高速碟式分離機轉鼓體結構有限元分析

鄭加洲，劉峰軍，王洪琪

(南京中船綠洲機器有限公司 江蘇 南京 210039)

0 引言

碟式分離機是應用最廣、使用數量最多的離心機之一，廣泛應用于醫藥、食品、化工、石油化工、輕工、生物工程、船舶、涂料等領域［1］。隨著分離機廣泛的應用和市場需求的變化，又促進了碟式分離機技術的進步。分離機轉速從早期4000 r/min左右發展到現在的10000 r/min左右，轉鼓體的結構也從簡單發展到現在各種各樣的復雜結構。鑒于分離機的轉速大幅提高以及轉鼓體結構復雜化，繼續采用經典的彈性力學理論對轉鼓強度計算，顯然不能滿足現在設計需要。因為經典的彈性力學理論適用于結構簡單、規則的轉鼓主要零件，對幾何形狀復雜的離心機轉鼓各部位的應力狀態的計算，最適宜的方法是采用有限元法［2］。

應用有限元法的計算軟件有很多，其中ANSYS是應用最為廣泛的軟件之一。經過不斷的改進和完善，ANSYS開發了人性化的分析平臺ANSYS Work-Bench。本文就是應用ANSYS WorkBench對轉鼓體進行多方面的分析，并對結果進行了分析。

1 轉鼓體技術參數、結構及受力分析

1.1 碟式分離機轉鼓體技術參數及結構

技術參數為額定轉速為9360 r/min，轉鼓體材料為不銹鋼，其彈性模量 E=206 GPa，密度 ρ=7850 kg/m3。

結構特點:采用環閥排渣結構，在轉鼓體壁上開了12個均布排渣槽，其二維結構示意圖見圖1。

圖1 轉鼓體二維結構及受力示意圖

1.2 轉鼓體受力分析

分離機從啟動開始，轉鼓逐漸增速至額定轉速(以下簡稱啟動工況)，然后通密封水使活塞及滑塊壓緊密封圈(以下簡稱密封工況)，再通入物料進行分離(以下簡稱正常分離工況)。在密封工況時，活塞下表面受到密封水的離心液壓力;在正常分離工況時，活塞下表面除受到密封水的離心液壓力，還受到物料對活塞上表面的離心液壓力，同時轉鼓蓋內表面受到物料的離心液壓力。綜合比較這兩種工況，在垂直方向上，密封工況密封水離心液壓力傳遞到轉鼓體上的影響要比正常分離工況密封水和物料離心液壓力傳遞到轉鼓體的大，因此取密封工況為危險工況進行受力分析。

為了簡化分析前的載荷計算，提高工作效率，在密封工況下，轉鼓體的主要載荷有三項:質量離心力F離、密封水對轉鼓體的離心液壓力P、由密封水的離心液壓力而引起主鎖環螺牙對轉鼓體螺牙的作用力F螺。受力示意圖如圖1所示。

其中，P可以通過公式(1)計算:

式中:P為半徑r處的壓強;ω為轉鼓轉速;ρ為流體密度;r為計算處流體的回轉半徑;r0為自由液面內半徑。

P在軸向的合力可以通過公式⑵計算:

式中:F為密封水引起的軸向力;ρ水為密封水密度;r1為密封水作用面外半徑;r2為密封水作用面內半徑。

質量離心力F離理論計算公式為:

式中:m為回轉體質量;r為回轉體質心與回轉中心線距。

由密封水的離心液壓力而引起主鎖環螺牙對轉鼓體螺牙的作用力F螺與轉鼓體螺牙對主鎖環螺牙作用力是一對相互作用力，大小相等，方向相反。而主鎖環只受轉鼓體螺牙對主鎖環作用力和轉鼓蓋對主鎖環的軸向作用力。這樣很容易求得F螺。

2 結構分析

2.1 模型簡化及導入

在保證不影響計算精度的前提下使計算更簡化省時，有必要對模型進行簡化。如忽略轉鼓體密封孔、放泄孔、定位銷孔等，簡化梯形螺紋為梯形圓柱面。由于轉鼓體壁有12個均布排渣槽，沿中心線呈周期對稱，所以取1/4轉鼓體模型加以分析。

由于直接在ANSYS WorkBench中建立有限元模型操作比較復雜，這里采用專業三維繪圖軟件Pro/E來建立CAD模型，然后通過Pro/E與ANSYS自帶的接口把CAD模型導入到ANSYS WorkBench中形成有限元模型。

經過簡化的轉鼓體CAD模型及有限元模型分別如圖2、圖3所示。

圖2 轉鼓體PRO/E簡化模型圖

2.2 網格劃分

由于模型采用三維實體模型，這里選用單元類型為SOLID187，這個單元是10節點實體單元，適于生成不規則網格模型。在轉鼓體螺紋區域及排渣槽附近增加局部網格細化控制，對轉鼓體整體采取默認自動網格劃分。轉鼓體網格劃分如圖4所示。

圖3 轉鼓體有限元簡化模型

圖4 轉鼓體網格劃分圖

2.3 邊界條件施加及載荷加載

邊界條件施加:按周期對稱的兩側面無摩擦約束和在芯部頂部的軸向約束。

載荷加載:

(1)質量離心力，在軟件中可以通過直接加載轉速實現。

(2)主鎖環對轉鼓體的螺紋載荷可以先建立局部坐標系，然后分別加載軸向和徑向分量實現。

(3)離心液壓力加載比較復雜:首先通過ANSYS軟件的APDL語言編寫離心液壓力宏程序，然后運用WorkBench的“Named selections”機制，建立加載面上的節點選擇集，最后通過Commands項目輸入宏程序［3］。約束及載荷加載如圖5所示。

2.4 結果分析

經過分析計算，轉鼓體總體等效應力云圖、排渣槽處等效應力云圖、螺紋處等效應力云圖及最大主應力云圖分別如圖6、圖7、圖8和圖9所示。

綜上分析可知，轉鼓體螺紋處是高應力區域，最大等效應力和最大主應力分別為249.39 MPa和239.65 MPa，最大位置在轉鼓體頂部螺牙區域。從轉鼓體的總體等效應力云圖和排渣槽處等效應力云圖可知，整體等效應力結果正常，在排渣槽處出現應力集中現象，位置在槽與上下面接觸交匯的很小區域，在正常工作狀態下，它不影響使用。

圖5 轉鼓體模型約束和加載圖

圖6 轉鼓體總體等效應力云圖

圖7 轉鼓體排渣槽處等效應力云圖

圖8 轉鼓體螺紋處等效應力云圖

另外，還可以看出應用ANSYS WorkBench分析的結果比較形象直觀，可以從各個方向觀察轉鼓體應力分布情況，能夠為分離機轉鼓體設計提供一定的理論指導作用。

圖9 轉鼓體螺紋處最大主應力云圖

3 結語

有限元法已經被應用對轉鼓體進行強度及安全性分析，隨著有限元軟件功能逐漸強大，仿真結果也越來越精確。但是由于分離機本身實際工況比較復雜，如物料多樣性、排渣頻繁等，也時常由于疲勞出現轉鼓體損壞事故。所以，應用有限元法對轉鼓體進行疲勞分析將成為下一步研究的重點。

［1］余國琮.化工機械工程手冊(中卷)［M］.北京:化學工業出版社，2003.

［2］JB/T 8051－96，離心機轉鼓強度計算規范［S］.