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改性瀝青膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析及整機(jī)考核試驗(yàn)

2016-01-04 18:28霍尚斌
關(guān)鍵詞:有限元分析

霍尚斌

摘要:對膠體磨核心機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),并進(jìn)行力學(xué)和有限元分析及優(yōu)化,在此基礎(chǔ)上加工出膠體磨整機(jī),并對其進(jìn)行了試驗(yàn)及工業(yè)考核。分析表明:該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常,各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定,膠體磨的剪切能力良好,能達(dá)到生產(chǎn)產(chǎn)量要求且成品的剪切效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞:膠體磨;轉(zhuǎn)子力學(xué);有限元分析;試驗(yàn)及考核

中圖分類號:U415.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

Abstract: As a key part of the colloid mill, the rotor system was designed, and the mechanics and finite element analysis and optimization were carried out, based on which a colloid mill was manufactured and tested in industry. The results show that the colloid mill functions normally. The favorable shear capability meets the production requirements.

Key words: colloid mill; rotor mechanics; finite element analysis; test and evaluation

0 引 言

目前,國內(nèi)外高等級公路面層絕大部分是瀝青混凝土,而在高溫狀態(tài)下瀝青容易老化,在低溫狀態(tài)下瀝青又容易發(fā)生脆裂[1]。使用改性劑可改善瀝青的使用性能,但其制作需要先進(jìn)的工藝和設(shè)備,而膠體磨就是這種專用設(shè)備的核心部件[2]。

目前國產(chǎn)的膠體磨難以實(shí)現(xiàn)一次性剪切就完成改性瀝青的制作,需進(jìn)行2~3次研磨,而且設(shè)備整體結(jié)構(gòu)尺寸大,生產(chǎn)工藝復(fù)雜,操作難度大,且生產(chǎn)成本高。

本文提出的膠體磨設(shè)計(jì)方案是在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的情況下,通過轉(zhuǎn)子與定子梳狀齒間產(chǎn)生剪切作用,將改性瀝青粉碎、細(xì)化,生產(chǎn)效率高、成本低且精度較高。但由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速極高,所以必須對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力學(xué)性能及變形情況進(jìn)行分析,以確保設(shè)備的可靠性。

1 膠體磨結(jié)構(gòu)

膠體磨由磨機(jī)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成,整機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

內(nèi)嚙合的定子和轉(zhuǎn)子是膠體磨的核心結(jié)構(gòu),定子和轉(zhuǎn)子有數(shù)百個多級刀齒,膠體磨通過轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn),使得改性瀝青在膠體磨內(nèi)經(jīng)過多種方式的剪切,運(yùn)動方向和運(yùn)動速度不斷發(fā)生變化,舊分子鏈斷裂并重新構(gòu)建分子鏈,從而達(dá)到一次剪切制作改性瀝青的目的[4]。

1.1 動盤機(jī)構(gòu)

國內(nèi)外的膠體磨目前都采用高轉(zhuǎn)速,但是轉(zhuǎn)速的提高會受到汽蝕性能的限制。因此提高轉(zhuǎn)速需要通過增加誘導(dǎo)輪、加大膠體磨的入口直徑或采用抗汽蝕能力強(qiáng)的材料等方式來實(shí)現(xiàn)。綜上所述,確定動盤的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其結(jié)構(gòu)為懸掛式加誘導(dǎo)輪。

1.2 膠體磨的外形及基本參數(shù)

膠體磨外形結(jié)構(gòu)如圖3所示,采用水平吸入、垂直輸出的方式。驅(qū)動電機(jī)通過聯(lián)軸器與膠體磨機(jī)連接并固定于同一底座。電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1,功率為90 kW。根據(jù)磨機(jī)產(chǎn)量與泵的流量、流速等條件的關(guān)系,同時考慮瀝青粘度等各方面性能的影響,膠體磨吸入口管徑選擇100 mm,同時考慮到泵體較大和壓力較高,膠體磨的出口管徑選擇80 mm。

2 膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)力學(xué)分析

膠體磨的核心結(jié)構(gòu)是內(nèi)嚙合的定子和轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子有數(shù)百個多級刀齒,通過轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),完成改性瀝青的制作。由于轉(zhuǎn)速極高,所以必須考慮轉(zhuǎn)子的受力情況,同時需要考慮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動特性,以確保操作安全。

2.1 受力分析

為了分析轉(zhuǎn)子的受力情況,建立膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力學(xué)模型,如圖4所示。設(shè)AB段軸的質(zhì)量為Ma,BC段軸的質(zhì)量為Mb,轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為Mc,而q1、q2在數(shù)值上分別等于AB段和BC段軸單位長度的質(zhì)量。根據(jù)材料力學(xué),計(jì)算出膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)AB段和BC段的撓度fAB、fBC和轉(zhuǎn)角θB。

通過對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)力學(xué)模型的分析,可以得出定轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)應(yīng)力與臨界轉(zhuǎn)速。對于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言,臨界轉(zhuǎn)速即其一階頻率,可為后面的理論分析打下基礎(chǔ)。

2.2 約束條件

由于膠體磨在工作過程中轉(zhuǎn)速極高,所以設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)子的應(yīng)力、變形及振動等性能。根據(jù)2.1部分的分析結(jié)果,轉(zhuǎn)子的約束條件分位移約束條件和應(yīng)力約束條件。

2.2.1 位移約束條件

對于工作中的轉(zhuǎn)子而言,轉(zhuǎn)子最外圈刀齒頂點(diǎn)的徑向位移最大,該位移由4部分組成:梳狀齒的彎曲變形;梳狀齒的離心力向底盤中心簡化而引起的彎曲位移;所有刀齒離心力向底盤中心簡化引起的底盤徑向位移;底盤在離心力作用下的徑向位移[5]。工作中,這4部分的位移疊加應(yīng)小于最外圈刀齒齒頂允許的徑向位移。

2.2.2 應(yīng)力約束條件

對于工作中的轉(zhuǎn)子而言,最外圈齒根部和內(nèi)圈固定處在理論上應(yīng)力最大,因此應(yīng)力約束條件需考慮最外圈刀齒彎曲應(yīng)力、內(nèi)圈固定邊處彎曲應(yīng)力及組合應(yīng)力[6]。

(1) 最外圈刀齒受到最大離心力引起的彎曲應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力。

(2) 內(nèi)圈固定邊處的彎曲應(yīng)力(內(nèi)圈固定邊受到的總彎矩引起的應(yīng)力)應(yīng)小于許用應(yīng)力。

(3) 外圈邊緣的組合應(yīng)力(外圈邊緣處總彎矩在底盤上產(chǎn)生的周向拉應(yīng)力及該處由刀齒作用于底盤的壓應(yīng)力之和)應(yīng)小于許用應(yīng)力。

3 膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元分析

膠體磨系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子在離心力作用下易變形與定子發(fā)生碰撞,設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮其變形、應(yīng)力、振動等,而有限元分析是得到上述技術(shù)參數(shù)最有效的方法。本文對轉(zhuǎn)子進(jìn)行了靜態(tài)和模態(tài)有限元分析。endprint

3.1 轉(zhuǎn)子靜態(tài)的有限元分析

由于轉(zhuǎn)子固定在軸上并隨軸一起轉(zhuǎn)動,工作時主要受到高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力,有限元分析時應(yīng)在轉(zhuǎn)子孔周圍加入其與軸間的固定約束,并且加載轉(zhuǎn)動運(yùn)動,分析結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出,膠體磨轉(zhuǎn)子最外圈刀齒頂端的徑向位移最大,為0.007 121 mm。該位移由齒根的徑向位移與轉(zhuǎn)角以及刀齒本身撓度共同形成。同時,基本上每圈刀齒都有變形位移,而定子在安裝時的間隙需要大于轉(zhuǎn)子最大徑向位移,所以在實(shí)際設(shè)計(jì)時應(yīng)對齒頂進(jìn)行倒角,以預(yù)防可能出現(xiàn)的碰撞問題。

從圖5中的應(yīng)力應(yīng)變分布圖可以看出,轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時,應(yīng)力最大值發(fā)生在第一圈齒的齒根處,應(yīng)力值為2535 MPa,同時轉(zhuǎn)子內(nèi)孔邊緣處應(yīng)力值也較大。為防止應(yīng)力集中,轉(zhuǎn)子齒根部與底盤連接處設(shè)計(jì)時采用圓弧過度,轉(zhuǎn)子內(nèi)孔邊緣設(shè)置圓角。

3.2 轉(zhuǎn)子模態(tài)有限元分析

膠體磨工作時,會產(chǎn)生高頻激振力,為避免共振,需對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)有限元分析,以準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子的振動模態(tài)。通過分析,得出轉(zhuǎn)子的模態(tài)頻率,見表1,與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)子模態(tài)分析結(jié)果如圖6所示。

一階振動固有頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。根據(jù)表中數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)速公式,計(jì)算出轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為89 920 r·min-1。轉(zhuǎn)子以3 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的激振力頻率為3 600 Hz。轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于工作轉(zhuǎn)速,且轉(zhuǎn)子固有頻率遠(yuǎn)小于激振力頻率,所以膠體磨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)不會產(chǎn)生共振。

4 膠體磨整機(jī)試驗(yàn)、運(yùn)行及考核應(yīng)用

通過對關(guān)鍵零部件分析、優(yōu)化及冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等設(shè)計(jì),完成了膠體磨整機(jī)的設(shè)計(jì)加工。通過室內(nèi)試驗(yàn)和工業(yè)考核試驗(yàn)對膠體磨的整機(jī)性能進(jìn)行性能測試和考核。

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)

(1) 冷卻系統(tǒng)氣密試驗(yàn)時封閉出水口,自進(jìn)水口通入03 MPa的壓縮空氣;切斷氣源后保持2 min,壓力降不大于003 MPa。

(2) 檢查轉(zhuǎn)齒運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

(3) 通過手動檢查,保證間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)無阻滯。

(4) 從進(jìn)料斗加入帶防銹液的清水,在額定轉(zhuǎn)速下保持5 min,不得有異常聲音和滲漏,出料口和循環(huán)管路應(yīng)暢通無阻。

(5) 粉碎型產(chǎn)品粉碎物料的粒度,要求粒徑不大于5 μm的顆粒數(shù)占全部顆粒數(shù)的百分比應(yīng)不小于80%。

(6) 乳化型產(chǎn)品中的乳化物料的粒度要求為粒徑不大于5 μm的顆粒數(shù)占全部顆粒數(shù)的百分比應(yīng)不小于85%。

(7) 產(chǎn)品外觀應(yīng)無碰傷、漆面剝落、銹蝕等缺陷。

4.2 工業(yè)考核

在完成改性瀝青膠體磨的室內(nèi)試驗(yàn)和成套設(shè)備樣機(jī)的生產(chǎn)后,進(jìn)入工業(yè)考核程序。工業(yè)考核在改性瀝青料場進(jìn)行。

按照一次剪切生產(chǎn)改性瀝青的要求,對改性瀝青膠體磨的正常運(yùn)行狀況進(jìn)行了為期一個月的運(yùn)行考核。對膠體磨運(yùn)行時磨機(jī)工作電流、瀝青腔壓力、冷卻水腔壓力、潤滑油腔壓力、瀝青腔溫度、冷卻水腔溫度、潤滑油腔溫度等性能參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測,監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

數(shù)據(jù)分析表明,在考核時間內(nèi)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常,各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定,偏離值都在允許范圍內(nèi),設(shè)備的剪切能力良好,磨機(jī)拖動電流平穩(wěn),瀝青腔體壓力穩(wěn)定,變化幅度極小。油潤滑和水冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)良好,保障了改性瀝青膠體磨的穩(wěn)定運(yùn)行,最大生產(chǎn)率達(dá)到44 t·h-1,成品的剪切效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié) 語

(1) 膠體磨整體結(jié)構(gòu)合理,整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常、運(yùn)行

穩(wěn)定,改性瀝青生產(chǎn)產(chǎn)量大且剪切效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),解決了改性瀝青細(xì)度不夠、改性劑顆粒大、分布不均勻等技術(shù)難題。

(2) 經(jīng)過本膠體磨的高速剪切作用,生產(chǎn)出的改性瀝青性能優(yōu)良,可大大提高公路的使用壽命。

(3) 本膠體磨能夠有效降低生產(chǎn)能耗,減少廢氣排放,工作噪音低、運(yùn)行平穩(wěn),無污染,達(dá)到了資源節(jié)約、環(huán)境友好的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。

參考文獻(xiàn):

[1] 王志廷,靳長征,韓憲鎖,等.瀝青加熱技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,1999.

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[5] 許其峰,浦廣益,張愉恩,等.剪切均質(zhì)設(shè)備高速轉(zhuǎn)子的變形與可靠性分析[J].江南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,5(6):705-707.

[6] 張 勇.新型高剪切均質(zhì)機(jī)的理論分析與設(shè)計(jì)[D].南京:東南大學(xué).2006.

[責(zé)任編輯:杜衛(wèi)華]endprint

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