基于Solidworks的螺旋叶轮设计分析

2013-06-27 by:广州Solidworks培训中心来源:仿真在线

基于Solidworks的螺旋叶轮设计分析

一般机械产品的设计是先将产品以二维的形式表现出来,经过反复校核和修改,最后按照二维图样制造实际产品。该设计周期长、成本高,当产品制造出来后,会出现装配不到位、无法安装等问题,反复的修改也延长产品研制的周期,应用三维设计软件Solidworks可以解决这些问题。Solidworks采用参数化三维设计,能够了解产品的每一个细节,利用其参数化设计使零件的设计、修改变得简易。利用Solidworks软件进行螺旋叶轮设计、装配和干涉检查,设计时间大大缩短。

1 工作原理与设计思路

1.1 工作原理

螺旋叶轮回转时,在碎浆机简体内部形成浆料湍流运动时需要消耗运转功率。浆料湍流运动愈激烈,其消耗的运转功率也愈大。浆流全部对流状态的速度扩散取决于运动的浆料内部摩擦力与惯性力之间的相互作用。流体力学中表征湍流循环的特性物理量主要有:

碎浆的雷诺准数Re为作用在浆料上的力与浆料内部粘性拖曳力之比

式中:d为叶轮直径(m),d=0.72;n为转子转速(r·min-1),n=14.13;ρ为浆料密度(单位体积浆料的质量)(kg·m-3),ρ=1000;μ为浆料粘度(Pa·S),μ=100.5×10-5。

经计算,Re=7.288×106>4000时,浆料流动类型为湍流

螺旋叶轮功率

式中:g为重力加速度(m·s-2),g=9.8。

通过因次分析得出

碎浆功率准数Nφ为含有计算的功率N代表作用于被分离浆料上的力

通过以上分析可以得出:在运动浆料中作用力(惯性力和内部摩擦力)之间的一定内在关系的准数——雷诺准数就是浆料循环状态的主要控制因素。

1.2 螺旋叶轮设计思路

为了使中浓度碎浆机碎浆技术从10%-13%提高到16%-18%。根据ZDS系列中浓度碎浆机的使用实践经验,消化吸收意大利Maule公司、瑞士Cellwood Machirlary公司、美国Beloit公司及美国T.BC公司的中浓度碎浆技术,设计新型的中浓度碎浆机转子。新型螺旋转子具有以下特性:

(1)将转子由输送、泵送2个结构段改为诱导、输送、泵送3个结构段,并适当减小转子的离心循环,增加浆料的中心吸力与循环推进力,有利于提高浆料的碎浆浓度。

(2)将3条螺旋线的螺旋升角缩小6%,在同样转速时提高螺旋转子浆料输送的压力角6%,加强对浆料的摩擦、搓揉和循环强度。

(3)提高转子的高度,增加诱导段,以提高碎浆机的处理量及对较高浓度浆料的中心吸引力。

(4)保留转子泵送段与输送段之间螺旋叶片的翼片齿,提高对浆料的疏解。

(5)根据碎浆机功率消耗与转子直径5次方、转子转速3次方成正比关系,而浆料的循环速率与转子直径平方、转子转速1次方成正比关系,将转子直径缩小20%,适当提高转速,在达到一定循环速率的同时减小功率消耗。

根据以上转子结构特性的分析,以ZDS22型5m3中浓度碎浆机作为样机进行模拟试验。

2 基于Solidworks的设计方法

Solidworks参数化设计直接从三维模型人手,省去设计过程中三维与二维之间的转化.通过拉伸、旋转、薄壁特征、抽壳、特征阵列以及打孔等拖放式操作改变其结构,最终完成整个产品(或零件)的设计。采用参数驱动的设计模式,修改相关的参数来完善设计方案,设计方案动态修改.通过任意旋转或剖切对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测,发现问题立即修正,把“试制过程”放在设计阶段,避免做成实物后才发现问题,提高了新产品的设计成功率。Solidworks只要输入材质属性(密度),即可直接输出零部件的质量特性,如质量、体积、表面积、重心、惯性主轴和惯性矩、惯性张量等。

2.1 零件的建立

进入绘图界面,选“前视面”开始绘制初步截面图(图1)。

经过旋转实体、旋转曲面、3条涡状线转换实体成草图的边线并组合成条连续曲线、通过放样形成放样曲面(图2)。经过加厚形成单个叶片,通过圆周阵列j最终叶轮见图3。

图1 草图

图2 放样曲面

图3 叶轮实体

2.2 零件的装配设计

Solidworks是以三维模型为基础的CAD软件。以仿真三维模型显示零部件实体结构形状及装配关系。在装配体中插入零部件共分4种:

(1)新零件指令为在组合件中产生新零件;

(2)新部合件指令为在装配体中产生新次组合件;

(3)以(所选)零部件产生的组合件指令为将部件中的多个零件合成为新的次部件;

(4)来自文件指令为在装配中置入导件或次部件.要将设计好的零件生成主轴装配体,首先要建立一个新的装配体文件,将装配体中用到的零部件文件依次插入到装配体文件中。

2.3 动态仿真与动态修改

零部件的装配设计中,已建立了各零部件之间的约束关系,应用Solidworks提供的动态仿真功能,使零件或部件按约束条件进行运动,同时显示产品中其它零件的运动情况,观察有无干涉现象,发现问题及时纠正。Solidworks对设计方案可以动态修改,通讨修改参数来改变零件尺寸及装配体中的各零部件之间的特征形状和尺寸关系,其余部分由系统进行自动调节,使修改工作方便易行。经装配仿真检验并修改好的装配设计方案,应利用Solidworks的“爆炸”功能,设计适当的爆炸视角、爆炸方向和爆炸距离,生成轴测分解图,重新设定各零部件的相对位置,显示其结构和相互间的装配关系。

3 试验

根据以上转子结构特性的分析,以ZDS22型5m3中浓度碎浆机作为样机进行模拟试验。转子结构尺寸、性能参见表1。

表1 新型螺旋形转子在5m3中浓度碎浆机中运转

通过试验,新型螺旋形转子处理书籍、杂志纸、新闻报纸及混合废纸每吨浆的耗电指标为16kW·h-1,比原转子节省15%。同规格槽体的碎浆量提高10%-15%.碎浆时间从25min缩短到20min,增加生产能力20%,新型转子将碎浆浓度从10%-13%提高到16%。中浓度碎浆机碎浆浓度达到16%-18%。

4 结论

根据以上应用Solidworks软件对叶轮进行设计分析,以ZDS22型5m3中浓度碎浆机作为样机进行模拟试验,达到了设计要求。这种设计方式加速新技术向产品转化的开发、研制与使用过程,并通过动态仿真与动态修改技术来降低制造技术风险,提高产品质量,缩短研制周期,降低成本,增强企业竞争力。

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