壓力離心機(jī)給料端轉(zhuǎn)子頭的強(qiáng)度校核

黃志國

(承德石油高等?？茖W(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北　承德　067000)

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壓力離心機(jī)給料端轉(zhuǎn)子頭的強(qiáng)度校核

黃志國

(承德石油高等?？茖W(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北承德067000)

摘要：壓力離心機(jī)是化工行業(yè)主要設(shè)備之一，給料端轉(zhuǎn)子頭是離心機(jī)的重要部件。采用有限元分析法對給料端轉(zhuǎn)子頭在幾種實(shí)際工況載荷下的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行了校核。校核結(jié)果表明該轉(zhuǎn)子頭的結(jié)構(gòu)尺寸合理，符合工況要求。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子頭；強(qiáng)度校核；實(shí)際工況；有限元分析

壓力離心機(jī)是化工行業(yè)主要設(shè)備之一，它主要通過離心力作用將固液分離。離心機(jī)的結(jié)構(gòu)組件主要包括上部殼體、下部殼體、機(jī)架、轉(zhuǎn)子和驅(qū)動電動機(jī)。上部殼體與轉(zhuǎn)子部件相連，下部殼體包括進(jìn)料管和底部緩沖套，同時連通濾餅下料的收集器。離心機(jī)轉(zhuǎn)子由主軸、差速器、螺旋推進(jìn)器和扭矩臂組成[1]。轉(zhuǎn)子頭是離心機(jī)整個轉(zhuǎn)子的支撐和驅(qū)動的關(guān)鍵部件[2]，其結(jié)構(gòu)形狀和技術(shù)參數(shù)直接影響著離心機(jī)的工作效率和使用壽命[3]。本文采用有限元分析的方法對M1-1411壓力離心機(jī)送料端轉(zhuǎn)子頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核。

1給料端轉(zhuǎn)子頭的基本幾何參數(shù)

文中研究對象的主體部分為直徑為1 360 mm、厚度為78 mm的圓盤，上面均布4個橢圓孔，與外轉(zhuǎn)鼓相聯(lián)接。在圓盤的兩側(cè)是轉(zhuǎn)子頭主軸。一側(cè)轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動法蘭相聯(lián)接，另一側(cè)轉(zhuǎn)軸作為螺旋推料器的支撐。結(jié)構(gòu)材料采用S30408(原0Cr18Ni9)不銹鋼，分析中所采用的材料參數(shù)如表1、表2所示。

表1　S30408在不同溫度下的主要力學(xué)性質(zhì)

表2　依據(jù)GB150-2011查得S30408(原0Cr18Ni9)在不同溫度下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm

2給料端轉(zhuǎn)子頭的有限元分析模型

2.1分析模型單元的選取

根據(jù)要分析的給料端轉(zhuǎn)子頭的結(jié)構(gòu)及載荷特點(diǎn)，計(jì)算模型選取了SOLID45實(shí)體單元進(jìn)行分析。為使分析做到既精確又不浪費(fèi)過多的單元數(shù)，同時保證結(jié)果的收斂性，經(jīng)過試算，得到了合適的單元網(wǎng)格密度。其有限元模型見圖1。

2.2載荷施加與載荷工況

由于給料端轉(zhuǎn)子頭的兩端分別與左右軸頸連接。因此，根據(jù)實(shí)際工況，在分析模型中給料端轉(zhuǎn)子頭的主軸端部，一端約束全部位移，另一端自由。

根據(jù)給料端轉(zhuǎn)子頭實(shí)際工作的情況分析，對以下6種工況(見表3)進(jìn)行了分析校核，以確保給料端轉(zhuǎn)子頭在安裝、調(diào)試和操作時都能滿足強(qiáng)度和剛度要求。

表3　給料端轉(zhuǎn)子頭工況表

通過公式計(jì)算得出，開機(jī)時間分別為20、30、40、60 s時，轉(zhuǎn)子承受的扭矩分別為9 571 Nm、6 386 Nm、4 786 Nm、3 186 Nm。

另外在正常工作時，給料轉(zhuǎn)子頭要承受外伸端和螺旋推料器端軸承反力的作用。其軸承反力的大小由以下計(jì)算公式求得：

外伸端的軸承主要支撐整個設(shè)備的重量，因此F1=10 000*10/2=50 000 N

同時施加對應(yīng)的彎矩：M1=F1*(0.365+0.375+0.78/2)=38 950 Nm

螺旋推料器端的軸承主要支撐螺旋推料器的重量，因此

F2=2 000*10/2=10 000 N

同時施加對應(yīng)的彎矩：M2=F2*(1.46-0.25-0.14/2)=11 400 Nm

如圖2所示為工況6下的邊界條件和載荷施加情況。

3有限元結(jié)果計(jì)算和結(jié)果校核

3.1給料端轉(zhuǎn)子頭的強(qiáng)度計(jì)算

通過工況分析可知，壓力離心機(jī)開機(jī)啟動時，給料端轉(zhuǎn)子頭主要受到扭矩的作用，且在開機(jī)20s時扭矩最大。故而對壓力離心機(jī)啟動時間為20 s時的工況進(jìn)行校核，圖3為給料端轉(zhuǎn)子頭在壓力離心機(jī)啟動時間為20 s工況下的應(yīng)力強(qiáng)度云圖。

工況5壓力離心機(jī)正常工作時，由于自身的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的離心力。分析中，離心力以角速度的形式施加于給料端轉(zhuǎn)子頭的整個有限元模型。圖4為給料端轉(zhuǎn)子頭在高速旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下的應(yīng)力強(qiáng)度云圖。

工況6正常工作時，給料轉(zhuǎn)子頭要承受外伸端和螺旋推料器端軸承反力的作用。圖5為給料端轉(zhuǎn)子頭在承受軸承支反力作用下的應(yīng)力強(qiáng)度云圖。

3.2給料端轉(zhuǎn)子頭的強(qiáng)度校核

通過對根據(jù)前面的分析結(jié)果可知，在開機(jī)工況、承受離心力工況、承受兩端軸承支反力工況下的最大應(yīng)力強(qiáng)度值分別為6.91 MPa、67.1 MPa、38.4 MPa，均小于材料在20 ℃時的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度137 MPa。所以在實(shí)際工作的各種載荷工況下，給料端轉(zhuǎn)子頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都滿足設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

通過有限元分析結(jié)果校核得出結(jié)論：所研究的壓力離心機(jī)給料端轉(zhuǎn)子頭的結(jié)構(gòu)尺寸合理，在實(shí)際工作過程中的6種實(shí)際載荷工況下都能完全滿足設(shè)計(jì)所需的強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]殷瑞民.壓力離心機(jī)穩(wěn)定軸承改造[J].通用機(jī)械，2011(10)：30-33.

[2]翟英明，鄧香中，李春光，等.重型離心機(jī)組焊式轉(zhuǎn)子頭的設(shè)計(jì)與制造[J]. 機(jī)械工程師,2014(11):187-188.

[3]王瑞，高金吉，陳正滿.PTA裝置中重型壓力離心機(jī)轉(zhuǎn)子頭優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造，2007(2)：14-15.

Intensity Check of Rotor Head at Feeding End of Pressure Centrifuges

HUANG Zhi-guo

(Industrial and Technology Center,Chengde Petroleum College,Chengde 067000,Hebei,China)

Abstract:Pressure centrifuge is one of the main equipment in chemical industry. The rotor head at feed end is the important part of the centrifuge. In this paper, the finite element analysis method is used to check the stress intensity of the rotor head under some conditions. The results show that the structure of the rotor head is reasonable, and it is in accordance with the working condition.

Key words:rotor head; intensity check; actual condition; finite element analysis

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：黃志國(1977-)，男，吉林大安人，承德石油高等?？茖W(xué)校工業(yè)技術(shù)中心講師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)仿真、機(jī)械制造及數(shù)控加工領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。

中圖分類號：TQ051

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-9446(2016)03-0021-04