臥螺離心機(jī)旋轉(zhuǎn)部件振動(dòng)特性分析

1、臥螺離心機(jī)旋轉(zhuǎn)部件振動(dòng)特性分析 更新時(shí)間：2011-03-22 09:14:35臥螺離心機(jī)旋轉(zhuǎn)部件振動(dòng)特性分析陽文英，范德順(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029)摘要：采用梁單元分別建立臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓軸和螺旋軸的三維有限元模型，對(duì)其進(jìn)行ANSYS模態(tài)分析，將其結(jié)果與傳遞矩陣法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了ANSYS分析方法的可靠性，再將轉(zhuǎn)鼓軸模型和螺旋軸模型通過彈簧單元連接起來，進(jìn)行雙軸系統(tǒng)的模態(tài)分析，結(jié)果表明機(jī)器工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一階臨界轉(zhuǎn)速，在正常工作轉(zhuǎn)速下，機(jī)器不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：臥螺離心機(jī)；有限元；固有頻率中圖分類號(hào)：TQ051.8+4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章標(biāo)號(hào)：100

2、5-8265(2010)02-0011-03引言一般工廠中常見的機(jī)器都裝有旋轉(zhuǎn)部件即轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子連同它的軸承和支座統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。離心機(jī)作為典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，是以轉(zhuǎn)子作為工作主體的。當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常常發(fā)生振動(dòng)，包括扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和彎曲振動(dòng)等。工程中常用靜平衡和動(dòng)平衡的方法來消除振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子的速度與臨界轉(zhuǎn)速接近時(shí)，轉(zhuǎn)子將發(fā)生劇烈的振動(dòng)現(xiàn)象即共振，為防止共振，需要計(jì)算出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速，并且盡可能的使工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速。計(jì)算轉(zhuǎn)子固有頻率的方法有矩陣迭代法、傳遞矩陣法、特征方程法、特征值法、能量法等解析方法及ANSYS有限元模態(tài)分析法等1-2。臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附件眾多，軸承跨距大，包

3、括外轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)鼓軸）和內(nèi)轉(zhuǎn)子（螺旋軸）兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部件，本文先用ANSYS軟件分別建立內(nèi)外轉(zhuǎn)子的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，并與傳遞矩陣法分析結(jié)果進(jìn)行比較，證明ANSYS分析方法的可靠性，再將內(nèi)外轉(zhuǎn)子耦合起來，進(jìn)行ANSYS模態(tài)分析，得出臥螺離心機(jī)整個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的固有頻率和振型，為復(fù)雜機(jī)器設(shè)備的振動(dòng)特性分析提供一些參考。1臥螺離心機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理臥螺離心機(jī)的主要構(gòu)件有進(jìn)料管、轉(zhuǎn)鼓、螺旋推進(jìn)器、變速器、過載保護(hù)裝置、卸渣裝置等。如圖1所示，在機(jī)殼內(nèi)有兩個(gè)同心裝在主軸承上的回轉(zhuǎn)部件，外面是無孔轉(zhuǎn)鼓，里面是螺旋推進(jìn)器。主電動(dòng)機(jī)通過三角皮帶輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)鼓通過左軸承處的空心軸與行星差速器的外殼相連接，行

4、星差速器的輸出軸帶動(dòng)螺旋推進(jìn)器和轉(zhuǎn)鼓做同速轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)速不同，其轉(zhuǎn)差率一般為轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的0.2%3%。懸浮液從右端的中心加料管連續(xù)送入機(jī)內(nèi)，經(jīng)過螺旋推進(jìn)器的內(nèi)筒加料隔倉的進(jìn)料孔進(jìn)到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)。在離心力作用下沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面上而形成層渣，由于螺旋葉片與轉(zhuǎn)鼓的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，沉渣被螺旋葉片推送到轉(zhuǎn)鼓小端的干燥區(qū)，從排渣孔甩出。在轉(zhuǎn)鼓的大端蓋上開設(shè)有若干溢流孔，澄清液便從此處流出，經(jīng)機(jī)殼的排液室排出。當(dāng)過載或螺旋推進(jìn)器意外卡住時(shí)，位于機(jī)器最左端的過載保護(hù)裝置能自動(dòng)斷開主電動(dòng)機(jī)電源，停止進(jìn)料，防止事故發(fā)生。2轉(zhuǎn)子有限元分析基本原理有限元分析中，將轉(zhuǎn)子看成由剛性圓盤和分布質(zhì)量彈性軸構(gòu)成，而滾動(dòng)軸承及軸承座以其等效剛性

5、和阻尼的組合形式來表示其對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力，該等效剛性和阻尼的具體值由經(jīng)驗(yàn)公式方法得出3。根據(jù)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)有限元理論，在只考慮轉(zhuǎn)子橫向振動(dòng)的情況下，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：M+Cu+Ku=Q（1）其中：M和K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣；C為陀螺力C矩陣和阻尼力矩陣組合而成；Q為外力矢量。當(dāng)沒有外力作用時(shí)，即：Q=0時(shí)得到系統(tǒng)自由振動(dòng)方程，忽略阻尼力的影響，自由振動(dòng)方程為：M+Ku=0（2）假設(shè)結(jié)構(gòu)作如下簡諧振動(dòng)：X=xcos(wt)（3）將式（3）代入式（2）中可得齊次方程：(K-2M)u=0（4）這個(gè)方程的根為（i2i=1，2，3，n），即特征值，i（rad/s）為結(jié)構(gòu)的自然圓頻率，則自然頻

6、率fi=i/2。相應(yīng)的向量是ui，它表示振型，即假定結(jié)構(gòu)以fi振動(dòng)時(shí)的形狀。3轉(zhuǎn)鼓軸和螺旋軸的有限元模型本文所研究的臥螺離心機(jī)是國內(nèi)廣泛應(yīng)用于PTA裝置的重型壓力離心機(jī)，其轉(zhuǎn)鼓直徑為1200mm，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為900r/min，轉(zhuǎn)鼓壁厚為20mm，主軸承跨距為3400mm，分離因素為543.3，轉(zhuǎn)鼓半錐角為9.875，為方便分析，先將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，簡化原理如下4：（1）忽略零件之間的螺栓連接，認(rèn)為由螺栓連接起來的部件是一個(gè)整體，忽略倒角。其中從動(dòng)法蘭、出料端轉(zhuǎn)子頭、錐形轉(zhuǎn)子、水平轉(zhuǎn)子及供料端轉(zhuǎn)子頭組成了轉(zhuǎn)鼓軸系統(tǒng)。傳動(dòng)軸和螺旋推進(jìn)器組成了螺旋軸系統(tǒng)。（2）將螺旋推進(jìn)器上的螺旋葉片簡化為質(zhì)量點(diǎn)，將

7、其上的進(jìn)料孔等效為負(fù)質(zhì)量，軸承簡化為支撐，其余部分簡化為軸。（3）忽略陀螺力矩和阻尼力的影響。螺旋推進(jìn)器上的螺旋葉片簡化為質(zhì)量點(diǎn)加載在筒體上。錐螺旋葉片的質(zhì)量用PROE建模讀取質(zhì)量M=91.27kg，將其視為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)加載在ANSYS錐部模型的中點(diǎn)處。柱螺旋葉片的質(zhì)量用PROE建模讀取質(zhì)量M=263.63kg，將其平均分為四個(gè)質(zhì)量點(diǎn)（m=65.91kg）均勻加載在柱筒上。錐螺旋葉片和柱狀螺旋葉片如圖2所示。分析中軸采用Beam188梁單元進(jìn)行模擬，軸承用COMBI214單元模擬，質(zhì)量點(diǎn)用MASS21單元模擬。轉(zhuǎn)鼓軸和螺旋軸的ANSYS有限元模型如圖3、4所示。4模態(tài)分析4.1實(shí)常數(shù)的選取分析中

8、，取彈性模量E為2.11011N/m2，泊松比為0.3，密度為7960kg/m3,臥螺離心機(jī)旋轉(zhuǎn)部件由四個(gè)軸承支撐，其中螺旋軸左右兩端均有軸承將其支撐在轉(zhuǎn)鼓軸上，轉(zhuǎn)鼓軸左右兩端的兩軸承將整個(gè)旋轉(zhuǎn)部件支撐于機(jī)架上。螺旋軸兩端的軸承剛度分別為1.87108N/m和4.85108N/m，轉(zhuǎn)鼓軸兩端的軸承剛度分別為2.09108N/m和2.41108N/m4。4.2模態(tài)分析結(jié)果通用有限元軟件ANSYS提供了七種模態(tài)分析求解的方法。即：Subspace法、BlockLanczos法、PowerDynamics法、Reduced法、Unsymmertic法、Damp法和QRDamp法。本分析采用Lancz

9、os法計(jì)算轉(zhuǎn)鼓軸和螺旋軸的前兩階固有頻率，計(jì)算結(jié)果如表1所示。5傳遞矩陣法計(jì)算結(jié)果傳遞矩陣法是工程上用于計(jì)算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速和不平衡響應(yīng)等的主要近似數(shù)值方法之一，傳遞矩陣法發(fā)展較完善，計(jì)算時(shí)取轉(zhuǎn)子為集中質(zhì)量或分布質(zhì)量模型5，本文中采用分布質(zhì)量模型，將軸分為若干個(gè)等截面軸段，同時(shí)計(jì)入軸段的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剪切變形。分布質(zhì)量傳遞矩陣計(jì)算軸的橫向彎曲振動(dòng)精度高，可按軸的實(shí)際情況而分段，精度不受分段段數(shù)的影響。轉(zhuǎn)鼓軸與螺旋軸的分布質(zhì)量傳遞矩陣法的計(jì)算模型如圖6所示。轉(zhuǎn)鼓軸和螺旋軸的傳遞矩陣法固有頻率計(jì)算結(jié)果如表2所示。將傳遞矩陣法計(jì)算結(jié)果與ANSYS有限元計(jì)算結(jié)果相比較，誤差都在5%以內(nèi)，兩種算法的結(jié)果基本

10、一致，從而驗(yàn)證了ANSYS分析結(jié)果的正確性，為耦合雙軸系統(tǒng)固有頻率的計(jì)算提供比較簡便的分析方法。6耦合雙軸系統(tǒng)ANSYS計(jì)算結(jié)果用COMBI214彈簧單元將轉(zhuǎn)鼓軸和螺旋軸連接起來形成耦合雙軸系統(tǒng)，由ANSYS模態(tài)分析得出前兩階固有頻率和振型。雙軸系統(tǒng)有限元模型及前兩階振型圖如圖7、圖8所示。結(jié)果顯示雙軸系統(tǒng)的一階固有頻率為34.74HZ，一階臨界轉(zhuǎn)速為2084r/min，二階固有頻率為52.82HZ，二階臨界轉(zhuǎn)速為3169r/min，而本文所研究臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的工作轉(zhuǎn)速為900r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一階臨界轉(zhuǎn)速，因此，在正常轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，機(jī)器不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。7結(jié)論通過大型通用ANSYS有限元軟件建模計(jì)算得出臥式螺旋卸料沉降式離心機(jī)耦合雙軸系統(tǒng)的固有頻率和振型，結(jié)果表明機(jī)器在正常工作轉(zhuǎn)速下不會(huì)發(fā)生共振。此種ANSYS分析方法的建模方便，求解速度快，通用性好，為其它雙軸系統(tǒng)甚至是多軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)特性分析提供了一定的參考。參考文獻(xiàn)：1鐘一諤，何衍宗，王正，等.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)M.北京：清華大學(xué)出版社，1987.2董俊華，范德順.臥式螺旋離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器的有限元分析D.北京：北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2004.3孫紅巖，張小龍.基于