基于流固耦合的浮选机搅拌轴强度分析.pdf

1 3 2 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．z 1 ．0 2 8 基于流固耦合的浮选机搅拌轴强度分析 陈强，赖茂河，张建辉，史帅星 北京矿冶研究总院，北矿机电科技有限责任公司，矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京1 0 0 1 6 0 摘 要针对浮选机主轴的可靠性问题，基于流固耦合的方法，采用流体分析与强度分析相结合的方式对浮选机主轴强度 进行协同计算，、将F l u e n t 流场数据通过W o r k b e n c h 流- 固耦台技术传输给主轴机构，再对浮选机主轴进行应力分析，通过数值分 析确定主轴的应力及最大挠度，得出主轴的应力分布规律，该研究对优化设计浮选机主轴具有一定的指导意义。 关键词叶轮；主轴；流一固耦合；强度分析 中图分类号T D 9 2 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 S 0 - 0 1 3 2 - 0 4 S t r e n g t hA n a l y s i so fF l o t a t i o nS h a f tB a s e do nt h eF l u i d - s t r u c t u r eI n t e r a c t i o n C H E NQ i a n g ，L A ，M a o h e ，Z H A N GJ i a n h u i ，S H IS h u a i x i n g S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lP r o c e s s i n g ，B G R I M MM a c h i n e r y A u t o m a t i o nT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．， B e r i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ，B e 彬n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t F o rt h er e l i a b i l i t yi s s u e so ff l o t a t i o ns h a f t ，w et a k et h ec o l l a b o r a t i v ec o m p u t i n gb a s e do nt h eF l u i d ． S t r u c t u r eI n t e r a c t i o nb yt h em e t h o dw h i c hc o m b i n e st h eC F Da n dt h es t r e n g t hs i m u l a t i o n ．T h ef l o w f i e l dd a t ai s t r a n s f e r r e dt os h a f tb yt h et e c h n o l o g yo ff l u i d ．s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni nw o r k b e n c h ，a n dt h e nw ec a r r yo u tt h es t r e s s a n a l y s i sa n do b t a i nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h em a x i m u md e f l e c t i o n ．T h er e s e a r c hh a sc e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c e f o ro p t i m i z i n ga n dd e s i g n i n gf l o t a t i o ns h a f t ． K e yw o r d s i m p e l l e r ；s h a f t ；f l u i d ．s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ；s t r e n g t ha n a l y s i s 在浮选过程中，搅拌是实现药剂快速均匀混溶、 矿浆均匀混合分散的必要手段。在搅拌过程中，机 械能通过主轴和叶轮的旋转转化为流体的压力能和 动能，同时，流体又反作用于叶轮，进而引起轴的变 形和应力，两者相互作用，形成一个复杂的流一固耦 合体系o ‘3 。。在实际应用过程中，因轴系设计不当所 造成的轴系断裂的情况时有发生，一旦轴系发生事 故，势必会造成设备停车，给企业带来了很大的经济 损失。因此，本文通过流一固耦合分析以期获取准 确的流场数据，对于研究轴系的力学特性，提高设备 可靠性具有重要意义。 机械设备的结构力学分析通常采用以下三种方 法进行理论计算，应力应变测试和数值计算。对于 浮选机内部复杂的流一固耦合环境，理论计算和应 力应变测试均具有一定的难度，工程上对主轴的设 计主要是通过以往的经验及不断的试验。随着有限 元法在工程上的不断应用，工程师们可以通过该方 法对产品进行辅助研发和分析4 。 本文应用A N S Y SW o r k b e n c h 对浮选机进行流体 流动和结构之间的单向耦合分析，进而对主轴进行 强度分析，为结构分析提供数值依据。主轴强度分 析流程见图l 。 1三维模型 S o l i dw o r k s 以其优异的性能、广泛的C A E 接口 和简洁的操作界面备受设计者们青睐，本文采用 S o l i dw o r k s 进行浮选机内部结构和流体结构的创建。 按照浮选机内部结构参数，创建叶轮、主轴、定 子三维模型，如图2 所示。 由于C F D 仿真对象为流体，因此，所有三维模型 均需处理为所对应的流体模型，如图3 所示。 2 浮选机内部流体流动分析 2 ．1 计算区域 处理完毕的三维模型用G A M B I T 软件进行前处 理，网格的划分采用四面体非结构网格，并进行边 基金项目国家自然科学基金资助 5 1 5 0 4 0 2 6 收稿日期2 0 1 7 - 0 7 2 4 作者简介陈强 1 9 8 2 - 。男．硕士，工程师．从事矿物加工设备及工程转化方面的研究。 万方数据 2 0 1 7 年增刊陈强等基于流固耦合的浮选机搅拌轴强度分析 1 3 3 界条件和初始值的设定‘5 I 。 网格划分结果如图4 所示。 图1流一固耦合分析流程图 F i g ．1 F l u i d - s o l i dc o u p l i n ga n a l y s i sf l o wc h a n 图2 三维几何模型 F i g ．2 T h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cm o d e l 图3叶轮、定子流体区域 F i g ．3 I m p e l l e ra n ds t a t o rf l u i da r e a ， 二兰 、兰一一一 笠二兰曼篓‘ c - 一 二；- 尘骂” 0 ，w，2 ∞ 图4G a m b i t 网格划分 F i g ．4 G a m b i tm e s h 2 ．2 控制方程 由于浮选机内部流动的复杂性，因此，为研究其 内部流动，我们通常假设该流动为不可压缩流体的 定常流动，根据布辛涅斯克涡黏性假设，可以用张量 形式来表示连续方程和动量方程‘6 I 。 掣 。 丝些 一正 [ 竺 耋二耋U 一 8 x i8 x i a x L 2 e 眺k o g j i x 2 式中 p 一为流体密度k g ／m 3 ； x i 一分别代表戈，y ，z 的坐标； 肛i 和心分别代表平均相对速度分量t x ，u ，o J ；p 为折算压力； 以为有效黏性系数，等于分子黏性系数和紊动 黏性系数之和；占混是张量。 为了确定有效黏性系数儿，采用标准k 一占模型 来封闭方程组。 肛。2p p f 旷p q 譬 毒[ 鹏矗一I x 告 差] - p c p t s ， 3 4 5 万方数据 1 3 4 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 O 羔j [ P l z J 占一 肛 参 考] p } c c t p t c 占， 6 式中P 。为紊动能生成项，由以下公式定义 P k 丝f 垫 垫1 警 7 P ＼d x i d x J J d x i 各系数取值为c 。 0 ．0 9 ，C 。 0 ．4 4 ，C 0 ．9 2 ，o r 1 ．0 ，o r f 1 ．3 。 2 ．3 浮选机模拟和流场分析 采用F l u e n t 流体力学软件进行网格的前处理， 边界条件和初始值的设置如下叶轮转速 1 4 5 r ／m i n ，浮选机容积V 3 0m 3 ，采用N - S 控制方程，标 准k 一占，S I M P L E C 算法，Q U I C K 差分格式对浮选机 进行流体仿真计算。 计算结果如5 所示，流体经叶轮腔高速排出，在 定子分散作用下在槽体内部形成如图5 所示的循环 流。与此同时，流体反作用于叶轮表面并形成压力 场，叶轮正面为正压，最大压力为0 ．0 1 69 7M P a ，背 面为负压，最小压力为一0 ．0 2 99M P a 设叶轮旋转 方向为正面，反面为背面 。压差迫使叶轮形成反向 扭转的趋势，如图6 所示。 图5 流体仿真结果 F i g ．5 F l u i ds i m u l a t i o nr e s u l t 图6 叶轮表面压力场 F i g ．6I m p e l l e rs u r f a c ep r e s s u r ef i e l 3 主轴流一固耦合强度分析 在实际工况中，我们关注的主要是轴在载荷条 件下的变形、应力分布和最大应力值的大小，因此我 们通过对主轴流一固耦合强度分析以检验主轴强度 是否满足实际工况条件的要求。叶轮采用钢结构焊 接，主轴为Q 2 3 5 钢管，屈服强度2 3 5M P a 。 结构分析以位移为基本变量，借助于平衡条件 k 6 F k 为整体刚度矩阵，是节点位移列阵，F 为节点 载荷列阵。通过W o r k b e n c h 中的F S I 接1 3 实现流场 和结构之间的数据传递。按照第四强度理论计算等 效应力 ／t 0 - 1 0 “ 2 2 盯2 一盯3 2 盯3 一盯1 2 ] 盯2 √r 一 3 ．1 搅拌主轴网格划分 将主轴三维模型导入w o r k b e n c h ，采用自由网格 划分方式进行网格划分，划分后主轴网格共有节点 数1 0 41 5 2 个，网格单元8 45 6 3 个，如图7 所示。 图7 主轴部件网格 F i g ．7S p i n d l ec o m p o n e n tg r i d 3 ．2 流一固耦合分析 主轴在电机的作用下做旋转运动并将能量传递 给叶轮，叶轮通过旋转运动对流体做功，流体反作用 于叶轮，使其承受一定的液体压力。因此，主轴在流 体作用和电机作用下承受扭矩。 模型加载如下 1 施加约束，主轴部件旋转动力由上端输入，在 两排轴承的约束下进行旋转运动，因此，需要对上端 和轴承支撑位置处进行自由度的限制，同时施加 转速； 2 旋转载荷，通过给模型施加一个旋转速度来 实现旋转载荷的施加； 3 流体压力，流体压力的初始值设置比较复杂， 需要先通过流体分析得出叶轮压力分布，然后将叶 轮压力分析结果文件选导入对应正确的叶轮面。该 模型的叶轮结构，流体压力的加载要区分叶片正反 面，叶轮壁面和其余各个壁面。压力加载情况如图8 万方数据 2 0 1 7 年增刊陈强等基于流固耦合的浮选机搅拌轴强度分堑 1 3 5 - 图8 模型加载 F i g ．8 M o d e ll o a d i n g 图9 流体压力加载 F i g ．9 F l u i dp r e s s u r el o a d i n g 3 ．3 计算以及应力和挠度分析 在叶轮的旋转载荷和流体作用下，主轴发生了 弯曲变形，相对于轴承位的最大弯曲挠度为1 8m m ， 如图1 0 所示。 匿“一 l“ ，，‘一 I - 图1 0 主轴变形量 F i g ．10S p i n d l ed e f l e c t i o n 在叶轮的旋转载荷和流体作用下，对主轴进行 应力分析，如图1 1 所示，主轴最大应力为1 1 6M P a 。 从计算结果看，在旋转载荷和流体压力共同作 用下的最大等效应力为1 1 6M P a 。因主轴屈服强度 为2 3 5M P a ，安全因数为2 ．0 2 ，满足强度要求。另 外，应力集中点均发生在上下轴连接的法兰处，如图 1 l 所示。因此，在主轴的设计时应特别注意此处的 优化设计。 图11 主轴应力 } 、i g 一1 S t I ‘r S So f l 引 i n d l e 4结论 1 采用C F D 和F E M 相结合的方式对浮选机的 内部流场和主轴的受力进行了单向流一固耦合 分析； 2 计算结果显示，K Y F - 3 0 立方浮选机主轴满足 强度要求； 3 计算结果显示，在旋转载荷和流体压力作用 下的应力集中点主要在上下轴连接处的法兰位置。 该研究对浮选机主轴的优化设计提供了数值指导。 参考文献 [ 1 ] 沈政昌．浮选机发展历史及发展趋势[ J ] ，有色金属 选矿 部分 ，2 0 1 1 增刊1 3 4 4 6 ． [ 2 ] 刘厚林，徐欢，吴贤芳，等．基于流固耦合的导叶式离心 泵强度分析[ J ] ．振动与冲击，2 0 1 3 ，3 2 1 2 2 7 3 0 ． [ 3 ] 裴吉，袁寿其，袁建平．流固耦合作用对离心泵内部流 场影响的数值计算[ J ] ．农业机械学报，2 0 0 9 ，4 0 1 2 1 0 7 1 1 2 ． [ 4 ] P E N GGJ ，W A N GZW ．S t r e n g t hA n M y s i so faL a r g e C e n t r i f u g a lD r e d g eP u m pC a s e [ J ] ．E n g i n e e r i n gF a i l u r e A n a l y s i s ，2 0 0 9 ，1 6 1 3 2 1 - 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