矿物油碟式分离机主轴振动模态与谐响应分析

分别取球体半径为10mm 、15mm 、20mm 建模

分析，不同尺寸颗粒对中心节点冲击力分析结果如图3所示。

t ×10-2/s

图3不同尺寸对中心节点冲击力曲线

1.r =20mm

2.r =15mm

3.r =10mm

由分析结果可知，煤粒半径为10mm 时中心节点的最大冲击应力为9×105Pa ，半径为15mm 时为

9.1×106Pa ，增大一个数量级，半径为20mm 时增加到2.4×107Pa 左右，比半径为10mm 时增大约23.1MPa ，所以煤粒的大小对冲击应力的影响很大。

保持煤粒半径为20mm 不变，初始冲击速度分别取6m/s 、8m/s 、10m/s ，分析不同冲击速度下对钢板的应力影响，分析结果如图4所示。

由分析结果可知当v =6m/s 时应力最大值为

2×107Pa ，v =8m/s 时应力最大值为2.4×107Pa ，v =10m/s

时应力最大值为3.7×107Pa ，比v =6m/s 的应力值增大85%，随着速度的增加节点应力急剧增大，可见冲击速度对冲击力的影响非常大。

t ×10-2

/s

图4不同速度对中心节点冲击力曲线

1.v =10m/s

2.v =8m/s

3.v =6m/s

4

结语

据以上几点分析结果可知，煤粒的尺寸和速度对冲击应力的影响很大。针对以上情况，应尽量减小冲击力以减小对钢板的冲击磨损，并且防止过大的冲击反作用力使煤粒破碎，减小了块煤量。由于煤粒的尺寸不可改变，冲击速度和下降高度有关，所以应尽量减小煤粒的下降速度，快速定量装车站的缓冲仓一般都很高，深仓达到几十米高，煤块的下降速度很大，不论是对底部闸门、仓壁还是煤块自身的冲击力都很大，所以应在缓冲仓壁面装上缓冲装置，减缓下降速度。

参考文献：

［1］刘春峰,吴清平,张新，等.快速定量装车成套技术的研究设计及

其应用［J ］.煤炭科学技术，2002,30(1):12-14.

［2］李诗卓,董祥林.材料的冲蚀磨损与微动磨损［M ］.北京:机械工业

出版社,1987.

［3］张荣善.散料输送与贮存［M ］.北京：化学工业出版社，1994.

作者简介：陈小玉（1978-），女，河南南阳人，讲师，硕士，主要研究方向：粗糙集、智能计算、数据挖掘，电子信箱:rain1244@https://www.wendangku.net/doc/b712932274.html,.

责任编辑：于秀文

收稿日期：2011－07－28

煤矿机械

Coal Mine Machinery

Vol.32No.12Dec.2011

第32卷第12期2011年12月

123

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!矿物油碟式分离机主轴振动模态与谐响应分析

赵志国

（淮阴工学院，江苏淮安223001）

摘要：以矿物油碟式分离机的关键部件主轴为研究对象，通过建立主轴有限元模型，进行模态分析，得到主轴前10阶模态固有频率。在此基础上进行了谐响应分析，得到23.5Hz 、133Hz 、400Hz 、931Hz 这4种频率下的位移和应力情况。模拟结果表明，在工作转速时，最大弯曲应力和位移都满足要求，没有发生共振现象。

关键词：碟式分离机；模态；谐响应；有限元分析

中图分类号：TH16；TB534文献标志码：A 文章编号：1003－0794（2011）12－0112－03

Vibration Modal and Harmonic Analysis of Spindle in Mineral Oil

Dish-style Separator

ZHAO Zhi-guo

（Huaiyin Institute of Technology ，Huai ’an 223001，China ）

Abstract:Took the key parts of a mineral oil dish-style separator:spindle,as the object of study.First of all,the finite element model of spindle was established,and the natural frequencies of first 10rank modes of spindle were obtained with modal analysis.Secondly,on this basis the harmonic response analysis was done,and the displacement and stress were achieved in the case of 23.5Hz ，133Hz ，400Hz and 931Hz these four frequencies.The results showed that the maximum stress and displacement with the working speed met the requirements.There was no resonance.

Key words:dish-style separator;mode;harmonic response;finite element analysis

1

23

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0200冲击力×104/P a

40060080010001200140016001800200022002

4000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0冲击力×104/P a

5001000

150020002500300035004000

0前言

碟式分离机（简称分离机）是沉降式离心机中应用最广的一种，用于分离难分离的物料。主要应用于矿物油行业（大型液压系统、汽轮机、破碎机、轧钢设备及机械设备等），利用离心原理来去除润滑油中的水分和机械杂质，减少机械设备磨损和故

障，提高工作效率、延长使用寿命。转毂和主轴是分离机的核心部件之一，转速一般为8000r/min左右。由于转毂及其内部结构件质量较大，结构复杂，容易引起剧烈的振动，甚至破坏分离机结构，危害操作人员的安全。

产生振动的原因有很多，如转毂组件质量分布不均及装配精度不高；主轴与轴承装配间隙偏大；高速运转中轴承的磨损；工作频率接近系统的固有频率等，都会造成系统振动。对于分离机而言，影响最大的是工作频率接近系统的固有频率所引起的系统共振。本文运用有限元分析软件ANSYS对主轴进行模态与谐响应分析，以验证设计转速是否合理，能否避开系统的固有频率。

1几何模型与有限元模型的建立

（1）几何模型与网格划分

把Solid Edge绘制的三维模型导入到ANSYS 中，建立的几何模型及有限元网格划分结果如图1所示。网格类型选择solid186和solid187单元，定义智能划分网格，等级为5，划分网格后整个模型包含6733个单元，13611个节点。

图1几何模型及网格划分

（2）材料属性

主轴材料为45钢，密度ρ=7850kg/m3，常温下弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服极限δs≥355MPa，抗拉强度δb≥600MPa。

（3）约束条件

轴承内圈与主轴为过盈配合，可以视轴承与主轴是一体的，其连接方式为bonded（绑定，不能分开、不能滑动）接触方式。

2计算结果及分析

（1）模态分析

图2为主轴模态约束图，A、B处为轴承，施加约束为圆柱面约束，A处径向、切向固定、释放轴向自由度，B处轴向自由度固定，径向和切向自由度释放，求得主轴前10阶模态固有频率如表1所示。

图2主轴模态约束图

表1前10阶模态固有频率

1阶固有频率为主轴沿Z向扭转频率，其大小为42.20Hz，对应主轴转速为2520r/min。2阶和3阶固有频率为主轴沿X、Y方向的摆动频率，其大小分别为401.96Hz和402.25Hz。主轴所受的力有电机的振动载荷，其频率为23.5Hz，齿轮啮合的冲击载荷，其频率为931Hz，2、3阶的振动频率在此范围内，因此在做谐响应分析的时候重点考虑此段频率引起共振问题。

（2）谐响应分析

在具体的设计中，仅对模型进行振型分析还是不够的。分离机主轴长期处于周期振动状态，因此，需要对主轴进行谐响应分析，在额定载荷下，获得主轴的响应幅值。

本文中主轴C处为斜齿轮，受到交变的周期性激励，D处为负载，转毂、碟片以及流体的重力和离心力都会传递到主轴D端，引起反作用力。在C、D施加扭矩T，电机功率为1.5k W，电机转速为8000r/min，齿轮副传动效率η=0.98，则主轴输入扭矩

T=9550Pη

n

=1.8Nm

A、B轴承处与模态分析时相同，加2个圆柱面约束，如图3所示。求解后，谐响应频幅特性如图4所示。

图3谐响应分析约束与加载图

图4谐响应分析频率振幅图

模态阶数n

频率/Hz

1

42.20

2

401.96

3

402.25

4

1218.30

5

1220.60

6

2667.30

7

2668.80

8

4532.50

9

5610.90

10

6157.40

0.0000.0050.010（m）

0.0250.075

X

Y

Z

0.0000.0500.100（m）

0.0250.075

X

Y

Z

Frequency:N/A

2010-11-2821:28

Cylindrical Support:0.m

Cylindrical Support 2:0.m

2.55e-3

7.26e-4

2.07e-4

5.88e-5

频率/Hz

幅

度/

m

1.67e-5

4.76e-6

1.35e-6

3.85e-7

1.09e-7

15.250500750 1.0e+3 1.5e+3

A

B

0.0000.0500.100（m）

0.0250.075

X

Y

Z

Bemote Force:138.N

Remote Force2:212.N

Cylindrical Support:0.m

Cylindrical Support2:0.m D C

B A

在0～1500Hz ，有2个峰值，对应的频率为400

Hz 、1200Hz 左右，与模态分析中得到的前5阶固有频率相符。主轴转速为8000r/min ，对应的频率为133Hz ，每圈啮合7次，齿轮冲击力的频率为931

Hz 。电机转速为1500r/min ，对应的频率为23.5Hz 。在分析位移和应力时，重点研究23.5Hz 、133Hz 、400Hz 、931Hz 这4种频率下的状态。

23.5Hz 为电机引起的振动频率，从其对应的弯

曲振幅和弯曲应力图（略）可以看出，其弯曲最大位移0.9mm ，最大弯曲应力为轴承端面163MPa ，轴上应力仅为25MPa ，此时没有发生共振，最大位移和最大应力都较小，在材料允许范围内。

400Hz 为2、3阶弯曲频率，其对应的弯曲位移和弯曲应力如图5和6所示，弯曲最大位移为2.6mm ，在轴承端面上，轴上的最大应力为705MPa ，此时发

生共振，最大位移较大，轴承处的最大应力也已经超出许用应力范围，但是在开机启动过程中，载荷逐渐加载到最大，转毂转速短时间内达到8000r/min ，冲击载荷的频率上升到931Hz ，很快可以避开共振区域，不会发生长时间的共振，因此，不会发生轴承被振坏的现象，主轴也不会发生弯曲断裂。

图5

400Hz 对应的弯曲振幅图

图6400Hz 对应的弯曲应力图

931Hz 为齿轮啮合引起的振动频率，此时的最大弯曲位移为0.56mm ，最大弯曲应力为50.7MPa ，

可见在工作转速时没有发生共振，最大弯曲应力和

位移都满足设计要求，不会发生主轴断裂破坏现象。

图7133Hz 对应的弯曲应力图

从图4可以看出133Hz 远离2、3阶的400Hz 弯曲振动频率且频率响应位移幅值很小，轴上最大应力为26MPa （见图7），因此133Hz 时主轴是安全的。

3结语

通过有限元分析软件ANASYS 对矿物油碟式分离机的主轴进行了模态和谐响应分析，计算得出前10阶的固有频率，第1阶扭转频率为42.20Hz ，2、3阶弯曲振动频率为400Hz 左右，共振时最大位移为2.6mm ，轴上的最大应力为705MPa ，但转速很快就达到工作转速，不会形成长时间的共振，对轴承不会引起太大的损害。电机振动的频率为23.5Hz ，主轴工作时的频率为931Hz ，都远离1、2阶和3、4阶的固有频率，因此不会出现共振问题。

参考文献：

［1］赵志国,石博强,王力，等.基于ANSYS 的润滑油碟式分离机转毂

应力分析［J ］.煤矿机械,2011,32(2):93-95.

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动流场分析［J ］.煤矿机械,2011,32(3):112-114.

［3］孙锦纹,崔建昆.基于ADAMS 的碟式分离机主轴系统振动分析

［J ］.过滤与分离技术,2007(8):52-55.

［4］龚曙光.ANSYS 工程应用实例解析［M ］.北京:机械工业出版社,

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［5］吴庆鸣,张强,周超，等.砌块成型机振动模态与谐响应分析及设

计改进［J ］.机械设计,2008,25(10):73-75.

作者简介：赵志国（1977-），辽宁铁岭人，讲师，博士研究生，主要从事矿山机械及流体机械设计与研究工作，电话：0517-

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责任编辑：于秀文收稿日期：2011－03－30

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000000000000000000000000000000000000000000000

0.0026017Max 0.00231280.0020240.0017352

0.00144640.00115750.000868690.000579860.000291032.196

4e-6Min

最大9.5613e9Max 8.499e97.4366e96.3742e95.3119e94.2495e93.1871e92.1248e91.0624e943140Min

2.1429e+007

6.6126e+007

7.0489e+008

最大

1.8855e8Max 1.676e81.4665e81.257e81.0475e88.3803e76.2854e74.1904e7

2.095e74814.7Min

2.6047e+0072.6526e+007