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采用參數化三維設計,能夠了解產品的每一個細節,利用其參數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的特性物理量主要有:

碎漿的雷諾準數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——雷諾準數就是漿料循環狀態的主要控制因素。

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,增加漿料的中心吸力與循環推進力,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。采用參數驅動的設計模式,修改相關的參數來完善設計方案,設計方案動態修改.通過任意旋轉或剖切對運動的零部件進行動態的干涉檢查和間隙檢測,發現問題立即修正,把“試制過程”放在設計階段,避免做成實物后才發現問題,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 動態仿真與動態修改

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,觀察有無干涉現象,發現問題及時糾正。Solidworks對設計方案可以動態修改,通討修改參數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,其余部分由系統進行自動調節,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,設計適當的爆炸視角、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,比原轉子節省15%。同規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、研制與使用過程,并通過動態仿真與動態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,增強企業競爭力。

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