淺談臥螺離心機進水試車比空載振動烈度大的原因及改進方法

黎洪

海申機電總廠（象山）（浙江寧波 315718)

臥螺離心機主要由高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)鼓、與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)向相同且轉(zhuǎn)速略高或略低的螺旋以及差速器等部件組成，廣泛用于石油、化工、食品、制藥、環(huán)保等需要固-液分離的領(lǐng)域，能夠完成固相脫水，液相澄清，液-液-固、液-固-固三相分離，粒度分級等過程［1］。

臥螺離心機是高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其振動主要是由轉(zhuǎn)動部件的不平衡引起的。臥螺離心機能否正常開機運行，振動大小是關(guān)鍵。臥螺離心機振動大小通過振動速度均方根的最大值來衡量,振動速度均方根的最大值定義為振動烈度。影響臥螺離心機振動大小的原因很多，有設(shè)計的原因，也有生產(chǎn)制造、安裝、操作等方面的原因。

在對臥螺離心機試車過程中，常常發(fā)現(xiàn)同臺離心機進水試車的振動烈度大于不進水空載時的振動烈度，甚至有些臥螺離心機空載時振動很小，而進水試車時振動烈度大到超過國家標準限值，造成整臺離心機不合格。本文就臥螺離心機進水試車比空載試車振動更劇烈進行分析，主要分析了螺旋推料器配重平衡塊的配重位置對進水振動的影響，以及減小影響的措施。

1 臥螺離心機簡介

如圖1所示，臥螺離心機主要由副電機、差速器、螺旋體、轉(zhuǎn)鼓、主軸承、機座、機罩、傳動裝置及主電機等組成。其工作原理是：懸浮液經(jīng)進料管和螺旋出料口進入轉(zhuǎn)鼓,在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下，密度較大的固相顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，與轉(zhuǎn)鼓作相對運動的螺旋葉片不斷地將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相顆粒刮下并推出排渣口。分離后的清液經(jīng)液層調(diào)節(jié)板開口流出轉(zhuǎn)鼓。螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的相對運動（即差轉(zhuǎn)速）通過差速器來實現(xiàn)，其大小由渦流制動器或副電機來控制。差速器的外殼與轉(zhuǎn)鼓相聯(lián)接，輸出軸與螺旋體相聯(lián)接，輸入軸與副電機相聯(lián)接。主電機帶動轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的同時也帶動了差速器外殼的旋轉(zhuǎn),副電機通過聯(lián)軸器的聯(lián)接來控制差速器輸入軸的轉(zhuǎn)速，使差速器能按一定的速比將扭矩傳遞給螺旋，從而實現(xiàn)物料的連續(xù)分離。

圖1 臥螺離心機結(jié)構(gòu)簡圖1—副電動機；2—差速器；3—出液口；4—轉(zhuǎn)鼓；5—螺旋推料器；6—機座 ；7—機罩；8—出渣口；9—傳動裝置；10—主電動機

2 進水試車振動分析

2.1 振進水試車振動烈度大的可能原因

進水試車比空載振動烈度更大的原因可能包括：（1）進水后轉(zhuǎn)動部件的質(zhì)量增加，水的質(zhì)量使臥螺離心機產(chǎn)生更大的彈性變形，進水后轉(zhuǎn)動部件的繞度更大，產(chǎn)生更大的質(zhì)量偏心，引起更強的振動。（2）螺旋推料器對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的攪動產(chǎn)生質(zhì)量偏心，引起更大的振動。（3）由于離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔的幾何空間不對稱，引起轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的幾何中心線與旋轉(zhuǎn)軸心線不重合，產(chǎn)生質(zhì)量偏心，導(dǎo)致更大的振動。

2.2 進水試車振動烈度更大的原因判斷

通過計算知道臥螺離心機進水和空載的彈性變形均很小，二者的差異更小，可以忽略不計。因此，可以將臥螺離心機進水試車和空載試車看作剛體來處理，可以排除由于水的質(zhì)量使轉(zhuǎn)動部件繞度增大，從而使振動增強的情況。

轉(zhuǎn)鼓和螺旋推料器轉(zhuǎn)速不同步時，螺旋推料器對水有一定的攪動，一定程度上增強了離心機的振動。轉(zhuǎn)鼓和螺旋推料器的轉(zhuǎn)速同步時，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔的水也與轉(zhuǎn)鼓和螺旋推料器的轉(zhuǎn)速同步，可以認為螺旋推料器對水沒有攪動。但是，離心機進水試車的振動數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速不同步時的振動數(shù)據(jù)幾乎沒有區(qū)別。所以，螺旋推料器對水的攪動不是引起振動增強的主要原因。

離心機的轉(zhuǎn)速很大，分離因數(shù)很高，離心加速度為重力加速度的數(shù)千倍。所以轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水只要很小的質(zhì)量偏心就可能會產(chǎn)生較大的偏心力矩，從而增強振動。

綜上所述，造成進水試車比空載振動烈度更大的主要原因，是轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的質(zhì)量偏心。

如圖1所示，離心機轉(zhuǎn)鼓由柱錐形筒體組成。轉(zhuǎn)鼓在裝配前經(jīng)過精加工，精度等級很高，可看作由理想的圓柱和圓錐體內(nèi)腔組成。轉(zhuǎn)鼓的動平衡是通過在轉(zhuǎn)鼓外壁去重處理來達到的，轉(zhuǎn)鼓的去重處理方法不會影響離心機內(nèi)腔的幾何形狀。在進水試車時，假設(shè)去除螺旋推料器，高速旋轉(zhuǎn)水的形狀也由圓柱和圓錐體內(nèi)腔組成，在這種情況下可以認為轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的幾何中心線與轉(zhuǎn)鼓軸心線重合，而轉(zhuǎn)鼓的軸心線可以近似地認為和旋轉(zhuǎn)軸心線重合，即可認為轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的幾何中心與旋轉(zhuǎn)軸心線重合，表明轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水無質(zhì)量偏心。所以轉(zhuǎn)鼓不是造成轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水質(zhì)量偏心的原因。

離心機螺旋推料器由螺旋葉片和螺旋筒體組成。螺旋筒體在焊接螺旋葉片之前通常只加工其外表面。螺旋葉片通常是由一片片的鋼板壓成的，然后被焊接在螺旋推料器的筒體上。焊接葉片后的螺旋推料器通常只對螺旋葉片外圓進行精加工，不對螺旋葉片的端面進行精加工。這種制造工藝會造成螺旋推料器的偏心質(zhì)量較大，從而使螺旋推料器的配重質(zhì)量較大。螺旋推料器的配重通常是在螺旋推料器兩頭的葉片上增加配重塊來達到平衡的目的，配重塊如圖2所示。

圖2 螺旋推料器平衡塊

為了減小配重塊的質(zhì)量，通常把配重塊的旋轉(zhuǎn)半徑取最大，這樣配重塊就完全淹沒在液層中。從圖2容易看出：轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水由于配重塊的干涉，使水層不對稱地少了2個缺口，從而造成轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的質(zhì)量偏心；螺旋葉片的一部分伸入液層中，使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水有了螺旋形的缺口，這是引起轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水質(zhì)量偏心的另一個主要原因。

綜上分析，臥螺離心機進水試車比空載振動烈度更大的主要原因是轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的質(zhì)量偏心。造成轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水質(zhì)量偏心的原因有兩個：一是螺旋推料器螺旋葉片上焊接的配重塊，二是螺旋推料器的螺旋葉片。

3 改進方法

3.1 減小配重塊對轉(zhuǎn)股內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的影響

對圖2螺旋推料器配重塊動平衡進行受力分析。

式中：F1—配重塊1的離心力，N；

F2—配重塊2的離心力，N；

F3—螺旋推料器配重之前的偏心質(zhì)量的離心力，N。

式中：L1—配重塊1與螺旋推料器加配重塊之前的偏心質(zhì)心的軸向距離，m;

L2—配重塊2與螺旋推料器加配重塊之前的偏心質(zhì)心的軸向距離，m;

式中：ω—角速度，rad/s。

由（1）、（2）、（3）式可得：

式中：m1—配重塊1的質(zhì)量，kg；

m2—配重塊2的質(zhì)量，kg；

m3—螺旋推料器配重之前的偏心質(zhì)量，kg。

由式（4）可知，在同時減小 R1和 R2時，m1+m2應(yīng)增大。如圖2所示，配重塊1處于直段，無水層的空間較小，配重塊2處于錐段，無水層的空間較大。所以在避免配重塊接觸水層時，可以把m2取大些。在m2取大值時，必須同時滿足式（5），即m1取小值。m2取大值可通過調(diào)整L2/L1的值來實現(xiàn)。

由式（4）還可知：螺旋推料器動平衡偏心質(zhì)量越小，配重塊質(zhì)量就越??；配重塊質(zhì)量越小就越容易做到配重塊不接觸水層。所以設(shè)計時首先要從理論上避免螺旋推料器的質(zhì)量偏心，其次要增加制造精度，特別是應(yīng)對螺旋推料器的內(nèi)腔進行精加工。

3.2 減小螺旋葉片對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的影響。

要減小螺旋葉片對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的影響，就要降低螺旋葉片造成的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的質(zhì)量偏心：（1）從設(shè)計上去避免，比如采用雙頭螺旋代替單頭螺旋；（2）螺旋葉片焊接后，應(yīng)對其螺距和端面進行精確校正。

4 試驗比較

由于受制造成本以及加工設(shè)備的限制，本試驗用雙頭螺旋臥螺離心機的螺旋葉片端面未進行精加工，只對配重塊焊接不同位置進行了兩組試驗：一組配重塊處于水層中，另一組配重塊不接觸水層。試驗采用AWA5933型測振儀，采取接觸方式對離心機大端軸承和離心機小端軸承進行了測量。測量數(shù)據(jù)見表 1～4。

從表1～4可以看出，配重塊處于什么位置對空載振動沒有影響。配重塊不接觸水層，水平和豎直方向的振動值比處于水層中時更小，軸向方向的振動值與處于水層中時很接近，振動烈度比處于水層中時更小。試驗說明：配重塊引起轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)水的質(zhì)量偏心，高速旋轉(zhuǎn)時因其產(chǎn)生的軸向離心力，對水平和豎直方向的振動有影響，對軸向方向的振動幾乎沒有影響。

表1 配重塊處于水層中離心機空載振動數(shù)據(jù) mm/s

表2 配重塊處于水層中離心機進水振動數(shù)據(jù) mm/s

表3 配重塊不接觸水層離心機空載振動數(shù)值 mm/s

表4 配重塊不接觸水層離心機進水振動數(shù)據(jù) mm/s

5 結(jié)語

振動是由轉(zhuǎn)動件的質(zhì)量偏心引起的。轉(zhuǎn)動件的質(zhì)量偏心在生產(chǎn)中不能完全避免，只能盡量減少。要盡量減少臥螺離心機進水試車水層的質(zhì)量偏心，縮小進水試車與空載振動的差距，主要有3個措施：

（1）從設(shè)計上去規(guī)避；

（2）提高螺旋葉片的制造精度；

（3）在選擇配重塊配重位置時，盡量使配重塊伸入水層的體積最小，最好做到配重塊不接觸水層。