高速碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓體結(jié)構(gòu)有限元分析

鄭加洲，劉峰軍，王洪琪

(南京中船綠洲機(jī)器有限公司 江蘇 南京 210039)

0 引言

碟式分離機(jī)是應(yīng)用最廣、使用數(shù)量最多的離心機(jī)之一，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化工、石油化工、輕工、生物工程、船舶、涂料等領(lǐng)域［1］。隨著分離機(jī)廣泛的應(yīng)用和市場需求的變化，又促進(jìn)了碟式分離機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。分離機(jī)轉(zhuǎn)速從早期4000 r/min左右發(fā)展到現(xiàn)在的10000 r/min左右，轉(zhuǎn)鼓體的結(jié)構(gòu)也從簡單發(fā)展到現(xiàn)在各種各樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。鑒于分離機(jī)的轉(zhuǎn)速大幅提高以及轉(zhuǎn)鼓體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，繼續(xù)采用經(jīng)典的彈性力學(xué)理論對轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度計(jì)算，顯然不能滿足現(xiàn)在設(shè)計(jì)需要。因?yàn)榻?jīng)典的彈性力學(xué)理論適用于結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)則的轉(zhuǎn)鼓主要零件，對幾何形狀復(fù)雜的離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓各部位的應(yīng)力狀態(tài)的計(jì)算，最適宜的方法是采用有限元法［2］。

應(yīng)用有限元法的計(jì)算軟件有很多，其中ANSYS是應(yīng)用最為廣泛的軟件之一。經(jīng)過不斷的改進(jìn)和完善，ANSYS開發(fā)了人性化的分析平臺ANSYS Work-Bench。本文就是應(yīng)用ANSYS WorkBench對轉(zhuǎn)鼓體進(jìn)行多方面的分析，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 轉(zhuǎn)鼓體技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)及受力分析

1.1 碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓體技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

技術(shù)參數(shù)為額定轉(zhuǎn)速為9360 r/min，轉(zhuǎn)鼓體材料為不銹鋼，其彈性模量 E=206 GPa，密度 ρ=7850 kg/m3。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):采用環(huán)閥排渣結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)鼓體壁上開了12個均布排渣槽，其二維結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)鼓體二維結(jié)構(gòu)及受力示意圖

1.2 轉(zhuǎn)鼓體受力分析

分離機(jī)從啟動開始，轉(zhuǎn)鼓逐漸增速至額定轉(zhuǎn)速(以下簡稱啟動工況)，然后通密封水使活塞及滑塊壓緊密封圈(以下簡稱密封工況)，再通入物料進(jìn)行分離(以下簡稱正常分離工況)。在密封工況時(shí)，活塞下表面受到密封水的離心液壓力;在正常分離工況時(shí)，活塞下表面除受到密封水的離心液壓力，還受到物料對活塞上表面的離心液壓力，同時(shí)轉(zhuǎn)鼓蓋內(nèi)表面受到物料的離心液壓力。綜合比較這兩種工況，在垂直方向上，密封工況密封水離心液壓力傳遞到轉(zhuǎn)鼓體上的影響要比正常分離工況密封水和物料離心液壓力傳遞到轉(zhuǎn)鼓體的大，因此取密封工況為危險(xiǎn)工況進(jìn)行受力分析。

為了簡化分析前的載荷計(jì)算，提高工作效率，在密封工況下，轉(zhuǎn)鼓體的主要載荷有三項(xiàng):質(zhì)量離心力F離、密封水對轉(zhuǎn)鼓體的離心液壓力P、由密封水的離心液壓力而引起主鎖環(huán)螺牙對轉(zhuǎn)鼓體螺牙的作用力F螺。受力示意圖如圖1所示。

其中，P可以通過公式(1)計(jì)算:

式中:P為半徑r處的壓強(qiáng);ω為轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速;ρ為流體密度;r為計(jì)算處流體的回轉(zhuǎn)半徑;r0為自由液面內(nèi)半徑。

P在軸向的合力可以通過公式⑵計(jì)算:

式中:F為密封水引起的軸向力;ρ水為密封水密度;r1為密封水作用面外半徑;r2為密封水作用面內(nèi)半徑。

質(zhì)量離心力F離理論計(jì)算公式為:

式中:m為回轉(zhuǎn)體質(zhì)量;r為回轉(zhuǎn)體質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心線距。

由密封水的離心液壓力而引起主鎖環(huán)螺牙對轉(zhuǎn)鼓體螺牙的作用力F螺與轉(zhuǎn)鼓體螺牙對主鎖環(huán)螺牙作用力是一對相互作用力，大小相等，方向相反。而主鎖環(huán)只受轉(zhuǎn)鼓體螺牙對主鎖環(huán)作用力和轉(zhuǎn)鼓蓋對主鎖環(huán)的軸向作用力。這樣很容易求得F螺。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 模型簡化及導(dǎo)入

在保證不影響計(jì)算精度的前提下使計(jì)算更簡化省時(shí)，有必要對模型進(jìn)行簡化。如忽略轉(zhuǎn)鼓體密封孔、放泄孔、定位銷孔等，簡化梯形螺紋為梯形圓柱面。由于轉(zhuǎn)鼓體壁有12個均布排渣槽，沿中心線呈周期對稱，所以取1/4轉(zhuǎn)鼓體模型加以分析。

由于直接在ANSYS WorkBench中建立有限元模型操作比較復(fù)雜，這里采用專業(yè)三維繪圖軟件Pro/E來建立CAD模型，然后通過Pro/E與ANSYS自帶的接口把CAD模型導(dǎo)入到ANSYS WorkBench中形成有限元模型。

經(jīng)過簡化的轉(zhuǎn)鼓體CAD模型及有限元模型分別如圖2、圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)鼓體PRO/E簡化模型圖

2.2 網(wǎng)格劃分

由于模型采用三維實(shí)體模型，這里選用單元類型為SOLID187，這個單元是10節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，適于生成不規(guī)則網(wǎng)格模型。在轉(zhuǎn)鼓體螺紋區(qū)域及排渣槽附近增加局部網(wǎng)格細(xì)化控制，對轉(zhuǎn)鼓體整體采取默認(rèn)自動網(wǎng)格劃分。轉(zhuǎn)鼓體網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)鼓體有限元簡化模型

圖4 轉(zhuǎn)鼓體網(wǎng)格劃分圖

2.3 邊界條件施加及載荷加載

邊界條件施加:按周期對稱的兩側(cè)面無摩擦約束和在芯部頂部的軸向約束。

載荷加載:

(1)質(zhì)量離心力，在軟件中可以通過直接加載轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

(2)主鎖環(huán)對轉(zhuǎn)鼓體的螺紋載荷可以先建立局部坐標(biāo)系，然后分別加載軸向和徑向分量實(shí)現(xiàn)。

(3)離心液壓力加載比較復(fù)雜:首先通過ANSYS軟件的APDL語言編寫離心液壓力宏程序，然后運(yùn)用WorkBench的“Named selections”機(jī)制，建立加載面上的節(jié)點(diǎn)選擇集，最后通過Commands項(xiàng)目輸入宏程序［3］。約束及載荷加載如圖5所示。

2.4 結(jié)果分析

經(jīng)過分析計(jì)算，轉(zhuǎn)鼓體總體等效應(yīng)力云圖、排渣槽處等效應(yīng)力云圖、螺紋處等效應(yīng)力云圖及最大主應(yīng)力云圖分別如圖6、圖7、圖8和圖9所示。

綜上分析可知，轉(zhuǎn)鼓體螺紋處是高應(yīng)力區(qū)域，最大等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力分別為249.39 MPa和239.65 MPa，最大位置在轉(zhuǎn)鼓體頂部螺牙區(qū)域。從轉(zhuǎn)鼓體的總體等效應(yīng)力云圖和排渣槽處等效應(yīng)力云圖可知，整體等效應(yīng)力結(jié)果正常，在排渣槽處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，位置在槽與上下面接觸交匯的很小區(qū)域，在正常工作狀態(tài)下，它不影響使用。

圖5 轉(zhuǎn)鼓體模型約束和加載圖

圖6 轉(zhuǎn)鼓體總體等效應(yīng)力云圖

圖7 轉(zhuǎn)鼓體排渣槽處等效應(yīng)力云圖

圖8 轉(zhuǎn)鼓體螺紋處等效應(yīng)力云圖

另外，還可以看出應(yīng)用ANSYS WorkBench分析的結(jié)果比較形象直觀，可以從各個方向觀察轉(zhuǎn)鼓體應(yīng)力分布情況，能夠?yàn)榉蛛x機(jī)轉(zhuǎn)鼓體設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)作用。

圖9 轉(zhuǎn)鼓體螺紋處最大主應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

有限元法已經(jīng)被應(yīng)用對轉(zhuǎn)鼓體進(jìn)行強(qiáng)度及安全性分析，隨著有限元軟件功能逐漸強(qiáng)大，仿真結(jié)果也越來越精確。但是由于分離機(jī)本身實(shí)際工況比較復(fù)雜，如物料多樣性、排渣頻繁等，也時(shí)常由于疲勞出現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓體損壞事故。所以，應(yīng)用有限元法對轉(zhuǎn)鼓體進(jìn)行疲勞分析將成為下一步研究的重點(diǎn)。

［1］余國琮.化工機(jī)械工程手冊(中卷)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］JB/T 8051－96，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范［S］.