立式捏合机搅拌桨叶的力学数值分析

发布时间：2020-08-16 20:28

【摘要】： 桨叶的设计是捏合机设计的关键,桨叶的关键几何参数包括截面形状、螺旋角、桨叶结构尺寸、支撑形式和尺寸等。在力学方面,桨叶的刚度设计最为关键。一般情况下,桨叶间隙值越小,混合效率越高。但是桨叶在搅拌过程中受负载作用,必然产生变形,当总变形量超过间隙值时,将产生桨叶与桨叶之间或者桨叶与混合容器之间的干涉,进而导致安全事故。由于目前桨叶的受力变形难以通过测试设备进行直接测量,因此,必须采用仿真的方法进行相关力学特性分析。本文根据桨叶的结构特点和工作特性,利用三维建模软件进行了桨叶的参数化建模工作,实现了桨叶的参数化计算机辅助设计,包括空心桨叶、实心桨叶的实体建模以及桨叶的虚拟装配。运用流体有限元分析方法及其软件进行了搅拌容器内流场的数值模拟,计算出捏合机实心、空心搅拌桨叶在物料负载的作用下的受力情况。解决了捏合机两桨叶及公转的转矩分配求解和各轴转矩的计算问题,对桨叶装配时各间隙值的变化所引起的桨叶转矩值变化情况进行了计算分析。采用有限元方法及结构有限元分析工具,将流场分析数据转化为桨叶的应力计算模型中的载荷条件,并对桨叶的变形情况进行了计算分析,得到了捏合机桨叶的应变分布情况,分析了引起桨叶变形的原因,讨论了提高桨叶刚度的措施,为桨叶的刚度设计提供了参考依据。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH122
【图文】：

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论桨叶与桨叶之间、桨叶与混合锅内壁之间的几何关系。(a) 立式捏合机桨叶外形 (b) 两桨叶的相对位置及主要几何尺寸图2.1 立式捏合机桨叶布置与几何关系示意图如图 2.1(b)所示，两桨叶在混合锅内做行星运动，混合锅内径D由容积决定，桨叶与锅壁之间、桨叶之间的最小间隙为σ 。如果两桨叶中心距为LC ，桨叶的直径为 d ，则当LC < d时，两桨叶就是啮合的，从而可以完成对物料的捏合作用。中心距和桨叶直径决定了啮合角β ，啮合高度hI 的大小。啮合角 β 、桨叶直径 d 、中心距LC 关系为：1cos( )2LCdα = (2.1)其中两个量给定，则第三个量就定了。啮合高度1 1sin( )2 2hI = d β(2.2)中心距LC 、桨叶直径d、混合间隙σ 和桨叶基圆直径bd 的关系：2 2 2( ) 2b L k sd = C d σ = a + a d σ(2.3)式中

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除一定直径的圆柱体形成“空心”，桨叶底面之间的初始配合角度β 为不变化的量。(a)实心桨叶 (b)空心桨叶图2.6 实空心桨叶模型在编制程序前，首先，通过对 Solidworks 的操作，将搅拌桨叶的建模过程使用宏的方式录制下来，当两个桨叶都生成后用宏录制实、空心桨叶的装配过程。用 VB 将录制宏所生成的 VBA 文件打开，找到生成的桨叶特征，桨叶之间配合的特征的操作和完成装配操作的系列函数，将这些函数复制到新的 VB 文件中去。在实现桨叶的参数化建模的过程中两桨叶的初始配合角度β 不变，中心距根据以往设计经验进行调整，故而只需将几个参数：螺距、高度、桨叶外接圆直径改为变量值，在 VB 前台实现对变量调用即可完成对实、空心桨叶建模和装配的参数化建模。用 VB 编写的二次开发程序可以脱离 Solidworks 的操作界面单独操作

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19（a）生成桨叶界面（b）桨叶装配体界面图2.7 生成实空心桨叶及其装配界面2.5 设计实例以某100L立式捏合机为例说明桨叶参数化建模的步骤实心桨叶空心桨叶混合容器图2.8 100L立式捏合机实、空心桨叶及混合容器模型100L 立式捏合机的主要技术规格与参数如下表所示，其特点是桨叶的转速较慢，实、空心桨叶与搅拌容器的壁和底的间隙非常的小。其中空心桨叶与搅拌容器壁的最小距离为 3mm，桨叶之间的最小间隙为 3mm，桨叶距底的最小距离为 3mm。参数化设计步骤：实心桨叶模型的建立，由于后续的有限元分析中无需建立桨叶上端圆柱轴、桨叶小的倒角的模型，可以忽略此两处，故而建立桨叶模型需要考虑的主要内容是桨叶截面文件的输入、截面外接圆直径 d 和螺旋角κα ，100L 捏合机的实心桨叶螺距为螺旋角

【引证文献】