基于Ansys的橡胶密炼机转子转速范围分析

熊　杰，官　文

（江西环境工程职业学院，江西　赣州　341000）

基于Ansys的橡胶密炼机转子转速范围分析

熊杰，官文

（江西环境工程职业学院，江西赣州341000）

橡胶密炼机是高分子材料加工中所需要的重要设备，而作为橡胶密炼机的核心部件的转子，其可靠性对混炼效率和混炼质量有重要影响。对某橡胶密炼机转子运用Ansys Workbench平台进行模态分析，得到其前6阶固有频率，并从防止共振的角度分析得出该密炼机转子的合理转速范围。

橡胶密炼机转子；模态分析；Ansys Workbench

1　问题的提出

近年来橡胶工业的新型橡胶产品以及橡塑共混制品，发展迅速。而橡胶密炼机作为橡胶产品的加工设备，其性能的好坏将对混炼胶产生重要的影响，进而影响橡胶产品的质量及适用寿命。

橡胶密炼机进行加工作业时，主要是靠其本身的转子进行相互的剪切和拉伸来完成。在加工过程中，转子不断旋转，当其固有频率和激振频率相等时，将产生共振现象；转子轴剧烈振动，进而损害转子轴的使用寿命。为避免共振的产生，在设定转子转速时应尽量避开产生共振时的临界转速。

根据模态分析理论，在Ansys Workbench平台对某橡胶密炼机转子进行了详细的模态分析，从中得到了该转子的前6阶固有频率，并通过计算和分析得到了其临界转速，进而得出其合理的转速范围。

2　密炼机转子的模态分析

（1）定义材料属性与网格划分。橡胶密炼机转子材料采用45号钢；分析时将其定性为线弹性材料，然后在Ansys Workbench平台中设置其工程数据，其杨氏模量为210GPa，泊松比为0.31，密度为7.85g/cm3。在对转子进行有限元分析时，对模型进行网格划分是极其重要的一步，网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度。为了优化网格，在Ansys Workbench平台中首先对模型的转子轴以及棱体进行分割，并使用from new part命令将其合并为一个多体，使其节点共享。网格划分方法选择Tetrahedrons（四面体网格），其中转子棱体部分网格平均单元边长设为5mm，转子轴部分网格平均单元边长设为10mm。对转子网格的划分结果如图1所示，其中共有单元39005个，节点62244个。

图1　转子网格划分结果

（2）约束添加。转子轴主要由2个可调心的滚子轴承支撑，其位置为图3中A和B处。在不考虑轴承角刚度的情况下，本次分析可认为轴承只有径向刚度且为常值，则轴承可简化为径向压缩的弹簧单元。本转子的轴承型号选用22215CC/W33，其内径为75mm，外径为130mm，厚度为31mm，额定动荷载为238kN，接触角为12°，滚动体数目为34，滚动体直径为10mm。计算可得22215CC/W33的径向刚度K为1090N/um，又由于轴承与转子轴的接触面积S为7300.5mm2。因此，本次分析在Mechanical中对于转子轴承处分别添加elastic support（弹性约束），其值为149.3N/mm3（即K/s）。

（3）分析求解。在Ansys Workbench中对转子进行模态分析，得到其前6阶固有频率，如表1所示。

表1　转子前6阶固有频率

图2　第1阶振型图

图3　第2阶振型图

分析可知，第3阶之后的固有频率和实际情况有较大的差异，故不予考虑。根据国家相关标准，如果转子的固有频率大于激振频率的85%，且小于115%时将产生共振。根据表1中转子的前2阶固有频率，我们计算出其所对应的转速，同时还计算出转子应该避开的转速范围，如表2所示。根据分析，我们得出了转子的前2阶的振型图，分别如图2和图3所示。

表2　转子转速范围分析

3　分析结论

（1）根据表2可知，当转子的速度处于38～69r/min时，容易产生共振；所以在设置转子的工作转速时，应使其低于37r/min或高于70r/min。

（2）转子工作时如果要求高于70r/min时，为避免共振，启动时应快速的通过38～69r/min的转速区间。

（3）根据图2和图3所得的前2阶振型图分析，转子凸棱顶处容易出现应力集中的现象，这与实际运行时经常出现的凸棱失效和断裂相吻合。

The Analysis of Speed Range of Rubber Mixer Rotor Based on Ansys

XIONG Jie，GUAN Wen
（Jiangxi Environmental Engineering Vocational College，Ganzhou，Jiangxi 341000，China）

The rubber mixer is one of the important equipment needed in polymer materials processing，and as the core component of rubber mixer rotor，its reliability has important influence on the mixing efficiency and mixing quality.This article analyzes a rubber mixer rotor with Ansys Workbench platform，obtains its first six order natural frequency，and analyzes the reasonable mixer rotor speed range from the perspective of preventing resonance.

rubber mixer rotor；mode analysis；Ansys Workbench

TQ330

A

2095-980X（2015）11-0058-01

2015-10-06

熊杰（1984-），男，江西赣州人，硕士，讲师，主要研究方向：机电工程。