上懸式離心機(jī)的一種定心裝置分析

張瑤瑤，趙劍波，閔　雪，趙永濤，姚家國(guó)

（安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

上懸式離心機(jī)的一種定心裝置分析

張瑤瑤，趙劍波，閔雪，趙永濤，姚家國(guó)

（安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

上懸式離心機(jī)是一種高旋轉(zhuǎn)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大型設(shè)備，卸料時(shí)轉(zhuǎn)鼓若受到間歇變化的外力作用則會(huì)使機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，轉(zhuǎn)動(dòng)易發(fā)生擺動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓易碰到刮刀，引起刮刀刮爛面網(wǎng)，現(xiàn)為了解決濾網(wǎng)破壞的現(xiàn)象，增加一個(gè)自動(dòng)定心裝置.通過(guò)Patran進(jìn)行有限元分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓穩(wěn)定性增加，有效地改善了卸料過(guò)程中轉(zhuǎn)鼓的受力不穩(wěn)現(xiàn)象.

上懸式離心機(jī)；刮刀卸料；定心

上懸式離心機(jī)是一種工業(yè)間歇式離心機(jī)，過(guò)濾式離心機(jī)廣泛應(yīng)用于制糖工業(yè)的糖膏分離及化工生產(chǎn)中分離固相為中等及細(xì)顆粒的懸浮液，它是將被分離的懸浮液物料注入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)利用離心力場(chǎng)的作用將液體甩出鼓外，而固體顆粒則被鋪在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的濾網(wǎng)截留，從而完成固液分離.運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)便.

由于重力卸料時(shí)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)濾渣不易清除干凈，現(xiàn)目前上懸式離心機(jī)多采用機(jī)械刮刀卸料.卸料時(shí)，刮刀刃口與濾網(wǎng)間的間距一般調(diào)整在3～5mm之間，以防止刮刀和濾網(wǎng)相撞而造成生產(chǎn)事故.若在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行刮刀卸料，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致濾網(wǎng)的快速磨損.篩網(wǎng)破裂不僅影響分離質(zhì)量還會(huì)引起離心機(jī)的振動(dòng)，離心機(jī)振動(dòng)時(shí)其軸系受徑向周期沖擊力的作用產(chǎn)生金屬疲勞而降低設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)立即損壞設(shè)備造成事故[1]，故而給上懸式離心機(jī)安裝一自動(dòng)定心裝置便顯得尤為重要.

本文通過(guò)對(duì)卸料過(guò)程的分析，找出問(wèn)題產(chǎn)生的原因及影響，并對(duì)增加裝置進(jìn)行分析改善.

1　常見(jiàn)故障及改進(jìn)措施

上懸式離心機(jī)根據(jù)其撓性軸特點(diǎn)均采用窄刮刀卸料，靠刮刀的旋轉(zhuǎn)軸向移動(dòng)完成卸料.當(dāng)降到卸料轉(zhuǎn)速時(shí)，閉合罩打開(kāi)，刮刀裝置的旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作，刮刀架旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)方向相反，刮刀沿著徑向逐漸切進(jìn)料層，直至轉(zhuǎn)鼓壁，將一周的物料刮下.接著，刮刀升降氣缸動(dòng)作會(huì)帶動(dòng)刮刀向下移動(dòng)，刮刀自上而下將物料從轉(zhuǎn)鼓壁刮下，完成卸料過(guò)程.若是在徑向切入過(guò)程中由于汽缸體剛性不足，氣缸中的密封漏氣等原因而導(dǎo)致切入過(guò)程受力不均勻，在不連續(xù)的切入過(guò)程中，轉(zhuǎn)鼓受到間歇變化的外力作用，若此時(shí)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，轉(zhuǎn)鼓則會(huì)產(chǎn)生陀螺擺動(dòng)，轉(zhuǎn)鼓的徑向擺動(dòng)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓碰撞刮刀，從而使刮刀刮爛面網(wǎng)，這也是刮刀刮爛面網(wǎng)的主要原因[2].其次，在刮刀向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，由于軸表面粘附糖膏等原因，會(huì)導(dǎo)致刮刀軸出現(xiàn)步進(jìn)現(xiàn)象，機(jī)器的不穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)使轉(zhuǎn)鼓受到不均勻的力，導(dǎo)致刮刀刮爛面網(wǎng).

通過(guò)給離心機(jī)增加一個(gè)定心裝置，可有效改善轉(zhuǎn)鼓的擺動(dòng)，從而降低刮刀刮爛面網(wǎng)的幾率.定心裝置由一個(gè)鋼環(huán)和銅襯套組成，銅襯套分為兩個(gè)半圓環(huán)，用螺釘固定在鋼環(huán)內(nèi).卸料時(shí)閉合罩頭內(nèi)部嵌入襯套中，使主軸得以定位而不致卸料時(shí)轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生晃動(dòng)，確保卸料的順利進(jìn)行.而在閉合罩內(nèi)加上一個(gè)彈簧時(shí)，可利用彈簧的變形來(lái)承受動(dòng)載荷,沖擊載荷.利用彈簧消耗能量來(lái)衰減振動(dòng)，利用變剛性的特點(diǎn)起到彈性約束，定位作用.

2　運(yùn)動(dòng)及受力分析

從力學(xué)觀(guān)點(diǎn)上看，上懸式離心機(jī)乃是自由懸掛在一點(diǎn)上的一個(gè)重的旋轉(zhuǎn)體，其懸掛點(diǎn)位于旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)上，并且高于旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量中心，即所謂的陀螺擺，重量為Q的旋轉(zhuǎn)體在空間繞固定點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)[1].

若起始瞬間章動(dòng)角與章動(dòng)角速度相等且為0，即θ=θ'0=0時(shí)，陀螺擺在其整個(gè)旋轉(zhuǎn)期間均能保持鉛垂位置.而對(duì)于上懸式離心機(jī)來(lái)說(shuō)，這一起始條件是難以達(dá)到的，起始瞬間可以最大限度保持軸的鉛垂位置，即θ0=0，但在工作中勢(shì)必受到各種外來(lái)干擾力.因此，運(yùn)行中轉(zhuǎn)鼓往往會(huì)產(chǎn)生章動(dòng)和進(jìn)動(dòng).

假設(shè)旋轉(zhuǎn)體起始瞬間（t=0)的章動(dòng)角θ0=0，但章動(dòng)角速度θ.0≠0（假設(shè)受到外力沖擊），引入?yún)?shù)

式中，ωζ為陀螺自轉(zhuǎn)速度，J0為物體對(duì)自轉(zhuǎn)軸的慣性矩，Jd為赤道慣性矩，Q為旋轉(zhuǎn)體的重量.

可以得到章動(dòng)角θ、回轉(zhuǎn)角φ、章動(dòng)角速度θ.、回轉(zhuǎn)角速度φ.0分別為

章動(dòng)周期

當(dāng)章動(dòng)角由θ0變動(dòng)到，而章動(dòng)速度由θ.變動(dòng)至=0，在這種條件下，軸端在水平面上的軌跡為延長(zhǎng)內(nèi)擺線(xiàn)，當(dāng)受到過(guò)大的外力時(shí)，陀螺擺偏離其鉛垂位置[1].

在轉(zhuǎn)鼓筒體的內(nèi)側(cè),作用有均勻分布的載荷P，其載荷的來(lái)源包括由轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量引起的離心壓力P1,由篩網(wǎng)質(zhì)量引起的離心壓力P2和由物料質(zhì)量引起的離心壓力

對(duì)于離心力引起的應(yīng)力和變形可用拉普拉斯方程進(jìn)行計(jì)算：

由轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量引起的鼓壁上的周向應(yīng)力為：

由于轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量所產(chǎn)生的離心壓力P1的方向是垂直于軸線(xiàn)而指向外的，因此，它不產(chǎn)生軸向力，也不產(chǎn)生經(jīng)向力σ'1，即σ'1=0，

對(duì)于受物料質(zhì)量的離心力影響，引起轉(zhuǎn)鼓壁上的周向應(yīng)力

對(duì)于受篩網(wǎng)等附件質(zhì)量離心力影響，引起鼓壁上的周向應(yīng)力為：

物料離心力在轉(zhuǎn)鼓上引起的經(jīng)向力為：

而離心壓力在鼓壁內(nèi)不產(chǎn)生經(jīng)向應(yīng)力，即σ?3==0

由拉普拉斯方程得出p1,p2,p3.在與物料接觸的擋液板、轉(zhuǎn)鼓底上作用有按拋物線(xiàn)分布的由物料質(zhì)量的離心力引起的壓力q.

3　有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從上懸式離心機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析可知，不連續(xù)的受力會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓做陀螺擺運(yùn)動(dòng)，影響平衡，導(dǎo)致刮刀易刮爛濾網(wǎng).現(xiàn)用Patran進(jìn)行有限元分析切入力不平衡對(duì)轉(zhuǎn)鼓的影響.

利用通用有限元分析軟件Patran，建立轉(zhuǎn)鼓的三維有限元模型，采用三維實(shí)體單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)4621，單元總數(shù)2332[4].

圖1　有限元模型

未加定心裝置之前，軸的定位對(duì)離心機(jī)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定造成了很大影響.軸承室內(nèi)設(shè)置橡膠緩沖墊形成一種撓性支承.在轉(zhuǎn)鼓運(yùn)行中當(dāng)物料不平衡產(chǎn)生干擾力時(shí)，軸承室的球面允許作少許擺動(dòng)，依靠橡膠緩沖墊的阻尼和減振作用，使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的擺動(dòng)幅度控制在一定范圍內(nèi).同時(shí)緩沖墊的阻尼減振作用吸收了部份振動(dòng)能量，可以解決在轉(zhuǎn)速不高時(shí)主軸左右擺動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)鼓的沖擊.但這具有局限性，如在高速轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)鼓受間歇力作用時(shí)就不適用.

通過(guò)有限元分析軟件Patran對(duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行三維仿真分析，通過(guò)計(jì)算分析，得到轉(zhuǎn)轂應(yīng)力及位移.

圖2　應(yīng)力云圖（未加定軸裝置）

以此反應(yīng)軸的沖擊載荷對(duì)轉(zhuǎn)鼓的影響.

用Patran軟件對(duì)理論計(jì)算得到的結(jié)果（1）-（4）進(jìn)行有限元分析.由軸而引起的載荷加載到Patran進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由此而引起的轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力不平衡如圖（1）所示.在未加定力的情況下計(jì)算得到應(yīng)力最大值為3.5Mpa，應(yīng)力分布不均，轉(zhuǎn)鼓兩端所受應(yīng)力較小，應(yīng)力呈遞增趨勢(shì)，且應(yīng)力集中區(qū)域范圍廣[5]，在上懸式離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將造成轉(zhuǎn)鼓沿徑向的位移加大，可能對(duì)轉(zhuǎn)鼓的壽命造成影響；同時(shí)軸的擺動(dòng)過(guò)大也可能與轉(zhuǎn)鼓碰撞，造成軸的磨損.

圖3　位移云圖（未加定軸裝置）

由軸而引起的轉(zhuǎn)鼓位移變化如圖（2）所示轉(zhuǎn)鼓兩端位移較小，沿軸向隨距離的增加沿徑向的位移增加，且遞增不均勻.當(dāng)卸料時(shí)，由于主軸的擺動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓的晃動(dòng)，造成刮刀刮爛面網(wǎng)，從而減小轉(zhuǎn)鼓清洗的周期，減小了清洗的效率.轉(zhuǎn)鼓移動(dòng)位移的不均也給轉(zhuǎn)鼓的壽命帶來(lái)了影響.

綜上述，為了解決軸的沖擊對(duì)轉(zhuǎn)鼓的所受的應(yīng)力和移動(dòng)的位移造成的不利影響，盡量保持轉(zhuǎn)鼓的穩(wěn)定，應(yīng)減少軸的沖擊載荷和動(dòng)載荷，增加一個(gè)定心裝置可有效的解決此問(wèn)題.加定心裝置之后，由于軸上端已經(jīng)有定心裝置，而且還有制動(dòng)盤(pán)，制動(dòng)時(shí)，由氣缸作用使兩個(gè)半環(huán)狀的制動(dòng)帶收緊，將轉(zhuǎn)鼓停止，因此只需將軸下端定位即可.

采用鉸鏈?zhǔn)桨雸A套進(jìn)行定位，一個(gè)半圓起定位作用，一個(gè)半圓可以起到夾緊的作用，短半圓套可以限制軸的兩個(gè)自由度，長(zhǎng)半圓套可以限制軸的四個(gè)自由度，可以限制軸在水平面內(nèi)移動(dòng)自由度，從而保證軸的定位，減少由于不平衡力所導(dǎo)致的徑向位移，從而有效的減小了轉(zhuǎn)鼓的陀螺擺運(yùn)動(dòng).此外，這種鉸鏈?zhǔn)桨雸A套的定位裝卸十分方便，主軸磨損時(shí)方便更換.在固液分離過(guò)程中，由于軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在閉合罩內(nèi)增加一個(gè)彈簧，可以消耗軸帶來(lái)的動(dòng)載荷，沖擊載荷.利用彈簧變剛性的特點(diǎn)，可以對(duì)軸起到彈性約束作用，減小了高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)載荷和沖擊載荷，對(duì)整個(gè)裝置的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用.

圖4　應(yīng)力云圖（加定軸裝置）

圖4為加定軸裝置后的應(yīng)力分布，由Patran分析知加定軸裝置后轉(zhuǎn)鼓的的應(yīng)力還是不均勻分布，但是比不加定軸裝置有了明顯的改善.

由此可知加定心裝置后，將各力按公式計(jì)算加載到Patran軟件中進(jìn)行有限元分析，很容易得出軸所受沖擊載荷變小，轉(zhuǎn)鼓承受應(yīng)力和移動(dòng)位移也變小，這樣對(duì)固液分離以及卸料過(guò)程的穩(wěn)定性有很大作用.

4　定心裝置的要點(diǎn)分析和注意事項(xiàng)

4.1改進(jìn)后的上懸式離心機(jī)較不改進(jìn)的上懸式離心機(jī)在力學(xué)性能上有了很大提升，可分離相同的介質(zhì)，結(jié)構(gòu)上主要增加了一個(gè)定心裝置，其要點(diǎn)和難點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）材料的選擇.合理選擇鋼環(huán)和銅襯套使其在具有一定強(qiáng)度的同時(shí)，又有一定的韌性，不致彈性失效發(fā)生脆性斷裂.閉合罩和彈簧的選擇，直接影響軸的定心效果，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)鼓的穩(wěn)定性，彈簧應(yīng)選擇減振效果好的，彈性性能好的.

（2）閉合罩固定方式的選擇.閉合罩如果傾斜將，閉合罩動(dòng)作將失靈，直接影響罩口濾渣的分離.選擇螺母固定時(shí)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)以及機(jī)體的振動(dòng)容易導(dǎo)致螺母松動(dòng)，需定時(shí)加固，但其對(duì)中性和力矩較小，有利于結(jié)構(gòu)的定位.

4.2軸的定心設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

（1）上懸式離心機(jī)定心裝置銅套每周加油一次，加少量，不要甩出，潤(rùn)滑劑采用2#極壓鋰基潤(rùn)滑脂.

（2）上懸式離心機(jī)定心裝置螺母應(yīng)擰緊，定期查看.

（3）上懸式離心機(jī)主軸磨損要及時(shí)更換，主軸裝配要到位，聯(lián)軸器彈性膠圈及軸承室中的橡膠緩沖墊的狀態(tài)，磨損劇烈或老化應(yīng)更換，主軸承每月一次，高壓油槍擠壓20次，潤(rùn)滑劑用2#極壓鋰基潤(rùn)滑脂.

（4）清除刮刀軸上粘附的糖料，并涂上潤(rùn)滑脂，確保刮刀動(dòng)作正確、可靠.若轉(zhuǎn)鼓嚴(yán)重?cái)[動(dòng)，則需手動(dòng)干涉，降至卸料轉(zhuǎn)速進(jìn)行處理.應(yīng)特別注意轉(zhuǎn)鼓底閉合罩口處的啟閉情況，如有固相粘接應(yīng)及時(shí)清除（可用洗斗開(kāi)關(guān)進(jìn)行沖洗）.為避免沖洗水飛濺及保證沖洗效果，沖洗應(yīng)在卸料后、加料前，并待達(dá)到加料轉(zhuǎn)速后進(jìn)行.

此外，由于定位副間存在徑向間隙，必將引起徑向基準(zhǔn)誤差，這時(shí)的徑向定位誤差可以在任意方向上發(fā)生，為了減小定位誤差以及夾緊變形，應(yīng)確保工序的加工精度.

5　結(jié)論

對(duì)存在的上懸式離心機(jī)主軸定心及轉(zhuǎn)鼓陀螺擺動(dòng)的問(wèn)題，采用轉(zhuǎn)鼓內(nèi)設(shè)置定心裝置.用理論分析和Patran軟件有限元分析的方法，對(duì)轉(zhuǎn)鼓加定心裝置和不加定心裝置時(shí)的應(yīng)力分布和位移分布做出定性分析.雖然減振效果不是很好，但這給提高轉(zhuǎn)鼓穩(wěn)定性提供了一種簡(jiǎn)單的方法.因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮方案的可行性，經(jīng)濟(jì)型，合理性.

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TH122

A

1673-260X（2016）03-0047-03

2015-12-16

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410363010）