臥式螺旋離心機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能分析與優(yōu)化

靖吉東

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大地選煤公司永定莊選煤廠， 山西 大同 037003）

引言

離心機(jī)是利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力將非均相混合物進(jìn)行分離的設(shè)備，在煤炭、石油、食品等行業(yè)中均得到了廣泛的應(yīng)用。臥式螺旋離心機(jī)采用行星差速器進(jìn)行速度差的調(diào)節(jié)，具有速度穩(wěn)定、分離效率高的特點(diǎn)，在煤炭分選等行業(yè)中應(yīng)用較廣。雖然臥式螺旋離心機(jī)已被廣泛應(yīng)用，但對(duì)其結(jié)構(gòu)及力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論的研究較為匱乏，這是由于受分離過程中物料的不穩(wěn)定性影響，使得物料的參數(shù)隨著分離的過程不斷變化[1]，必須采用大量的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行離心機(jī)結(jié)構(gòu)及功能的驗(yàn)證。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用仿真分析的方式可對(duì)臥式螺旋離心機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行分析[2]，并由此對(duì)其進(jìn)行一定的優(yōu)化，可以提高臥式螺旋離心機(jī)的設(shè)計(jì)水平，進(jìn)而提高離心機(jī)的使用效果。

1 臥式螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓模型的建立

臥式螺旋離心機(jī)的主體結(jié)構(gòu)主要包括螺旋部、差速器、排渣及保護(hù)裝置，轉(zhuǎn)鼓是螺旋部的主要結(jié)構(gòu)，有多種不同的形式，轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)對(duì)于固相物的沉降具有重要影響，且轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)徑比直接影響到沉降的效果。本文以柱-錐形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)鼓為例進(jìn)行分析，柱-錐形轉(zhuǎn)鼓可以增加積液池的容積[3]，提高澄清效果。通過建立轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的模型，采用有限元仿真的方式對(duì)臥式螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的靜力學(xué)性能進(jìn)行分析。

臥式螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有最大直徑、長(zhǎng)徑比及溢流板直徑，長(zhǎng)徑比的大小對(duì)于轉(zhuǎn)鼓的性能有直接影響。采用UG 建立轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)模型，轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)表面分布有溝槽或者筋條結(jié)構(gòu)，在斷面上分布有排渣孔[4]，并安裝硬質(zhì)合金刮刀，轉(zhuǎn)鼓的兩端分別通過法蘭盤和軸盤焊接固定。對(duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行三維模型的建立后，將其直接導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench 中進(jìn)行仿真分析進(jìn)行前處理。

對(duì)得到的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，由于轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在靜力學(xué)分析時(shí)，可將網(wǎng)格尺寸劃分的較大些，這樣可以提高計(jì)算效率，且不會(huì)影響對(duì)結(jié)果的判定，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)面位置對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行一定的細(xì)化處理[5]，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓的網(wǎng)格劃分，以此得到轉(zhuǎn)鼓的網(wǎng)格劃分模型，如圖1所示。

圖1 臥式螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓網(wǎng)格劃分模型

2 臥式螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓靜力學(xué)仿真及優(yōu)化

2.1 臥式螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的仿真分析

轉(zhuǎn)鼓作為高速旋轉(zhuǎn)的柱狀殼體，在工作過程中主要受到離心力的作用，其強(qiáng)度表現(xiàn)對(duì)離心機(jī)的性能具有重要影響。轉(zhuǎn)鼓屬于薄壁零件，在使用過程中對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求較高[6]，需保證其形變量在使用范圍之內(nèi)。對(duì)正常工況下的轉(zhuǎn)鼓模型進(jìn)行模擬，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，積液池的深度為50 mm，對(duì)轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力進(jìn)行分析，得到如下頁(yè)圖2 所示的轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力分布圖。

從圖2 中可以看出，在正常工況下，轉(zhuǎn)鼓受到的應(yīng)力最大值為173.97 MPa，應(yīng)力均勻分布在轉(zhuǎn)鼓的圓柱段中，最大應(yīng)力值小于轉(zhuǎn)鼓的許用應(yīng)力值248 MPa，轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度滿足使用的需求，并且相對(duì)許用應(yīng)力值具有較大的裕量，轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)存在一定的優(yōu)化空間。

圖2 轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力（Pa）分布云圖

2.2 臥式螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓優(yōu)化分析

轉(zhuǎn)鼓的尺寸在設(shè)計(jì)過程中預(yù)留了一定的余量，造成了轉(zhuǎn)鼓自身的質(zhì)量較大，限制了轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)徑比，不利于煤炭的浮選。為進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)鼓的使用性能，在保證轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的條件下，對(duì)轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)徑比及壁厚進(jìn)行優(yōu)化處理。

長(zhǎng)徑比指臥式螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓有效工作長(zhǎng)度與圓柱段直徑的比值，轉(zhuǎn)鼓中沉降區(qū)與干燥區(qū)的長(zhǎng)度對(duì)于煤液中固相和液相的質(zhì)量有直接的影響，在保持轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑一致的情況下，轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)徑比越大，臥式螺旋離心機(jī)對(duì)煤液的分離效果越好。在保證轉(zhuǎn)鼓圓柱段直徑不變的情況下，增加轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)度，對(duì)不同長(zhǎng)度下的轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力進(jìn)行分析，將最大應(yīng)力值進(jìn)行記錄，繪制轉(zhuǎn)鼓最大應(yīng)力與長(zhǎng)度變化曲線，如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)鼓最大應(yīng)力與長(zhǎng)度變化的曲線

從圖3 可以看出，在轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度增加的過程中，最大應(yīng)力值也隨之增加，在轉(zhuǎn)鼓增加長(zhǎng)度小于100 mm時(shí)，最大應(yīng)力的變化不大，此時(shí)隨長(zhǎng)度增加，對(duì)轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量的影響程度不大，對(duì)應(yīng)力的作用有限；當(dāng)轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)度增加量大于100 mm 時(shí)，最大應(yīng)力值開始明顯增加，轉(zhuǎn)鼓的剛度受到影響，在增加量為150 mm 時(shí)，綜合應(yīng)力最大值為220 MPa，接近于許用應(yīng)力值。為保證轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度，對(duì)長(zhǎng)度增加量控制在100 mm 以內(nèi)為宜。

轉(zhuǎn)鼓的壁厚是影響其使用性能的重要參數(shù)，較小的壁厚既可以降低制造成本又可以減少使用過程中的能耗。在其他參數(shù)不變的情況下，改變轉(zhuǎn)鼓的壁厚，對(duì)不同壁厚下的應(yīng)力進(jìn)行分析，并將最大應(yīng)力值進(jìn)行記錄，繪制轉(zhuǎn)鼓最大應(yīng)力與壁厚變化曲線，如圖4 所示。

圖4 轉(zhuǎn)鼓最大應(yīng)力與壁厚變化的曲線

從圖4 可以看出，在轉(zhuǎn)鼓壁厚減小的過程中，壁厚在10 mm 以上時(shí)，轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力值變化不大，此時(shí)通過減小壁厚降低轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量對(duì)離心力產(chǎn)生的應(yīng)力作用不大；當(dāng)壁厚減小到10 mm 以下時(shí)，應(yīng)力產(chǎn)生明顯增加，在壁厚為8 mm 時(shí)，最大應(yīng)力值為240 MPa，此時(shí)接近于許用應(yīng)力值。在進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓壁厚優(yōu)化的過程中，可將轉(zhuǎn)鼓的壁厚降至10 mm，在對(duì)轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量有一定減輕的同時(shí)，保證其使用性能。

3 結(jié)論

1）正常工況下，轉(zhuǎn)鼓所受到的最大應(yīng)力值為173.97 MPa，轉(zhuǎn)鼓的許用應(yīng)力值為248 MPa，因此，轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)存在一定的優(yōu)化空間。

2）在保持轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑一致的情況下，轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)徑比越大，臥式螺旋離心機(jī)對(duì)煤液的分離效果越好。為保證轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度，對(duì)其長(zhǎng)度增加量控制在100 mm以內(nèi)為宜。

3）較小的壁厚既可以降低制造成本又可以減少使用過程中的能耗，為保證其使用性能，轉(zhuǎn)鼓的壁厚降至10 mm 為最佳。