船用碟式分离机摇摆试验有限元分析

船用碟式分离机摇摆试验有限元分析 第28卷第4期 2011年08月 江苏船舶 JIANGSUSHIP V01.28No.4 Aug.2011 船用碟式分离机摇摆试验有限元分析 王洪琪,李邦,刘峰军 (南京中船绿洲机器有限公司,江苏南京210039) 摘要:针对船用碟式分离机摇摆试验进行转鼓一立轴系动态特性研究.通过建立船 用碟式分离机转鼓一立轴 系有限元模型,利用有限元法计算分析了惯性载荷在摇摆试验过程对立轴系的影 响.现场实验验证,惯性载荷 对船用碟式分离机立轴系动态特性的影响是不可忽略的. 关键词:船用碟式分离机;摇摆试验;陀螺力矩;有限元;转子动力学 中图分类号:U664.56文献标识码:A U引旨 碟式分离机是一种高效率的分离机械,利用离 心分离原理实现液一液,液一固,液一液一固分离, 具有分离因数比一般分离机械高的优点,根据用途 大致分为船用碟式分离机和陆用碟式分离机两大 类.船用碟式分离机与陆用碟式分离机相比,既要 满足运行可靠,又要考虑船舶自身的倾斜,摇摆,这 就要求船用碟式分离机必须具备在一定摇摆条件下 正常工作的能力. 摇摆试验是船用碟式分离机一项很重要的形式 试验,而船用碟式分离机的转子动力学分析是摇摆 试验能否成功的基础,这种分析能够准确计算出立 轴系(转子)偏转情况,这直接关系到船用碟式分离 机是否满足"上船"的条件.本文提出了一种利用 有限元计算软件ANSYS进行船用碟式分离机立轴 系动力学计算的方法.通过对船用碟式分离机转 鼓一立轴系进行适当简化,并利用ANSYS软件建立 转鼓一立轴系的有限元分析模型,施加相应的载荷 和约束,然后再进行柔性动力学分析,最后分析转 鼓一立轴系的变形图,从而确定支承刚度是否满足 要求. 1理论分析 船舶在航行过程中会以一定的周期和幅值摇 摆,安装于船舶上的船用碟式分离机将与船舶同步 收稿日期:2011—03—10 作者简介:王洪琪(1969一),男,南京雨花区政协委员,研究员级高 级工程师,主要从事船舶机械设计和管理工作;李邦(1982一),男, 工程师,主要从事船舶机械设计工作;刘峰军(1953一),男,副总工 程师,主要从事工程材料运用研究工作. 摇摆,船用碟式分离机转鼓一立轴系将受到由于摇 摆引起的惯性载荷的作用,因此,需要对船用碟式分 离机转鼓一立轴系进行瞬态动力学分析.瞬态动力 学可以用于分析确定结构在稳态载荷,瞬态载荷及 简谐载荷作用下随时间变化的位移,应变,应力及 力.下面简单介绍瞬态动力学基本运动方程及AN— SYS瞬态动力学方程(旋转坐标系和固定坐标系): 瞬态动力学的基本运动方程: []{}+[c]{}+[K]{}={F}(1) 式中:[M]为质量矩阵;[c]为阻尼矩阵;[K]为刚 度矩阵;{F}为载荷;{}为节点加速度矢量;{五}为 节点速度矢量;{}为节点位移矢量. 在旋转坐标系下,ANSYS瞬态动力学方程: []{越}+([G]+[c]){u}+([K]一[K])? {}={F}(2) 式中:[G]为科氏效应矩阵;[]为旋转软化效应 刚度矩阵. 在固定坐标系下,ANSYS瞬态动力学方程: []{越}+([G]+[C]){}+[K]{"}={F} (3) 式中:[G]为陀螺效应矩. 在ANSYS瞬态动力学中,可以通过相关的命令 来考虑陀螺效应,惯性载荷,阻尼的影响.通过分 析,可以利用ANSYS软件进行转鼓一立轴系动力学 分析,能够考虑惯性载荷和阻尼力对转鼓一立轴系 动态特性的影响. 2计算分析 2.1转鼓一立轴系简化模型 船用碟式分离机主要包括两大部分,即传动部 分和转鼓部分,通过齿轮或皮带传动将动力传递到 10江苏船舶第28卷 立轴系;通过锥面配合将转鼓和立轴连接起来,两者 同步转动;缓冲器座固定在机座上,缓冲器座内有6 只均布的弹簧,通过支承套筒作用于立轴系的上轴 承,用于吸收转鼓等高速旋转时所产生的径向振动; 立轴的下轴承铰接在机座上.为了分析转鼓一立轴 系动态特性,根据船用碟式分离机结构特点,建立转 鼓一立轴系简化模型.转鼓一立轴系简化模型图如 图1所示 ——7 L广 , 八七 t ,'7一 图1转鼓一立轴系简化模型图 2.2转鼓一立轴系摇摆试验有限元计算模型 按照转鼓一立轴系简化模型在Pro/E软件中建 立转鼓和立轴三维模型.其中,由于转鼓是多个零 件组成的部件,可以将其简化成质量,质心位置及转 动惯量一致的实心体模型,然后将三维模型导人 ANSYSWorkbench软件,在ANSYSWorkbench软件 环境中,对转鼓和立轴划分网格,然后在DesignSim— ulation环境下,定义材料属性,施加载荷和约束,添 加结果并求解,再查看分析结果.由于船用碟式分 离机的转速远超过一阶临界转速,因此,转鼓和立轴 需要作为柔性体(flexible)分析,且必须考虑惯性力 作用,故采取柔性动力学分析(flexibledynamic). 下面详细介绍如何施加载荷和约束: 施加的载荷主要包括重力,皮带拉力,支承力, 偏心载荷,离心力,科氏效应,摇摆产生的惯性载荷 如图2转鼓一立轴系载荷和边界条件所示.转鼓一 立轴系的重力可以通过standardearthgravity实现; 陀螺力矩在柔性动力学旋转坐标系中可以通过CO- RIOLIS,OMEGA和旋转软化效应实现;离心力可以 通过添加旋转角速度rotationalvelocity实现;转鼓不 平衡偏心载荷通过remoteforce功能实现,偏心载荷 F可以通过公式计算F=me~Al(其中,e为按G6.3 级动平衡的转鼓偏心矩,m为转鼓质量,为旋转角 速度,为偏心载荷),而且转鼓不平衡偏心载荷方 向是随立轴系同步转动的,可以在EngineeringDate 功能中将偏心载荷分解两个方向的分力,在remote force中分别添加两个方向的分力来实现. 50加 图2转鼓一立轴系载荷和边界条件 摇摆过程采用余弦角速度曲线来模拟,用于模 拟摇摆惯性载荷,可以在ANSYSWorkbench的En— gineeringDate中添加余弦速度曲线.下面详细介绍 如何确定摇摆角速度曲线: 摇摆试验台具体技术参数: 3 横摇角度:=?Obisin(t);'J 3 纵摇角度:.=.sin(t)(4) 式中:.分别为横摇,纵摇各次谐波的幅值,.; 为各次谐波的角频率,./s;t为时间,s. 现以高档船型的横摇为例进行分析,其中横摇 周期为l0,12S,横摇幅值为?22.5.,横摇角度可 以利用公式(5)计算,横摇角度可以采用时间一角 度曲线来示,横摇角度曲线图如图3所示;横摇角 速度可以利用公式(6)计算,横摇角速度采用时 间一角速度曲线来表示,横摇角速度曲线图如图4 所示. /',,\/ /.\/\/ \../ 2.557.510 Tim~/s 图3横摇角度曲线图 横摇角度: 第4期王洪琪等:船用碟式分离机摇摆试验有限元分析11 06=2osin(Wt)=061sin(W1t)+62sin(Wt)+ 63sin(W3t)=sin(35.999998t)+19.5? sin(38.999995t)+2sin(41.999995t)(5) 式中:00,0.分别为横摇1,2,3次谐波的幅 值,.;w,w.分别为横摇1,2,3次谐波的角频 率,./s;0为横摇角度,.. 横摇角速度: = d0b - ~WilOblCOS(,)+c.s()+ W3063COS(W3t)=35.999998cos(35.999998t)+ 760.4999025cos(38.999995?)+83.99999? COS(41.999995t)(6) 式中:W为横摇角速度,./s. 约束主要包括:无摩擦支承和弹性支承.无摩 擦支承用于模拟下部径向球面滑动轴承,保证立轴 系具有3个转动自由度;弹性支承用于模拟缓冲器 座中的6只均布弹簧,弹性支承刚度值可以通过单 个弹簧刚度和接触面积换算得到. 2.3计算结果分析 本文主要研究了支承刚度在摇摆试验时对转 鼓一立轴系动态特性的影响.样机原设计的支承刚 度为250N/ram,在考虑摇摆惯性载荷的情况下,即 添加横摇角速度,通过ANSYS有限元计算,可以知 道转鼓一立轴系绕定点偏转角度约0.9.,转鼓的最 大偏转位移约12mm,这将与向心泵,机盖等静止零 件碰擦,远超出设计允许偏转位移3mm,转鼓一立 轴系变形图如图5所示;在不考虑摇摆惯性载荷的 情况下,转鼓一立轴系绕定点偏转角度约0.3.,转 鼓的最大偏转位移约2.9mm,小于设计允许偏转位 移3mm,转鼓一立轴系与向心泵,机盖等静止零件 不碰擦,转鼓一立轴系变形图见图6.经过优化分 析,将支承刚度由250N/ram调整为1550N/mm, 并考虑摇摆惯性载荷的作用,通过ANSYS有限元计 算,转鼓一立轴系绕定点偏转角度约0.3.,转鼓的 最大偏转位移约2.2mm,小于设计允许偏转位移3 mm,与向心泵,机盖等静止零件不存在碰擦,符合设 计要求,转鼓一立轴系变形图如图7所示. 3试验 按照GB/T5745—2010(船用碟式分离机》进行 倾斜,摇摆试验,倾斜试验与摇摆试验主要的区别在 于摇摆试验台是否摇摆.试验时,船用碟式分离机 在额定转速下运行,通人一定量的清洁淡水,各状态 的试验时间不少于15min,在下述摇摆条件下应能 正常运行,旋转零件与静止零件不应碰擦: ?横倾?15.;?纵倾?5.;?横摇?22.5.,周 期10,12S;?纵摇?7.5.,周期10,12S. . ._[== 哪 '0OO0 图5转鼓一立轴系变形图(位移12mm) n ———亡==:兰当.锶榔嘴 1oooo 图6转鼓一立轴系变形图(位移2.9mm) 图7转鼓一立轴系变形图(位移2.2ram) 样机原设计的支承刚度为250N/mm,在倾斜 试验时,纵倾,横倾(?15.)均无碰擦现象;在摇摆 试验过程中,当摇摆超过?12.5.时,分离机发生碰 擦;当摇摆达到?22.o时,分离机发生严重碰擦,拆 机检查发现转鼓与机盖发生碰擦.经过测量,转鼓 的最大偏转位移约11mm,试验情况与ANSYS分析 结果基本接近.经过优化设计后把支承弹簧刚度增 加到1550N/mm,再次进行倾斜,摇摆试验,没有发 生任何碰擦现象,这与ANSYS分析结果相吻合. 12江苏船舶第28卷 4结论 综上所述,在支承刚度为250N/mm时,倾斜试 验?15.合格,摇摆试验超过?12.5.不合格.通过 分析可以知道,倾斜试验与摇摆试验主要的区别在 于摇摆试验时多了摇摆惯性载荷,这说明摇摆惯性 载荷在船用碟式分离机转鼓一立轴系动态特性分析 中必须考虑. 通过试验验证,利用有限元法可以进行船用碟 式分离机摇摆分析.在分析过程中,首先建立AN. SYS有限元模型,再施加相应的载荷(包括摇摆惯性 载荷)和约束,然后经过求解计算可以有效分析转 鼓一立轴系动态特性,试验验证这种分析方法对船 用碟式分离机支承刚度的优化设计具有很好的指导 意义. 参考文献: [1]贺世正,王东辉,杨健,蔡伯春,赵关忠.陀螺效应对碟式分离 机立轴系统动态特性的影响分析[J].流体机械,2004,32(10):18, 21. [2]王永岩.理论力学[M].北京:煤炭工业出版社,1997. [3]李学忠,黄守训,林其生,胡柯,罗学惠.船用摇摆试验台建模 和控制系统设计[J].电气传动,2006,36(11):11—15. 《江苏船~j,q))2012年征订启事 《江苏船舶》杂志是目前国内销量最大的船舶技术类杂志之一,面向国内外公开发行.主要内容包括: 内河及海洋船舶,渔船,高性能船,高速船,玻璃钢船,工程船,船舶检验,船用设备及新材料介绍,各种设计与 报价的实用资料,船业信息等.以其可读性强,资料实用而成为国内造船界和航运界等最受欢迎的船舶专业 实用技术刊物之一. 《江苏船舶》为双月刊,每逢双月出刊,全年6期订价70元(含邮资),自费个人订户全年订价60元(含 邮资).2012年征订工作目前已经开始,欢迎新老读者订阅本刊.这次征订,本刊还推出了2009年出版的 《工程船?工作船图册》(2),《江苏省化船型图册》,2002年出版的《工程船,工作船图册》,1998年出版 的《船舶配套设备选用手册》,2001年出版的《江苏省航道工程船舶建造文件资料汇编》以及《船用非金属材 料选用手册》,《江苏船舶》分卷精装合订本等资料.读者如需订阅《江苏船舶》杂志及上述资料,请来电或来 函与本刊编辑部联系,订单函索即寄. 地址:镇江市正东路5号邮编:212003E-mail:jscbbjb@163.corn 电话:0511—84422493传真:0511—84422493联系人:顾菲 2011年1—7月全国船舶工业经济运行情况 1造船完工量小幅增长,新承接船舶订单下降 2011年1,7月,全国造船完工3846万DWT, 同比增长9.3%,其中7月当月完工753万DWT,累 计和月度完工量均创出历史新高;新承接船舶订单 2358万DWT,同比下降29.2%. 7月份我国造船完工753万DWT,而新船订单 仅198万DWT,比当月造船完工量少555万DWT. 由于造船完工量已连续9个月超过同期新接订单 量,企业手持船舶订单量继续下落.截至7月底,全 国手持船舶订单17608万DWT,比上年同期下降 6.4%,比2010年底下降10.1%. 2工业总产值继续增长 1,7月份,全国规模以上船舶工业企业1523 家,2011年完成工业总产值4431亿元,同比增长 25.6%.其中船舶制造业3446亿元,同比增长26. 1%;船舶配套业510亿元,同比增长30.7%;船舶 修理及拆船业433亿元,同比增长15.5%. 3船舶出口保持增长 1,7月,全国完工出口船舶3246万DWT,占 全国造船总量的84.4%;新承接出口船订单1829 万DWT,占新接订单总量的77.6%;手持出口船舶 订单14966万DWT,占全部手持订单总量的85%. 4经济效益同步提高 1,6月份,全国规模以上船舶工业企业实现主 营业务收入3312亿元,同比增长29.4%.企业利 润总额259亿元,同比增长39.1%.