新一代碟式分離機轉鼓結構優化分析

鄭加洲，李 麗，丁曉明，趙奇峰，任苗苗，尹延經

（1. 南京中船綠洲機器有限公司，南京 210000；2. 洛陽軸承研究所有限公司，河南洛陽 471000)

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、船舶和涂料等領域[1]。世界頂尖的船用碟式分離機企業都來自歐洲，瑞典ALFA-LAVAL公司和德國GEA Westfalia公司是世界最著名的碟式分離機供應商，具有130年的歷史，代表了當今世界碟式分離機的最高水平。它們分離機的發展趨勢是更高的轉速、小型化、大處理量發展。目前，碟式分離機的轉速從早期4 000 r/min左右發展到現在12 000 r/min左右。但是轉速的提高，對轉鼓材料的選擇和安全設計帶來了新的挑戰，傳統碟式分離機轉鼓的關重件零件強度校核主要是采用JB/T 8051—96中的轉鼓強度計算方法。這種方法適用于結構簡單、規則的轉鼓零件，比較保守，對幾何形狀復雜的離心機轉鼓重要零件強度校核，顯然不能滿足現在設計需要。

隨著有限元分析應用越來越廣泛，對復雜結構的強度校核，最適宜的方法是采用有限元法[2]。本文就是通過分析新一代碟式分離機轉鼓主要零件轉鼓蓋、主鎖環和轉鼓體組合結構之間的接觸關系和密封工況下的承載情況，應用有限元軟件對其進行了結構分析，以此來校核設計的安全性并進行結構優化。

1 組合結構特點、技術參數及受力分析

1.1 組合結構特點

對于新一代碟式分離機轉鼓來說，安全設計上非常關注的是3大件：轉鼓蓋、主鎖環和轉鼓體。裝配示意圖見圖1，其中，序號1為轉鼓蓋，序號2為主鎖環，序號3為轉鼓體，序號4為密封環，序號5為活塞。

圖1 組合結構裝配示意圖

1.2 技術參數

新一代碟式分離機的設計額定轉速為9 6 0 0 r/m i n；轉鼓蓋、主鎖環和轉鼓體材料為高強度、高耐腐蝕性不銹鋼，其材料熱處理后機械性能（圖紙要求）：屈服強度Rp≥630 MPa，抗拉強度Rm≥850 MPa；材料的彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3。

1.3 密封工況受力分析

新一代碟式分離機啟動達到額定轉速后，開始進入密封狀態，這時活塞下部充滿水，水壓推動活塞上移壓緊密封環，活塞、密封環和轉鼓蓋形成一個密封腔，這個狀態就稱為密封工況。工作狀態如圖1所示，此時，活塞下部和轉鼓體下部受到密封水的離心液壓力作用，活塞所受到的載荷通過密封環傳遞到轉鼓蓋上，組合結構轉鼓蓋、主鎖環和轉鼓體此時主要承受活塞傳遞到轉鼓蓋上的載荷F、密封水對轉鼓體的作用力P和質量離心力的作用。

2 結構分析

2.1 模型簡化

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。這里取模型的1/16，同時簡化不影響結果的孔和倒角等特征。經過簡化組合結構有限元模型見圖2。

圖2 組合結構有限元簡化模型

2.2 網格劃分

為了減少計算時間和計算的準確性，轉鼓蓋和主鎖環采用六面體網格劃分，轉鼓體存在較多孔和槽結構，這里采用四面體網格，對主鎖環和轉鼓體螺紋處網格加密，見圖3。

圖3 組合結構網格劃分

2.3 接觸關系分析

組合結構轉鼓蓋、主鎖環和轉鼓體的接觸主要3部分：轉鼓蓋和轉鼓體接觸、轉鼓蓋和主鎖環接觸、主鎖環和轉鼓體接觸[3]。

對于轉鼓蓋和轉鼓體接觸關系主要是轉鼓蓋與轉鼓體的配合定位，這里的平面定位考慮到有分離趨勢，采用無摩擦可分離的接觸；徑向定位有滑移趨勢，采用摩擦接觸，摩擦系數取0.2。

對于轉鼓蓋和主鎖環接觸關系主要是轉鼓蓋與主鎖環的平面配合定位，考慮到有滑移趨勢，采用不分離的接觸。

對于主鎖環和轉鼓體接觸關系主要是主鎖環與轉鼓體的配合定位和螺紋嚙合，配合定位考慮到有滑移趨勢，采用不分離的接觸；螺紋嚙合有滑移趨勢，采用摩擦接觸，摩擦系數取0.2。

2.4 載荷與約束

根據組合結構裝配關系，約束一是按周期對稱的側面無摩擦約束，二是限制軸向位移的約束，在轉鼓體芯部與立軸螺母接觸平面。

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載荷：質量離心力，在軟件中可以通過直接加載轉速實現；液壓離心力。載荷與約束見圖4。

圖4 載荷與約束

2.5 組合結構分析

2.5.1 組合結構應力和變形情況

據分析，組合結構等效應力云圖和變形云圖分別見圖5和圖6。

圖5 組合結構等效應力云圖

圖6 組合結構變形云圖

2.5.2 轉鼓蓋應力與變形情況

據分析，轉鼓蓋等效應力云圖和變形云圖分別見圖7和圖8。

圖7 轉鼓蓋等效應力云圖

圖8 轉鼓蓋變形云圖

2.5.3 主鎖環應力與變形情況

圖9 主鎖環等效應力云圖

圖10 主鎖環變形云圖

2.5.4 轉鼓體應力與變形情況

據分析，轉鼓體等效應力云圖和變形云圖分別見圖11和圖12。

圖11 轉鼓體等效應力云圖

圖12 轉鼓體變形云圖

3 結果分析

根據結果分析從圖5和圖6可知，組合結構整體應力水平不高，最大值為443.55 MPa，出現在轉鼓蓋環槽內，是應力集中部位；整體變形較小，最大值為0.4 mm，出現在轉鼓蓋上部，這是跟約束關系有關。組合結構的應力水平和變形可以滿足設計的要求。

根據結果分析如圖7和圖8可知，轉鼓蓋最大等效應力出現在下部環槽內，這是因為環槽受到活塞傳遞過來載荷的作用，環槽內圓角產生應力集中，其余部位應力在200 MPa左右，根據選用不銹鋼材料熱處理后機械性能：Rp≥630 MPa，Rm≥850 MPa，應力集中部位和其他區域都有較高的安全系數，可以滿足設計要求；變形最大0.4 mm，在設計范圍內。

根據結果分析由圖9和圖10可知，主鎖環最大等效應力出現在環內側，最大值為159.41 MPa，主鎖環螺紋處應力水平在128 MPa左右，根據選用不銹鋼材料熱處理后機械性能：Rp≥630 MPa，Rm≥850 MPa，應力集中部位和其他區域都有較高的安全系數，可以滿足設計要求；變形最大0.34 mm，在設計范圍內。

根據結果分析由圖11和圖12可知，轉鼓體最大等效應力出現外側排渣槽內，這是應力集中的結果；最大值為395.7 MPa，轉鼓體螺紋處應力水平在180 MPa左右，根據選用不銹鋼材料熱處理后機械性能：Rp≥630 MPa，Rm≥850 MPa，應力集中部位和其他區域都有較高的安全系數，可以滿足設計要求；變形最大0.34 mm，在設計范圍內。

4 結論

根據結果分析，可以對一些應力集中的地方進行優化，比如加圓角和更改圓角尺寸等措施來減小應力集中部位應力水平?？傮w來說轉鼓蓋、主鎖環和轉鼓體應力水平和變形程度不高，主要是因為轉鼓的直徑規格較小，整體剛性較好，分析結果合理，該優化分析方法可以用于碟式分離機產品轉鼓結構設計及離心機產品安全設計提供技術指導。