螺旋卸料沉降式離心機螺旋機構(gòu)設(shè)計與安全防范研究

鄭程

摘 要：文章首先對臥式螺旋卸料離心機工作原理和主要部件結(jié)構(gòu)進行了介紹，然后分析了螺旋卸料離心機機構(gòu)的設(shè)計處理，并對離心機的主要零部件轉(zhuǎn)鼓進行了有限元分析，得到離心機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，最后分析了RB2800型螺旋缷料沉降式離心機螺旋機構(gòu)安全設(shè)計與防范的主要方案，探討了機械自動化在螺旋機構(gòu)設(shè)計中的安全設(shè)計與防范。

關(guān)鍵詞：離心機；安全防范；螺旋機構(gòu)；有限元分析

中圖分類號：TE924 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）29-0017-03

1 螺旋卸料沉降室離心機介紹

臥式螺旋離心機具備處理量龐大、持續(xù)操作性較好、耗電量少、靈活性強等優(yōu)勢。自誕生以來，便得到不斷的發(fā)展與進步，成為了化工產(chǎn)業(yè)中常見的設(shè)備之一，主要應(yīng)用于分離在濾布再生方面存在一定困難的無定性物料、分離含有固化顆粒的懸浮液及顆粒變化范圍相對來說比較大的懸浮液中，針對細粘性質(zhì)的物料，在分離后，濾渣濕度較高，處理量也在相應(yīng)減少。

2 臥式螺旋離心機的主要結(jié)構(gòu)概述

2.1 臥式螺旋沉降式離心機結(jié)構(gòu)

變速器、卸渣裝置、轉(zhuǎn)鼓、過載保護裝置與螺旋推進器均為臥式螺旋沉降式離心機的主要構(gòu)成部分。詳細情況如圖1所示。其中數(shù)字6代表的區(qū)域為機殼，其內(nèi)部包含回轉(zhuǎn)部件8與主軸承3，外端部位則為無孔轉(zhuǎn)鼓7，內(nèi)部區(qū)域在為螺旋輸送器4。

2.2 工作原理

臥螺離心機是依靠固液兩相的密度差，在離心力的作用下，加快固相顆粒的沉降速度來實現(xiàn)固液分離的。其轉(zhuǎn)鼓前段部分存在錐段。按照所使用物料性質(zhì)的差異，可設(shè)定不同的旋轉(zhuǎn)迅速。一般物料在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部部分依照所涉及的速度進行旋轉(zhuǎn)，并按照轉(zhuǎn)鼓殼體而形成同心液層，又稱作液環(huán)層。而物料內(nèi)所包含的固體物質(zhì)則在離心機的離心作用下，沉積于轉(zhuǎn)鼓壁部分，并在螺旋運轉(zhuǎn)作用下推出轉(zhuǎn)鼓外。因此，可得出轉(zhuǎn)鼓的運作速度使決定分離因數(shù)的關(guān)鍵，而螺旋運作的速度差則會對機械所輸送至轉(zhuǎn)鼓外的固體含水率產(chǎn)生直接的影響，同時也影響著臥螺離心機的整體處理量、停留時間、固體排出時間等參數(shù)。

3 臥式螺旋卸料沉降式離心機的有限元仿真分析

螺旋輸送器屬于臥式螺旋卸料沉降式離心機的重要構(gòu)成部件，其操作過程主要是將離心沉渣排出機器外部。螺旋輸送器的結(jié)構(gòu)與其具體設(shè)計參數(shù)與臥式螺旋卸料沉降式離心機的生產(chǎn)情況、工作壽命及離心效果存在密切的聯(lián)系，是其設(shè)計中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。它主要安裝于與轉(zhuǎn)鼓、筒體交匯的軸承部分，其邊緣所形成的外廓一般與轉(zhuǎn)鼓類似，包括單錐形、柱形與柱錐形。以柱錐形更為常見。通常為了確保在輸送沉降過程中輸送轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部表層的物料，需保持轉(zhuǎn)鼓與螺旋的方向一致，但一般情況下其轉(zhuǎn)速不盡相同，存在一定的速度差（轉(zhuǎn)速差一般為轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的0.2%～3%），主要是通過齒輪的差速器來實現(xiàn)，是將分離沉渣輸送至排渣口的重要條件。臥式螺旋卸料沉降式離心機的輸渣條件見表1。

3.1 螺旋輸送器的結(jié)構(gòu)介紹

一般螺旋輸送器主要由加料隔倉、左軸頸、右軸頸、螺旋葉片、內(nèi)筒等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，詳細結(jié)構(gòu)如圖2所示。

RB2800臥螺離心機螺旋輸送器的實物模型如圖3所示。

3.2 單元選用

在仿真軟件VisualNastran的有限元分析中，最為常見的應(yīng)用單位便為四面體單元。一般主要采用四面體單元對螺旋輸送器進行有限元分析與網(wǎng)格劃分。

3.3 螺旋輸送器的有限元模型介紹

依照設(shè)計圖紙的主要內(nèi)容，本分析主要研究對象為臥式螺旋離心機的重要構(gòu)成部件螺旋輸送器，其外形一般為筒錐形，是由柱錐內(nèi)筒與連續(xù)性螺旋切片所構(gòu)成。通常而言，螺旋輸送器的載荷與其結(jié)構(gòu)并非呈軸對稱表現(xiàn)，同樣也并非呈周期對稱，因此模型一般不易被簡化，需要實施整體三維建模。同時為了更好地模擬螺旋輸送器內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并對其單元的數(shù)量與質(zhì)量進行控制，一般應(yīng)用直接生成節(jié)點的單位法建立有限元集合模型，詳細情況如圖4所示。在模型內(nèi)部包含單元總數(shù)總計29 260個，節(jié)點總數(shù)則為57 629個。一般需將網(wǎng)格劃分的誤差率控制在小于20%的范圍內(nèi)。

同樣在螺旋輸送器柱椎的過渡部分，為確保柱椎形外廓與葉片呈垂直表現(xiàn)，需將三維參數(shù)化軟件應(yīng)用于功能建模中。描繪葉片精確的外徑曲線，隨后實施截面掃描。對各結(jié)構(gòu)參數(shù)實施參數(shù)化變成處理，形成有限元分析模型，在本組研究中，共計生成15個有限元分析模型如圖4所示。

3.4 荷載大小、種類及其施加方式

一般螺旋輸送器在其運作過程中主要產(chǎn)生三種負荷。①由于螺旋輸送器自身高速回轉(zhuǎn)而形成的離心力；②在沉渣分離過程中其向葉片所施加的正壓力；③則為沉渣施加于螺旋葉片的摩擦力。

3.4.1 離心力

離心力主要以角速度？棕的形式作用于有限元模型。若nL代表螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速，設(shè)定值為2 742 r/min，則可得出：

3.4.2 正壓力

螺旋輸送器葉片所受到的正壓力一般可由沉渣受力分析結(jié)果而進行分析。以F表示螺旋葉片對沉渣的反向作用力，則可得出：

同時，為了得出螺旋葉片的強度與變形幅度，還需計算出錐段的直徑，其值一般為（0.516+0.306）/2=0.411 m。將β表示為錐段直徑的螺旋角，α表示半錐角，為8 ？觷，其中Re表示柱段螺旋葉片的最外層單元沿其徑向的高度，為0.018m，？籽n則表示柱段葉片徑向外層單位施加的荷載，則可得出：

3.4.3 摩擦力

摩擦力沿其周向與葉片表面呈現(xiàn)相切關(guān)系，在本組研究中，摩擦力同樣進行等效轉(zhuǎn)換，施加于葉片徑向的外層單元上，以？滋代表葉片與物料的摩擦系數(shù)，則可得出：

3.4.4 邊界條件

螺旋輸送器內(nèi)筒的兩端與其左軸頸與右軸頸相互連接，且軸頸支撐于轉(zhuǎn)鼓左右端口的內(nèi)腔軸承內(nèi)。依照具體工作狀況，需在所建立的模型左右支撐部分施加副約束，并可得出螺旋輸送器在任何運動條件下的變形程度與應(yīng)力。

3.4.5 靜力分析

螺旋輸送器應(yīng)力云圖如圖5所示。

螺旋輸送器徑向（DZ）變形云圖如圖6所示。

針對螺旋輸送器強度的校對與核算需嚴格按照壓力容器分析與設(shè)計的方法實行。一般螺旋輸送器所使用的材料與轉(zhuǎn)鼓一致，其許可應(yīng)力為205。其與轉(zhuǎn)鼓的間隙為4 mm。在本次研究中將2 mm作為評估輸送器徑向變形的主要條件。一般對螺旋輸送器的靜力分析無需依照轉(zhuǎn)鼓的有限元分析方案而實行。無需考慮不同工作條件下靜力的疊加。僅需在正常工作條件下進行靜力分析，內(nèi)容包括摩擦力、離心力與正壓力工況的線性組合情況。對螺旋輸送器的靜力分析是所有分析環(huán)節(jié)中需注意的重點問題。如圖5與圖6表示，在正常工況條件下，輸送器應(yīng)力與其徑向變形的云圖，一般在正常條件下，其應(yīng)力SINT的最大值為152.5 MPa，最大徑向變形直徑為0.092 mm。

4 沉降式離心機螺旋機構(gòu)的安全設(shè)計與防范

4.1 安全管理

一般而言，沉降式離心機在開車進料的過程中，可能由于進料速度過快、過猛而導(dǎo)致自動閥反應(yīng)欠敏銳，可能造成機器損壞。因此，在離心機螺旋機構(gòu)設(shè)計過程中，必須重視安裝管道的設(shè)計，在漿料進料管切斷閥門前管道設(shè)計時，應(yīng)用豎管，確保進料方向為自下而上。由于在離心機停機狀態(tài)下，若切斷閥門，離心機再次運作時，可能導(dǎo)致內(nèi)部自然沉積，且濃度較高的漿料會迅速進入離心機內(nèi)，而此時離心機無法迅速分離漿料，進而導(dǎo)致漿料經(jīng)由離心機與進料管間隙中噴瀉而出，造成離心機與進料管道間隔部分出現(xiàn)塑化片，嚴重情況下甚至?xí)噙M料管，破壞離心機。因此，為保障離心機運作的安全性，提高機械的使用壽命，必須重視安裝管道的設(shè)計，采用豎管，確保進料方向設(shè)計的準確性。此外，沉降式離心機在開機運作過程中，由于其自動閥門有一定的滯后性，為防范進料量過大而導(dǎo)致的機器耗損，必須配置相關(guān)的處理措施，包括手動閥門關(guān)小、自動進料閥門設(shè)置高限等。

在沉降式離心機下料過程中，一般使用螺旋輸送機進行送料處理，此時必須保障離心機與螺旋輸送機之間的連接，保障兩者之間的統(tǒng)一性，若任一機械出現(xiàn)故障，且立即切斷進料閥，停止進料準備，避免由于物料堆積而造成的離心機破壞。除此之外，在每次停機開機時，必須清潔轉(zhuǎn)鼓，將轉(zhuǎn)鼓內(nèi)殘存物料沖洗干凈，避免造成離心機壞損。

4.2 維護管理

一般沉降式離心機所產(chǎn)生的故障在大多數(shù)情況下是由齒輪箱不當操作所引起。由于齒輪箱結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜，且長時間處于高速運行的狀態(tài)，傳熱性能較差，且溫度較高，需得到內(nèi)部不同運作零件的配合，因此，需注重對齒輪箱的維護管理。選用質(zhì)量較優(yōu)的潤滑油，對齒輪實施輪滑處理。嚴格控制加油量，參照設(shè)計標準。加油過多或過少均可對攪油過程產(chǎn)生影響。同時可配備相應(yīng)的紅外測溫儀器來監(jiān)測齒輪的運行狀態(tài)，實施故障預(yù)警制度，及時排除故障，避免設(shè)備遭受破壞。

另外，還需注意對螺旋軸承的維護管理，由于其安裝于離心機內(nèi)部，拆卸相對比較困難，且檢測難度較大，因此需強化對螺旋軸承的后期維護，以確保其正常運行。選用質(zhì)量較優(yōu)且耐溫的潤滑脂，每隔3個月重新加注新的潤滑脂。此外，做好對皮帶的維護，定期實施拉緊處理，確保其張力，防止皮帶過度磨損，以延長其使用壽命。同時還需立即更換易損配件，確保離心機的穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 語

在RB2800型螺旋卸料沉降式離心機螺旋機構(gòu)設(shè)計中，需尤為重視螺旋輸送器結(jié)構(gòu)的分析，建立螺旋輸送器的有限元模型，確定荷載的種類、大小及其施加方式，做好靜力分析，同時還需注重對離心機的安全設(shè)計與安全防范，以延長離心機的使用壽命，提高機械運作的安全性。

參考文獻：

[1] 常映輝，張小龍，張利芹.鉆井液臥螺離心機軸承選擇與計算[J].機械研究與應(yīng)用，2006，（3）.

[2] 吳彬.國產(chǎn)與進口離心機對比[J].聚氯乙烯，2005，（2）.

[3] 戴素萍.離心機的原理、操作及維護[J].云南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2000，（S2）.

[4] 黃毅林，王進亮，沈翔，等.離心機的應(yīng)用與展望（綜述）[J].醫(yī)療保健器具， 1998，（3）.

[5] 宋持健，周祥凡.離心機技術(shù)進展[J].中國醫(yī)療器械，1996，（5）.

3.4.5 靜力分析

螺旋輸送器應(yīng)力云圖如圖5所示。

螺旋輸送器徑向（DZ）變形云圖如圖6所示。

針對螺旋輸送器強度的校對與核算需嚴格按照壓力容器分析與設(shè)計的方法實行。一般螺旋輸送器所使用的材料與轉(zhuǎn)鼓一致，其許可應(yīng)力為205。其與轉(zhuǎn)鼓的間隙為4 mm。在本次研究中將2 mm作為評估輸送器徑向變形的主要條件。一般對螺旋輸送器的靜力分析無需依照轉(zhuǎn)鼓的有限元分析方案而實行。無需考慮不同工作條件下靜力的疊加。僅需在正常工作條件下進行靜力分析，內(nèi)容包括摩擦力、離心力與正壓力工況的線性組合情況。對螺旋輸送器的靜力分析是所有分析環(huán)節(jié)中需注意的重點問題。如圖5與圖6表示，在正常工況條件下，輸送器應(yīng)力與其徑向變形的云圖，一般在正常條件下，其應(yīng)力SINT的最大值為152.5 MPa，最大徑向變形直徑為0.092 mm。

4 沉降式離心機螺旋機構(gòu)的安全設(shè)計與防范

4.1 安全管理

一般而言，沉降式離心機在開車進料的過程中，可能由于進料速度過快、過猛而導(dǎo)致自動閥反應(yīng)欠敏銳，可能造成機器損壞。因此，在離心機螺旋機構(gòu)設(shè)計過程中，必須重視安裝管道的設(shè)計，在漿料進料管切斷閥門前管道設(shè)計時，應(yīng)用豎管，確保進料方向為自下而上。由于在離心機停機狀態(tài)下，若切斷閥門，離心機再次運作時，可能導(dǎo)致內(nèi)部自然沉積，且濃度較高的漿料會迅速進入離心機內(nèi)，而此時離心機無法迅速分離漿料，進而導(dǎo)致漿料經(jīng)由離心機與進料管間隙中噴瀉而出，造成離心機與進料管道間隔部分出現(xiàn)塑化片，嚴重情況下甚至?xí)噙M料管，破壞離心機。因此，為保障離心機運作的安全性，提高機械的使用壽命，必須重視安裝管道的設(shè)計，采用豎管，確保進料方向設(shè)計的準確性。此外，沉降式離心機在開機運作過程中，由于其自動閥門有一定的滯后性，為防范進料量過大而導(dǎo)致的機器耗損，必須配置相關(guān)的處理措施，包括手動閥門關(guān)小、自動進料閥門設(shè)置高限等。

在沉降式離心機下料過程中，一般使用螺旋輸送機進行送料處理，此時必須保障離心機與螺旋輸送機之間的連接，保障兩者之間的統(tǒng)一性，若任一機械出現(xiàn)故障，且立即切斷進料閥，停止進料準備，避免由于物料堆積而造成的離心機破壞。除此之外，在每次停機開機時，必須清潔轉(zhuǎn)鼓，將轉(zhuǎn)鼓內(nèi)殘存物料沖洗干凈，避免造成離心機壞損。

4.2 維護管理

一般沉降式離心機所產(chǎn)生的故障在大多數(shù)情況下是由齒輪箱不當操作所引起。由于齒輪箱結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜，且長時間處于高速運行的狀態(tài)，傳熱性能較差，且溫度較高，需得到內(nèi)部不同運作零件的配合，因此，需注重對齒輪箱的維護管理。選用質(zhì)量較優(yōu)的潤滑油，對齒輪實施輪滑處理。嚴格控制加油量，參照設(shè)計標準。加油過多或過少均可對攪油過程產(chǎn)生影響。同時可配備相應(yīng)的紅外測溫儀器來監(jiān)測齒輪的運行狀態(tài)，實施故障預(yù)警制度，及時排除故障，避免設(shè)備遭受破壞。

另外，還需注意對螺旋軸承的維護管理，由于其安裝于離心機內(nèi)部，拆卸相對比較困難，且檢測難度較大，因此需強化對螺旋軸承的后期維護，以確保其正常運行。選用質(zhì)量較優(yōu)且耐溫的潤滑脂，每隔3個月重新加注新的潤滑脂。此外，做好對皮帶的維護，定期實施拉緊處理，確保其張力，防止皮帶過度磨損，以延長其使用壽命。同時還需立即更換易損配件，確保離心機的穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 語

在RB2800型螺旋卸料沉降式離心機螺旋機構(gòu)設(shè)計中，需尤為重視螺旋輸送器結(jié)構(gòu)的分析，建立螺旋輸送器的有限元模型，確定荷載的種類、大小及其施加方式，做好靜力分析，同時還需注重對離心機的安全設(shè)計與安全防范，以延長離心機的使用壽命，提高機械運作的安全性。

參考文獻：

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[5] 宋持健，周祥凡.離心機技術(shù)進展[J].中國醫(yī)療器械，1996，（5）.

3.4.5 靜力分析

螺旋輸送器應(yīng)力云圖如圖5所示。

螺旋輸送器徑向（DZ）變形云圖如圖6所示。

針對螺旋輸送器強度的校對與核算需嚴格按照壓力容器分析與設(shè)計的方法實行。一般螺旋輸送器所使用的材料與轉(zhuǎn)鼓一致，其許可應(yīng)力為205。其與轉(zhuǎn)鼓的間隙為4 mm。在本次研究中將2 mm作為評估輸送器徑向變形的主要條件。一般對螺旋輸送器的靜力分析無需依照轉(zhuǎn)鼓的有限元分析方案而實行。無需考慮不同工作條件下靜力的疊加。僅需在正常工作條件下進行靜力分析，內(nèi)容包括摩擦力、離心力與正壓力工況的線性組合情況。對螺旋輸送器的靜力分析是所有分析環(huán)節(jié)中需注意的重點問題。如圖5與圖6表示，在正常工況條件下，輸送器應(yīng)力與其徑向變形的云圖，一般在正常條件下，其應(yīng)力SINT的最大值為152.5 MPa，最大徑向變形直徑為0.092 mm。

4 沉降式離心機螺旋機構(gòu)的安全設(shè)計與防范

4.1 安全管理

一般而言，沉降式離心機在開車進料的過程中，可能由于進料速度過快、過猛而導(dǎo)致自動閥反應(yīng)欠敏銳，可能造成機器損壞。因此，在離心機螺旋機構(gòu)設(shè)計過程中，必須重視安裝管道的設(shè)計，在漿料進料管切斷閥門前管道設(shè)計時，應(yīng)用豎管，確保進料方向為自下而上。由于在離心機停機狀態(tài)下，若切斷閥門，離心機再次運作時，可能導(dǎo)致內(nèi)部自然沉積，且濃度較高的漿料會迅速進入離心機內(nèi)，而此時離心機無法迅速分離漿料，進而導(dǎo)致漿料經(jīng)由離心機與進料管間隙中噴瀉而出，造成離心機與進料管道間隔部分出現(xiàn)塑化片，嚴重情況下甚至?xí)噙M料管，破壞離心機。因此，為保障離心機運作的安全性，提高機械的使用壽命，必須重視安裝管道的設(shè)計，采用豎管，確保進料方向設(shè)計的準確性。此外，沉降式離心機在開機運作過程中，由于其自動閥門有一定的滯后性，為防范進料量過大而導(dǎo)致的機器耗損，必須配置相關(guān)的處理措施，包括手動閥門關(guān)小、自動進料閥門設(shè)置高限等。

在沉降式離心機下料過程中，一般使用螺旋輸送機進行送料處理，此時必須保障離心機與螺旋輸送機之間的連接，保障兩者之間的統(tǒng)一性，若任一機械出現(xiàn)故障，且立即切斷進料閥，停止進料準備，避免由于物料堆積而造成的離心機破壞。除此之外，在每次停機開機時，必須清潔轉(zhuǎn)鼓，將轉(zhuǎn)鼓內(nèi)殘存物料沖洗干凈，避免造成離心機壞損。

4.2 維護管理

一般沉降式離心機所產(chǎn)生的故障在大多數(shù)情況下是由齒輪箱不當操作所引起。由于齒輪箱結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜，且長時間處于高速運行的狀態(tài)，傳熱性能較差，且溫度較高，需得到內(nèi)部不同運作零件的配合，因此，需注重對齒輪箱的維護管理。選用質(zhì)量較優(yōu)的潤滑油，對齒輪實施輪滑處理。嚴格控制加油量，參照設(shè)計標準。加油過多或過少均可對攪油過程產(chǎn)生影響。同時可配備相應(yīng)的紅外測溫儀器來監(jiān)測齒輪的運行狀態(tài)，實施故障預(yù)警制度，及時排除故障，避免設(shè)備遭受破壞。

另外，還需注意對螺旋軸承的維護管理，由于其安裝于離心機內(nèi)部，拆卸相對比較困難，且檢測難度較大，因此需強化對螺旋軸承的后期維護，以確保其正常運行。選用質(zhì)量較優(yōu)且耐溫的潤滑脂，每隔3個月重新加注新的潤滑脂。此外，做好對皮帶的維護，定期實施拉緊處理，確保其張力，防止皮帶過度磨損，以延長其使用壽命。同時還需立即更換易損配件，確保離心機的穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 語

在RB2800型螺旋卸料沉降式離心機螺旋機構(gòu)設(shè)計中，需尤為重視螺旋輸送器結(jié)構(gòu)的分析，建立螺旋輸送器的有限元模型，確定荷載的種類、大小及其施加方式，做好靜力分析，同時還需注重對離心機的安全設(shè)計與安全防范，以延長離心機的使用壽命，提高機械運作的安全性。

參考文獻：

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