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振動式膜過濾裝置結構參數分析與安全校核

文檔作者：戰祥軒1 文檔來源： 1．同濟大學土木工程學院		點擊數：	更新時間： 2021年01月07日
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振動式膜過濾裝置結構參數分析與安全校核
戰祥軒1， (1．同濟大學土木工程學院，上海腳2；2．
摘要：振動式膜過濾裝置將傳統膜過濾技術與振動
結合起來而備受關注。本文通過有限元分析軟件ABAQUs
對I和Ⅱ兩種振動式膜過濾裝置進行參數分析，尋找裝置
運行的最優激振頻率，并校核結構安全性。結果表明，不
同膜組件質量與電機及扭力桿的組配將對應某一特定的頻
率可實現最優扭振效果，增加膜組件質量有利于裝置扭振
系統的工作。但隨膜組件質量增大，電機最優激振頻率降
低，扭力桿的應力增大，為實現安全、高效的振動式膜過
濾裝置運行，需對特定組配進行分析與安全校核。
關鍵詞：振動式膜過濾裝置；ABAQUS；有限元分析；
參數分析
中圖分類號：X703．3 文獻標志碼：B
文章編號：1672—4011(2016)03—0284—02
DOI：10．3969／j．issn．1672—4011．2016．03．148
O前言
伴隨著生物技術的發展，膜過濾技術越來越多地應用
在生活污水和工業污水的處理上。傳統的膜過濾存在著膜
污染引力膜通量衰減的問題，溶液透過膜時，大量溶質留
在膜表面，阻礙了水的透過?。而振動式膜裝置通過在膜
表面產生正弦切力波，能有效阻止膜表面溶質沉積，同時
剪力使得沉積下來的物質返回料液。膜的表面溶質減少了
膜的過濾阻力，使其保持較高的過濾通量舊-。
振動式膜裝置是由扭力軸將膜組件和振動裝置連接而
成，通過扭力軸扭轉使膜組件產生扭轉振動，以達到膜表
面產生高剪切力的目的。此結構在發動機轉速達到共振頻
率時，膜組件振幅到達最大，但過大的振動頻率可能引起
扭力桿的疲勞破壞口J。通過對兩個型號過濾裝置進行有限
元分析，研究膜組件質量的變化對結構達到共振的頻率和
扭力桿受力的影響，尋找最優扭振效果。
對振動式膜過濾裝置分析的重點是，通過確定電機的
驅動頻率使振動扭轉系統處于(亞)共振狀態下工作，以較
小的驅動轉矩獲得較大的振幅，并確保裝置結構力學的安
全性能。
1 I型過濾裝置有限元分析及結果
使用通用有限元程序ABAQus建立I型振動式膜過濾
裝置的有限元模型(見圖1)，底板、頂板、電機和膜組件選
用六面體單元c3D8，帶圓角的扭力桿選用四面體單元
C3D10。扭力桿的材料為合金彈簧鋼60si2MIlA，其他結構
部位均為普通結構鋼，所有模型賦予線彈性材性。通過耦
合約束對振動式膜過濾裝置施加邊界條件。
分析提取振動式膜過濾裝置的前十階振型及固有頻率，
表l列出其中前六階。如圖2所示，對于頻率為36．82 m
的第六階振型，膜組件與安裝有振動電機的底板轉向相反，
即發生始終有1800相位差的扭振，最大變形出現在膜組件
與底板。因此，使振動電機在該第六階頻率附近工作將使
作者簡介：戰祥軒(1990一)，男，山東日照人，在讀碩士研究生，主要
研究方向：鋼結構。
·284·
黃祁2
英諾偉霆環保技術有限公司，北京100011)
裝置產生如圖2所示的扭轉振動狀態。
裹1 I基振動式威過濾裝置前六階固有頻率m
振型l
頻率0
2 3 4 5 6
8．32×10—5 1．83 x10—4 20．59 20．59 36．82
瞳圜
圖l I型振動式膜過濾裝置圖2 I型振動式膜過濾裝置
有限元模型第六階振型
為確定I型振動式膜過濾裝置對電機不同激振頻率的
響應，在兩個電機處分別施加120 kg的正弦激振力，并提
取膜組件外表面的單側振幅(見圖3)及扭力桿應力最大位
置的v∞Mi∞s應力(見圖4)；扭力桿應力最大位置處于扭力
桿與頂板的連接位置(見圖5)。振動電機最大頻率為50
Hz，在0—50 Hz范圍內，當激振頻率為36．82 Hz時膜組件
的振幅最大，與模態分析的結果一致；單側最大振幅約為
3．2 mm。扭力桿的應力響應也遵循相同的規律，在激振頻
率為36．82 Hz時扭力桿與頂板連接位置應力最大，約為92
MPa．
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豳5 I型振動式膜過濾裝置應力云圖
扭力桿受力最大，為結構設計的重點。在交變應力作
用下，構件在較低的應力水平時經長期的反復工作，其破
壞模式多為疲勞破壞。振動膜過濾裝置的頻率約為30一50
m，即每天最多振動4．3×106次，2～3 d即可達到結構鋼
萬方數據
的循環基數Ⅳ0=107。因此，對承受對稱循環扭轉作用的扭
力桿的設計應基于可無限使用的持久極限強度：
礦。≤[％]=等(1)
式中，[礦一。]為許用應力；n為工作安全系數；礦。為對稱
循環荷載下的持久極限，可表示為：
礦。：礦一，譬=o．15(盯6+盯，)譬(2)
式中，吼、crI為扭力桿鋼材60Si2MI認的極限強度與屈服
強度，分別為1 600 MPa與1 400 MPa淚、F、K分別為表面系
數、尺寸系數和有效應力集中系數，對于振動式膜過濾裝置
的設計與加工，三個系數可分別取1．O、O．725和l-2。因此，可
得到扭力桿在對稱循環荷載下的持久極限礦。=272 MPa。
因此，若工作安全系數取為2．5，則扭力桿的許用應力為
[盯．，]=108 MPa。對于I型振動式膜過濾裝置，最大應力
為92 MPa，滿足許用應力要求。
事實上，扭力振動系統的工作頻率、轉動響應與膜組
件的質量關系密切。因此，本文對I型振動式膜過濾裝置
膜組件的質量不同的情況進行了參數分析：除標準重量60
kg外，可通過減重或增加配重塊改變膜組件質量，尋找最
優扭振效果。由圖6可知，隨著膜組件質量的增大，達到
膜組件振幅最大的激振頻率降低，而膜組件的振幅隨之增
高；即增大膜組件質量有利于扭振系統的工作。但膜組件
質量的增大同時受到扭力桿應力的限制，圖7顯示當膜組
件質量為80 kg時，扭力桿的最大應力已達到109 MPa，略
超過扭力桿的許用應力，即膜組件的質量不可超過∞kg，
否則可能會導致扭力桿的疲勞破壞。
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
頻率，Hz
．-40h
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頻率，Hz
圖6改變膜組件質量的圖7改變膜組件質量的扭力桿
位移頻響曲線應力頻響曲線
2 Ⅱ型過濾裝置有限元分析及結果
對Ⅱ型振動式膜過濾裝置進行有限元分析，有限元模
型如圖8所示，模型參數設置及分析過程同I。該裝置的
前六階固有頻率見表2，裝置同樣是在第六階陣型出現扭陣
狀態，但此時頻率變為46．23 Hz。
圖8 Ⅱ型振動式膜過濾裝置有限元模型
裹2 Ⅱ型振動式膜過濾裝置茸六階同有頻率
振型l 2 3 4 5 6
頻率／Hz O 0 8．37×lO一5 22．46 22．46 46．23
為確定Ⅱ型振動式膜過濾裝置對電機不同激振頻率的
響應，在兩個電機處分別施加1 200 kg的正弦激振力；與
I型相同，Ⅱ型振動式膜過濾裝置扭力桿應力最大位置處
于扭力桿與頂板的連接位置。振動電機最大頻率為50 Hz，
在O一50 lIz范圍內，當激振頻率為46．23 Hz時膜組件的振
幅最大，與模態分析的結果一致；單側最大振幅約為1．9
咖。扭力桿的應力響應也遵循相同的規律，在激振頻率為
46．23 Hz時扭力桿與頂板連接位置應力最大，約為53
MPa，滿足許用應力108 MPa的要求。
對Ⅱ型振動式膜過濾裝置的膜組件質量進行參數分析：
由圖9知，隨著膜組件質量的增大，達到膜組件振幅最大
的激振頻率降低，而膜組件的振幅隨之增高；即增大膜組
件質量有利于扭振系統的工作。同時，由于采用了比較粗
的扭力桿，即使將膜組件質量增大到原有質量的l倍(800
—1 600 kg)，扭力桿的最大應力僅為約78 MPa(見圖10)，仍
符合許用應力的要求；扭力桿有較大的承載能力富余。
要點
粵蟮
塹
驀
螯
—_．卜-600 kg
——o一800 k2
——卜_l 000 kg
九卜1 6()0 kI 』＼ ／】飛，
『l l 。V
| ≮／ V＼
／ 么全仝
O 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
頻率，Hz
100
80
芒
要60
倒
糞40
嗣
20
0
圖9改變膜組件質量的位移頻響曲線
一呤600 kg
一+800 kg
一十l()00 kg ，、
一十l 600 kg
● 伯
／＼ 7弋J
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／ 足／ t∥
? 7 義人、
￡二2乏∥ 心
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
頻率，Hz
圈10改變膜組件質量的扭力桿應力頻響曲線
3結論
通過對兩種振動式膜過濾裝置的有限元分析可知，不
同膜組件質量與電機及扭力桿的組配將對應某一特定的頻
率可實現最優扭振效果，增加膜組件質量有利于裝置扭振
系統的工作。但隨膜組件質量增大，電機最優激振頻率降
低，扭力桿的應力增大。對于I型振動式膜過濾裝置，膜
組件質量不可超過80 kg，否則可能會導致扭力桿疲勞破
壞；對于Ⅱ型振動式膜過濾裝置，即使扭力桿質量提高一
倍，扭力桿依然有較大的安全儲備。[ID：002997]
參考文獻：
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·285·
萬方數據

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