垃圾站压缩机结构设计思考

评论 建筑网 |  2013-07-02 10:17    

   某新型垃圾中转站水平压缩机,总体结构如图i。该压缩机主要由侧压缩机体、侧压推头、主压缩机机体、主压推头、填料斗5个大部件组成。

  1压缩机的基本工作流程

  (1)垃圾倒入填料斗。

  (2)侧压缩机推头将垃圾水平压入主压缩机,实现垃圾初步压缩和脱水。

  (3)主压推头将垃圾水平推入垃圾集装箱,实现二次压缩,循环上述过程,直到将垃圾填满集装箱。

  (4)主压缩机闸门支架上的闸门落下,由运载车将垃圾集装箱运送至指定地点掩埋。压缩机在工作过程中,结构应力较大,且应力分布不均匀。本文借助ANSYS对其进行结构有限元分析,得到了该压缩机各种工况的应力分布,并在此基础上利用导重法,对其进行了以提高结构强度、减少结构自重为目的的优化设计,优化后不但结构最大应力从327MPa减少到170MPa,而且整机自重减少24%,收到了显著的优化效果。

  2压缩机结构的有限元分析

  2.1结构有限元分析模型

  图2为该压缩机网格划分后的离散结构模型,采用单元:SHELL63壳单元,油缸、支座等相对较厚的结构,采用SOLID45实体单元,相对运动的构件之间采用接触副。网格划分后,该模型共具有11万个节点,28万个单元,23对接触副。

  2.2约束与加载

  针对压缩机的工作流程,我们对其进行了多种工况有限元分析,下面重点介绍工作载荷大、结构应力较大的关键工况——工况3和工况5的结构有限元分析和优化。工况3——侧压缩机推头推过2/3的填料斗。此工况的约束如表1,载荷如表2。工况5——侧压缩机推头无法将垃圾完全压入主压缩机料仓,主压缩机推头行程过程中受偏载。此工况的约束:把工况3约束中的节点耦合改为耦合z向自由度并添加主压缩机料仓垃圾自由端X向位移约束,其他与工况3相同;载荷:添加主压缩机油缸力X方向集中力659734.5N全局Y向重力加速度9.8kg/s。

  2.3分析计算结果

  从工况5复合应力云图可以看出,结构大应力主要分布在主压缩机顶板加强梁、主压缩机推头前板加强梁以及主压缩机推板油缸座加强筋处。整体结构最大应力发生在主压缩机顶板左侧加强梁和主压缩机料仓左边板加强板接合处,其复合应力为522MPa。分析计算结果给出的最大应力相对数值和部位,与该压缩机实际使用中发生破坏的部位完全吻合。

  3压缩机结构的优化设计

  3.1局部调优

  从原压缩机结构有限元分析结果可以看出,结构的最大应力多为局部集中应力,这些局部集中应力仅与局部结构有关,可通过局部结构尺寸调优得到改善。为此结构进行如下调整:

  (1)填料斗底座处进行倒角过渡,在料斗上添加了2根加强粱,调优后工况3最大复合应力从调整前的349MPa降为210MPa;

  (2)去掉了和主压缩机顶板加强梁接合处的料仓左边板加强板,并在顶板加强横梁上增加了封板,构成矩形空心梁以增强顶板,调优后工况5原应力集中部位应力从522MPa降到115MPa。

  3.2结构优化模型

  为在保证结构强度前提下,实现压缩机结构的轻量化设计,压缩机结构自动优化设计的数学模型表为:

  3.3优化方法

  本文采用一种工程实用高效结构优化方法一ANSYS与导重法相结合法,利用以该方法为基础的软件SOGA1进行优化设计,先利用ANSYS进行结构分析以及差分敏度分析,然后利用导重法进行优化迭代计算,收到了十分显著的优化效果。

  3.4优化设计迭代历程

  迭代后对设计变量按照钢材标准序列圆整后,得到最优方案。w(X)、w2(x)为侧压缩机与主压缩机的结构自重,分别为6.42t、8.398t,R.(x)、R(x)分为第一、二阶段优化结构最大特征应力分别为169MPa、170MPa。侧压缩机和主压缩机结构最大应力,均在材料许用应力180MP范围以内,保证了结构具有足够的强度。压缩机结构总质量从优化前的19.49t下降到14.82t,减轻了自重4.67t,减重24%,优化效果十分显著。

  3.5优化后结构的有限元分析

  完成压缩机结构优化后,对本压缩机各工况再次进行了结构有限元分析。从图6可以看出,优化后工况5v0n—Mi复合应力下降到177.6MPa,发生在主压缩机项板加强粱上,而结构的最大应力,发生在主压机推板油缸座为226MPa。

  4结束语

  本压缩垃圾结构的特点是:压缩垃圾反作用力载荷大,结构复杂,为多层板焊接。这些特点给结构建模、分析与优化设计带来较大难度。本文采用接触副等分析技术,成功地对压缩机进行了结构有限元建模分析,在结构分析基础上使用ANSYS与导重法相结合的优化方法和以该方法为基础的SOGA1软件,成功地对主、侧压缩机在保证结构强度前提下,进行了结构优化迭代计算,在将结构最大应力降至材料需用应力以内的同时,结构自重也大幅下降。

  


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