劉建華，趙立宏，周其旺

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

轉(zhuǎn)鼓是立式離心機(jī)的主要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)大部分廠家主要采用近似公式對(duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，對(duì)于大型轉(zhuǎn)鼓主要憑經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)，這使得設(shè)計(jì)方案具有較大的盲目性，也無法直接知道轉(zhuǎn)鼓的危險(xiǎn)點(diǎn)及其應(yīng)力分布狀態(tài)。

離心機(jī)是核燃料后處理過程中重要的組成部分，其大運(yùn)量、高帶速和大分離因數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計(jì)提出了新的要求。同時(shí)離心機(jī)主軸也是離心機(jī)的重要部件之一，一般離心機(jī)都是通過皮帶帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，離心機(jī)主軸與轉(zhuǎn)鼓是兩個(gè)不可分割的部分。離心機(jī)的主要材質(zhì)有45鋼調(diào)質(zhì)與40Cr兩種，每種離心機(jī)的主軸可能形狀大小不一，但是原理基本相同，主軸的加工精度一定要達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)才能保證離心機(jī)安全可靠。本文利用Solid Wor ks 2011軟件建立物理模型，選用ANSYS13.0進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)大型立式離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，找出受力薄弱環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)鼓的受力狀況、改進(jìn)設(shè)計(jì)方法提供有效幫助。

1 轉(zhuǎn)鼓的有限元模型

1.1 建立轉(zhuǎn)鼓三維實(shí)體模型

本文以離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓為研究對(duì)象，主要包括主軸和轉(zhuǎn)鼓，其主要尺寸參數(shù)如下：轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑為Φ500 mm，外徑為Φ520 mm，寬度為525 mm，鼓殼厚度為10 mm。

對(duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行建模時(shí)，為使有限元網(wǎng)格劃分與實(shí)體結(jié)構(gòu)一致，在不影響結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的原則下，可對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)小尺寸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行省略簡(jiǎn)化處理。轉(zhuǎn)鼓部件三維實(shí)體模型見圖1。最后將其導(dǎo)入到了A WB中，節(jié)省了實(shí)體建模的工作量。

1.2 有限元模型的建立

將圖1所示的實(shí)體轉(zhuǎn)鼓導(dǎo)入到ANSYS Wor kbench中，分別設(shè)置轉(zhuǎn)鼓材料為HT200，彈性模量為1.48×1011Pa，泊松比為0.31；轉(zhuǎn)軸材料為0Cr18Ni9，彈性模量為2.04×1011Pa，屈服強(qiáng)度為2.05×108Pa，泊松比為0.285。

圖1 轉(zhuǎn)鼓三維實(shí)體模型

對(duì)轉(zhuǎn)鼓和主軸采用面網(wǎng)格劃分，并對(duì)模型體設(shè)置網(wǎng)格尺寸，單元尺寸分別為轉(zhuǎn)鼓25 mm、主軸20 mm，生成網(wǎng)格。在轉(zhuǎn)鼓的有限元模型中，得到16 612個(gè)單元、32 582個(gè)節(jié)點(diǎn)。在Mesh Metric中，Aspect Ration里最小值為1.221 3，最大值為168.8，平均值為3.006，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.508。轉(zhuǎn)鼓的有限元模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)鼓的有限元模型

1.3 邊界約束設(shè)置

在實(shí)際工作中，轉(zhuǎn)鼓在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于主軸受到了兩對(duì)角接觸球軸承的約束，主軸與滾動(dòng)軸承之間存在間隙，為減小摩擦，因此在此處裝填鋁制潤(rùn)滑脂。由于載荷的存在，主軸在上、下軸瓦之間會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變，而主軸外的內(nèi)套筒則可以有效地防止主軸發(fā)生軸向竄動(dòng)，進(jìn)而保證轉(zhuǎn)鼓組件正常工作。

引起機(jī)器振動(dòng)的原因是多方面的，其中主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)子的剩余不平衡量、電機(jī)與驅(qū)動(dòng)組件的聯(lián)接方式和減振器的設(shè)置等。根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，主軸在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不平衡量，其中影響較大的是主軸的偏心量及撓度，而這兩者與主軸的制造精度、傳動(dòng)軸的幾何尺寸和軸承的支承位置有關(guān)。該振源將直接造成徑向和軸向的振動(dòng)，尤其是在徑向。由于轉(zhuǎn)鼓和電機(jī)始終存在不同程度的剩余不平衡量，這兩個(gè)不平衡量就是兩個(gè)振源。

本文對(duì)主軸上的2個(gè)滾動(dòng)軸承施加圓柱面表面約束和轉(zhuǎn)矩約束，同時(shí)還對(duì)轉(zhuǎn)鼓添加了一個(gè)質(zhì)量塊的約束。

2 觀察結(jié)果

2.1 插入位移值并求解

本文采用的是線性屈曲分析，尋找分歧點(diǎn)。求解結(jié)束后，觀察屈曲模態(tài)，轉(zhuǎn)鼓的前6階模態(tài)最大變形量見表1。

表1 轉(zhuǎn)鼓的前6階模態(tài)最大變形量

2.2 屈曲分析結(jié)果

進(jìn)入后處理，查看結(jié)果。前6階模態(tài)振型圖和各階最大變形量的位置見圖3。

圖3 前6階模態(tài)振型圖和各階最大變形量的位置

3 結(jié)果分析

從圖3可知，大部分是以彎曲變形為主，并且發(fā)生彎曲變形最大的部位出現(xiàn)在軸頸和轉(zhuǎn)鼓外沿處（即轉(zhuǎn)鼓的折彎處）。一般而言，負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)主要是物料分布不均勻引起偏重而造成振動(dòng)，通過調(diào)整加料方法，均勻布料即可；其次，可能由于轉(zhuǎn)鼓時(shí)間過長(zhǎng)或遭受磕碰而引起變形，在使用過程中，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成的濾餅層的厚度就不可能均勻。可以預(yù)見，應(yīng)力集中區(qū)域是最容易出現(xiàn)疲勞裂紋的。

4 結(jié)束語

利用三維建模軟件Solid Works和有限元分析軟件ANSYS相結(jié)合，對(duì)離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行線性屈曲分析，建立合適的模型，選取合理的單元，設(shè)置正確的邊界約束條件，進(jìn)行有限元求解，得到的計(jì)算結(jié)果為隨后的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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