一种搅拌器桨叶振动去污方法设计分析

2023-01-02

正文:

1. 前言

目前, 国内核电机组对于日常运行产生的中、低性放射性废物 (如放射性废树脂、浓缩液) 等大多采用金属桶内水泥固化的方式进行处理。采用桶内搅拌方式的搅拌器, 为行星式搅拌装置, 带有两组并列的双螺旋形搅拌桨。搅拌完成后由于搅拌桨暴露在一个开放的环境中, 使得桨叶清洗去污工作异常困难。通常将搅拌桨置于装满水的400L钢桶中进行清洗, 搅拌桨上累积的水泥需定期通过人工方式进行清理。为了更有效的去除搅拌后桨叶残留的水泥, 减少人工清理的次数, 我们对桨叶振动去污的方法进行了探讨, 并设计和试制了装有振动去污搅拌桨的搅拌器, 试验结果良好。

本文旨在论述一种自行研制的偏心振动结构进行搅拌桨叶去污, 并基于Ansys软件环境下对其中关键零部件的振型进行分析。

2 桨叶结构及其工作原理

本文论述的是一种螺带型搅拌桨内置偏心轴结构, 这种结构可靠易行, 由电机带动偏心轴高速旋转, 产生按正弦规律周期变化的离心力通过滚动轴承传递到搅拌桨, 从而将搅拌桨上残留的泥浆去除。

搅拌桨结构如图1所示, 其由螺带桨叶1、桨轴2、轴承3、偏心轴4和偏心块5等组成, 偏心轴总长1342mm, 成阶梯状结构, 由6个轴承支撑, 最大直径26mm。

搅拌桨工作时, 由搅拌电机 (221r/min, 9.2k W) 带动桨叶1和桨轴2转动, 对放射性废物和水泥等物料进行搅拌, 偏心轴4和偏心块5等不转动。搅拌工作完成后, 搅拌桨停止转动。激振电机带动偏心轴4和偏心块5旋转, 产生激振力, 从而使得泥浆脱离桨叶1和桨轴2, 在重力作用下落到钢桶内, 达到去污的目的。

偏心轴激振力的大小主要和激振电机的转速、偏心块质量及其截面形状等因素有关, 合理的调整各项参数, 调整激振力成为影响搅拌桨去污效果和整体寿命的关键。

2.1 激振力计算

偏心块产生的激振力的理论计算值如下式所示:

其中:Q0——激振力值, N;e——偏心质量的偏心距, m;m——偏心质量, kg;w——旋转角速度,

偏心块的重心位置和其截面形状如图2所示, 偏心距可按下式进行计算:

2.2 激振电机功率计算

偏心轴系统功耗主要表现在偏心块激振力所引起的轴颈摩擦上, 其它还有各种阻尼消耗及电动机的自耗。

偏心块转动一圈所消耗的摩擦功:W=f Q0πd (3)

其中:f——轴颈摩擦系数, 通常取0.0025~0.01;d——轴颈直径, m。

激振电机所需功率:

其中:w0——电机功率, k W;k——考虑其它功耗的储备系数, 通常取1.2~1.5;n——电机转速, r/min。

根据式 (1) (2) (3) (4) , 可以确定激振电机的参数及激振力的大小。考虑到设备加工中的公差等因素, 本设备选用的电动机参数为:功率0.37k W, 转速为2650r/min, 计算出偏心块所产生的激振力为278N。

3 偏心轴模态分析

3.1 基本理论

对于一个n自由度线性定常系统, 其动力学方程可写成:

式中:[M]为质量矩阵, [C]为阻尼矩阵, [K]为刚度系数矩阵; (x (5) (5) ) 、 (x (5) ) 、和{x}、{F (t) }分别为系统各点的速度响应向量、加速度响应向量、位移响应向量和激励力向量。模态分析求解的是固有频率和振型参数固有模态, 与外载荷无关, 忽略结构阻尼的影响, 系统无阻尼自由振动的特征方程可表示为:

式中:ωi为自由振动固有频率, n个自由度的系统就存在n个固有频率。

模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型。而承受动态载荷结构中的重要参数就是这两个。本文主要通过模态分析从而求出其临界转速, 从而使轴的工作转速避开临界转速。

3.2 偏心轴有限元模型的建立

根据偏心轴的尺寸参数用三维软件U G对偏心轴进行实体模型建模。偏心轴采用4 0 C r, 轴的材料参数:杨氏模量E=2.10×1011Pa, 密度ρ=7850kg/m3, 泊松比0.28。

由于模态分析是研究物体的固有频率和固有振型, 与外部条件无关。把轴承近似看成刚性约束, 在偏心轴的两端轴承位置节点上施加全约束, 在其它轴承位置节点上施加y和z方向的约束, x方向不约束 (x为轴线方向) 。

对模型采用分块Lanczos算法, 这是一种功能强大的方法, 当提取中到大型模型的大量振型时, 这种方法效果很好;经常应用在具有实体单元或壳单元的模型中;可以很好地处理刚体振型。结构振动可由每阶固有振型的线性组合表示, 其中低阶固有振型对结构的振动影响较大, 对结构的动态特性起决定作用。在进行偏心轴的模态分析时提取了该轴的前6阶频率和振型, 并根据固有频率计算偏心轴的前几阶临界转速ni=60ω, 如表1所示。

偏心轴的工作转速为2650r/min, 从表1中可以看出, 其远远低于临界转速。偏心轴远远避开了共振频率。

表1刚性约束条件下各阶频率、临界转速