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基于ANSYS的新型锥形磨浆机的结构分析与仿真

李萌 ^1,2
胡庆喜 ^1,2
周文彬 ^1,2
沈子建 ^1,2

1. 华南理工大学造纸与污染控制国家工程研究中心，广东广州，510640 ； 2. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640

中图分类号： TS733

最近更新：2020-02-10

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2020.01.007

摘要

为了检验新型锥形磨浆机结构设计的可行性，对新型锥形磨浆机的主要受力部件，包括主轴、机座、磨室等，采用有限元分析的方法进行了基于ANSYS的静力学分析和动力学模态分析，探讨了锥形磨浆机的主要受力部件的应力应变和共振情况。结果表明，新型锥形磨浆机的主要受力部件均满足强度和刚度的要求，且能够避免发生共振现象。

关键词

锥形磨浆机; ANSYS; 静力学分析; 动力学模态分析

锥形磨浆机是由锥形外壳、锥形定子（定刀）、锥形转子（转刀）、磨室、主轴及轴承体机架、联轴器、电机等主要部件组成。与盘磨机的结构及磨浆原理类似，浆料在通过转子（转刀）转动和定子（定刀）剪切之后，纤维的初生壁和次生壁产生位移，并接着发生破裂，然后纤维吸水润胀、被切断，最后细纤维化，使纤维具有良好的柔软性、可塑性和尺寸的合理性。大大提高了细纤维间氢键结合的机会和结合力，提高了成纸的物理强度^[

1,2,3,4]。相同直径的锥形磨浆机的磨浆面积较盘磨机大，磨浆间隙调节方便，具有较高的磨浆效率，但锥形转子的重心离磨浆机前轴承较远，运转时易产生较大动挠度，影响磨浆均匀效果，因此，在结构设计上较盘磨机有更高的强度与刚度要求^{[参考文献 5
百度学术}5,6,7]。

基于此，笔者设计了一种新型锥形磨浆机（如图1所示），除了考虑到锥形转子的重心与磨浆机前轴承的距离问题，与传统的锥形磨浆机相比，该新型锥形磨浆机还具有以下特点：①该新型锥形磨浆机设有手轮微调螺母及液压进退刀控制系统，可实现机械、液压联动，方便调节磨浆或精浆间隙和比压；②该新型锥形磨浆机手轮微调螺母圆周上标有进、退刀尺寸刻度，可以很清楚地确定锥形定子及锥形转子的损耗，便于及时维修与更换；③该新型锥形磨浆机设有独立的油润滑系统，轴承体可及时散热，整个转动部件移动摩擦损耗少，从而节省能耗。

图1中A处为机械、液压联动调节单元，其中机械调节单元主要包括手轮微调螺母；而液压调节单元包括电机、液压泵、压力调节阀、电磁方向阀、保压阀、滤油器、油箱和液压缸等。图1中B处为油润滑系统，前轴承体组件和后轴承体组件上均设置有与油润滑系统管路连接的油道，用于向轴承和所述轴承体机座对应的安装孔循环注入润滑油，可保证转子系统的高效运行。图1中C处为液压缸，其包括缸体、带中心孔的活塞及活塞杆套筒、压力表，缸体位于前轴承体组件7与后轴承体组件12之间并固定于轴承体机座8上，缸体的上端设置安装有螺塞的排气螺塞孔；液压缸活塞滑动设置在缸体内，且其中心孔固定地套在活塞杆套筒上，活塞杆套筒的内孔间隙配合地套在主轴10上，活塞杆套筒的前后端延伸至缸体外且与缸体两端的中心孔往复密封，活塞杆套筒前端固定在前轴承体组件7压盖上，手轮微调螺母11设置在活塞杆套筒后端，与活塞杆套筒外周壁螺纹配合，手轮微调螺母圆周上标有进、退刀尺寸刻度，电机与液压泵驱动连接，液压泵的输入端伸入油箱内且末端连接滤油器，输出端依次连接压力调节阀、电磁方向阀，电磁方向阀的另外三个接口，通过管路分别连接液压缸活塞两侧的油腔和油箱。

该新型锥形磨浆机是一种广泛适用中药渣、废菌棒等生物质废弃物磨浆与制浆造纸纤维精浆的机械、液压联动调节进、退刀与磨浆比压的锥形磨浆机，可实现中药渣、废菌棒等生物质废弃物的资源化利用。结构设计的可行性对于一种新的机器是至关重要的。本课题对新型锥形磨浆机的主轴、机座、磨室等主要受力部件进行了静力学分析和动力学模态分析，以确保它们满足强度与刚度的要求并能够避免发生共振现象。

1 模型的建立

本课题采用UG软件建立三维几何模型，然后将三维几何模型导入到ANSYS Workbench软件中。

2 添加材料的属性

主要受力部件的材料属性如表1所示。

表1 主要受力部件的材料属性

部件名称	材料名称及牌号	杨氏模量/GPa	泊松比	密度/kg·m^-3
主轴	合金结构钢42CrMo	199.948	0.27	7900
机座	铸铁HT200	148	0.31	7200
磨室	铸钢ZG200-400（ZG15）	210	0.32	7800

3 施加约束与载荷

3.1　主轴所受的约束与载荷

锥形磨浆机的主轴是通过轴承安装在机座上的，且前轴承为圆锥转子轴承，轴承只能轻微移动。笔者在静力学分析中，限定前轴承处只能沿轴转动；后轴承为两个调心滚子轴承，它们可以沿轴向轻微移动，笔者在静力学分析中，限定后轴承可以沿轴向转动和平移。综上所述，对主轴的静力学分析做如下约束：对于主轴机构前轴承处约束Y、Z转动自由度和X、Y、Z方向平动自由度；对主轴机构后轴承处约束Y、Z转动自由度和Y、Z平动自由度。

锥形磨浆机主轴主要承受的载荷为：锥形磨浆机运行时磨浆压力通过转子给予主轴的轴向力F，主轴前端所受转子及转子座的重力M ₁，主轴上其他组件的重力M ₂。其中，磨浆压力F可通过公式（1）计算出来。

$F = P \cdot π D^{2} \cdot K_{s}$

（1）

式中，F为磨片之间的压力，即磨浆压力，N；P为磨浆的压强，Pa；D为磨片的直径，m；K _s为磨片的有效磨浆比，一般取0.33。

经计算得F=196 kN，M ₁=5685 N，M ₂=5183 N。

3.2　机座所受的约束与载荷

机座通过螺栓孔与锥形磨浆机底座连接在一起，锥形磨浆机底座再通过地脚螺栓与地面连接在一起，因此在进行机座的静力学分析时，可以直接将底座限定为与地面固定约束。

锥形磨浆机运行时，机座主要承受磨浆压力为通过磨室施加给机座的拉力，如3.1中，F=196 kN；机座前支架承受转子、转子座以及轴承和轴承上部件的重力M ₃=13132 N；机座后支架承受轴承及轴上其他零部件的重力M ₄=7447 N。

3.3　磨室所受的约束与载荷

锥形磨浆机的磨室通过螺栓跟机座连接在一起，在对锥形磨浆机的磨室进行静力学分析时，可把磨室和机座连接的部分当成固定约束。锥形磨浆机运行时，磨室主要承受磨浆压力通过定子施加给磨室的拉力，F=196 kN。

4 网格的划分

主轴、机座和磨室的模型均采用四面体为主的混合网格划分，对主轴的前后轴端面进行局部网格划分。图2(a)、图2(b)、图2(c)分别为主轴模型、机座模型和磨室模型的网格划分图。其中，主轴的网格划分数量为123581，机座的网格划分数量为132491，磨室的网格划分数量为137854。然后点击mesh quality进行网格质量检查，平均质量参数average一般大于0.7说明网格划分合格，即网格无关化^[

8]。主轴、机座、磨室的平均质量参数average分别为0.82、0.84、0.85。网格划分质量满足使用要求。

(a) 主轴模型网格划分图

(b) 机座模型网格划分图

图2 网格划分图

5 结果与分析

5.1　静力学分析

通过静力学分析可知它们的应力和应变，看其结果是否在合理的使用范围之内。

主轴是磨浆机的传动部件，图3为主轴应力应变图。从主轴的应力图3(a)可以看出，最大应力为48 MPa，由机械手册^[

9]查得，42CrMo的极限强度σ _b=1080 MPa，说明主轴的强度满足要求；从主轴的应变图3(b)可知，主轴的最大变形位移发生在主轴中部，最大变形位移为0.33 mm，其前端与转子及转子座连接处的变形位移在0.1 mm左右。应用于该新型锥形磨浆机的废菌棒、中药渣等制得的纸浆，均属于化学机械浆，化学机械浆的磨浆间隙为1.8~2.0 mm^{[参考文献 10
百度学术}10,11]，主轴的最大变形位移远小于化学机械浆的磨浆间隙，因此对于打浆的磨浆间隙没有影响，在变形位移的可接受范围内，符合刚度要求。对于磨浆机的主轴来说，选取的材料大都是合金结构钢，在合金结构钢的型号选择上会略有不同，如张水杏^{[参考文献 12
百度学术}12]设计的中浓液压盘磨机，主轴材料选择的是牌号为40CrMo的合金结构钢，同样满足了强度和刚度的要求。

(a) 主轴的应力图

(b) 主轴的应变图

图3 主轴应力应变图

机座是磨浆机主要的承重部分，图4为机座应力应变图。从机座的应力图4(a)可以看出，机座最大应力为111 MPa，由机械手册^[

9]查得，铸铁HT200的极限强度σ _b为200 MPa，其符合使用要求，但其存在应力集中现象，可通过多加一条地脚螺栓分散应力，把集中的应力减小；还可以通过在后续的锥形磨浆机制造过程中进行尺寸优化来消除应力集中。从机座的应变图4(b)可以看出，机座安装磨室处上部的位移变形稍微有点大，最大位移变形处为1.3 mm，虽小于化学机械浆的磨浆间隙1.8~2.0 mm，基本满足刚度要求，但与此磨浆间隙较为接近，可通过加强筋加强，达到更好的刚度要求。综上，对机座的结构进行优化，在机座底部前后分别限定与地面的约束，在机座安装磨室处加装一层加强筋单元。结构优化后的机座应力应变图如图5所示。从图5(a)可以看出，结构优化后的机座最大应力为87 MPa，远小于之前的111 MPa，应力集中现象得到明显改善；从图5(b)可以看出，结构优化后的机座最大变形位移为0.8 mm，远小于化学机械浆的磨浆间隙，达到了更好的刚度要求。考虑到磨浆机的结构、工艺和制造成本等因素，机座的材料大都选择铸铁，如林建涛^{[参考文献 13
百度学术}13]、王成昆^{[参考文献 14
百度学术}14]设计的磨浆机，都是选择铸铁作为机座的材料，铸铁价格便宜，内摩擦力大，有良好的抗振性，易于铸成形状复杂的零部件。

(a) 机座的应力图

(b) 机座的应变图

图4 机座应力应变图

(a) 结构优化后机座的应力图

(b) 结构优化后机座的应变图

图5 结构优化后的机座应力应变图

图6为磨室应力应变图。从磨室的应力图6(a)可以看出，最大应力为31 MPa，由机械手册^[

9]查得，铸钢ZG200-400（ZG15）的极限强度σ _b=400 MPa，其满足使用要求；从磨室的应变图6(b)可以看出，磨室最大位移变形为0.15 mm，理论证明满足刚度使用要求。况且，实际上由于磨浆压力是通过定子座传导过来的，定子座会优先发生位移变形，磨室的位移变形达不到0.15 mm。目前磨室常用的材料有合金钢、铸钢、不锈钢、高铬白口铁、镍铬冷热铸铁等，如杨建伟^{[参考文献 7
百度学术}7]设计的锥形磨浆机，磨室材料选取合金钢，李佳云^{[参考文献 15
百度学术}15]设计的高浓磨浆机，选取的磨室材料为铸钢，也均达到了其强度和刚度的标准。

(a) 磨室的应力图

(b) 磨室的应变图

图6 磨室应力应变图

5.2　动力学模态分析

参照静力学分析的结果，动力学模态分析的定义材料属性、设置约束和划分网格等操作和静力学分析的操作相同。通过对主轴、机座和磨室等部件进行动力学模态分析可以得到它们的固有频率和振型图。

由于主轴振型的阶数很多，文中选取主轴的前6阶固有频率振型来验证结构的合理性。图7(a)~图7(f)所示为主轴的1~6阶模态振型图。主轴前6阶固有频率及振型情况，如表2所示。

图1 新型锥形磨浆机二维图

注：

1—锥形壳体 2—锥形定子（定刀） 3—锥形转子（转刀） 4—转子座 5—环形壳体 6—轴密封 7—前轴承体组件8—轴承体机座 9—液压缸 10—主轴 11—手轮微调螺母 12—后轴承体组件 13—鼓齿联轴器 14—主电机 15—底座 16—油润滑系统 17—机械、液压联动调节单元

图7 主轴振型图

表2 主轴的模态参数及仿真情况

阶数	固有频率/Hz	仿真结果
1	3.27×10^-4	主轴沿YZ面扭转
2	193.07	主轴前端沿Z轴方向弯曲
3	193.1	主轴前端沿Z轴方向弯曲
4	408.35	主轴后端沿Z轴方向弯曲
5	408.51	主轴后端沿Z轴方向弯曲
6	799.12	主轴后端沿Z轴方向弯曲

由表2可知，主轴除了1阶模态为扭转振动，其余阶数的模态均为Z轴方向的弯曲振动，并不会在其他方向发生其他类型的振动。而此锥形磨浆机的电机的转速为2975 r/min，合7.90 Hz，主轴各阶的固有频率均远离电机的工作频率7.90 Hz，故主轴不会发生共振现象。

图8(a)~图8(f)所示为机座的1~6阶模态振型图。通过对机座进行模态分析，可以得到机座前6阶固有频率及振型情况，如表3所示。

图8 机座振型图

表3 机座的模态参数及仿真情况

阶数	固有频率/Hz	仿真结果
1	105.76	机座前轴承支座沿Y轴弯曲
2	107.57	机座后轴承支座沿YZ面扭转
3	117.41	机座后轴承支座及与其相连的支架沿XY平面扭转
4	125.79	机座后轴承支座及与其相连的支架沿XY平面扭转
5	147.36	机座与磨室接触部分沿Y轴弯曲
6	194.42	机座除底座的其余部分扭转

由表3可知，机座主要发生扭转振动，且发生振动的主要位置是前后轴承支座，随着阶数的增长，包括与磨室接触部分及与轴承支座相连的支架在内的位置也会发生不同程度的振动。机座各阶的固有频率均远离电机的工作频率7.90 Hz，故机座也不会发生共振现象。

图9(a)~图9(f)所示为磨室的1~6阶模态振型图。通过对磨室进行模态分析，可以得到磨室前6阶固有频率及振型情况，如表4所示。

图9 磨室振型图

表4 磨室的模态参数及仿真情况

阶数	固有频率/Hz	仿真结果
1	379.29	磨室出浆口沿XY面扭转
2	621.75	磨室沿XZ面扭转
3	703.32	磨室出浆口沿XY面扭转
4	758.5	磨室沿XZ面扭转
5	946.47	磨室沿XZ面扭转
6	970.74	磨室沿XZ面扭转

由表4可知，磨室主要发生扭转振动，且磨室大部分位置都会发生扭转振动，随着阶数的不同，磨室的出浆口也会发生不同程度的扭转振动。磨室各阶的固有频率均远远超过电机的工作频率7.90 Hz，故机座也不会发生共振现象。通过仿真结果分析可以得知锥形磨浆机的主轴、机座和磨室等部件能够避免发生共振现象，满足动态性能要求，故它们的结构满足使用条件。

6 结　论

本课题通过三维仿真软件对新型锥形磨浆机的主轴、机座、磨室等主要部件进行了仿真分析。分析结果表明，各部件均能满足使用要求，在此过程中发现在磨浆机的制造过程中应该注意的问题如下：

（1）在机座的仿真模拟过程中，发现机座与地脚螺栓连接处存在应力集中现象，在以后磨浆机的实际制造过程中，要针对应力集中处多加装一条地脚螺栓分散应力或进行尺寸优化。

（2）同样在机座的仿真模拟过程中，机座安装磨室处上部的位移变形稍大，在制造过程中，可用加强筋加强。

（3）磨片对磨浆的效果至关重要，而磨片的材质和生产工艺对其使用寿命的影响较大，这也是新型锥形磨浆机下一步研发的重点和难点。

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CPP [百度学术]

基于ANSYS的新型锥形磨浆机的结构分析与仿真

摘要

关键词

1 模型的建立

2 添加材料的属性

3 施加约束与载荷

3.1 主轴所受的约束与载荷

3.2 机座所受的约束与载荷

3.3 磨室所受的约束与载荷