)態(tài)性能的影響關(guān)系，為轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。
    關(guān)鍵詞:離心機(jī);有限元法;動(dòng)態(tài)分析;轉(zhuǎn)鼓
    中圖分類號:TH122文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001－2354(2010)08－0069－04
    離心機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，轉(zhuǎn)鼓就是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此，研究轉(zhuǎn)鼓的動(dòng)態(tài)性能對實(shí)際工程非常重要。對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的目的是使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)達(dá)到最佳動(dòng)力學(xué)特性，主要是分析其臨界轉(zhuǎn)速和振型及平衡計(jì)算等。
    文中所分析的GD-1300上懸式離心機(jī)適用于40%～60%固－液相懸浮結(jié)晶物的分離，特別適用于糖廠對甲膏、乙膏的分離。針對生產(chǎn)中出現(xiàn)的一些問題，運(yùn)用有限元法對轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行模態(tài)分析，得出轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的固有頻率，以此確定工作轉(zhuǎn)速，這對避免共振和提高分離能力有重要意義。
    1·轉(zhuǎn)鼓的有限元模型
    GD-1300上懸式離心機(jī)的整機(jī)裝配簡圖如圖1所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:轉(zhuǎn)籃固定在較長的撓性軸下端，軸的上端與聯(lián)軸器相連，兩個(gè)軸承做徑向支承，總體懸掛在鉸接支承中。這種支承方式使支承點(diǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心，從而保證了運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，并使轉(zhuǎn)子能自動(dòng)調(diào)心。此外，這種支承與傳動(dòng)方式不至于使濾液或?yàn)V渣受到污染。
    有限元模型建立的好壞關(guān)系到以后分析計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算成本。由于ANSYS軟件的自主建模能力不強(qiáng)，轉(zhuǎn)鼓下半部分結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，很難建立直接有限元模型，故利用Pro/E軟件建立轉(zhuǎn)鼓下部的三維模型，通過IGS文件格式導(dǎo)入進(jìn)ANSYS中。在建立模型過程中，為了便于添加約束，將軸的上半部分在ANSYS中建模，這樣建出的軸的上半部分節(jié)點(diǎn)和面比較明確，更方便施加約束。
             
    按照離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的二維圖紙建立三維實(shí)體模型，并對微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。主要是省略轉(zhuǎn)鼓開孔和加強(qiáng)箍的具體結(jié)構(gòu)影響，將其質(zhì)量轉(zhuǎn)化為壁厚，但轉(zhuǎn)鼓的整體質(zhì)量和質(zhì)心不變;忽略空刀槽、倒角等局部特征。轉(zhuǎn)鼓的有限元模型如圖2所示。采用Solid186單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所得單元總數(shù)為60 810個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為104 289個(gè)。
    2·約束條件
    文中轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)是一懸軸系，轉(zhuǎn)鼓在聯(lián)軸器的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，球軸承座內(nèi)還有兩個(gè)軸承對軸做徑向支承，同時(shí)，角接觸球軸承約束軸的軸向位移，約束位置如圖2所示。軸承有一定的彈性，可以用彈簧模擬軸承對支承剛度的影響，限制彈簧單元的外點(diǎn)的所有位移，與彈簧單元接觸的軸上的點(diǎn)約束其軸向位移。
            
    3·模態(tài)分析結(jié)果
    對于工程實(shí)際問題，沒必要求出全部固有頻率，因此只計(jì)算轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的前6階固有頻率。經(jīng)分析所得離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的固有頻率如圖3所示。
           
    由實(shí)際測量所得，機(jī)器空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)鼓的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間為(450±50)r/min左右。由于具體的速度臨界點(diǎn)與現(xiàn)場安裝機(jī)器基礎(chǔ)的剛度等因素相關(guān)，故有一定的變化。由ANSYS模擬出轉(zhuǎn)鼓的1階臨界轉(zhuǎn)速為417 r/min，比較接近機(jī)器的實(shí)測值，可以證明該有限元模型建立的可靠性。
    由分析結(jié)果可知，轉(zhuǎn)鼓第1，2階和第4，5階的固有頻率重合，原因是其結(jié)構(gòu)和支承都對稱于旋轉(zhuǎn)軸，前3階臨階轉(zhuǎn)速在最高工作轉(zhuǎn)速之內(nèi)，故應(yīng)著重關(guān)注前3階臨界轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)鼓第1，3階固有頻率對應(yīng)的振型如圖4所示。
            
    離心機(jī)分離過程主要經(jīng)歷6個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)，如表1所示。轉(zhuǎn)鼓的前3階臨界轉(zhuǎn)速都低于最高工作轉(zhuǎn)速1 200 r/min，且第3階臨界轉(zhuǎn)速在水洗和蒸干這兩個(gè)工序轉(zhuǎn)速內(nèi)，離心機(jī)在工作中會跨越臨界轉(zhuǎn)速。考慮到實(shí)際需求，應(yīng)深入分析轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)對其模態(tài)的影響，從中找出轉(zhuǎn)鼓優(yōu)化的理論依據(jù)。
    4·轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對固有頻率的影響
    系統(tǒng)的固有頻率是系統(tǒng)的固有特性，取決于系統(tǒng)本身的剛度、質(zhì)量等物理參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會直接影響質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K，進(jìn)而改變固有頻率ω。
    4．1支承剛度對固有頻率的影響
    主軸采用的是雙支承(如圖1所示)，上部是一個(gè)角接觸球軸承，下部是一個(gè)圓柱滾子軸承。由于軸承有一定的剛度，將軸承支承視為彈性的，用彈簧單元模擬。降低軸承支承剛度可以使分離機(jī)的工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離系統(tǒng)1階臨界轉(zhuǎn)速，以便充分利用轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的自動(dòng)對中能力，減小運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由不平衡量引起的慣性力，使機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
    不考慮軸承承受轉(zhuǎn)矩的影響，改變軸承的支承剛度，得出支承剛度對軸固有頻率的影響，如圖5所示。
             
    從圖5可以看出，1階固有頻率隨支承剛度的增加而增大，支承剛度的變化對3階臨界轉(zhuǎn)速基本沒有影響。
    4．2支承跨距對固有頻率的影響
    由理論知識可知，支承跨距對系統(tǒng)剛度有影響。保持轉(zhuǎn)鼓其他參數(shù)不變的情況下，探討支承跨距的變化對轉(zhuǎn)鼓固有頻率影響的變化趨勢，其分析結(jié)果如圖6所示。
             
    從圖6可以看出，隨著支承跨距的增大，1階固有頻率增大。在軸的總長度不變的情況下，支承跨距的增大會使上軸承到轉(zhuǎn)鼓之間的距離縮短，實(shí)際上相當(dāng)于增大了系統(tǒng)剛度，從而使軸系的固有頻率提高。但第3階臨界轉(zhuǎn)速隨著跨距的增大而減小。
    4．3軸長對固有頻率的影響
    在保持轉(zhuǎn)鼓其他參數(shù)不變的情況下，改變主軸長度，探討軸長的變化對轉(zhuǎn)鼓固有頻率影響的變化趨勢。所得結(jié)果如圖7所示。
            
    從圖7可以看出，轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的各階固有頻率隨著軸長的增加均會有所下降。這是因?yàn)殡S著軸長的增加，轉(zhuǎn)鼓的質(zhì)心下移，從解析法的計(jì)算角度來看，這相當(dāng)于增加了吊軸軸系懸臂端的跨距，使軸系的當(dāng)量剛度減小，臨界轉(zhuǎn)速也隨之減小。在所有變化中，1階固有頻率變化相對更明顯。
    4．4軸徑對固有頻率的影響
    在保持其他參數(shù)不變的情況下，改變主軸軸徑，探討軸徑的變化對轉(zhuǎn)鼓固有頻率影響的變化趨勢。所得結(jié)果如圖8所示。
            
    從圖8可以看出，轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的各階固有頻率隨著軸徑的增加均會有所上升。這是因?yàn)殡S著軸徑的增加，整個(gè)吊軸系統(tǒng)的剛度明顯增大。相對以上各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對固有頻率的影響，軸徑的變化對各階固有頻率的影響均明顯。
    4．5轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量對固有頻率的影響
    在保持轉(zhuǎn)鼓其他參數(shù)不變的情況下，改變轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量，探討轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的固有頻率隨著參振質(zhì)量的變化而變化的趨勢。為了便于分析，此處只改變材料的密度，以此進(jìn)行定性分析，分析結(jié)果如圖9所示。
            
    如圖9所示，隨著參振質(zhì)量的增加，轉(zhuǎn)鼓各階固有頻率都有所降低。參振質(zhì)量對第3階固有頻率的影響比較明顯，因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減輕轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的質(zhì)量，從而達(dá)到使臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離工作轉(zhuǎn)速的目的。
    5·轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化
    離心機(jī)的前3階臨界轉(zhuǎn)速都在離心機(jī)最大工作轉(zhuǎn)速(1 200 r/min)范圍之內(nèi)。在離心機(jī)的工作過程中，會多次跨越離心機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速。為避免發(fā)生共振，對各工況選擇合理的轉(zhuǎn)速，這對設(shè)備的安全運(yùn)行和有效提高分離效率及其重要。
    根據(jù)分析結(jié)果對設(shè)備動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化，為設(shè)備的升級提供理論支持。具體方案是:加大軸徑到160mm，降低軸承的支承剛度，將下軸承的支承下移50mm，將轉(zhuǎn)鼓壁厚增加到25 mm。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后對轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行模態(tài)分析，所得結(jié)果如圖10所示。
           
    從圖10可以看出，結(jié)構(gòu)參數(shù)變化后轉(zhuǎn)鼓的前3階臨界轉(zhuǎn)速低于水洗和蒸干兩工序的工作轉(zhuǎn)速，第4和第5階臨界轉(zhuǎn)速高于1 300 r/min，滿足將工作轉(zhuǎn)速提高的要求。如若將離心機(jī)的最高轉(zhuǎn)速提升到1 300r/min，其分離因數(shù)1 277，相對于現(xiàn)在的1 079提高了16%。
    對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，轉(zhuǎn)鼓最大應(yīng)力146 MPa，小于許用應(yīng)力149 MPa滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)新結(jié)構(gòu)也滿足剛度要求。經(jīng)上述驗(yàn)證分析所得，改變轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能，且新的結(jié)構(gòu)提升了離心機(jī)的分離能力。
    6·結(jié)論
    上懸式離心機(jī)主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與轉(zhuǎn)鼓的質(zhì)量、軸徑、軸的長度、支承剛度及支承跨距等因素有關(guān)。1階固有頻率受支承剛度影響較大，第3階固有頻率受參振質(zhì)量的影響較大，所有參數(shù)里面軸徑和軸長對各階固有頻率的影響均明顯。
    改變轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)參數(shù)和支承剛度，對轉(zhuǎn)鼓的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的離心機(jī)動(dòng)態(tài)性能更佳，且分離性能提搞16%。文中所得的轉(zhuǎn)鼓各個(gè)參數(shù)對模態(tài)的影響關(guān)系，為轉(zhuǎn)鼓進(jìn)一步改進(jìn)提供理論支持。
    參考文獻(xiàn)：略