摘要： 采用實(shí)體單元建立了臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的三維有限元模型， 并對(duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析。結(jié)果表明， 轉(zhuǎn)鼓在正常工況下的強(qiáng)度滿足要求;在正常轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)也不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

　　關(guān)鍵詞： 離心機(jī) 轉(zhuǎn)鼓 有限元

　　臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)，簡(jiǎn)稱臥螺離心機(jī)，是上50年代出現(xiàn)的分離機(jī)械。由于具有連續(xù)操作、處理量大 、單位產(chǎn)量耗電量低 、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、醫(yī)藥、食品、輕工等領(lǐng)域， 并隨著石油化學(xué)工業(yè)的迅猛發(fā)展和城市污水治理的迫切需要，臥螺離心機(jī)必將會(huì)有更廣闊的發(fā)展前景。

　　1 有限元模型的建立

　　1.1 有限元幾何模型

　　根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，本分析研究的臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓材料為1Cr18Ni9Ti，外形為筒椎形，柱筒段內(nèi)徑0.520m，厚度0.015m，長(zhǎng)度0.710m，椎筒段長(zhǎng)度 0.473m，半椎角α=9.6°。分別采用 plane42、solid45 劃分網(wǎng)格。單元總數(shù)7580， 節(jié)點(diǎn)總數(shù) 7680。在保證計(jì)算精度要求的前提下， 劃分網(wǎng)格如圖所示：

　　1.2 載荷

　?、僮陨碣|(zhì)量引起的離心力

　　高速回轉(zhuǎn)下的轉(zhuǎn)鼓， 鼓體金屬本身質(zhì)量所 產(chǎn)生的離心力在分析中以角速度的形式施加于轉(zhuǎn)鼓的有限元模型上。

　?、谖锪系碾x心壓力

　　該力是 物料在離 心力 作 用下沿 徑 向 運(yùn) 動(dòng) 對(duì) 轉(zhuǎn) 鼓 壁 形成的壓力.方向垂直于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面。圓筒中的流體物料在高速回轉(zhuǎn)下所產(chǎn)生的離心壓力為

　　式中ρ為筒中物料的密度，1.085kg/m3; r為流體物料c層 中任意處半徑 ，r0為圓筒體回轉(zhuǎn)時(shí)流體的自由表面半徑，0.275m?？梢钥闯鲭x心壓力隨而變化 ，本分析通過(guò)構(gòu)建載荷函數(shù)， 調(diào)用函數(shù)加載， 實(shí)現(xiàn)了加載。

　　1.3 邊界條件

　　轉(zhuǎn)鼓的約束是根據(jù)具體結(jié)構(gòu)確定的。在轉(zhuǎn)鼓柱筒端施加全約束，在椎筒端施加徑向和周向約束，即約束UY和 UZ。

　　2 有限元計(jì)算和分析

　　2.1 靜力分析

　　應(yīng)力0.11362E+09 zui大轉(zhuǎn)鼓的靜力分析主要是考察其強(qiáng)度問(wèn) 題，即在一定的工作載荷下， 轉(zhuǎn)鼓是否有足夠的 強(qiáng)度。由圖 2 所示， 轉(zhuǎn)

　　鼓所受zui大應(yīng)力 113.62MPa。 本 分 析 采 用 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 SIMT來(lái)描述轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力狀態(tài)，并與材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm進(jìn)行比較 。轉(zhuǎn)鼓材料為1Cr18Ni9Ti，其設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm=137MPa。校核時(shí)， 對(duì)于沿壁厚方向的平均應(yīng)力強(qiáng)度， 取其許用值為一倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度， 即 Sm。對(duì)于沿壁厚方向的zui大應(yīng)力強(qiáng)度， 由于包含有危害較小的彎曲應(yīng)力部分，因此取其許用值為 1.5倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，即1.5 Sm。由于轉(zhuǎn)鼓所受zui大應(yīng)力強(qiáng)度小于材料許用應(yīng)力強(qiáng)度，故轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度是安全的。

　　2.2 模態(tài)分析

　　模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性(固有頻率和振型)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或按特定頻率 進(jìn)行振動(dòng)。它也是其它更詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析的起 點(diǎn)，例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 、諧響應(yīng)分析、譜分析等。

　　本分析應(yīng)用 Lanczos 法計(jì)算出的螺旋輸送器前5階固有頻率如表 2 所示。由下表可知， 螺旋輸送器*階固有頻率為 165.61 赫茲， 對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為 9936.6r/minx 螺旋輸送器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為3000r/minx，遠(yuǎn)小于該臨界轉(zhuǎn)速，因此，螺旋輸送器在正常的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

　　階數(shù) 1 2 3 4 5

　　頻率(HZ) 165.61 187.90 253.59 279.45 301.45

　　3 結(jié)論

　?、俨?用 Plane42、Solid45實(shí)體單元成功地建立了臥式

　　螺旋卸料沉降離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的3維有限元模型，模型不但較好地模擬了轉(zhuǎn)鼓的真實(shí)結(jié)構(gòu)，而且可以用來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;

　?、趯?duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行了額定工況下的靜力分析，結(jié)果表明轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度和剛度均能滿足要求;

　?、蹜?yīng)用 Lanczos 法對(duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行了模態(tài)分析，得到前5階固有頻率，結(jié)果表明轉(zhuǎn)鼓在正常的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 董俊華， 臥螺離心機(jī)雙錐角轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的有限元分析北京化工大學(xué)學(xué)報(bào) 2004 臥式螺旋

　　[3] 顧威， 沉降離心機(jī)螺旋輸送器的三維有限元分析制造業(yè)自動(dòng)化