卧螺离心机转鼓的三维有限元分析

摘要： 采用实体单元建立了卧螺离心机转鼓的三维有限元模型， 并对转鼓进行了静力分析和模态分析。结果表明， 转鼓在正常工况下的强度满足要求；在正常转速范围内也不会发生共振现象。

   关键词： 离心机 转鼓 有限元

   卧式螺旋卸料沉降离心机，简称卧螺离心机，是上５０年代出现的分离机械。由于具有连续操作、处理量大 、单位产量耗电量低 、适应性强等特点，现已广泛应用于石油、化工、冶金、医药、食品、轻工等领域， 并随着石油化学工业的迅猛发展和城市污水治理的迫切需要，卧螺离心机必将会有更广阔的发展前景。

    １ 有限元模型的建立

    １．１ 有限元几何模型

     根据设计图纸，本分析研究的卧螺离心机转鼓材料为１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，外形为筒椎形，柱筒段内径０．５２０ｍ，厚度０．０１５ｍ，长度０．７１０ｍ，椎筒段长度 ０．４７３ｍ，半椎角α＝９．６°。分别采用 ｐｌａｎｅ４２、ｓｏｌｉｄ４５ 划分网格。单元总数７５８０， 节点总数 ７６８０。在保证计算精度要求的前提下， 划分网格如图所示：

                   

    １．２ 载荷

     ①自身质量引起的离心力

    高速回转下的转鼓， 鼓体金属本身质量所 产生的离心力在分析中以角速度的形式施加于转鼓的有限元模型上。

              

    ②物料的离心压力

     该力是 物料在离 心力 作 用下沿 径 向 运 动 对 转 鼓 壁 形成的压力．方向垂直于转鼓内表面。圆筒中的流体物料在高速回转下所产生的离心压力为

                   

     式中ρ为筒中物料的密度，１．０８５ｋｇ／ｍ３； ｒ为流体物料ｃ层 中任意处半径 ，ｒ０为圆筒体回转时流体的自由表面半径，０．２７５ｍ。可以看出离心压力随而变化 ，本分析通过构建载荷函数， 调用函数加载， 实现了加载。

    １．３ 边界条件

   转鼓的约束是根据具体结构确定的。在转鼓柱筒端施加全约束，在椎筒端施加径向和周向约束，即约束ＵＹ和 ＵＺ。

    ２ 有限元计算和分析

    ２．１ 静力分析

    应力０．１１３６２Ｅ＋０９ 大转鼓的静力分析主要是考察其强度问 题，即在一定的工作载荷下， 转鼓是否有足够的 强度。由图 ２ 所示， 转

鼓所受大应力 １１３．６２ＭＰａ。 本 分 析 采 用 应 力 强 度 ＳＩＭＴ来描述转鼓的应力状态，并与材料的设计应力强度Ｓｍ进行比较 。转鼓材料为１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，其设计应力强度Ｓｍ＝１３７ＭＰａ。校核时， 对于沿壁厚方向的平均应力强度， 取其许用值为一倍的设计应力强度， 即 Ｓｍ。对于沿壁厚方向的大应力强度， 由于包含有危害较小的弯曲应力部分，因此取其许用值为 １．５倍的设计应力强度，即１．５ Ｓｍ。由于转鼓所受大应力强度小于材料许用应力强度，故转鼓强度是安全的。

              

    ２．２ 模态分析

    模态分析用于确定结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），使结构设计避免共振或按特定频率 进行振动。它也是其它更详细的动力学分析的起 点，例如瞬态动力学分析 、谐响应分析、谱分析等。

     本分析应用 Ｌａｎｃｚｏｓ 法计算出的螺旋输送器前５阶固有频率如表 ２ 所示。由下表可知， 螺旋输送器阶固有频率为 １６５．６１ 赫兹， 对应的临界转速为 ９９３６．６ｒ／ｍｉｎｘ 螺旋输送器的设计转速为３０００ｒ／ｍｉｎｘ，远小于该临界转速，因此，螺旋输送器在正常的转速范围内不会发生共振现象。

       阶数              1            2             3           4            5

    频率(HZ)    165.61     187.90     253.59   279.45    301.45 

    ３ 结论

     ①采 用 Ｐｌａｎｅ４２、Ｓｏｌｉｄ４５实体单元成功地建立了卧式

螺旋卸料沉降离心机转鼓的３维有限元模型，模型不但较好地模拟了转鼓的真实结构，而且可以用来对转鼓进行结构优化；

     ②对转鼓进行了额定工况下的静力分析，结果表明转鼓的强度和刚度均能满足要求；

     ③应用 Ｌａｎｃｚｏｓ 法对转鼓进行了模态分析，得到前５阶固有频率，结果表明转鼓在正常的转速范围内不会发生共振现象。

     参考文献

     ［１］ 孙启才， 金鼎五．离心机原理结构与设计计算．机械工业出版社， １９８７

     ［２］ 董俊华， 卧螺离心机双锥角转鼓结构的有限元分析北京化工大学学报 ２００４ 卧式螺旋

     ［３］ 顾威， 沉降离心机螺旋输送器的三维有限元分析制造业自动化