馮美貴，朱迪斯，翁 煒，2，黃玉文

(1．北京探礦工程研究所，北京100083;2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京100083)

離心機(jī)在地質(zhì)鉆探過(guò)程中用于沖洗液固液相分離，作為一種沖洗液固控設(shè)備［1～4］，在地質(zhì)鉆探作業(yè)中有著非常重要的作用。目前地質(zhì)鉆探現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用的是臥式螺旋離心機(jī)，我們?cè)谧孕醒兄频?50規(guī)格離心機(jī)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多次的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織實(shí)施的國(guó)家地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目“柴達(dá)木地區(qū)礦產(chǎn)勘查鉆探工藝技術(shù)集成研究與示范”資助下，針對(duì)柴達(dá)木地區(qū)地層特性和鉆探要求，研制出了處理量為0.5～2 m3/h，小型化、輕型化、模塊化并易于搬遷的TGLW220×660型離心機(jī)。由于TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓、螺旋推進(jìn)器、箱體、機(jī)罩、機(jī)架等主要部件遵循小型化、輕型化設(shè)計(jì)，并且轉(zhuǎn)速較高，在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，確保離心機(jī)的安全可靠性［5］尤其重要。轉(zhuǎn)鼓是離心機(jī)的重要部件，因此有必要對(duì)TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行強(qiáng)度分析，避免過(guò)高的應(yīng)力使旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓發(fā)生崩裂，引起嚴(yán)重的安全事故。本文主要用有限元模擬仿真分析方法和傳統(tǒng)理論強(qiáng)度分析分別校核TGLW220×660型離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

1 TGLW220×660型離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓有限元分析

1．1 三維有限元實(shí)體模型建立

1．1．1 轉(zhuǎn)鼓基本參數(shù)

1．1．1．1 轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)

TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)為:內(nèi)徑D=220 mm，壁厚t=6 mm，有效總長(zhǎng)度L=660 mm，長(zhǎng)徑比 L/D=3，半錐角 α =9°，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速n=3000 r/min，外形為圓柱錐形。

1．1．1．2 轉(zhuǎn)鼓材料特性

轉(zhuǎn)鼓材料為0Cr18Ni9，許用應(yīng)力為205 MPa。

1．1．2 轉(zhuǎn)鼓三維模型簡(jiǎn)化

本文研制的TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓三維實(shí)體模型見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，轉(zhuǎn)鼓是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)鼓承受的負(fù)載也對(duì)稱于旋轉(zhuǎn)軸。由于轉(zhuǎn)鼓焊接部位已達(dá)到足夠的剛度，因此對(duì)進(jìn)行TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行三維有限元模擬仿真分析時(shí)可將模型簡(jiǎn)化處理為整體結(jié)構(gòu)，將螺釘螺栓等連接處及工藝孔變?yōu)檎w;在一些非應(yīng)力集中或非重點(diǎn)分析的地方去除圓角和倒角，去除不影響剛度的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化后得到圖2所示的三維實(shí)體模型。

圖1 TGLW220×660型離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓三維實(shí)體模型

圖2 TGLW220×660型離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓簡(jiǎn)化后三維模型

1．1．3 有限元分析的邊界條件

TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，它是靠轉(zhuǎn)鼓圓柱錐兩端的軸承支撐且繞軸承面轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此在轉(zhuǎn)鼓圓柱筒端和錐筒端蓋樞軸的軸頸與軸承接觸處施加軸承支撐約束;并且分別在轉(zhuǎn)鼓柱筒端蓋、錐筒端蓋最外側(cè)施加滑桿約束，以約束轉(zhuǎn)鼓軸向移動(dòng)。

1．1．4 轉(zhuǎn)鼓載荷

1．1．4．1 轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力

在分析中，高速回轉(zhuǎn)下的轉(zhuǎn)鼓鼓體本身質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力以角速度的形式施加于轉(zhuǎn)鼓的有限元三維模型上，即:

式中:n——轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，3000 r/min。

1．1．4．2 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沖洗液質(zhì)量產(chǎn)生的離心力

在離心力作用下，沖洗液沿徑向運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)鼓壁形成方向垂直于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面的壓力。圓柱筒中的沖洗液在筒壁內(nèi)表面產(chǎn)生的離心力為:

式中:pc——轉(zhuǎn)鼓筒中被分離沖洗液的密度，1085 kg/m3;R——轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑，0.11 m;R0——轉(zhuǎn)鼓回轉(zhuǎn)時(shí)沖洗液環(huán)的自由表面半徑，0.092 m。

轉(zhuǎn)鼓錐段筒體壁上和轉(zhuǎn)鼓大端蓋的任意半徑處仍用上式，垂直于轉(zhuǎn)鼓作用面處內(nèi)表面以線性載荷施加到有限元模型上。

1．1．5 轉(zhuǎn)鼓網(wǎng)格劃分

TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓網(wǎng)格劃分后的三維有限元模型如圖3所示。模型中，網(wǎng)格單元大小為16 mm，公差為0.80 mm，最終有限元模型節(jié)總數(shù)35806，單元總數(shù)18485。并通過(guò)對(duì)網(wǎng)格高寬比和雅可比的分析，得到了螺旋輸送器網(wǎng)格質(zhì)量較好的結(jié)論。

圖3 簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)鼓網(wǎng)格劃分后的三維有限元模型

1．2 轉(zhuǎn)鼓有限元模擬仿真結(jié)果分析

在正常工況下，對(duì)TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓離心機(jī)進(jìn)行模擬仿真分析，得到應(yīng)力－應(yīng)變、安全系數(shù)、位移仿真云圖分別見(jiàn)圖4～7。

圖4 TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓Von－Mises應(yīng)力云圖

圖5 TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓應(yīng)變?cè)茍D

圖6 TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓安全系數(shù)云圖

圖7 TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓軸向位移云圖

由應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力為21 MPa;由轉(zhuǎn)鼓安全系數(shù)云圖可知，轉(zhuǎn)鼓的最小安全系數(shù)為11.41，在靠近大端鼓底的柱形筒體的內(nèi)壁上，并且整個(gè)圓柱體上的應(yīng)力水平都比錐段筒體、頂蓋和轉(zhuǎn)鼓底的應(yīng)力高，最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力205 MPa。由此可知最大徑向位移和最大軸向位移均在允許變形范圍內(nèi)，表明轉(zhuǎn)鼓的工作過(guò)程是安全可靠的。由應(yīng)變?cè)茍D可知，圓柱形筒體向外擴(kuò)張，轉(zhuǎn)鼓在正常工作狀態(tài)下，最大徑向位移發(fā)生在筒體上，轉(zhuǎn)鼓變形不明顯，滿足剛度要求。由軸向位移云圖可知，靠近大端蓋的柱形筒體的內(nèi)壁上值為0.01265 mm。

因此從TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓三維有限元模擬仿真分析結(jié)果可以得出，在正常工況下轉(zhuǎn)鼓滿足強(qiáng)度要求，表明在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓是安全可靠的。

2 TGLW220×660型離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的傳統(tǒng)理論強(qiáng)度校核驗(yàn)算

2．1 轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力

TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓正常旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力［6］可分為:空轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)鼓壁內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力、圓柱錐形轉(zhuǎn)鼓內(nèi)由沖洗液等載荷離心壓力產(chǎn)生的鼓壁環(huán)向應(yīng)力2種情況。

2．1．1 空轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)鼓壁內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力

2．1．2 圓柱錐形轉(zhuǎn)鼓內(nèi)由沖洗液等載荷離心壓力產(chǎn)生的鼓壁環(huán)向應(yīng)力

式中:q——鼓壁開(kāi)孔引起的表觀密度減小系數(shù)，1;ρ1——轉(zhuǎn)鼓材料密度，7.85 g/cm3;r2——轉(zhuǎn)鼓壁平均半徑，113 mm;ω——轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)角速度，314 rad/s;ρ2——沖洗液的密度，1.085 g/m3;r1——轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑，110 mm;r3——沖洗液環(huán)的內(nèi)半徑，92 mm;δ——轉(zhuǎn)鼓壁厚度，6 mm;α——半錐角，9°。

2．2 轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度驗(yàn)算

圓柱錐形轉(zhuǎn)鼓的環(huán)向總應(yīng)力:

式中:K——焊縫系數(shù)，0.95;［σ］——轉(zhuǎn)鼓材料0Cr18Ni9 的許用應(yīng)力，取 0.33σb=171.6 MPa，0.50σs=102.5 MPa兩值中的小者，即［σ］=102.5 MPa。

以上傳統(tǒng)理論強(qiáng)度校核驗(yàn)證了TGLW220×660型離心機(jī)在正常工況下，轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計(jì)是合理、安全可靠的;同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了利用有限元分析方法進(jìn)行強(qiáng)度校核的可靠性和直觀性。

3 結(jié)論

(1)本文用有限元分析方法對(duì)TGLW220×660型離心機(jī)的關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)鼓建立了三維實(shí)體模型，進(jìn)行了三維有限元分析與模擬仿真;分析結(jié)果得出，在正常工況下TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓滿足強(qiáng)度要求，表明在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，TGLW220×660型離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓是安全可靠的。

(2)利用傳統(tǒng)理論強(qiáng)度分析方法對(duì)TGLW220×660型離心機(jī)的關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行了校核驗(yàn)算，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)鼓的安全性，同時(shí)也驗(yàn)證了三維有限元模擬仿真分析方法的可靠性和直觀性。

(3)傳統(tǒng)理論強(qiáng)度分析和三維有限元分析與模擬仿真同時(shí)驗(yàn)證了本文研制的TGLW220×660型離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì)的合理性和安全可靠性，為TGLW220×660型離心機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)安全使用提供了重要的理論依據(jù)。

［1］ 賈軍．中國(guó)大陸科學(xué)鉆探先導(dǎo)孔及擴(kuò)孔鉆井泥漿工藝［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(3):57 －60．

［2］ 龔偉安．鉆井液固相控制技術(shù)與設(shè)備［M］．北京:石油工業(yè)出版社，1995．49 －53，316 －322．

［3］ 韓濱．ZYK－160型鉆井液固控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］．黑龍江大慶:大慶石油學(xué)院，2007．

［4］ 張金昌，劉凡柏，冉恒謙，等．2000 m地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(1):3 －6．

［5］ 孫啟才，金鼎五．離心機(jī)原理結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)計(jì)算［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987．130 －209．

［6］ JB/T 8051－2008，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范［S］．