上懸式離心機轉鼓的動態性能分析與優化
                                  韋堯兵，姜永濤，劉軍
               (蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州730050)
    摘要:為了解決上懸式離心機運行中跨越臨界轉速出現共振、沖擊等問題，文中運用有限元分析法對上懸式離心機轉鼓進行了動態分析，探討了轉鼓各個結構參數對動態性能的影響關系，并以此為基礎對轉鼓系統動態性能進行了優化，分析獲得了轉鼓各結構對動態性能的影響程度。優化后轉鼓臨界轉速避開了工作轉速，分離性能提高了16%。所得轉鼓各參數對動態性能的影響關系，為轉鼓系統的進一步改進奠定基礎。
    關鍵詞:離心機;有限元法;動態分析;轉鼓
    中圖分類號:TH122文獻標識碼:A文章編號:1001－2354(2010)08－0069－04
    離心機是高速旋轉機械，轉鼓就是一個高速旋轉的轉子，其結構比較復雜，因此，研究轉鼓的動態性能對實際工程非常重要。對轉子進行動力學分析的目的是使轉子系統達到最佳動力學特性，主要是分析其臨界轉速和振型及平衡計算等。
    文中所分析的GD-1300上懸式離心機適用于40%～60%固－液相懸浮結晶物的分離，特別適用于糖廠對甲膏、乙膏的分離。針對生產中出現的一些問題，運用有限元法對轉鼓進行模態分析，得出轉鼓系統的固有頻率，以此確定工作轉速，這對避免共振和提高分離能力有重要意義。
    1·轉鼓的有限元模型
    GD-1300上懸式離心機的整機裝配簡圖如圖1所示。其結構特點是:轉籃固定在較長的撓性軸下端，軸的上端與聯軸器相連，兩個軸承做徑向支承，總體懸掛在鉸接支承中。這種支承方式使支承點遠高于轉子的質量中心，從而保證了運行時的穩定性，并使轉子能自動調心。此外，這種支承與傳動方式不至于使濾液或濾渣受到污染。
    有限元模型建立的好壞關系到以后分析計算的準確性和計算成本。由于ANSYS軟件的自主建模能力不強，轉鼓下半部分結構比較復雜，很難建立直接有限元模型，故利用Pro/E軟件建立轉鼓下部的三維模型，通過IGS文件格式導入進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點和面比較明確，更方便施加約束。
             
    按照離心機轉鼓的二維圖紙建立三維實體模型，并對微小結構進行簡化。主要是省略轉鼓開孔和加強箍的具體結構影響，將其質量轉化為壁厚，但轉鼓的整體質量和質心不變;忽略空刀槽、倒角等局部特征。轉鼓的有限元模型如圖2所示。采用Solid186單元對模型進行網格劃分，所得單元總數為60 810個，節點總數為104 289個。
    2·約束條件
    文中轉鼓系統是一懸軸系，轉鼓在聯軸器的帶動下旋轉，球軸承座內還有兩個軸承對軸做徑向支承，同時，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的所有位移，與彈簧單元接觸的軸上的點約束其軸向位移。
            
    3·模態分析結果
    對于工程實際問題，沒必要求出全部固有頻率，因此只計算轉鼓系統的前6階固有頻率。經分析所得離心機轉鼓的固有頻率如圖3所示。
           
    由實際測量所得，機器空載運轉時轉鼓的臨界轉速區間為(450±50)r/min左右。由于具體的速度臨界點與現場安裝機器基礎的剛度等因素相關，故有一定的變化。由ANSYS模擬出轉鼓的1階臨界轉速為417 r/min，比較接近機器的實測值，可以證明該有限元模型建立的可靠性。
    由分析結果可知，轉鼓第1，2階和第4，5階的固有頻率重合，原因是其結構和支承都對稱于旋轉軸，前3階臨階轉速在最高工作轉速之內，故應著重關注前3階臨界轉速。轉鼓第1，3階固有頻率對應的振型如圖4所示。
            
    離心機分離過程主要經歷6個轉速區，如表1所示。轉鼓的前3階臨界轉速都低于最高工作轉速1 200 r/min，且第3階臨界轉速在水洗和蒸干這兩個工序轉速內，離心機在工作中會跨越臨界轉速。考慮到實際需求，應深入分析轉鼓的結構對其模態的影響，從中找出轉鼓優化的理論依據。
    4·轉鼓系統的結構參數對固有頻率的影響
    系統的固有頻率是系統的固有特性，取決于系統本身的剛度、質量等物理參數。系統結構參數的改變會直接影響質量矩陣M和剛度矩陣K，進而改變固有頻率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)，上部是一個角接觸球軸承，下部是一個圓柱滾子軸承。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的工作轉速遠離系統1階臨界轉速，以便充分利用轉子系統的自動對中能力，減小運轉時由不平衡量引起的慣性力，使機器運轉平穩。
    不考慮軸承承受轉矩的影響，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，支承跨距對系統剛度有影響。保持轉鼓其他參數不變的情況下，探討支承跨距的變化對轉鼓固有頻率影響的變化趨勢，其分析結果如圖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鼓之間的距離縮短，實際上相當于增大了系統剛度，從而使軸系的固有頻率提高。但第3階臨界轉速隨著跨距的增大而減小。
    4．3軸長對固有頻率的影響
    在保持轉鼓其他參數不變的情況下，改變主軸長度，探討軸長的變化對轉鼓固有頻率影響的變化趨勢。所得結果如圖7所示。
            
    從圖7可以看出，轉鼓系統的各階固有頻率隨著軸長的增加均會有所下降。這是因為隨著軸長的增加，轉鼓的質心下移，從解析法的計算角度來看，這相當于增加了吊軸軸系懸臂端的跨距，使軸系的當量剛度減小，臨界轉速也隨之減小。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
    在保持其他參數不變的情況下，改變主軸軸徑，探討軸徑的變化對轉鼓固有頻率影響的變化趨勢。所得結果如圖8所示。
            
    從圖8可以看出，轉鼓系統的各階固有頻率隨著軸徑的增加均會有所上升。這是因為隨著軸徑的增加，整個吊軸系統的剛度明顯增大。相對以上各結構參數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轉鼓質量對固有頻率的影響
    在保持轉鼓其他參數不變的情況下，改變轉鼓質量，探討轉鼓系統的固有頻率隨著參振質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，以此進行定性分析，分析結果如圖9所示。
            
    如圖9所示，隨著參振質量的增加，轉鼓各階固有頻率都有所降低。參振質量對第3階固有頻率的影響比較明顯，因此，在設計中應盡量減輕轉鼓系統的質量，從而達到使臨界轉速遠離工作轉速的目的。
    5·轉鼓系統的動態性能優化
    離心機的前3階臨界轉速都在離心機最大工作轉速(1 200 r/min)范圍之內。在離心機的工作過程中，會多次跨越離心機的臨界轉速。為避免發生共振，對各工況選擇合理的轉速，這對設備的安全運行和有效提高分離效率及其重要。
    根據分析結果對設備動態性能進行優化，為設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，將轉鼓壁厚增加到25 mm。結構改進后對轉鼓進行模態分析，所得結果如圖10所示。
           
    從圖10可以看出，結構參數變化后轉鼓的前3階臨界轉速低于水洗和蒸干兩工序的工作轉速，第4和第5階臨界轉速高于1 300 r/min，滿足將工作轉速提高的要求。如若將離心機的最高轉速提升到1 300r/min，其分離因數1 277，相對于現在的1 079提高了16%。
    對新結構進行強度和剛度校核，轉鼓最大應力146 MPa，小于許用應力149 MPa滿足強度要求，同時新結構也滿足剛度要求。經上述驗證分析所得，改變轉鼓的結構可以優化動態性能，且新的結構提升了離心機的分離能力。
    6·結論
    上懸式離心機主軸系統的動態特性與轉鼓的質量、軸徑、軸的長度、支承剛度及支承跨距等因素有關。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量的影響較大，所有參數里面軸徑和軸長對各階固有頻率的影響均明顯。
    改變轉鼓的結構參數和支承剛度，對轉鼓的動態性能進行優化，優化后的離心機動態性能更佳，且分離性能提搞16%。文中所得的轉鼓各個參數對模態的影響關系，為轉鼓進一步改進提供理論支持。
    參考文獻：略