锤片式秸秆加工机械噪声研究

农作物秸秆经过揉丝、粉碎、铡切等加工处理后可以作为饲料、肥料、工业原料或燃料等使用。对秸秆进行多种加工的锤片式秸秆加工机械普遍存在振动与噪声大的问题,制约了该类机械向高品质方向发展。文章总结了锤片式秸秆加工机械噪声特点,即该类机械工作时同时存在气动噪声与振动噪声,其中气动噪声主要由锤片式转子旋转扰动内部流场产生的离散噪声以及流场中涡流和边界层的吸附与分离产生的宽频噪声组成;振动噪声主要由不平衡转子传递到机壳或机架产生的离散噪声以及机器内部秸秆物料与锤片、物料与机壳、物料与物料间的碰撞产生的随机宽频噪声组成。基于噪声基础理论与方法研究现状,综述了锤片式秸秆加工机械气动与振动噪声、内流场特性、结构动态特性、锤片等零部件磨损后对振动及噪声影响以及结构声优化设计方面的研究现状。在此基础上,对该类机械噪声的研究进行总结与展望,为锤片式秸秆加工机械降噪及减振设计提供参考与借鉴。

新型饲草揉碎机可靠性预测与分配的研究

试验针对新型饲草揉碎机工作过程中普遍存在关键零部件故障率较高且整机可靠性较低的问题,采用专家评分法对饲草揉碎机进行可靠性预测,改进综合因素法(IFM)进行可靠性分配。结果显示,饲草揉碎机可靠性预测值为0.668,无法满足我国饲草揉碎机可靠性标准要求。基于预测结果对可靠性进行重新分配,为转子与动力传动部分分配了较低的失效率权重、较高的可靠度;为揉碎机机体分配了较高的失效率权重、较低的可靠度。重新分配各子系统可靠度后,整机的可靠度为0.90259,满足饲草揉碎机系统可靠性要求。研究表明,研究可为饲草加工机械可靠性预测与分配提供方法参考。

秸秆揉丝机噪声测试与分析

为了准确识别秸秆揉丝机的振动噪声源,基于阵列式声压传感器测试了秸秆揉丝机的多点振动噪声,对所采集的噪声信号进行自谱分析与小波分析,获得揉丝机的频率分布规律与噪声能量分布规律。分析表明,秸秆揉丝机的振动噪声由旋转噪声和宽频噪声构成,揉丝机的锤片、铡刀与抛送叶片的旋转噪声为主要噪声源,噪声能量主要集中在低频段(500 Hz以下),占总能量的80%以上。在入料口与出料口处振动噪声声压级达到峰值(入料口114.40 dB,出料口112.10 dB),其中入料口、出料处的主要噪声源分别为转子锤片与抛扔叶板通过频率的旋转噪声。

模态试验法测试焊接残余应力机理分析及模型参数估计

为避免残余应力对焊接结构的不利影响,保证其可靠性,需要探究残余应力分布.模态试验法因具有快速和无损的特点,逐渐应用于残余应力测试.为实现模态试验法测试焊接残余应力,通过振动理论分析了模态试验法的机理,获得了薄板焊件中残余应力与固有频率的关系;薄板焊件中的残余拉应力使固有频率减小,残余压应力使固有频率增大.在此基础上,将钻孔法和模态试验相结合,借助数据拟合的方法,估计了模态试验法测试6 mm 7A52铝合金试板VPPA-MIG(variable polarity plasma arc-metal inert gas)复合焊接残余应力的模型参数,确立了固有频率与残余应力的数值关系.依据确立的数值关系,测得了7A52铝合金试板在不同复合焊接参数下的纵向残余应力分布.结果表明,接头各区域的残余应力分布特征与钻孔法测得的结果基本一致,偏差在4%范围之内,估计出的模型参数能够保证模态试验法测试结果的可靠性,实现了焊接残余应力的快速和无损测试.

秸秆揉碎机转子静力学特性分析与轻量优化

为解决目前秸秆揉碎机能耗高、效率低的问题,对其关键部件转子结构进行设计与计算;采用离散元法与有限元法耦合的方法对转子受载工况下的应力应变进行分析,基于静力学计算结果,在保持转子最大刚度前提下对其拓扑优化;对优化后的转子振动特性分析,确定揉碎机避开共振的工作转速。分析表明:所设计的秸秆揉碎机转子强度和刚度满足使用需求;拓扑优化后转子质量减轻17.19%,优化后转子受力均匀且应力应变较优化前无明显变化;由共振分析可知,揉碎机转速在1550~2300 r/min时,可以满足使用要求且不易发生共振。为饲草加工机械研发和改善其工作性能提供方法参考。

多功能饲草揉丝机内物料-气流耦合运动特性分析

多功能饲草揉丝机在实际应用中存在容易堵塞以及抛扔距离不满足使用要求等问题,这些问题均与机内物料-气流耦合运动特性有关。为了探究揉丝机内物料与气流耦合运动规律,采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)以及离散元(Discrete element method,DEM)耦合方法,建立物料揉丝过程中气流与散碎物料耦合作用模型,并对物料与气流之间的耦合运动规律进行数值模拟,通过气流速度测试与物料抛扔距离试验验证耦合模型与数值计算的准确性。研究表明:出料口4个测点的气流速度仿真值与实测值相对误差均在8.1%以内;额定转速范围内3种转速下物料平均抛扔距离数值计算结果与实测值相对误差均小于5%,验证了物料-气流耦合模型与数值计算结果的准确性。饲草物料破碎后沿着揉碎室内壁面做环流运动,并沿着出料管远离进料口一侧被抛出机外。揉丝机稳定运转后室内颗粒运动的最大速度始终在某一平均速度上下波动,速度均值体现了物料颗粒在锤片打击力作用下获得动能的大小。颗粒物料获得动能越大,装置越不易堵塞,物料的平均抛扔距离越远。研究结果可为揉丝机内物料-气流耦合运动特性优化、避免堵塞以及增加物料抛扔距离提供基础依据。

基于CFD-DEM与Archard模型耦合的锤片磨损规律与磨损失效可靠性分析

锤片磨损失效是锤片式转子常见的失效模式。为了探究锤片的磨损规律,对锤片磨损失效可靠性进行分析。采用CFD(computational fluid dynamics,计算流体动力学)、DEM(discrete element method,离散元方法)与Archard磨损模型耦合方法对锤片磨损过程进行数值模拟,借助偏最小二乘法拟合锤片累积磨损量曲线,建立了锤片累积磨损数学模型。在此基础上,基于应力-强度干涉模型与蒙特卡洛方法对锤片磨损过程中的动态可靠度进行计算与分析。结果表明:锤片累积磨损量随时间近似呈线性递增;采用所建的数学模型算得锤片的累积磨损量为16.09 mm,其与实测值的相对误差为8.76%,说明所建立的锤片累积磨损量预测模型基本准确;在工作时间超过110 h后,锤片的磨损失效可靠度逐渐降低;在达到极限工作时间120 h时,锤片的磨损失效可靠度为0.94。研究结果可以为锤片磨损规律的研究与动态可靠性优化提供参考。

秸秆抛送装置抛送叶轮的振动特性分析

针对叶片式秸秆抛送装置工作时的振动、噪声以及叶片疲劳断裂等问题,为减少共振的发生,利用有限元分析软件ABAQUS对抛送叶轮的自由模态与预应力模态进行了数值计算,其中预应力模态采用单向流固耦合方法对流场和叶轮结构响应进行求解,获得了该系统的前12阶模态频率以及振型,并利用扫描式激光测振仪对抛送叶轮进行了模态试验,验证了理论分析和数值计算的准确性。在分析了系统外部激振频率特点的基础上,对影响叶轮振动特性的结构参数进行了对比模拟。研究结果表明:预应力使叶轮的1和2阶频率提高幅度较大,对振型没有影响;叶片数对模态频率和振型影响最大,叶轮是否加筋对频率的影响其次,叶片厚度对低阶频率影响最小;三叶片叶轮最不易发生共振,四叶片次之,五叶片最易发生共振;叶片厚度为4 mm时最不易发生共振,5 mm时次之,6 mm时最易发生共振;叶轮加筋可以改善其动态性能,不易发生共振。该研究可为叶片式抛送装置结构振动特性的描述及动态性能的优化提供参考。

叶片式秸秆抛送装置功耗分析与参数优化

为了降低叶片式抛送装置功耗、提高抛送效率,该文采用理论分析与试验研究相结合的方法建立了考虑气流影响的、适合各种叶片倾角的叶片式抛送装置功耗数学模型,并利用虚拟样机进行优化,以抛送功耗最小为目标函数,对抛送装置结构参数、运动参数进行参数化分析。结果表明,叶轮外径700mm、转速650～2000r/min时,采用径向叶片、转速为650r/min时比功耗最小。通过参数化分析得到不同工况时叶片式抛送装置结构参数与运动参数的最佳配置,为实际叶片式抛送装置的设计生产提供较精确的理论依据,并对节能降耗有着重要的现实意义。

物料沿抛送叶片的运动仿真与高速摄像分析

为了揭示物料运动规律与叶片式抛送装置功耗及抛送效率之间的关系,从而降低叶片式抛送装置功耗、提高抛送效率,采用理论分析、虚拟样机技术与高速摄像技术相结合的方法对物料沿抛送叶片的运动进行研究。建立了适合前倾、后倾及径向叶片的物料沿抛送叶片运动的动力学模型及ADAMS模型,为了综合考虑气流对物料以及物料间的相互作用引入当量摩擦系数,通过与高速摄像试验数据进行回归分析得到当量摩擦系数的值,进而对动力学模型及ADAMS模型进行了修正。通过分析功耗及抛送效率与物料运动规律之间的关系,获得了物料最佳抛出角范围约为60°～130°。该研究为叶片式抛送装置参数优化提供了参考。

秸秆抛送装置外壳振动辐射噪声数值模拟与试验验证

针对目前秸秆抛送装置抛送叶轮扰动空气及物料引发噪声的原因尚不清楚,为了在秸秆揉碎机设计阶段估算其抛送装置的振动辐射噪声,首先采用计算流体力学CFD方法对秸秆抛送装置内部的气-固非定常流场做了整场瞬态数值模拟,将作用在外壳表面的气流和物料脉动压力加载给抛送装置外壳模型,并采用有限元方法对外壳进行了模态分析及动力响应分析,实现了从气-固两相流体到结构的单向耦合;将抛送装置外壳振动响应作为声学边界条件,利用LMS Virtual Lab的间接边界元Indirect Boundary Element Method声振耦合模块计算了非定常流动引起的外壳振动辐射噪声,并进行了试验验证。数值计算与实测声压级变化趋势相同;辐射噪声最大的基频100 Hz处个别测点仿真声压级较实测值高2.28 dB(A),其余测点的仿真与试验值相差不到1.5 dB(A),结果表明理论分析和数值仿真的可靠性。基于上述方法,比较分析了外壳壁厚对振动辐射噪声的影响。研究结果表明:对应确定的激励频率,存在较合理的外壳壁厚尺寸组合。叶轮转速为1 500 r/min时,较优壁厚为圆形外壳前后侧板壁厚4 mm,其余壁厚为3 mm的尺寸组合,声功率级为78.07 dB(A),满足饲草揉碎机噪声限值90 dB(A)的国家标准要求。该研究可为秸秆揉碎机及叶片式抛送装置低噪声设计研究提供参考。

基于Mixture模型的叶片式抛送装置内气固两相流模拟

为了揭示叶片式抛送装置抛送物料时内部气流和物料复杂的流动特性以优化设计和指导运用,应用计算流体力学软件Fluent中的Mixture多相流模型、标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,对抛送装置内气固两相流动进行了数值模拟,并将计算结果与抛送装置内物料运动的高速摄像试验结果进行了比较,物料速度的模拟值和高速摄像实测值基本吻合。在分析了物料运动规律基础上,对其叶片数、进料速度以及物料体积浓度的不同变化作了对比模拟。研究结果表明:数值模型可预测叶片式抛送装置的输送性能以及最佳喂入量;4叶片较3和5叶片更有利于抛送;进料速度对物料在叶轮区的体积分布规律影响较大,在最佳喂入量范围内,进料速度越大,出口处物料浓度越大,抛离速度也越大,装置输送性能越好;超过此范围时,随进料速度增大,进料口处物料浓度增大而出口处物料浓度减小,装置极易堵塞;进料口物料体积浓度的变化只影响抛送叶轮内以及圆形外壳出口区域的物料体积浓度,而对其物料速度分布规律及速度大小影响不大。该研究可为叶片式抛送装置工作参数优化提供参考。

油田用离心泵汽蚀性能的数值分析与试验

为了准确预测油田用离心泵的汽蚀性能,本文使用计算流体力学软件Fluent中的Mixture多相流模型与汽蚀模型相结合对离心泵内的汽蚀现象进行数值模拟,并通过油田用离心泵汽蚀性能试验对数值计算结果进行验证。在验证模拟结果可行的基础上,对离心泵结构及工作参数对其汽蚀性能的影响进行了数值分析,结果表明:叶轮采用6叶片较4和8叶片汽蚀性能更优;叶轮转速越小,离心泵抗汽蚀性能越好;离心泵进口流量越大,抗汽蚀性能越差。

叶片式抛送装置气流流场数值模拟与优化

应用计算流体力学软件Fluent对9R-40型揉碎机叶片式抛送装置内部的三维气流流场进行了数值模拟,并对计算出的出料直管处的气流速度与试验值进行了比较,检验了数值模拟的可靠性。同时,对其叶片数、叶片倾角、抛送外壳形状及出口处倒角等几何参数的不同变化作了对比模拟,得出4叶片、圆形外壳、后倾叶片更有利于抛送,且出口处圆弧半径不宜太大。

秸秆揉碎机抛送叶轮应力应变分析与优化设计

叶片式抛送装置抛送物料的过程中,作为主要工作部件的抛送叶轮的应力应变直接影响整个叶片式抛送装置的强度及寿命。以秸秆揉碎机抛送装置中的抛送叶轮为研究对象,基于ANSYS Workbench对影响叶轮强度特性的应力应变进行分析,并利用响应面法对其进行了优化设计。研究表明:叶片厚度对等效应力、总变形量及叶轮质量的影响最大,架板厚度次之,架板半径最小;优化后叶轮最大等效应力下降,总变形量减小,叶轮质量减小。该研究可为叶轮结优化设计和改善抛送装置工作性能提供参考。

叶片式抛送装置出料管内物料运动仿真与结构改进

为了提高叶片式抛送装置的输送效率、增加抛送距离,通过理论分析建立了出料管内物料运动的数学模型;基于此模型采用计算流体力学软件Fluent中的欧拉-拉格朗日法对抛送装置内气固两相流动进行数值仿真,并将仿真结果与高速摄像实测结果比较验证其可靠性;在分析了物料运动规律基础上,对出料管截面形状、出料直管段高度及弯管段形状的不同变化进行了对比模拟。研究结果表明:圆形截面出料管最合理,方形截面次之,矩形截面最不合理;出料直管高度的最佳取值区间为[500,1 000]mm;弯管上壁为两段圆弧结合较一段圆弧阿基米德螺线、对数螺线及水平轴抛物线等更有利于输送物料。

叶片式抛送装置气流运动仿真与参数优化

为了减少能量损失,提高叶片式抛送装置的抛送效率,采用计算流体力学软件Fluent对叶片式抛送装置内部的三维气流流场进行了仿真,获得了流场气流运动的基本规律及其影响因素。并对计算出的气流速度与试验值进行了比较,检验了数值模拟的可靠性。同时,对其叶片数、叶片倾角等几何参数的不同变化作了对比模拟,得出4叶片、后倾10°叶片更有利于抛送,且适当提高喂料口的位置、减小轴承座处的间隙将有利于减少叶轮区的涡流,从而减少能量的损失,产生更有利于物料抛送的气流流场。

计算机辅助软件在抛送物料模拟中的联合运用

叶片式抛送装置应用范围广泛。传统的设计方法只是做一些近似计算,很多结构参数和运动参数只能靠经验确定。为此,利用计算机辅助工程软件Pro/E、ADAMS和FLUENT对叶片式抛送装置抛送物料过程中气流与物料的运动规律进行仿真模拟,并通过与试验值及相关文献的比较分析,检验了数值模拟的可靠性。为进一步研究抛送装置抛送机理和参数优化设计提供了新的研究方法。

基于ABAQUS的抛送叶轮应力应变研究

为研究叶片式抛送装置主要承载部件抛送叶轮运转的安全性,基于有限元分析软件ABAQUS采用流固耦合方法对抛送叶轮进行应力及应变研究,其中抛送装置内三维流场计算运用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件Fluent,获得了装置内气流场对叶轮压力的分布规律。在此基础上,分析了叶轮转速及叶片数对其应力及应变的影响。结果表明:叶轮最大变形量为0.015mm,符合刚度要求;最大等效应力为32MP,始终出现在叶片与加强版连接边缘处靠近圆盘一侧,且强度满足要求;叶轮转速越高,应力、应变越大;5叶片和3叶片叶轮的最大应力、应变比较接近,且较4叶片叶轮的应力及应变值小。

叶片式抛送装置试验台的研制与试验研究

为了深入了解农业纤维物料的抛送机理,进而降低抛送装置的功耗,增加抛送距离,研制了不同外径、宽度、叶片倾角以及转速的叶片式抛送装置试验台。同时,对各种设计参数下叶片式抛送装置的气流流场、所消耗的功耗以及抛送距离进行了试验研究,为确定叶片式抛送装置最佳工作参数提供了依据。