基于Solidworks的螺旋葉輪設計分析

2013-06-27 by:廣州Solidworks培訓中心來源:仿真在線

基于Solidworks的螺旋葉輪設計分析

一般機械產品的設計是先將產品以二維的形式表現(xiàn)出來,經過反復校核和修改,最后按照二維圖樣制造實際產品。該設計周期長、成本高,當產品制造出來后,會出現(xiàn)裝配不到位、無法安裝等問題,反復的修改也延長產品研制的周期,應用三維設計軟件Solidworks可以解決這些問題。Solidworks采用參數(shù)化三維設計,能夠了解產品的每一個細節(jié),利用其參數(shù)化設計使零件的設計、修改變得簡易。利用Solidworks軟件進行螺旋葉輪設計、裝配和干涉檢查,設計時間大大縮短。

1 工作原理與設計思路

1.1 工作原理

螺旋葉輪回轉時,在碎漿機簡體內部形成漿料湍流運動時需要消耗運轉功率。漿料湍流運動愈激烈,其消耗的運轉功率也愈大。漿流全部對流狀態(tài)的速度擴散取決于運動的漿料內部摩擦力與慣性力之間的相互作用。流體力學中表征湍流循環(huán)的特性物理量主要有:

碎漿的雷諾準數(shù)Re為作用在漿料上的力與漿料內部粘性拖曳力之比

式中:d為葉輪直徑(m),d=0.72;n為轉子轉速(r·min-1),n=14.13;ρ為漿料密度(單位體積漿料的質量)(kg·m-3),ρ=1000;μ為漿料粘度(Pa·S),μ=100.5×10-5。

經計算,Re=7.288×106>4000時,漿料流動類型為湍流

螺旋葉輪功率

式中:g為重力加速度(m·s-2),g=9.8。

通過因次分析得出

碎漿功率準數(shù)Nφ為含有計算的功率N代表作用于被分離漿料上的力

通過以上分析可以得出:在運動漿料中作用力(慣性力和內部摩擦力)之間的一定內在關系的準數(shù)——雷諾準數(shù)就是漿料循環(huán)狀態(tài)的主要控制因素。

1.2 螺旋葉輪設計思路

為了使中濃度碎漿機碎漿技術從10%-13%提高到16%-18%。根據ZDS系列中濃度碎漿機的使用實踐經驗,消化吸收意大利Maule公司、瑞士Cellwood Machirlary公司、美國Beloit公司及美國T.BC公司的中濃度碎漿技術,設計新型的中濃度碎漿機轉子。新型螺旋轉子具有以下特性:

(1)將轉子由輸送、泵送2個結構段改為誘導、輸送、泵送3個結構段,并適當減小轉子的離心循環(huán),增加漿料的中心吸力與循環(huán)推進力,有利于提高漿料的碎漿濃度。

(2)將3條螺旋線的螺旋升角縮小6%,在同樣轉速時提高螺旋轉子漿料輸送的壓力角6%,加強對漿料的摩擦、搓揉和循環(huán)強度。

(3)提高轉子的高度,增加誘導段,以提高碎漿機的處理量及對較高濃度漿料的中心吸引力。

(4)保留轉子泵送段與輸送段之間螺旋葉片的翼片齒,提高對漿料的疏解。

(5)根據碎漿機功率消耗與轉子直徑5次方、轉子轉速3次方成正比關系,而漿料的循環(huán)速率與轉子直徑平方、轉子轉速1次方成正比關系,將轉子直徑縮小20%,適當提高轉速,在達到一定循環(huán)速率的同時減小功率消耗。

根據以上轉子結構特性的分析,以ZDS22型5m3中濃度碎漿機作為樣機進行模擬試驗。

2 基于Solidworks的設計方法

Solidworks參數(shù)化設計直接從三維模型人手,省去設計過程中三維與二維之間的轉化.通過拉伸、旋轉、薄壁特征、抽殼、特征陣列以及打孔等拖放式操作改變其結構,最終完成整個產品(或零件)的設計。采用參數(shù)驅動的設計模式,修改相關的參數(shù)來完善設計方案,設計方案動態(tài)修改.通過任意旋轉或剖切對運動的零部件進行動態(tài)的干涉檢查和間隙檢測,發(fā)現(xiàn)問題立即修正,把“試制過程”放在設計階段,避免做成實物后才發(fā)現(xiàn)問題,提高了新產品的設計成功率。Solidworks只要輸入材質屬性(密度),即可直接輸出零部件的質量特性,如質量、體積、表面積、重心、慣性主軸和慣性矩、慣性張量等。

2.1 零件的建立

進入繪圖界面,選“前視面”開始繪制初步截面圖(圖1)。

經過旋轉實體、旋轉曲面、3條渦狀線轉換實體成草圖的邊線并組合成條連續(xù)曲線、通過放樣形成放樣曲面(圖2)。經過加厚形成單個葉片,通過圓周陣列j最終葉輪見圖3。

圖1 草圖

圖2 放樣曲面

圖3 葉輪實體

2.2 零件的裝配設計

Solidworks是以三維模型為基礎的CAD軟件。以仿真三維模型顯示零部件實體結構形狀及裝配關系。在裝配體中插入零部件共分4種:

(1)新零件指令為在組合件中產生新零件;

(2)新部合件指令為在裝配體中產生新次組合件;

(3)以(所選)零部件產生的組合件指令為將部件中的多個零件合成為新的次部件;

(4)來自文件指令為在裝配中置入導件或次部件.要將設計好的零件生成主軸裝配體,首先要建立一個新的裝配體文件,將裝配體中用到的零部件文件依次插入到裝配體文件中。

2.3 動態(tài)仿真與動態(tài)修改

零部件的裝配設計中,已建立了各零部件之間的約束關系,應用Solidworks提供的動態(tài)仿真功能,使零件或部件按約束條件進行運動,同時顯示產品中其它零件的運動情況,觀察有無干涉現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)問題及時糾正。Solidworks對設計方案可以動態(tài)修改,通討修改參數(shù)來改變零件尺寸及裝配體中的各零部件之間的特征形狀和尺寸關系,其余部分由系統(tǒng)進行自動調節(jié),使修改工作方便易行。經裝配仿真檢驗并修改好的裝配設計方案,應利用Solidworks的“爆炸”功能,設計適當?shù)谋ㄒ暯?、爆炸方向和爆炸距離,生成軸測分解圖,重新設定各零部件的相對位置,顯示其結構和相互間的裝配關系。

3 試驗

根據以上轉子結構特性的分析,以ZDS22型5m3中濃度碎漿機作為樣機進行模擬試驗。轉子結構尺寸、性能參見表1。

表1 新型螺旋形轉子在5m3中濃度碎漿機中運轉

通過試驗,新型螺旋形轉子處理書籍、雜志紙、新聞報紙及混合廢紙每噸漿的耗電指標為16kW·h-1,比原轉子節(jié)省15%。同規(guī)格槽體的碎漿量提高10%-15%.碎漿時間從25min縮短到20min,增加生產能力20%,新型轉子將碎漿濃度從10%-13%提高到16%。中濃度碎漿機碎漿濃度達到16%-18%。

4 結論

根據以上應用Solidworks軟件對葉輪進行設計分析,以ZDS22型5m3中濃度碎漿機作為樣機進行模擬試驗,達到了設計要求。這種設計方式加速新技術向產品轉化的開發(fā)、研制與使用過程,并通過動態(tài)仿真與動態(tài)修改技術來降低制造技術風險,提高產品質量,縮短研制周期,降低成本,增強企業(yè)競爭力。

開放分享：優(yōu)質有限元技術文章,助你自學成才