加強箍參數對錐籃離心機轉鼓應力的影響

蒙 文

MENG Wen

（廣西工業職業技術學院，廣西 南寧 530001）

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

錐籃離心機是糖廠的主要分離設備，應用廣泛。隨著經濟的發展，離心機向著大型、高速、高效發展。轉鼓是離心機的關鍵部件之一，在高速旋轉過程中將產生很大的鼓壁應力。與物料接觸的轉鼓材料一般為耐腐蝕低強度的奧氏體不銹鋼，其強度制約了離心機向大型化發展。為了提高轉鼓強度，國內外的大型離心機轉鼓外側常設置加強箍以增強其承載能力。采用加強箍既可以保證轉鼓高強度的需要，又可以滿足其耐腐蝕的要求。由于裝有加強箍的轉鼓結構和應力復雜，運用傳統的工程計算不準確，易造成加強箍的截面及分布參數不合理或盲目選擇加強箍過盈量［1－5］。本研究以IL－1400錐籃離心機轉鼓為例，擬采用三維有限元法，在箍與鼓壁間有或無預緊的情況下，對鼓壁應力進行分析計算，以期獲得加強箍參數和過盈量對鼓壁應力的影響規律，旨在為錐籃離心機轉鼓結構的工程設計和優化提供參考依據。

1 參數定義與有限元模型建立

1.1 加強箍參數定義

如圖1所示，在錐籃離心機轉鼓外側設置加強箍，轉鼓與箍的材料為321不銹鋼，計算時認為加強箍與鼓體保持貼合。轉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。轉鼓的結構參數見表1。

圖1 設置加強箍的轉鼓結構Figure 1 Basket structure of installed rings

表1 轉鼓結構參數與計算參數Table 1 Structure parameters and compute parameters of basket

1.2 有限元模型建立

1.2.1 轉鼓模型 采用有限元軟件ANSYS進行模擬分析，建模時對模型進行了一些合理簡化，在一些非重點和非應力集中的地方去除了圓角和倒角。所建立的轉鼓等效模型見圖2。

圖2 轉鼓的等效模型Figure 2 Equivalent model of basket

1.2.2 網格劃分與載荷約束 由于轉鼓結構復雜并且是軸對稱的，取模型的1／12作為分析研究對象，采用Solid45實體單元進行網格劃分。耦合加強箍與轉鼓的節點，使兩者保持貼合［6］。

在轉鼓內壁上施加的載荷見文獻［7］。對底座底面的節點施加所有固定約束，在轉鼓對稱截面施加對稱約束。轉鼓的載荷分布和約束見圖3。

圖3 轉鼓的載荷分布和約束Figure 3 Load distribution and constraint of basket

1.3 鼓壁應力強化系數定義

為了便于分析與描述，定義有或無預緊時鼓壁應力強化系數：

式中：

Ky——有預緊時的鼓壁應力強化系數；

Kw——無預緊時的鼓壁應力強化系數；

2 加強箍參數對鼓壁應力的影響

2.1 箍間距對鼓壁應力的影響

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

圖4 無預緊時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，強化系數Kw、Ky呈下降趨勢，表明鼓壁的最大周向應力隨箍間距的減小而減小，鼓體受到強化。當C＝265 mm時，Kw＝1，C＝292 mm時，Ky＝1，即鼓壁上有箍時的最大周向應力等于無箍時的最大周向應力。由此可見，在有或無預緊的條件下，當C＜265或292 mm時，箍對鼓壁才起到強化作用，且有預緊力的轉鼓受到箍強化作用最顯著。

圖5 有預緊時K y隨C變化的曲線Figure 5 Curves of K y vary with C for precompression

當箍的截面尺寸確定時，從圖4、5中可以得出：對于特定的轉鼓結構，箍間距越小，箍的分布數量越多，強化作用越明顯。這就意味著箍的總截面積越大，箍的強化作用越明顯，顯然這樣的結論沒有實際價值。應在箍的總截面積相等的條件下，考察箍的分布數量才有意義。

給定箍的總截面積分別為 ∑A1＝11 475 mm2、∑A2＝21 600 mm2，將箍沿轉鼓的高度均勻分布，模擬計算結果見圖6、7。由圖6、7可知，不同箍總截面積的Kw、Ky隨箍數n的增大逐漸減小，且變化趨勢一致。結果表明：箍的數量對鼓壁應力分布規律的影響不會隨箍總截面積的變化而改變。當箍數n≥3時，鼓壁最大周向應力的減小幅度趨于減緩。就轉鼓設計中對周向應力的要求盡可能小這一點來說，箍數越多越好。但設置過多的加強箍會造成濾孔堵塞，阻礙濾液排出，影響固液分離效果，也會使制造成本提高。因此在設計過程中應考慮到經濟性和分離效果問題，合理選擇箍的數量。

圖6 無預緊時K w隨n變化的曲線Figure 6 Curves of K w vary with n for non－precompression

圖7 有預緊時K y隨n變化的曲線Figure 7 Curves of K y vary with n for precompression

2.2 箍端距對鼓壁應力的影響

在給定箍數n＝3、箍截面積A＝1 350 mm2的條件下，分析箍端距對鼓壁應力的影響，模擬計算結果見圖8～11。由圖8～11可知，強化系數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。有或無預緊時，當d1＜109 mm、d2＞74 mm時，Kw、Ky均小于1，加強箍開始起加強作用。由此可見，在設計時，加強箍的安裝位置應適當往轉鼓大端偏移，可使鼓壁應力減小。

圖8 無預緊時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 有預緊時K y隨d 1變化的曲線Figure 9 Curve of K y vary with d 1 for precompression

圖10 無預緊時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 有預緊時K y隨d 2變化的曲線Figure 11 Curve of K y vary with d 2 for precompression

2.3 箍截面參數對鼓壁應力的影響

通過模擬計算，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n＝3的條件下，強化系數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，即鼓壁應力減小，箍截面積較大時，這種影響比較明顯，而箍截面積較小時鼓壁應力變化很小。由此可見，當箍截面積較小時，高厚比γ的變化對鼓壁應力的影響較小。

圖12 無預緊時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 有預緊時K y隨γ與A變化的曲線Figure 13 Curves of K y vary withγand A for precompression

2.4 過盈量大小對鼓壁應力的影響

通過模擬計算，圖14給出了在A＝3 826 mm2、n＝4、c＝257.55 mm的條件下，當鼓壁厚度分別為δ1＝8 mm、δ2＝10 mm、δ3＝15 mm時，強化系數Ky隨加強箍過盈量ΔD與壁厚δ變化的趨勢。由圖14可知，隨著ΔD的減小，Ky逐漸減小，即鼓壁應力減小，這種變化趨勢在鼓壁厚度較小時表現得相對比較明顯。當ΔD≤0.1 mm時，鼓壁應力減小的幅度趨于減緩。按照圖14中曲線的變化規律，設計中過盈量取得越小鼓壁應力就越小。但在轉鼓設計時應考慮到工藝和成本問題，加強箍的過盈量越小，要求加工工藝越高，制造成本也就越大。因此，在設計轉鼓時，應綜合考慮精度要求和經濟成本，合理選擇過盈量。

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

3 結論

本研究分別在有或無預緊力的條件下，研究了加強箍分布參數、截面參數及過盈量對鼓壁應力的影響，得到如下結論：

（1）與傳統的工程計算方法相比，在對帶有加強箍的轉鼓結構進行應力分析時，傳統的計算法需要對轉鼓結構作較大的簡化，不僅計算過程復雜，而且計算結果與實際結果偏差較大；而采用三維有限元法，只需對轉鼓結構作較小的簡化，而且計算結果更準確。

（2）運用傳統法計算帶有加強箍的轉鼓強度，計算結果偏保守且結構尺寸有較大的富裕，既增加了離心機的能耗，又增加了制造成本；采用三維有限元法對錐籃離心機轉鼓進行優化計算，可以合理地確定加強箍的分布參數、截面參數以及過盈量，在保證強度和剛度的前提下使轉鼓結構尺寸有效地降低，從而減小制造成本。

本項目研究成果已取得國家專利，專利號為ZL201320029908.6。

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