上悬式离心机转鼓的动态性能分析与优化

来源：发布时间：2014-07-11 11:20:20点击率：

离心机是高速旋转机械，转鼓就是一个高速旋转的转子，其结构比较复杂，因此，研究转鼓的动态性能对实际工程非常重要。对转子进行动力学分析的目的是使转子系统达到动力学特性，主要是分析其临界转速和振型及平衡计算等。
    文中所分析的GD-1300上悬式离心机适用于40%～60%固－液相悬浮结晶物的分离，特别适用于糖厂对甲膏、乙膏的分离。针对生产中出现的一些问题，运用有限元法对转鼓进行模态分析，得出转鼓系统的固有频率，以此确定工作转速，这对避免共振和提高分离能力有重要意义。
    1·转鼓的有限元模型
    GD-1300上悬式离心机的整机装配简图如图1所示。其结构特点是:转篮固定在较长的挠性轴下端，轴的上端与联轴器相连，两个轴承做径向支承，总体悬挂在铰接支承中。这种支承方式使支承点远高于转子的质量中心，从而保证了运行时的稳定性，并使转子能自动调心。此外，这种支承与传动方式不至于使滤液或滤渣受到污染。
    有限元模型建立的好坏关系到以后分析计算的准确性和计算成本。由于ANSYS软件的自主建模能力不强，转鼓下半部分结构比较复杂，很难建立直接有限元模型，故利用Pro/E软件建立转鼓下部的三维模型，通过IGS文件格式导入进ANSYS中。在建立模型过程中，为了便于添加约束，将轴的上半部分在ANSYS中建模，这样建出的轴的上半部分节点和面比较明确，更方便施加约束。

    按照离心机转鼓的二维图纸建立三维实体模型，并对微小结构进行简化。主要是省略转鼓开孔和加强箍的具体结构影响，将其质量转化为壁厚，但转鼓的整体质量和质心不变;忽略空刀槽、倒角等局部特征。转鼓的有限元模型如图2所示。采用Solid186单元对模型进行网格划分，所得单元总数为60 810个，节点总数为104 289个。
    2·约束条件
    文中转鼓系统是一悬轴系，转鼓在联轴器的带动下旋转，球轴承座内还有两个轴承对轴做径向支承，同时，角接触球轴承约束轴的轴向位移，约束位置如图2所示。轴承有一定的弹性，可以用弹簧模拟轴承对支承刚度的影响，限制弹簧单元的外点的所有位移，与弹簧单元接触的轴上的点约束其轴向位移。

    3·模态分析结果
    对于工程实际问题，没必要求出全部固有频率，因此只计算转鼓系统的前6阶固有频率。经分析所得离心机转鼓的固有频率如图3所示。

    由实际测量所得，机器空载运转时转鼓的临界转速区间为(450&pmn;50)r/min左右。由于具体的速度临界点与现场安装机器基础的刚度等因素相关，故有一定的变化。由ANSYS模拟出转鼓的1阶临界转速为417 r/min，比较接近机器的实测值，可以证明该有限元模型建立的可靠性。
    由分析结果可知，转鼓第1，2阶和第4，5阶的固有频率重合，原因是其结构和支承都对称于旋转轴，前3阶临阶转速在工作转速之内，故应着重关注前3阶临界转速。转鼓第1，3阶固有频率对应的振型如图4所示。

    离心机分离过程主要经历6个转速区，如表1所示。转鼓的前3阶临界转速都低于工作转速1 200 r/min，且第3阶临界转速在水洗和蒸干这两个工序转速内，离心机在工作中会跨越临界转速。考虑到实际需求，应深入分析转鼓的结构对其模态的影响，从中找出转鼓优化的理论依据。
    4·转鼓系统的结构参数对固有频率的影响
    系统的固有频率是系统的固有特性，取决于系统本身的刚度、质量等物理参数。系统结构参数的改变会直接影响质量矩阵M和刚度矩阵K，进而改变固有频率ω。
    4．1支承刚度对固有频率的影响
    主轴采用的是双支承(如图1所示)，上部是一个角接触球轴承，下部是一个圆柱滚子轴承。由于轴承有一定的刚度，将轴承支承视为弹性的，用弹簧单元模拟。降低轴承支承刚度可以使分离机的工作转速远离系统1阶临界转速，以便充分利用转子系统的自动对中能力，减小运转时由不平衡量引起的惯性力，使机器运转平稳。
    不考虑轴承承受转矩的影响，改变轴承的支承刚度，得出支承刚度对轴固有频率的影响，如图5所示。

    从图5可以看出，1阶固有频率随支承刚度的增加而增大，支承刚度的变化对3阶临界转速基本没有影响。
    4．2支承跨距对固有频率的影响
    由理论知识可知，支承跨距对系统刚度有影响。保持转鼓其他参数不变的情况下，探讨支承跨距的变化对转鼓固有频率影响的变化趋势，其分析结果如图6所示。

    从图6可以看出，随着支承跨距的增大，1阶固有频率增大。在轴的总长度不变的情况下，支承跨距的增大会使上轴承到转鼓之间的距离缩短，实际上相当于增大了系统刚度，从而使轴系的固有频率提高。但第3阶临界转速随着跨距的增大而减小。
    4．3轴长对固有频率的影响
    在保持转鼓其他参数不变的情况下，改变主轴长度，探讨轴长的变化对转鼓固有频率影响的变化趋势。所得结果如图7所示。

    从图7可以看出，转鼓系统的各阶固有频率随着轴长的增加均会有所下降。这是因为随着轴长的增加，转鼓的质心下移，从解析法的计算角度来看，这相当于增加了吊轴轴系悬臂端的跨距，使轴系的当量刚度减小，临界转速也随之减小。在所有变化中，1阶固有频率变化相对更明显。
    4．4轴径对固有频率的影响
    在保持其他参数不变的情况下，改变主轴轴径，探讨轴径的变化对转鼓固有频率影响的变化趋势。所得结果如图8所示。

    从图8可以看出，转鼓系统的各阶固有频率随着轴径的增加均会有所上升。这是因为随着轴径的增加，整个吊轴系统的刚度明显增大。相对以上各结构参数的变化对固有频率的影响，轴径的变化对各阶固有频率的影响均明显。
    4．5转鼓质量对固有频率的影响
    在保持转鼓其他参数不变的情况下，改变转鼓质量，探讨转鼓系统的固有频率随着参振质量的变化而变化的趋势。为了便于分析，此处只改变材料的密度，以此进行定性分析，分析结果如图9所示。

    如图9所示，随着参振质量的增加，转鼓各阶固有频率都有所降低。参振质量对第3阶固有频率的影响比较明显，因此，在设计中应尽量减轻转鼓系统的质量，从而达到使临界转速远离工作转速的目的。
    5·转鼓系统的动态性能优化
    离心机的前3阶临界转速都在离心机大工作转速(1 200 r/min)范围之内。在离心机的工作过程中，会多次跨越离心机的临界转速。为避免发生共振，对各工况选择合理的转速，这对设备的安全运行和有效提高分离效率及其重要。
    根据分析结果对设备动态性能进行优化，为设备的升级提供理论支持。具体方案是:加大轴径到160mm，降低轴承的支承刚度，将下轴承的支承下移50mm，将转鼓壁厚增加到25 mm。结构改进后对转鼓进行模态分析，所得结果如图10所示。

    从图10可以看出，结构参数变化后转鼓的前3阶临界转速低于水洗和蒸干两工序的工作转速，第4和第5阶临界转速高于1 300 r/min，满足将工作转速提高的要求。如若将离心机的转速提升到1 300r/min，其分离因数1 277，相对于现在的1 079提高了16%。
    对新结构进行强度和刚度校核，转鼓大应力146 MPa，小于许用应力149 MPa满足强度要求，同时新结构也满足刚度要求。经上述验证分析所得，改变转鼓的结构可以优化动态性能，且新的结构提升了离心机的分离能力。
    6·结论
    上悬式离心机主轴系统的动态特性与转鼓的质量、轴径、轴的长度、支承刚度及支承跨距等因素有关。1阶固有频率受支承刚度影响较大，第3阶固有频率受参振质量的影响较大，所有参数里面轴径和轴长对各阶固有频率的影响均明显。
    改变转鼓的结构参数和支承刚度，对转鼓的动态性能进行优化，优化后的离心机动态性能更佳，且分离性能提搞16%。文中所得的转鼓各个参数对模态的影响关系，为转鼓进一步改进提供理论支持。

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