基于ANSYS的脫溶機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

王國棟，褚洪俊，呂 勇

(山東凱斯達(dá)機(jī)械制造有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

脫溶機(jī)是大豆低溫粕生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，通過熱傳導(dǎo)和輻射的形式對(duì)濕粕進(jìn)行加熱[1]。脫溶機(jī)在工作時(shí)轉(zhuǎn)子同時(shí)旋轉(zhuǎn)攪拌，濕粕被轉(zhuǎn)子翻動(dòng)以便更好地蒸發(fā)濕粕中的殘溶和水分。脫溶的好壞直接影響大豆低溫粕的品級(jí)，還影響溶劑消耗和蒸汽消耗[2]。

1 脫溶機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析

隨著大豆低溫粕生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)脫溶機(jī)轉(zhuǎn)子的輻條式端板結(jié)構(gòu)(見圖1)逐漸出現(xiàn)斷裂的問題。脫溶機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行一段時(shí)間后，兩端的輻條型支撐出現(xiàn)斷裂破壞(見圖2)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子散架失效，為此必須停車檢修，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行加固處理。轉(zhuǎn)子失效問題嚴(yán)重影響大豆低溫粕的連續(xù)生產(chǎn)，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

注：1.輻條固定板；2.輻條；3.L型彎板；4.螺帶；5.芯軸。

圖2 端板輻條斷裂圖

以目前常用WGB230型脫溶機(jī)轉(zhuǎn)子為例進(jìn)行有限元分析，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。正常工況下的物料相對(duì)松散，轉(zhuǎn)子失效常在動(dòng)力滿載狀況時(shí)發(fā)生，因此需對(duì)滿載狀況下的輻條式端板轉(zhuǎn)子受力情況進(jìn)行分析，又因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較慢，因此適合做靜態(tài)力學(xué)分析。由于轉(zhuǎn)子端板是由12根獨(dú)立的輻條結(jié)構(gòu)焊接在固定板上，分析時(shí)可將輻條式端板結(jié)構(gòu)簡化為12個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,再運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立力學(xué)模型，計(jì)算輻條各截面上應(yīng)力的變化規(guī)律，確定輻條式端板轉(zhuǎn)子失效的影響因素。ANSYS 常應(yīng)用于結(jié)構(gòu)靜態(tài)力學(xué)問題和動(dòng)態(tài)力學(xué)問題的分析[3]，其計(jì)算和分析能力滿足仿真分析使用要求。

表1 輻條式端板轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 建立3D模型及網(wǎng)格劃分

首先采用SolidWorks繪制輻條式端板轉(zhuǎn)子的3D模型，然后將其導(dǎo)入到ANSYS軟件中建立3D仿真模型，如圖3所示。在建模時(shí)應(yīng)簡化該仿真模型，例如忽略固定板間的焊縫和輻條的折彎角等非重點(diǎn)受力的結(jié)構(gòu)，在確保有限元分析準(zhǔn)確性的前提下減少計(jì)算工作量[4]。

輻條式端板的材料屬性如表2所示。根據(jù)輻條式端板轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取3D Solid45單元的有限元模型，運(yùn)用自由網(wǎng)格劃分方法生成輻條式端板的有限元模型。該有限元模型生成單元511 542個(gè)，建立節(jié)點(diǎn)149 145個(gè)，如圖4所示。

圖3 輻條式端板3D仿真模型

表2 輻條式端板的材料屬性

圖4 輻條式端板有限元模型

3 載荷加載和邊界約束

轉(zhuǎn)子端板內(nèi)孔與芯軸焊接在一起，芯軸就限制了轉(zhuǎn)子在x、y兩個(gè)方向的自由度，轉(zhuǎn)子在載荷的約束下以8 r/min速度在z方向轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)轉(zhuǎn)子端板上的12根輻條端部L型板的位置都會(huì)均勻承受動(dòng)力輸入機(jī)構(gòu)傳遞的極限扭矩[5]。另外濕粕等物料的等值阻力也會(huì)作用于相同位置，轉(zhuǎn)子加載載荷如圖5所示。

4 有限元分析

在極限載荷工作狀況下，轉(zhuǎn)子最大扭矩可達(dá)到4.2×104N·m，使轉(zhuǎn)子端板上的輻條出現(xiàn)彈性應(yīng)變。圖6顯示了輻條式轉(zhuǎn)子端板在加載載荷后的變形情況。轉(zhuǎn)子端板上各節(jié)點(diǎn)的位移情況，可精確地說明轉(zhuǎn)子端板在工作中應(yīng)力的分布及其各節(jié)點(diǎn)受力大小。

圖5 輻條式轉(zhuǎn)子載荷加載圖

4.1 應(yīng)變分析

轉(zhuǎn)子在極限載荷工作狀況下的應(yīng)變云圖如圖7所示，輻條和固定板均有不同程度的應(yīng)變。其中輻條結(jié)構(gòu)的根部位置應(yīng)變情況最為明顯，尤其是輻條與固定板連接處。輻條和固定板重疊的部位及輻條的端部應(yīng)變情況相對(duì)較輕。

圖6 輻條式端板變形情況

圖7 輻條式端板的應(yīng)變云圖

4.2 應(yīng)力分析

轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分布對(duì)其剛性性能有決定性影響。輻條式端板上的整體應(yīng)力分布狀況如圖8所示，輻條與固定板的重疊處和輻條的端部位置最小應(yīng)力值為50 MPa，在輻條與固定板的交點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力值為160 MPa，輻條整體都有較大的應(yīng)力變化。通過應(yīng)變云圖和應(yīng)力分布云圖的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)輻條固定處是產(chǎn)生最大應(yīng)力與應(yīng)變最大的位置，此處相對(duì)薄弱，容易發(fā)生疲勞斷裂。這與工程維護(hù)反饋斷裂位置的照片相一致。

圖8 輻條式端板的應(yīng)力分布云圖

5 結(jié) 語

通過ANSYS軟件對(duì)輻條式端板轉(zhuǎn)子進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中在該結(jié)構(gòu)端板的輻條固定點(diǎn)上，該點(diǎn)在滿載轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下易出現(xiàn)疲勞裂紋。端板上輻條的彈性應(yīng)變會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。因此，根據(jù)轉(zhuǎn)子端板結(jié)構(gòu)分析結(jié)果提出了改進(jìn)方案，即通過縮減輻條的長度、增大輻條固定板的直徑等措施改善轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，保障大豆低溫粕生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)連續(xù)性。