基于Solidworks的螺旋葉輪設(shè)計(jì)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(jì)分析

一般機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(shí)際產(chǎn)品。該設(shè)計(jì)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(jì)軟件Solidworks可以解決這些問題。Solidworks采用參數(shù)化三維設(shè)計(jì),能夠了解產(chǎn)品的每一個(gè)細(xì)節(jié),利用其參數(shù)化設(shè)計(jì)使零件的設(shè)計(jì)、修改變得簡易。利用Solidworks軟件進(jìn)行螺旋葉輪設(shè)計(jì)、裝配和干涉檢查,設(shè)計(jì)時(shí)間大大縮短。

1 工作原理與設(shè)計(jì)思路

1.1 工作原理

螺旋葉輪回轉(zhuǎn)時(shí),在碎漿機(jī)簡體內(nèi)部形成漿料湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)需要消耗運(yùn)轉(zhuǎn)功率。漿料湍流運(yùn)動(dòng)愈激烈,其消耗的運(yùn)轉(zhuǎn)功率也愈大。漿流全部對流狀態(tài)的速度擴(kuò)散取決于運(yùn)動(dòng)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(jì)算,Re=7.288×106>4000時(shí),漿料流動(dòng)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(jì)思路

為了使中濃度碎漿機(jī)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(jī)的使用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),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(jì)新型的中濃度碎漿機(jī)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(gè)結(jié)構(gòu)段改為誘導(dǎo)、輸送、泵送3個(gè)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(jìn)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(shí)提高螺旋轉(zhuǎn)子漿料輸送的壓力角6%,加強(qiáng)對漿料的摩擦、搓揉和循環(huán)強(qiáng)度。

(3)提高轉(zhuǎn)子的高度,增加誘導(dǎo)段,以提高碎漿機(jī)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(jī)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(dá)到一定循環(huán)速率的同時(shí)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(jī)作為樣機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

2 基于Solidworks的設(shè)計(jì)方法

Solidworks參數(shù)化設(shè)計(jì)直接從三維模型人手,省去設(shè)計(jì)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(gè)產(chǎn)品(或零件)的設(shè)計(jì)。采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)模式,修改相關(guān)的參數(shù)來完善設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)方案動(dòng)態(tài)修改.通過任意旋轉(zhuǎn)或剖切對運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行動(dòng)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(jì)階段,避免做成實(shí)物后才發(fā)現(xiàn)問題,提高了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)體、旋轉(zhuǎn)曲面、3條渦狀線轉(zhuǎn)換實(shí)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(gè)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(shí)體

2.2 零件的裝配設(shè)計(jì)

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(shí)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(gè)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(jì)好的零件生成主軸裝配體,首先要建立一個(gè)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(dòng)態(tài)仿真與動(dòng)態(tài)修改

零部件的裝配設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)仿真功能,使零件或部件按約束條件進(jìn)行運(yùn)動(dòng),同時(shí)顯示產(chǎn)品中其它零件的運(yùn)動(dòng)情況,觀察有無干涉現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)糾正。Solidworks對設(shè)計(jì)方案可以動(dòng)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(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),使修改工作方便易行。經(jīng)裝配仿真檢驗(yàn)并修改好的裝配設(shè)計(jì)方案,應(yīng)利用Solidworks的“爆炸”功能,設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)谋ㄒ暯?、爆炸方向和爆炸距離,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(yàn)

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(jī)作為樣機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。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(jī)中運(yùn)轉(zhuǎn)

通過試驗(yàn),新型螺旋形轉(zhuǎn)子處理書籍、雜志紙、新聞報(bào)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(shí)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(jī)碎漿濃度達(dá)到16%-18%。

4 結(jié)論

根據(jù)以上應(yīng)用Solidworks軟件對葉輪進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,以ZDS22型5m3中濃度碎漿機(jī)作為樣機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。這種設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)仿真與動(dòng)態(tài)修改技術(shù)來降低制造技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),提高產(chǎn)品質(zhì)量,縮短研制周期,降低成本,增強(qiáng)企業(yè)競爭力。

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