LWS400臥螺離心機參數(shù)變化對轉鼓強度和剛度的影響

李 龍

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司， 甘肅 蘭州 730060）

LWS400臥螺離心機參數(shù)變化對轉鼓強度和剛度的影響

李 龍

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司， 甘肅 蘭州 730060）

采用Solid Works軟件建立LWS400臥螺離心機轉鼓幾何模型并導入ANSYS Workbench軟件中進行有限元分析。分別改變轉鼓轉速、轉鼓壁厚和液池深度三個參數(shù)并討論由此對轉鼓強度和剛度的影響，以便為后續(xù)的優(yōu)化設計方案提供參考。討論結果表明：轉鼓轉速的提高或壁厚的減小都對轉鼓強度和剛度有明顯的影響，液池深度的變化對轉鼓強度和剛度的影響不大。

臥槽離心機；轉鼓；有限元分析

目前，離心機轉鼓的強度設計按照文獻[1]進行。LWS400臥螺離心機轉鼓是由大、小端蓋、兩段圓柱形通體和一段圓錐形筒體組成，各部分用止口螺釘拼接。LWS400臥螺離心機用于工業(yè)油性污泥的液—液—固三相分離，在處理這種難分離的物料時，應采用大長徑比、高轉速的臥螺離心機進行分離操作。根據(jù)文獻[1]，當轉鼓長徑比大于4.5會增加轉鼓的加工難度，工業(yè)上一般不采用；LWS400臥螺離心機轉鼓筒體由三節(jié)筒體拼接而成解決了大長徑比臥螺離心機轉鼓整體加工制造困難的問題。根據(jù)文獻[2]設計制造的轉鼓尺寸往往具有較大的安全余量，這樣會造成材料不必要的浪費；文獻[3-5]對臥螺離心機參數(shù)和轉鼓強度的關系進行了研究分析，但這些文獻所研究的對象均為整體制造的轉鼓，至于分段拼接的轉鼓是否適用于以上文獻所得的結論則沒有說明。因此，結合LWS400臥螺離心機轉鼓自身結構的特點，討論參數(shù)變化對其強度的影響，可以為轉鼓后續(xù)的尺寸優(yōu)化提供參考，有一定的工程意義。

LWS400臥螺離心機，轉鼓內(nèi)徑Di=400 mm；壁厚t=15 mm；圓柱段轉鼓長度L1=1 135 mm；圓錐段轉鼓長度L2=600 mm；轉鼓總長L=1 800 mm；圓錐形轉鼓錐度1∶3.5；轉鼓材料密度ρ1=7.85 g/cm3；油性污泥密度ρ2=1.021 1 g/cm3。

1 轉鼓有限元模型的建立

用轉鼓總體最大應力強度來表征轉鼓的應力狀態(tài)，用材料的許用應力Sm來衡量。轉鼓用材304（即0Cr19Ni9）不銹鋼，其許用應力Sm為：

其中：σs—設計溫度下轉鼓材料的屈服極限，205 MPa；

σb—設計溫度下轉鼓材料的強度極限，520 MPa；

ns—屈服極限下的安全系數(shù)，一般取2～2.5；

nb—強度極限下的安全系數(shù)，一般取3.5～4。

由式（1）得Sm=102.5 MPa。對于轉鼓的總體最大應力強度，需要考慮結構不連續(xù)部分的彎曲應力，因此取許用應力的1.5倍作為設計許用應力即153.75 MPa。

轉鼓的剛度限制原則需要保證轉鼓運行時不能與機殼發(fā)生碰撞摩擦。根據(jù)設備安裝尺寸，LWS400臥螺離心機轉鼓的剛度條件為：徑向變形不超過6.5 mm；軸向變形控制在3 mm內(nèi)。

1.1 模型簡化及網(wǎng)格劃分

為了控制計算規(guī)模，將大、小端蓋上一些不影響剛度的結構去除；將筒體、端蓋之間的螺釘連接和相應的螺紋孔去除；將筒體內(nèi)壁與筋條的焊接部分作為整體結構處理。

進行網(wǎng)格劃分時，使用軟件默認的solid187劃分模型。在劃分過程中對于四面體單元應使用保留中間節(jié)點的設置，網(wǎng)格劃分后的結果為 1 434 752個節(jié)點，730 054個單元。

1.2 載荷和約束的施加

正常工況下，臥螺離心機轉鼓受自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力和被分離物料對其內(nèi)壁產(chǎn)生的壓力作用。在有限元分析中，對轉鼓施加如下載荷：

（1）轉鼓自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力

該載荷以角速度形式施加在整個模型上，計算公式為：

ω=2πn/60=303.69 rad/s （2）

其中：n—轉鼓轉速，2 900 r·min-1。

（2）被分離物料對鼓壁產(chǎn)生的壓力

轉鼓內(nèi)的物料由于離心力場的作用會對筒體內(nèi)壁產(chǎn)生壓力作用。有限元分析中，對該載荷以均布載荷的形式施加到轉鼓內(nèi)壁作用面上，方向沿轉鼓內(nèi)壁的法線方向。圓柱形轉鼓內(nèi)壁所受到的物料離心壓力為：

其中：r1—轉鼓內(nèi)半徑，200 mm；

r3—自由液面半徑，160 mm。

對于圓錐形筒體內(nèi)壁和大端端蓋開有工藝孔（模型中已省略）的端面內(nèi)壁上任意半徑處的離心液壓也按照上述方法予以定義。

約束的施加需要根據(jù)實際工況選擇，可以是某種特定的約束，也可以是幾種約束的組合[6]。LWS400臥螺離心機轉鼓大小端均由軸承支撐，分別在轉鼓大、小端蓋與軸承的接觸面上施加圓柱約束來限制轉鼓的軸向、徑向方向的位移。

2 參數(shù)變化對轉鼓強度和剛度的影響

LWS400臥螺離心機正常工作時轉鼓轉速為2 900 r·min-1，液池深度40 mm。在各工況下，分別改變轉鼓轉速、轉鼓壁厚和液池深度三個參數(shù)對轉鼓進行靜力分析來討論強度和剛度的變化。

2.1 轉鼓轉速變化對轉鼓強度和剛度的影響

轉鼓內(nèi)徑一定時，轉鼓轉速越大，分離效果越好。但轉鼓轉速的增加受到轉鼓材料機械強度的限制。將轉鼓轉速2 900 r·min-1以200 r·min-1為單位分別增大和減小來分析轉速變化對轉鼓強度和變形的影響。表1和圖1分別為最大應力強度隨轉鼓轉速變化的數(shù)據(jù)結果和變化曲線。根據(jù)表1和圖1可知：不同工況下，轉鼓應力強度均隨著轉鼓轉速的增加而增大。在轉鼓材料及其他結構參數(shù)一定的情況下，正常工況下當轉鼓轉速達到3 100 r·min-1時，轉鼓應力強度最大值已經(jīng)非常接近于 1.5Sm，即在現(xiàn)行尺寸參數(shù)下，LWS400臥螺離心機所允許的最大轉速為3 100 r·min-1。如果想通過增大轉鼓轉速進一步提高分離因數(shù)，可以考慮選擇更高強度的轉鼓材料，比如022Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼。

圖1 轉鼓最大應力強度隨轉鼓轉速變化曲線Fig.1 The curve of the maximum stress intensity changing with rotating speed

表2和圖2分別為最大徑向位移隨轉鼓轉速變化的數(shù)據(jù)結果和變化曲線。

由表2和圖2可得，各工況下轉鼓的最大徑向位移均隨著轉鼓轉速的增加而增加，特別是離心力工況和正常工況下的徑向位移受轉鼓轉速的影響較為明顯。因此，在增大轉鼓轉速時，應保證轉鼓的徑向變形量在剛度限制條件之內(nèi)。

圖2 轉鼓最大徑向位移隨轉鼓轉速變化曲線Fig.2 The curve of the maximum radial displacement changing with rotating speed

軸向位移隨轉鼓轉速變化數(shù)據(jù)和曲線此處省略。根據(jù)分析結果，各工況下的最大軸向位移均小于同樣條件下的徑向位移。軸向位移隨轉鼓轉速變化的趨勢與徑向位移同轉鼓轉速的關系一致。在轉鼓轉速為3 300 r·min-1時，最大軸向位移值仍滿足剛度條件。

表1 最大應力強度與轉鼓轉速(r·min-1)的關系Table 1 The relationship between the maximum stress intensity and drum speed

表2 最大徑向位移與轉鼓轉速(r·min-1)的關系Table 2 The relationship between the maximum radial displacement and drum speed

2.2 轉鼓壁厚對轉鼓強度和剛度的影響

在轉鼓的主要結構參數(shù)確定的條件下，轉鼓的壁厚就成為影響轉鼓強度和剛度的主要因素。當轉鼓材料和加工成本一定時，壁厚越小，質(zhì)量越輕，成本越低。LWS400臥螺離心機轉鼓壁厚為15 mm，有較大的安全余量。因此，討論轉鼓壁厚對其強度和剛度的影響是對轉鼓進行尺寸優(yōu)化的必要條件。表3和圖3分別為最大應力強度隨轉鼓壁厚變化的數(shù)據(jù)結果和變化曲線。

圖3 轉鼓最大應力強度隨轉鼓壁厚變化曲線Fig.3 The curve of the maximum stress intensity changing with the wall thickness

由表3和圖3可知，在離心液壓工況和正常工況下，轉鼓的應力強度均隨著轉鼓壁厚的減小而增大，這說明轉鼓壁厚對強度的影響主要通過物料離心液壓對鼓壁的作用體現(xiàn)；離心力工況下轉鼓的應力強度受轉鼓壁厚的影響很小，說明壁厚的大小不對因轉鼓自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力引起的應力產(chǎn)生作用。當轉鼓壁厚下降到6 mm時，最大應力強度數(shù)值已經(jīng)超過了1.5Sm，根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，在當前操作工況（2 900 r·min-1）和轉鼓選材（304不銹鋼）的條件下，轉鼓筒體壁厚可降至8 mm。

表3 最大應力強度與轉鼓壁厚(mm)的關系Table 3 The relationship between the maximum stress intensity and wall thickness

圖4 轉鼓最大徑向位移隨轉鼓壁厚變化曲線Fig.4 The curve of the maximum radial displacement changing with wall thickness

表4 最大徑向位移與轉鼓壁厚(mm)的關系Table 4 The relationship between the maximum radial displacement and wall thickness

表4和圖4分別為最大徑向位移隨轉鼓壁厚變化的數(shù)據(jù)結果和變化曲線。由表4和圖4可知，三種工況下的徑向位移均隨著轉鼓壁厚的減小而增加且變化趨勢非常相似；轉鼓壁厚減小的越小，徑向位移增大的速度越快。因此，通過降低轉鼓壁厚實現(xiàn)轉鼓經(jīng)濟性指標，應保證最大徑向位移值滿足剛度條件。

軸向位移隨轉鼓壁厚變化數(shù)據(jù)和曲線此處省略。根據(jù)分析結果，各工況下軸向位移均隨著轉鼓壁厚的減小而增大，其中離心力工況下的軸向位移的增長趨勢緩慢，這說明減小壁厚不會使轉鼓自身質(zhì)量離心力產(chǎn)生的軸向位移有明顯的增加。

根據(jù)以上分析，若將轉鼓壁厚定位8 mm，可節(jié)省材料約28%，還可降低啟動功耗。

2.3 液池深度對轉鼓強度和剛度的影響

在轉鼓內(nèi)直徑 Di一定的情況下，液池深度大，液相中的含固率降低，但過大的液池深度會使得固相中的含濕率過大無法滿足產(chǎn)品要求；液池深度小，分離后得到的固相含水率低，過小的液池深度會增大排出固相的難度。因此，液池深度的選擇應首先保證臥螺離心機能順利排渣，再考慮固相的含濕量的要求。

液池深度的取值與轉鼓內(nèi)直徑有關，根據(jù)文獻［1］關于液池深度的取值范圍，LWS400臥螺離心機的液池深度在 20～60 mm之間。以下分別討論LWS400臥螺離心機液池深度在其范圍內(nèi)對轉鼓強度和剛度的影響 。

表5和圖5分別為最大應力強度隨轉鼓壁厚變化的數(shù)據(jù)結果與變化曲線。

圖5 轉鼓最大應力強度隨液池深度變化曲線Fig.5 The curve of the maximum stress intensity changing with liquid pool depth

表5 最大應力強度與液池深度(mm)的關系Table 5 The relationship between the maximum stress intensity and liquid pool depth

由表5和圖5可知，離心力工況下的最大應力強度不受液池深度取值的影響；離心液壓工況和正常工況下的最大應力強度隨著液池深度的增加而緩慢增加，當液池深度取最大值60 mm時，正常工況下的最大應力強度仍滿足強度要求。因此，在LWS400臥螺離心機液池深度的選擇過程中，可不考慮對轉鼓強度的影響，只需保證滿足相關工藝要求即可。

表6和圖6分別為最大徑向位移隨液池深度變化的數(shù)據(jù)結果和變化曲線。

由表6和圖6可知，液池深度對離心力工況下的徑向位移影響極小甚至沒有影響；另兩種工況下的最大徑向位移隨液池深度的增加緩慢增大。

軸向位移隨轉鼓壁厚變化數(shù)據(jù)和曲線此處省略。根據(jù)分析結果，軸向位移同液池深度的關系與對徑向位移的情況相同，即轉鼓自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力引起的軸向位移不受液池深度取值的影響，離心液壓工況和正常工況下的軸向位移變化與液池深度的變化成正比。

圖6 轉鼓最大徑向位移隨液池深度變化曲線Fig.6 The curve of the maximum radial displacement changing with liquid pool depth

表6 最大徑向位移與液池深度(mm)的關系Table 6 The relationship between the maximum radial displacement and liquid pool depth

3 結 論

（1）隨著轉鼓轉速的增加或轉鼓壁厚的減小，臥螺離心機轉鼓的最大應力強度及變形量增加趨勢非常明顯；在保證LWS400臥螺離心機安全運行的前提下，設備可承受的最大轉鼓轉速為 3 100 r·min-1；允許的最小壁厚為8 mm。

（2）液池深度對轉鼓自身質(zhì)量離心力引起的強度和剛度結果不產(chǎn)生影響，在LWS400臥螺離心機中，液池深度的選擇只需要保證工藝要求即可，可不考慮轉鼓的強度和剛度條件。

（3）轉鼓的徑向變形量和軸向變形量受轉鼓壁厚變化的影響極大，因此，在考慮轉鼓經(jīng)濟性減薄轉鼓厚度時需特別注意轉鼓的徑向、軸向變形量滿足轉鼓的剛度條件。

［1］孫啟才, 金鼎五. 離心機原理結構與設計計算[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 1987.

［2］JB/T8051-2008 離心機轉鼓強度計算規(guī)范[S].

［3］周知進, 傅彩明. 臥螺離心機轉鼓主要參數(shù)對其模態(tài)影響的仿真[J].機械設計, 2006,23(9):28-30.

［4］高志惠, 黃維菊, 陳文梅. 大長徑比臥螺離心機轉鼓的有限元分析[J]. 過濾與分離, 2010,20(3):18-21.

［5］毛文貴, 劉迎春, 傅彩明. 臥螺離心機轉鼓虛擬樣機建模與有限元仿真研究[J]. 湖南工程學院學報，2005,15(4):44-47.

［6］王國強. 實用工程數(shù)值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M]. 西安：西北工業(yè)大學出版社, 1999.

Influence of Parameters Changing of LWS400 Horizontal Spiral Centrifuge on the Strength and Stiffness of the Rotating Drum

LI Long
（Tianhua Institute of Chemical Machinery & Automation, Gansu Lanzhou 730060，China）

The geometric model for the drum of LWS400 Horizontal spiral centrifuge was established by using Solid Works software, and finite element analysis of the geometric model was carried out by ANSYS Workbench software. Effect of changing speed, wall thickness and liquid pool depth on the strength and stiffness of the drum was investigated, which could provide a reference for subsequent optimizing plans. The results show that the increase of rotational speed or the decrease of wall thickness has obvious effect on strength and stiffness of the drum. The change of liquid pool depth has little effect on strength and stiffness of the drum.

Horizontal spiral centrifuge; Drum; Finite element analysis

TQ 051

A

1671-0460（2014）11-2346-05

2014-04-10

李龍（1988-），男，甘肅張掖人，在讀碩士研究生，研究方向：主要從事化工熱能與動力設備研究。E-mail：f5bacon@163.com。