基于ANSYS的脱溶机转子结构有限元分析及优化

王国栋，褚洪俊，吕 勇

(山东凯斯达机械制造有限公司，山东 济宁 272000)

脱溶机是大豆低温粕生产工艺中的关键设备，通过热传导和辐射的形式对湿粕进行加热[1]。脱溶机在工作时转子同时旋转搅拌，湿粕被转子翻动以便更好地蒸发湿粕中的残溶和水分。脱溶的好坏直接影响大豆低温粕的品级，还影响溶剂消耗和蒸汽消耗[2]。

1 脱溶机转子结构及力学分析

随着大豆低温粕生产规模的不断扩大，传统脱溶机转子的辐条式端板结构(见图1)逐渐出现断裂的问题。脱溶机转子运行一段时间后，两端的辐条型支撑出现断裂破坏(见图2)，导致转子散架失效，为此必须停车检修，对转子进行加固处理。转子失效问题严重影响大豆低温粕的连续生产，给企业造成巨大的经济损失。

注：1.辐条固定板；2.辐条；3.L型弯板；4.螺带；5.芯轴。

图2 端板辐条断裂图

以目前常用WGB230型脱溶机转子为例进行有限元分析，结构参数见表1。正常工况下的物料相对松散，转子失效常在动力满载状况时发生，因此需对满载状况下的辐条式端板转子受力情况进行分析，又因转子转速较慢，因此适合做静态力学分析。由于转子端板是由12根独立的辐条结构焊接在固定板上，分析时可将辐条式端板结构简化为12个悬臂梁结构力学模型,再运用有限元分析软件ANSYS建立力学模型，计算辐条各截面上应力的变化规律，确定辐条式端板转子失效的影响因素。ANSYS 常应用于结构静态力学问题和动态力学问题的分析[3]，其计算和分析能力满足仿真分析使用要求。

表1 辐条式端板转子结构参数

2 建立3D模型及网格划分

首先采用SolidWorks绘制辐条式端板转子的3D模型，然后将其导入到ANSYS软件中建立3D仿真模型，如图3所示。在建模时应简化该仿真模型，例如忽略固定板间的焊缝和辐条的折弯角等非重点受力的结构，在确保有限元分析准确性的前提下减少计算工作量[4]。

辐条式端板的材料属性如表2所示。根据辐条式端板转子结构特点选取3D Solid45单元的有限元模型，运用自由网格划分方法生成辐条式端板的有限元模型。该有限元模型生成单元511 542个，建立节点149 145个，如图4所示。

图3 辐条式端板3D仿真模型

表2 辐条式端板的材料属性

图4 辐条式端板有限元模型

3 载荷加载和边界约束

转子端板内孔与芯轴焊接在一起，芯轴就限制了转子在x、y两个方向的自由度，转子在载荷的约束下以8 r/min速度在z方向转动。此时转子端板上的12根辐条端部L型板的位置都会均匀承受动力输入机构传递的极限扭矩[5]。另外湿粕等物料的等值阻力也会作用于相同位置，转子加载载荷如图5所示。

4 有限元分析

在极限载荷工作状况下，转子最大扭矩可达到4.2×104N·m，使转子端板上的辐条出现弹性应变。图6显示了辐条式转子端板在加载载荷后的变形情况。转子端板上各节点的位移情况，可精确地说明转子端板在工作中应力的分布及其各节点受力大小。

图5 辐条式转子载荷加载图

4.1 应变分析

转子在极限载荷工作状况下的应变云图如图7所示，辐条和固定板均有不同程度的应变。其中辐条结构的根部位置应变情况最为明显，尤其是辐条与固定板连接处。辐条和固定板重叠的部位及辐条的端部应变情况相对较轻。

图6 辐条式端板变形情况

图7 辐条式端板的应变云图

4.2 应力分析

转子的应力分布对其刚性性能有决定性影响。辐条式端板上的整体应力分布状况如图8所示，辐条与固定板的重叠处和辐条的端部位置最小应力值为50 MPa，在辐条与固定板的交点处发现最大应力值为160 MPa，辐条整体都有较大的应力变化。通过应变云图和应力分布云图的对比，发现辐条固定处是产生最大应力与应变最大的位置，此处相对薄弱，容易发生疲劳断裂。这与工程维护反馈断裂位置的照片相一致。

图8 辐条式端板的应力分布云图

5 结 语

通过ANSYS软件对辐条式端板转子进行有限元分析，发现应力集中在该结构端板的辐条固定点上，该点在满载转动状态下易出现疲劳裂纹。端板上辐条的弹性应变会严重影响转子运转的可靠性。因此，根据转子端板结构分析结果提出了改进方案，即通过缩减辐条的长度、增大辐条固定板的直径等措施改善转子结构的整体稳定性，保障大豆低温粕生产企业的生产连续性。