基于Solidworks的螺旋葉輪設(shè)計分析

2013-06-27 by:廣州Solidworks培訓(xùn)中心來源:仿真在線

基于Solidworks的螺旋葉輪設(shè)計分析

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

1 工作原理與設(shè)計思路

1.1 工作原理

螺旋葉輪回轉(zhuǎn)時,在碎漿機簡體內(nèi)部形成漿料湍流運動時需要消耗運轉(zhuǎn)功率。漿料湍流運動愈激烈,其消耗的運轉(zhuǎn)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(nèi)部摩擦力與慣性力之間的相互作用。流體力學(xué)中表征湍流循環(huán)的特性物理量主要有:

碎漿的雷諾準(zhǔn)數(shù)Re為作用在漿料上的力與漿料內(nèi)部粘性拖曳力之比

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

經(jīng)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(zhǔn)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(nèi)部摩擦力)之間的一定內(nèi)在關(guān)系的準(zhǔn)數(shù)——雷諾準(zhǔn)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(shè)計思路

為了使中濃度碎漿機碎漿技術(shù)從10%-13%提高到16%-18%。根據(jù)ZDS系列中濃度碎漿機的使用實踐經(jīng)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(shù),設(shè)計新型的中濃度碎漿機轉(zhuǎn)子。新型螺旋轉(zhuǎn)子具有以下特性:

(1)將轉(zhuǎn)子由輸送、泵送2個結(jié)構(gòu)段改為誘導(dǎo)、輸送、泵送3個結(jié)構(gòu)段,并適當(dāng)減小轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速時提高螺旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的高度,增加誘導(dǎo)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(zhuǎn)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(jù)碎漿機功率消耗與轉(zhuǎn)子直徑5次方、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速3次方成正比關(guān)系,而漿料的循環(huán)速率與轉(zhuǎn)子直徑平方、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1次方成正比關(guān)系,將轉(zhuǎn)子直徑縮小20%,適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速,在達到一定循環(huán)速率的同時減小功率消耗。

根據(jù)以上轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(shè)計方法

Solidworks參數(shù)化設(shè)計直接從三維模型人手,省去設(shè)計過程中三維與二維之間的轉(zhuǎn)化.通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、抽殼、特征陣列以及打孔等拖放式操作改變其結(jié)構(gòu),最終完成整個產(chǎn)品(或零件)的設(shè)計。采用參數(shù)驅(qū)動的設(shè)計模式,修改相關(guān)的參數(shù)來完善設(shè)計方案,設(shè)計方案動態(tài)修改.通過任意旋轉(zhuǎn)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(shè)計階段,避免做成實物后才發(fā)現(xiàn)問題,提高了新產(chǎn)品的設(shè)計成功率。Solidworks只要輸入材質(zhì)屬性(密度),即可直接輸出零部件的質(zhì)量特性,如質(zhì)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(jīng)過旋轉(zhuǎn)實體、旋轉(zhuǎn)曲面、3條渦狀線轉(zhuǎn)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(jīng)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(shè)計

Solidworks是以三維模型為基礎(chǔ)的CAD軟件。以仿真三維模型顯示零部件實體結(jié)構(gòu)形狀及裝配關(guān)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(chǎn)生新零件;

(2)新部合件指令為在裝配體中產(chǎn)生新次組合件;

(3)以(所選)零部件產(chǎn)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(dǎo)件或次部件.要將設(shè)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(shè)計中,已建立了各零部件之間的約束關(guān)系,應(yīng)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(chǎn)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(shè)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(guān)系,其余部分由系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié),使修改工作方便易行。經(jīng)裝配仿真檢驗并修改好的裝配設(shè)計方案,應(yīng)利用Solidworks的“爆炸”功能,設(shè)計適當(dāng)?shù)谋ㄒ暯恰⒈ǚ较蚝捅ň嚯x,生成軸測分解圖,重新設(shè)定各零部件的相對位置,顯示其結(jié)構(gòu)和相互間的裝配關(guān)系。

3 試驗

根據(jù)以上轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸、性能參見表1。

表1 新型螺旋形轉(zhuǎn)子在5m3中濃度碎漿機中運轉(zhuǎn)

通過試驗,新型螺旋形轉(zhuǎn)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(biāo)為16kW·h-1,比原轉(zhuǎn)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(chǎn)能力20%,新型轉(zhuǎn)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(jié)論

根據(jù)以上應(yīng)用Solidworks軟件對葉輪進行設(shè)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(shè)計要求。這種設(shè)計方式加速新技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)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(shù)來降低制造技術(shù)風(fēng)險,提高產(chǎn)品質(zhì)量,縮短研制周期,降低成本,增強企業(yè)競爭力。

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