過濾器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

耿曉平

（青島科技大學(xué)，山東 青島 266042）

設(shè)備與自控

過濾器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

耿曉平

（青島科技大學(xué)，山東 青島 266042）

摘 要：根據(jù)過濾器殼體的工作原理，運(yùn)用力學(xué)理論，通過建立模型，對(duì)過濾器殼體進(jìn)行受力分析，并用SolidWorks軟件進(jìn)行模擬分析, 解決如何在保證殼體強(qiáng)度的前提下，減少殼體的質(zhì)量和流阻，可為過濾器殼體的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：過濾器；殼體；力學(xué)分析

過濾器廣泛用于冶金、化工、石油、造紙、醫(yī)藥、食品、采礦、電力、城市給水領(lǐng)域。過濾器的初始?jí)航凳窃u(píng)判過濾器優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。過濾器的初始?jí)航涤蔀V芯和過濾器殼體兩部分組成。過濾器殼體的壓降計(jì)算公式為：

式中，ΔPk為過濾器空殼壓降，Pa；λi為空殼沿程阻力系數(shù)；Li為每段沿程長(zhǎng)度，m；Ai為空殼沿程通油面積，m2；Aj為某局部變化后的面積，m2；λi為某局部阻力系數(shù)；di為每段沿程的水力直徑，m。

由公式（1）可知，殼體的壓降與沿程的通油面積、某局部變化后的面積、某局部阻力系數(shù)等因素有關(guān)。在圖1中，根據(jù)液體的流動(dòng)方向可知，B處的阻力比較大。

圖1 改進(jìn)前過濾器殼體結(jié)構(gòu)圖

1 下殼體強(qiáng)度受力分析

過濾器一般由上下殼體構(gòu)成，而承受壓力則主要是下殼體。下殼體的受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)前下殼體的受力

1）下殼體的底部厚度［1］：

式中，Pe為額定工作壓力，15MPa；t1為下殼體底厚，5mm；D為下殼體底部?jī)?nèi)徑，20mm；nb為安全系數(shù)，一般取1.8；δb為材料的強(qiáng)度極限，70MPa。

2）切點(diǎn)A處的邊緣力：

式中，F(xiàn)0為A處邊緣力，MPa；r1為下殼體內(nèi)圓半徑，mm。

3）切點(diǎn)A產(chǎn)生的應(yīng)力：

式中，σ1為A處表面的軸向應(yīng)力，MPa；σ2為A處表面的周向應(yīng)力，MPa；t2為底厚A處壁厚，6mm；μ1為泊松比。

邊緣力在A處產(chǎn)生的最大軸向應(yīng)力為：

式中，σ2max為最大圓周應(yīng)力，MPa；R3為底部壁厚的中徑半徑，25mm；β0為修正系數(shù)，1/mm。

可按下式計(jì)算：

4）內(nèi)部壓力產(chǎn)生的主應(yīng)力：

式中，σ′1為軸向應(yīng)力，MPa；σ′2為周向應(yīng)力，MPa；σ′3為徑向應(yīng)力，MPa；Kb為外半徑與內(nèi)半徑之比。

5）內(nèi)部壓力產(chǎn)生的切應(yīng)力：

式中，τmax為最大切應(yīng)力，MPa。

合成應(yīng)力：

式中，σx為周向合成應(yīng)力，MPa；σy為軸向合成應(yīng)力，MPa；τxy為合成切應(yīng)力，MPa。

式中，［nb］為許用安全系數(shù)，一般取1.8。

2 下殼體強(qiáng)度受力仿真

根據(jù)液壓過濾器殼體、安裝位置和工作環(huán)境，為提高其可靠性，運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行力學(xué)仿真分析。從仿真結(jié)果可以知道，最小安全系數(shù)為1.3，與計(jì)算結(jié)果有差別。通過分析發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力點(diǎn)在O型圈的安裝槽處，也就是圖2中t3處。此處壁厚較薄，應(yīng)力比較大。

圖3 改進(jìn)前的仿真結(jié)果

3 下殼體結(jié)構(gòu)改進(jìn)和受力仿真

根據(jù)出現(xiàn)的問題做如下改進(jìn)：1）改變密封圈的位置，避開薄弱點(diǎn)。2）增大上下殼體的間隙和對(duì)下殼體倒角，減少流阻。由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，下殼體的安全系數(shù)為2，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 改進(jìn)后的過濾器殼體

圖5 改進(jìn)后的仿真結(jié)果

4 流阻的實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)

對(duì)流阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)，所用的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為15號(hào)液壓油，室溫20℃。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。殼體的設(shè)

計(jì)流量17L·min-1，流阻小于50kPa。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該殼體的流阻完全可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。

表1 流阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 流阻的實(shí)驗(yàn)原理圖

3 結(jié)語(yǔ)

該過濾器殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從某種意義上說，能夠改變?nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)思維方式，使產(chǎn)品能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。再者，合理設(shè)計(jì)殼體的結(jié)構(gòu)，能夠降低產(chǎn)品成本，為企業(yè)創(chuàng)造出更大的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1]戴天翼.過濾器設(shè)計(jì)、制造、使用 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［3]李華.機(jī)械制造技術(shù) ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

中圖分類號(hào)：TQ 051.8+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9905（2016）01-0037-03

作者簡(jiǎn)介：耿曉平（1987-），女，工程碩士，主要從事化學(xué)工程與工藝研究。E-mail：geng_xiaoping@126.com，電話：18310079078

收稿日期：2015-10-27

Optimization Design of Filter Housing

GENG Xiao-ping
（Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266042， China）

Abstract：Based on the working principle of the filter housing， by use of the mechanical theory and modeling， analyzed the filter shell of stress and the simulation analysis by using SolidWorks software， in order to reduce the quality of the shell and flow resistance under the premise that ensure the strength of shell， which could provide a theoretical basis for the design of the shell of the filter.

Key words：filter； shell； mechanical analysis