徐 鵬,趙理志,吳建軍,丁 毅,田宇琦,詹 遠(yuǎn),侯天柱

(1.海裝沈陽(yáng)局駐大連地區(qū)第一軍事代表室,遼寧 大連 116000) (2.中交煙臺(tái)環(huán)保疏浚有限公司,山東 煙臺(tái) 264000) (3.中交(天津)疏浚工程有限公司,天津 300451) (4.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所,上海 201108)

碟式分離機(jī)基于重力沉降槽發(fā)展而來(lái),利用離心作用下混合液中具有不同密度,互不相溶的輕、重液相和固體具有不同沉降速度的原理,達(dá)到分離分層或使固體顆粒沉降的目的[1],具有結(jié)構(gòu)緊湊、分離效率高、自動(dòng)化程度高、連續(xù)作業(yè)能力強(qiáng)的特點(diǎn),在食品加工、醫(yī)藥工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)等行業(yè)被廣泛地應(yīng)用[2-3]。

為實(shí)現(xiàn)大的分離因數(shù),碟式分離機(jī)常設(shè)計(jì)較高的工作轉(zhuǎn)速。當(dāng)工作轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為柔性轉(zhuǎn)子,其動(dòng)力學(xué)特性對(duì)系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定地工作至關(guān)重要[4-6]?，F(xiàn)有研究表明:當(dāng)工作轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí),系統(tǒng)容易產(chǎn)生共振,嚴(yán)重時(shí)可能引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞。改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支承條件,可直接影響系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速,同時(shí)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)產(chǎn)生影響[7-10]。

碟式分離機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接相關(guān),本文利用DyRoBeS軟件建立某型碟式分離機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型,在此基礎(chǔ)上探究不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)碟式分離機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的影響,為碟式分離機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

簡(jiǎn)化后的某型碟式分離機(jī)的高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。整體采用懸浮支承結(jié)構(gòu),上端由深溝球軸承支承,下端由雙列調(diào)心滾子軸承支承。深溝球軸承周?chē)加?個(gè)復(fù)合彈簧,即沿x向、y向在軸承兩端各布置一個(gè)復(fù)合彈簧,在工作過(guò)程中,復(fù)合彈簧與深溝球軸承之間始終有預(yù)壓力,不會(huì)脫離。調(diào)心滾子軸承上方有恒力作用,作用方向?yàn)閤向或y向。轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)充滿(mǎn)液體,視為一個(gè)整體,不考慮內(nèi)部液體的影響。主軸及轉(zhuǎn)鼓體材料均為雙相不銹鋼,牌號(hào)為00Cr22Ni5Mo3N。

圖1 碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

1.2 DyRoBeS模型

在DyRoBeS中根據(jù)其建模規(guī)則,建立某型碟式分離機(jī)的高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)基礎(chǔ)模型,如圖2所示。上端深溝球軸承位于節(jié)點(diǎn)9處,下端調(diào)心滾子軸承位于節(jié)點(diǎn)3處,根據(jù)軸承的具體型號(hào)計(jì)算對(duì)應(yīng)軸承剛度,在一定的受力范圍內(nèi),非線性的滾動(dòng)軸承剛度變化不大,可簡(jiǎn)化軸承的剛度為定值。復(fù)合彈簧一端與節(jié)點(diǎn)9連接,另一端固定,設(shè)置復(fù)合彈簧剛度值。恒力作用于節(jié)點(diǎn)6處,不平衡力作用于節(jié)點(diǎn)13與節(jié)點(diǎn)15處。z向設(shè)置有重力加速度g。

圖2 碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)DyRoBeS模型

2 工況設(shè)置

本文著重研究碟式分離機(jī)動(dòng)力學(xué)特性隨支承剛度、支承跨距、懸臂長(zhǎng)度的變化規(guī)律,針對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)均設(shè)置有5個(gè)工況點(diǎn),通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析,了解相應(yīng)參數(shù)變化時(shí)動(dòng)力學(xué)特性的變化趨勢(shì)。各工況設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)設(shè)置表

3 結(jié)果分析

本文探究的碟式分離機(jī)動(dòng)力學(xué)特性主要包括3個(gè)方面,分別為軸系臨界轉(zhuǎn)速、軸系不平衡響應(yīng)以及軸系應(yīng)力。

轉(zhuǎn)鼓處的振幅大小直接關(guān)系到碟式分離機(jī)的性能,故選取轉(zhuǎn)鼓質(zhì)心處節(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn),考察各參數(shù)變化對(duì)軸系不平衡響應(yīng)的影響。

根據(jù)DyRoBeS的仿真結(jié)果,碟式分離機(jī)軸系的主要模態(tài)彎曲應(yīng)力集中在上支承對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處,而模態(tài)剪切應(yīng)力集中在下支承對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處,選取對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn),考察各參數(shù)變化對(duì)軸系應(yīng)力的影響。

3.1 支承剛度對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響

改變支承剛度,即改變復(fù)合彈簧的剛度,保持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,進(jìn)行碟式分離機(jī)軸系臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)及應(yīng)力的計(jì)算。

3.1.1支承剛度對(duì)軸系臨界轉(zhuǎn)速的影響

碟式分離機(jī)的上支承采用4個(gè)復(fù)合彈簧的撓性支承結(jié)構(gòu),降低了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度,不同支承剛度下,DyRoBeS模型計(jì)算的對(duì)應(yīng)一階臨界轉(zhuǎn)速如圖3所示?？梢钥闯?碟式分離機(jī)軸系的一階臨界轉(zhuǎn)速隨支承剛度的增加而增大。當(dāng)復(fù)合彈簧剛度由3 086 000 N/m增加到5 000 000 N/m時(shí),臨界轉(zhuǎn)速由1 244 r/min上升至1 540 r/min,上升幅度明顯。

圖3 支承剛度對(duì)臨界轉(zhuǎn)速的影響曲線 圖4 支承剛度對(duì)不平衡響應(yīng)的影響曲線 圖5 支承剛度對(duì)應(yīng)力的影響曲線

3.1.2支承剛度對(duì)軸系不平衡響應(yīng)的影響

不同支承剛度下,DyRoBeS模型計(jì)算的參考點(diǎn)處不平衡響應(yīng)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?不同支承剛度對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線均有一個(gè)明顯的峰值,其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速即為臨界轉(zhuǎn)速,圖4反映出的支承剛度對(duì)軸系一階臨界轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律與前文一致。同時(shí),隨著支承剛度的增加,軸系不平衡響應(yīng)的峰值也逐漸增大。

3.1.3支承剛度對(duì)軸系應(yīng)力的影響

不同支承剛度下,DyRoBeS模型計(jì)算的軸系應(yīng)力結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?軸系的彎曲與剪切應(yīng)力均隨支承剛度的增加而增大,應(yīng)力總體水平較低,主要受到彎曲應(yīng)力的影響。

3.2 支承跨距對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響

改變兩支承間的距離,保持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,進(jìn)行碟式分離機(jī)軸系臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)及應(yīng)力的計(jì)算。

3.2.1支承跨距對(duì)軸系臨界轉(zhuǎn)速的影響

不同支承跨距下,DyRoBeS模型計(jì)算的對(duì)應(yīng)一階臨界轉(zhuǎn)速如圖6所示?？梢钥闯?隨著支承跨距的增加,一階臨界轉(zhuǎn)速增大。碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為懸臂結(jié)構(gòu),增加支承跨距,縮短了懸臂長(zhǎng)度,軸系整體的剛度增加,引起臨界轉(zhuǎn)速的上升。

圖6 支承跨距對(duì)臨界轉(zhuǎn)速的影響曲線 圖7 支承跨距對(duì)不平衡響應(yīng)的影響曲線 圖8 支承跨距對(duì)應(yīng)力的影響曲線

3.2.2支承跨距對(duì)軸系不平衡響應(yīng)的影響

不同支承跨距下,DyRoBeS模型計(jì)算的參考點(diǎn)處不平衡響應(yīng)結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?增加支承跨距,對(duì)應(yīng)不平衡響應(yīng)曲線的峰值向右移動(dòng),峰值也隨之降低,這是增加支承跨距使軸系整體剛度增大的結(jié)果。

3.2.3支承跨距對(duì)軸系應(yīng)力的影響

不同支承跨距下,DyRoBeS模型計(jì)算的軸系應(yīng)力結(jié)果如圖8所示。可以看出,軸系應(yīng)力隨支承跨距的增加而增大,主要受彎曲應(yīng)力的影響,應(yīng)力總體水平較低。

3.3 懸臂長(zhǎng)度對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響

改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)鼓體的懸臂長(zhǎng)度,保持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,進(jìn)行碟式分離機(jī)軸系臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)及應(yīng)力的計(jì)算。

3.3.1懸臂長(zhǎng)度對(duì)軸系臨界轉(zhuǎn)速的影響

不同懸臂長(zhǎng)度下,DyRoBeS模型計(jì)算的對(duì)應(yīng)一階臨界轉(zhuǎn)速如圖9所示?？梢钥闯?隨著懸臂長(zhǎng)度的增加,一階臨界轉(zhuǎn)速降低。分析可知,懸臂長(zhǎng)度增加使軸系整體剛度減弱,導(dǎo)致一階臨界轉(zhuǎn)速降低[11]。

圖9 懸臂長(zhǎng)度對(duì)臨界轉(zhuǎn)速的影響曲線 圖10 懸臂長(zhǎng)度對(duì)不平衡響應(yīng)的影響曲線 圖11 懸臂長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力的影響曲線

3.3.2懸臂長(zhǎng)度對(duì)軸系不平衡響應(yīng)的影響

不同懸臂長(zhǎng)度下,DyRoBeS模型計(jì)算的參考點(diǎn)處不平衡響應(yīng)結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?隨著懸臂長(zhǎng)度的增加,軸系的不平衡響應(yīng)峰值向左移動(dòng),峰值也隨之增大,這與增加懸臂長(zhǎng)度使軸系整體剛度降低造成的影響相吻合。

3.3.3懸臂長(zhǎng)度對(duì)軸系應(yīng)力的影響

不同懸臂長(zhǎng)度下,DyRoBeS模型計(jì)算的軸系應(yīng)力結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?軸系的應(yīng)力分布隨著懸臂長(zhǎng)度的增加而增大,軸系的應(yīng)力主要為彎曲應(yīng)力,總體的應(yīng)力較小。

4 結(jié)論

本文以某型碟式分離機(jī)為對(duì)象,基于DyRoBeS建立其高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)分析模型,用控制變量法研究支承剛度、支承跨距、懸臂長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)碟式分離機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的影響,結(jié)論如下:

1)碟式分離機(jī)的一階臨界轉(zhuǎn)速隨支承剛度、支承跨距的增加而增大,隨懸臂長(zhǎng)度的增加而減小。

2)碟式分離機(jī)的不平衡響應(yīng)峰值隨支承剛度、懸臂長(zhǎng)度的增加而增大,隨支承跨距的增加而減小;峰值對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速隨支承剛度、支承跨距的增加而升高,隨懸臂長(zhǎng)度的增加而降低。

3)碟式分離機(jī)的軸系應(yīng)力隨支承剛度、支承跨距及懸臂長(zhǎng)度的增加均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),但軸系整體的應(yīng)力水平較低。

在進(jìn)行碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),可通過(guò)調(diào)整支承剛度、支承跨距及懸臂長(zhǎng)度等參數(shù),得到合理的軸系臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)和應(yīng)力。