卧式螺旋卸料沉降离心机转鼓的有限元仿真
李自光 傅彩明 毛文贵
1．长沙理工大学，长沙，410076 2．湖南工程学院，湘潭，411101
摘要：应用VisualNastran有限元仿真软件对转鼓在各种栽荷工况下的应力应变进行了仿真分析，并调整转鼓壁厚参数来研究参#-0变化对转鼓的强度和径向变形的影响。仿真结果表明：转鼓的最大应力位于靠近大端鼓底的柱形筒体的内壁上，物料离心液压引起的最大应力和最大径向位移随着转鼓壁厚的减小而增大，转鼓自身质量离心力在壁内产生的最大应力和最大径向位移与鼓壁厚度无关。
关键词：转鼓，应力应变仿真，转鼓壁厚，结构优化
中图分类号：TH452，TR752．24 文章编号：1O04— 132X(2006)23-2454--04
引言
卧式螺旋卸料沉降离心机(简称卧螺离心机)利用离心沉降原理对悬浮液进行固液分离u]，由于它具有单机处理能力大，操作方便以及维护费用低等优点，得到了迅速发展，广泛应用于化工，冶金，轻工等部门，但它的工作性能并不理想，沉渣含湿量较高，分离效果不太好。转鼓部件是卧螺离心机的主要部件，转鼓的结构参数在很大程度上决定了离心机的特点和分离效果。离心机的设计正朝着提高单机生产能力，增大转速和增加直径的方向发展，由此使得转鼓结构的应力应变问题显得更为重要。因此，在解决应力应变问题的前题下，对转鼓组进行结构参数分析和优化，以提高离心机的分离效果，减轻质量，降低成本，具有十分重要的工程实际意义 ]。转鼓组结构复杂，受力与物料有关，采用传统的解析法建模和求解都很困难，采用虚拟样机技术和有限元仿真方法，能较好地优化参数，为离心机设计提供有价值的理论参考。
转鼓的有限元仿真
1．1 转鼓虚拟样机模型
转鼓主要包括转鼓筒体和大小端盖(包括液位调节装置)。转鼓几何结构，约束和载荷的特点比较复杂。转鼓简体由圆锥体和圆柱体组成，为轴对称结构。采用实体建模技术对转鼓进行建模和应力应变仿真分析具有以下优点：模型和参数的修改都很方便，最终确定合理的结构参数所需时问可得到大幅度的缩短，成本低，整个过程都在计算机上完成，有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的产品。本文采用具有高度集成设计功能的三维建模系统Pro／E软件Is]建立LW520卧螺离心机转鼓实体模型(图1)，同时进行质量匹配，间隙检查，干涉检查。实体模型能提供准确的质量参数，即零件的质量，质心位置和惯性矩等，并为后面模型的分析作准备，实体模型以STEP格式导人VisualNastran软件中，进行应力应变仿真。转鼓结构参数为转鼓内径D一520ram，圆锥段转鼓长H 一777mm，转鼓液面内径D。=420mm，圆柱段转鼓长H ：==1064mm，转鼓壁厚t一18mm，圆锥段转鼓半锥角n一8。，转鼓转速一2800r／min，转鼓总长度L一1800mm，液池高度h一33～ 55mm。转鼓材料为1OCr22Ni5Mo3N。物料的固相密度 一1470kg／ma，液相密度．0—1085kg／m。转鼓的处理能力Q 一13～20m。／h。
1．2 转鼓的有限元仿真
1．2．1 载荷的种类，大小和施加方式在离心机运行过程中，转鼓主要受以下两种载荷：
同样，锥段简体壁上和转鼓大端盖的任意半径处的物料压力仍用式(2)进行计算，方向垂直于作用处的内表面，都以线载荷形式施加到有限元模型上。
1．2．2 转鼓的应力应变仿鼻
下面对转鼓进行应力应变仿真，求解在离心力( 工况)，物料离心液压力(户 工况)两种工况下转鼓整体结构的应力和位移分布情况，并分别线性叠加这两种工况下的应力和位移，以考察转鼓满载( +P ． 况)时是否具有足够的强度和较小的径向变形，并与材料的许用应力进行比较转鼓材料为10Cr22Ni5Mo3N，材料许用应力为205～ 225MPa，取其小值，许用应力为205MPa。转鼓的变形需要控制在一定的限度范围内。El前我国离心机行业还没有统一的标准，从工程上讲就是要求转鼓在运行过程中不能有明显的变形，更不能因变形等因素引起转鼓与固定机壳等发生碰擦¨J。LW520卧螺离心机转鼓外壳与机壳内表面的距离为5mm。
在VisualNastran对虚拟样机模型添加1OCr22Ni5Mo3N材料并进行四面体固体单元网格划分，网格平均长度30ram，共61 697个节点，3278个单元。分析中，在转鼓的大小端轴颈与滚珠轴承接触处施加滚动铰链约束。分别对上述三种工况进行仿真分析，离心力(F 工况)，长濑茜物料的离心液压力( 工况)应力，位移仿真云图如图2，图3所示， 由应力云图可知，最大应力为164．2MPa，在靠近大端鼓底的柱形筒体的内壁上，并且整个圆柱简体上的应力水平都比锥段筒体，顶盖和鼓底的应力高。因为最大应力小于材料的许用应力205MPa，表明本分析的转鼓在正常操作过程中是安全的。由径向位移云图可知，转鼓正常工作状态下，圆柱形简体向外扩张，最大径向位移也发生在简体上(O．1812ram)。转鼓的变形并不明显，满足刚度要求。可见转鼓结构有进一步优化的可能。
2 转鼓的结构优化
由于现行设计的转鼓壁厚己满足强度要求，并有很大的安全裕量，因此从节省成本的角度出发，我们用有限元方法对转鼓进行优化，在保证强度，变形的前提下，使得转鼓的壁厚尺寸逐渐降低，并考察壁厚参数的变化对应力，径向变形产生的影响。
2．1 转鼓壁厚对转鼓应力的影响
通过仿真分析，获得了转鼓应力最大值随转鼓壁厚的变化曲线，如图4所示。由图4可以看出：满载工况的应力最大值随着转鼓壁厚的减小而增大，开始的时候增大的幅度较小，即使在转鼓壁厚为10ram时，应力最大值仍然小于材料的许用应力205MPa，符合强度要求，厚度小于10ram以后增大速度明显变大，厚度小于6ram以后曲线变得更陡峭，但在转鼓壁厚为6mm 时，应力最大值超过材料的许用应力，不符合强度要求。从图4还町以直观看出，物料的离心液压力所产生的应力最大值的变化曲线和满载工况下的变化曲线几乎平行，而随着壁厚的变化，离心力所产生的应力最大值变化很小。这说明转鼓自身质量离心力在壁内产牛的应力与鼓壁厚度无关，转鼓壁主要是承受物料的离心液压力，所以增加鼓壁的厚度并不能降低自身质量离心力引起的应力。
2．2 转鼓壁厚对转鼓径向位移的影响
图5为径向位移最大值d 随转鼓壁厚的变化曲线 由图5可以看出，三种工况下径向位移的最大值都随着转鼓壁厚的减小而增大，并且增长趋势和应力的变化曲线相近似。在转鼓壁厚减薄到一定程度时(4ram)，径向位移的增大速度较快，所以在选择较小的转鼓壁厚时一定要考虑刚度(变形)条件。
为了保证离心机转鼓的准确加工，合理安装及安全运行等要求，转鼓的壁厚不仅要满足强度和变形的要求，还应不小于某一规定值，即t≥tmin。
3 结论
(1)转鼓的最大应力位于靠近大端鼓底的柱形筒体的内壁上，并且整个圆柱简体上的应力都比锥段简体，顶盖和鼓底的应力高，最大径向位移也发生在筒体上。
(2)满载工况下，长濑茜臆力最大值随着转鼓壁厚的减小而增大，开始时增大的幅度较小，当厚度小于10ram 以后增大速度明显变大，厚度小于6ram 以后曲线变得更陡峭，但在转鼓壁厚为6mm 时，应力最大值超过材料的基本许用应力205MPa，不符合强度要求。
(3)仿真研究表明，转鼓自身质量离心力在壁内产生的应力与转鼓肇厚度无关，转鼓壁主要是承受物料的离心液压力，所以增加鼓壁的厚度并不能降低自身质量离心力引起的应力。
(4)转鼓壁厚同样会显著影响转鼓的径向位移，而径向位移量会直接影响离心机的动态性能，所以在设计中应引起高度重视。
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