蒙 文

MENG Wen

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530001）

（Guangxi Vocational and Technical Institute of Industry，Guangxi，Nanning 530001，China）

錐籃離心機(jī)是糖廠的主要分離設(shè)備，應(yīng)用廣泛。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，離心機(jī)向著大型、高速、高效發(fā)展。轉(zhuǎn)鼓是離心機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將產(chǎn)生很大的鼓壁應(yīng)力。與物料接觸的轉(zhuǎn)鼓材料一般為耐腐蝕低強(qiáng)度的奧氏體不銹鋼，其強(qiáng)度制約了離心機(jī)向大型化發(fā)展。為了提高轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外的大型離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓外側(cè)常設(shè)置加強(qiáng)箍以增強(qiáng)其承載能力。采用加強(qiáng)箍既可以保證轉(zhuǎn)鼓高強(qiáng)度的需要，又可以滿(mǎn)足其耐腐蝕的要求。由于裝有加強(qiáng)箍的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)和應(yīng)力復(fù)雜，運(yùn)用傳統(tǒng)的工程計(jì)算不準(zhǔn)確，易造成加強(qiáng)箍的截面及分布參數(shù)不合理或盲目選擇加強(qiáng)箍過(guò)盈量［1－5］。本研究以IL－1400錐籃離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓為例，擬采用三維有限元法，在箍與鼓壁間有或無(wú)預(yù)緊的情況下，對(duì)鼓壁應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算，以期獲得加強(qiáng)箍參數(shù)和過(guò)盈量對(duì)鼓壁應(yīng)力的影響規(guī)律，旨在為錐籃離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 參數(shù)定義與有限元模型建立

1.1 加強(qiáng)箍參數(shù)定義

如圖1所示，在錐籃離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓外側(cè)設(shè)置加強(qiáng)箍，轉(zhuǎn)鼓與箍的材料為321不銹鋼，計(jì)算時(shí)認(rèn)為加強(qiáng)箍與鼓體保持貼合。轉(zhuǎn)鼓材料在常溫下的彈性模量E為2.04×105MPa，泊松比μ為0.3，密度ρ0為7 930 kg／m3。轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 設(shè)置加強(qiáng)箍的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)Figure 1 Basket structure of installed rings

表1 轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)參數(shù)與計(jì)算參數(shù)Table 1 Structure parameters and compute parameters of basket

1.2 有限元模型建立

1.2.1 轉(zhuǎn)鼓模型 采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬分析，建模時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了一些合理簡(jiǎn)化，在一些非重點(diǎn)和非應(yīng)力集中的地方去除了圓角和倒角。所建立的轉(zhuǎn)鼓等效模型見(jiàn)圖2。

圖2 轉(zhuǎn)鼓的等效模型Figure 2 Equivalent model of basket

1.2.2 網(wǎng)格劃分與載荷約束 由于轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且是軸對(duì)稱(chēng)的，取模型的1／12作為分析研究對(duì)象，采用Solid45實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。耦合加強(qiáng)箍與轉(zhuǎn)鼓的節(jié)點(diǎn)，使兩者保持貼合［6］。

在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上施加的載荷見(jiàn)文獻(xiàn)［7］。對(duì)底座底面的節(jié)點(diǎn)施加所有固定約束，在轉(zhuǎn)鼓對(duì)稱(chēng)截面施加對(duì)稱(chēng)約束。轉(zhuǎn)鼓的載荷分布和約束見(jiàn)圖3。

圖3 轉(zhuǎn)鼓的載荷分布和約束Figure 3 Load distribution and constraint of basket

1.3 鼓壁應(yīng)力強(qiáng)化系數(shù)定義

為了便于分析與描述，定義有或無(wú)預(yù)緊時(shí)鼓壁應(yīng)力強(qiáng)化系數(shù)：

式中：

Ky——有預(yù)緊時(shí)的鼓壁應(yīng)力強(qiáng)化系數(shù)；

Kw——無(wú)預(yù)緊時(shí)的鼓壁應(yīng)力強(qiáng)化系數(shù)；

2 加強(qiáng)箍參數(shù)對(duì)鼓壁應(yīng)力的影響

2.1 箍間距對(duì)鼓壁應(yīng)力的影響

在給定箍的截面積A1＝3 825 mm2、A2＝7 200 mm2，箍數(shù)n＝2的條件下，采用數(shù)值模擬計(jì)算了鼓壁最大周向應(yīng)力，得出了強(qiáng)化系數(shù)隨箍間距變化的情況，見(jiàn)圖4、5。在研究預(yù)緊力的影響時(shí)，以箍的過(guò)盈量為變量，此處過(guò)盈量ΔD取0.1 mm。由定義可知強(qiáng)化系數(shù)值小于1時(shí)，表明鼓體得到加強(qiáng)，且強(qiáng)化系數(shù)越小這種強(qiáng)化作用越明顯。

圖4 無(wú)預(yù)緊時(shí)K w隨C變化的曲線Figure 4 Curves of K w vary with C for non－precompression

由圖4、5可知，隨著箍間距C的減小，強(qiáng)化系數(shù)Kw、Ky呈下降趨勢(shì)，表明鼓壁的最大周向應(yīng)力隨箍間距的減小而減小，鼓體受到強(qiáng)化。當(dāng)C＝265 mm時(shí)，Kw＝1，C＝292 mm時(shí)，Ky＝1，即鼓壁上有箍時(shí)的最大周向應(yīng)力等于無(wú)箍時(shí)的最大周向應(yīng)力。由此可見(jiàn)，在有或無(wú)預(yù)緊的條件下，當(dāng)C＜265或292 mm時(shí)，箍對(duì)鼓壁才起到強(qiáng)化作用，且有預(yù)緊力的轉(zhuǎn)鼓受到箍強(qiáng)化作用最顯著。

圖5 有預(yù)緊時(shí)K y隨C變化的曲線Figure 5 Curves of K y vary with C for precompression

當(dāng)箍的截面尺寸確定時(shí)，從圖4、5中可以得出：對(duì)于特定的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)，箍間距越小，箍的分布數(shù)量越多，強(qiáng)化作用越明顯。這就意味著箍的總截面積越大，箍的強(qiáng)化作用越明顯，顯然這樣的結(jié)論沒(méi)有實(shí)際價(jià)值。應(yīng)在箍的總截面積相等的條件下，考察箍的分布數(shù)量才有意義。

給定箍的總截面積分別為 ∑A1＝11 475 mm2、∑A2＝21 600 mm2，將箍沿轉(zhuǎn)鼓的高度均勻分布，模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6、7。由圖6、7可知，不同箍總截面積的Kw、Ky隨箍數(shù)n的增大逐漸減小，且變化趨勢(shì)一致。結(jié)果表明：箍的數(shù)量對(duì)鼓壁應(yīng)力分布規(guī)律的影響不會(huì)隨箍總截面積的變化而改變。當(dāng)箍數(shù)n≥3時(shí)，鼓壁最大周向應(yīng)力的減小幅度趨于減緩。就轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì)中對(duì)周向應(yīng)力的要求盡可能小這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，箍數(shù)越多越好。但設(shè)置過(guò)多的加強(qiáng)箍會(huì)造成濾孔堵塞，阻礙濾液排出，影響固液分離效果，也會(huì)使制造成本提高。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)性和分離效果問(wèn)題，合理選擇箍的數(shù)量。

圖6 無(wú)預(yù)緊時(shí)K w隨n變化的曲線Figure 6 Curves of K w vary with n for non－precompression

圖7 有預(yù)緊時(shí)K y隨n變化的曲線Figure 7 Curves of K y vary with n for precompression

2.2 箍端距對(duì)鼓壁應(yīng)力的影響

在給定箍數(shù)n＝3、箍截面積A＝1 350 mm2的條件下，分析箍端距對(duì)鼓壁應(yīng)力的影響，模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8～11。由圖8～11可知，強(qiáng)化系數(shù)Kw、Ky隨著大端端距d1的減小而減小、隨著小端端距d2的增大而減小。有或無(wú)預(yù)緊時(shí)，當(dāng)d1＜109 mm、d2＞74 mm時(shí)，Kw、Ky均小于1，加強(qiáng)箍開(kāi)始起加強(qiáng)作用。由此可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，加強(qiáng)箍的安裝位置應(yīng)適當(dāng)往轉(zhuǎn)鼓大端偏移，可使鼓壁應(yīng)力減小。

圖8 無(wú)預(yù)緊時(shí)K w隨d 1變化的曲線Figure 8 Curve of K w vary with d 1 for non－precompression

圖9 有預(yù)緊時(shí)K y隨d 1變化的曲線Figure 9 Curve of K y vary with d 1 for precompression

圖10 無(wú)預(yù)緊時(shí)K w隨d 2變化的曲線Figure 10 Curve of K w vary with d 2 for non－precompression

圖11 有預(yù)緊時(shí)K y隨d 2變化的曲線Figure 11 Curve of K y vary with d 2 for precompression

2.3 箍截面參數(shù)對(duì)鼓壁應(yīng)力的影響

通過(guò)模擬計(jì)算，圖12、13給出了在不同箍截面積A1＝1 350 mm2、A2＝5 850 mm2、A3＝7 650 mm2和箍數(shù)n＝3的條件下，強(qiáng)化系數(shù)Kw、Ky隨箍截面高厚比γ與截面積A變化的情況。由圖12、13可知，在等箍截面積下，Kw和Ky隨γ增大而減小，即鼓壁應(yīng)力減小，箍截面積較大時(shí)，這種影響比較明顯，而箍截面積較小時(shí)鼓壁應(yīng)力變化很小。由此可見(jiàn)，當(dāng)箍截面積較小時(shí)，高厚比γ的變化對(duì)鼓壁應(yīng)力的影響較小。

圖12 無(wú)預(yù)緊時(shí)K w隨γ和A變化的曲線Figure 12 Curves of K w vary withγand A for non－precompression

圖13 有預(yù)緊時(shí)K y隨γ與A變化的曲線Figure 13 Curves of K y vary withγand A for precompression

2.4 過(guò)盈量大小對(duì)鼓壁應(yīng)力的影響

通過(guò)模擬計(jì)算，圖14給出了在A＝3 826 mm2、n＝4、c＝257.55 mm的條件下，當(dāng)鼓壁厚度分別為δ1＝8 mm、δ2＝10 mm、δ3＝15 mm時(shí)，強(qiáng)化系數(shù)Ky隨加強(qiáng)箍過(guò)盈量ΔD與壁厚δ變化的趨勢(shì)。由圖14可知，隨著ΔD的減小，Ky逐漸減小，即鼓壁應(yīng)力減小，這種變化趨勢(shì)在鼓壁厚度較小時(shí)表現(xiàn)得相對(duì)比較明顯。當(dāng)ΔD≤0.1 mm時(shí)，鼓壁應(yīng)力減小的幅度趨于減緩。按照?qǐng)D14中曲線的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)中過(guò)盈量取得越小鼓壁應(yīng)力就越小。但在轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到工藝和成本問(wèn)題，加強(qiáng)箍的過(guò)盈量越小，要求加工工藝越高，制造成本也就越大。因此，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)鼓時(shí)，應(yīng)綜合考慮精度要求和經(jīng)濟(jì)成本，合理選擇過(guò)盈量。

圖14 K y隨ΔD與δ變化的曲線Figure 14 Curves of K y vary withΔD andδ

3 結(jié)論

本研究分別在有或無(wú)預(yù)緊力的條件下，研究了加強(qiáng)箍分布參數(shù)、截面參數(shù)及過(guò)盈量對(duì)鼓壁應(yīng)力的影響，得到如下結(jié)論：

（1）與傳統(tǒng)的工程計(jì)算方法相比，在對(duì)帶有加強(qiáng)箍的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，傳統(tǒng)的計(jì)算法需要對(duì)轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)作較大的簡(jiǎn)化，不僅計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，而且計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果偏差較大；而采用三維有限元法，只需對(duì)轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)作較小的簡(jiǎn)化，而且計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

（2）運(yùn)用傳統(tǒng)法計(jì)算帶有加強(qiáng)箍的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果偏保守且結(jié)構(gòu)尺寸有較大的富裕，既增加了離心機(jī)的能耗，又增加了制造成本；采用三維有限元法對(duì)錐籃離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，可以合理地確定加強(qiáng)箍的分布參數(shù)、截面參數(shù)以及過(guò)盈量，在保證強(qiáng)度和剛度的前提下使轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)尺寸有效地降低，從而減小制造成本。

本項(xiàng)目研究成果已取得國(guó)家專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)為ZL201320029908.6。

1 彭宏光.大型上懸式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓加強(qiáng)箍的選用［J］.流體機(jī)械，1995，23（3）：35～37.

2 劉玉琳，戚俊清，劉亞莉，等.帶加強(qiáng)箍離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力的有限元分析［J］.化工機(jī)械，2007，34（6）：333～335.

3 韋堯兵，姜永濤，姜明星，等.上懸式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，26（10）：55～57.

4 馮立成，周密，易澤明.離心機(jī)復(fù)雜轉(zhuǎn)鼓的有限元優(yōu)化計(jì)算［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2002，24（2）：295～297.

5 王俊山.基于有限元應(yīng)力分析的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì)的研究［J］.食品與機(jī)械，2006，22（1）：66～68.

6 譚蔚，王澤軍，朱企新.有限元方法在離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度分析中的應(yīng)用［J］.化工機(jī)械，2002，29（2）：103～106.

7 蒙文.開(kāi)孔和開(kāi)槽參數(shù)對(duì)錐藍(lán)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力的影響［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，34（3）：127～130.