壓力離心機給料端轉子頭的強度校核

黃志國

(承德石油高等專科學校 工業技術中心，河北　承德　067000)

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壓力離心機給料端轉子頭的強度校核

黃志國

(承德石油高等?？茖W校 工業技術中心，河北承德067000)

摘要：壓力離心機是化工行業主要設備之一，給料端轉子頭是離心機的重要部件。采用有限元分析法對給料端轉子頭在幾種實際工況載荷下的應力強度進行了校核。校核結果表明該轉子頭的結構尺寸合理，符合工況要求。

關鍵詞：轉子頭；強度校核；實際工況；有限元分析

壓力離心機是化工行業主要設備之一，它主要通過離心力作用將固液分離。離心機的結構組件主要包括上部殼體、下部殼體、機架、轉子和驅動電動機。上部殼體與轉子部件相連，下部殼體包括進料管和底部緩沖套，同時連通濾餅下料的收集器。離心機轉子由主軸、差速器、螺旋推進器和扭矩臂組成[1]。轉子頭是離心機整個轉子的支撐和驅動的關鍵部件[2]，其結構形狀和技術參數直接影響著離心機的工作效率和使用壽命[3]。本文采用有限元分析的方法對M1-1411壓力離心機送料端轉子頭的結構強度進行計算校核。

1給料端轉子頭的基本幾何參數

文中研究對象的主體部分為直徑為1 360 mm、厚度為78 mm的圓盤，上面均布4個橢圓孔，與外轉鼓相聯接。在圓盤的兩側是轉子頭主軸。一側轉軸與驅動法蘭相聯接，另一側轉軸作為螺旋推料器的支撐。結構材料采用S30408(原0Cr18Ni9)不銹鋼，分析中所采用的材料參數如表1、表2所示。

表1　S30408在不同溫度下的主要力學性質

表2　依據GB150-2011查得S30408(原0Cr18Ni9)在不同溫度下的設計應力強度Sm

2給料端轉子頭的有限元分析模型

2.1分析模型單元的選取

根據要分析的給料端轉子頭的結構及載荷特點，計算模型選取了SOLID45實體單元進行分析。為使分析做到既精確又不浪費過多的單元數，同時保證結果的收斂性，經過試算，得到了合適的單元網格密度。其有限元模型見圖1。

2.2載荷施加與載荷工況

由于給料端轉子頭的兩端分別與左右軸頸連接。因此，根據實際工況，在分析模型中給料端轉子頭的主軸端部，一端約束全部位移，另一端自由。

根據給料端轉子頭實際工作的情況分析，對以下6種工況(見表3)進行了分析校核，以確保給料端轉子頭在安裝、調試和操作時都能滿足強度和剛度要求。

表3　給料端轉子頭工況表

通過公式計算得出，開機時間分別為20、30、40、60 s時，轉子承受的扭矩分別為9 571 Nm、6 386 Nm、4 786 Nm、3 186 Nm。

另外在正常工作時，給料轉子頭要承受外伸端和螺旋推料器端軸承反力的作用。其軸承反力的大小由以下計算公式求得：

外伸端的軸承主要支撐整個設備的重量，因此F1=10 000*10/2=50 000 N

同時施加對應的彎矩：M1=F1*(0.365+0.375+0.78/2)=38 950 Nm

螺旋推料器端的軸承主要支撐螺旋推料器的重量，因此

F2=2 000*10/2=10 000 N

同時施加對應的彎矩：M2=F2*(1.46-0.25-0.14/2)=11 400 Nm

如圖2所示為工況6下的邊界條件和載荷施加情況。

3有限元結果計算和結果校核

3.1給料端轉子頭的強度計算

通過工況分析可知，壓力離心機開機啟動時，給料端轉子頭主要受到扭矩的作用，且在開機20s時扭矩最大。故而對壓力離心機啟動時間為20 s時的工況進行校核，圖3為給料端轉子頭在壓力離心機啟動時間為20 s工況下的應力強度云圖。

工況5壓力離心機正常工作時，由于自身的高速旋轉產生很大的離心力。分析中，離心力以角速度的形式施加于給料端轉子頭的整個有限元模型。圖4為給料端轉子頭在高速旋轉工作狀態下的應力強度云圖。

工況6正常工作時，給料轉子頭要承受外伸端和螺旋推料器端軸承反力的作用。圖5為給料端轉子頭在承受軸承支反力作用下的應力強度云圖。

3.2給料端轉子頭的強度校核

通過對根據前面的分析結果可知，在開機工況、承受離心力工況、承受兩端軸承支反力工況下的最大應力強度值分別為6.91 MPa、67.1 MPa、38.4 MPa，均小于材料在20 ℃時的設計應力強度137 MPa。所以在實際工作的各種載荷工況下，給料端轉子頭的結構強度都滿足設計要求。

4結論

通過有限元分析結果校核得出結論：所研究的壓力離心機給料端轉子頭的結構尺寸合理，在實際工作過程中的6種實際載荷工況下都能完全滿足設計所需的強度要求。

參考文獻：

[1]殷瑞民.壓力離心機穩定軸承改造[J].通用機械，2011(10)：30-33.

[2]翟英明，鄧香中，李春光，等.重型離心機組焊式轉子頭的設計與制造[J]. 機械工程師,2014(11):187-188.

[3]王瑞，高金吉，陳正滿.PTA裝置中重型壓力離心機轉子頭優化設計[J].機械制造，2007(2)：14-15.

Intensity Check of Rotor Head at Feeding End of Pressure Centrifuges

HUANG Zhi-guo

(Industrial and Technology Center,Chengde Petroleum College,Chengde 067000,Hebei,China)

Abstract:Pressure centrifuge is one of the main equipment in chemical industry. The rotor head at feed end is the important part of the centrifuge. In this paper, the finite element analysis method is used to check the stress intensity of the rotor head under some conditions. The results show that the structure of the rotor head is reasonable, and it is in accordance with the working condition.

Key words:rotor head; intensity check; actual condition; finite element analysis

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：黃志國(1977-)，男，吉林大安人，承德石油高等專科學校工業技術中心講師，碩士，主要從事計算機仿真、機械制造及數控加工領域的教學與科研工作。

中圖分類號：TQ051

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9446(2016)03-0021-04