摘要： 采用實體單元建立了臥螺離心機轉鼓的三維有限元模型， 并對轉鼓進行了靜力分析和模態分析。結果表明， 轉鼓在正常工況下的強度滿足要求；在正常轉速范圍內也不會發生共振現象。

   關鍵詞： 離心機 轉鼓 有限元

   臥式螺旋卸料沉降離心機，簡稱臥螺離心機，是上５０年代出現的分離機械。由于具有連續操作、處理量大 、單位產量耗電量低 、適應性強等特點，現已廣泛應用于石油、化工、冶金、醫藥、食品、輕工等領域， 并隨著石油化學工業的迅猛發展和城市污水治理的迫切需要，臥螺離心機必將會有更廣闊的發展前景。

    １ 有限元模型的建立

    １．１ 有限元幾何模型

     根據設計圖紙，本分析研究的臥螺離心機轉鼓材料為１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，外形為筒椎形，柱筒段內徑０．５２０ｍ，厚度０．０１５ｍ，長度０．７１０ｍ，椎筒段長度 ０．４７３ｍ，半椎角α＝９．６°。分別采用 ｐｌａｎｅ４２、ｓｏｌｉｄ４５ 劃分網格。單元總數７５８０， 節點總數 ７６８０。在保證計算精度要求的前提下， 劃分網格如圖所示：

                   

    １．２ 載荷

     ①自身質量引起的離心力

    高速回轉下的轉鼓， 鼓體金屬本身質量所 產生的離心力在分析中以角速度的形式施加于轉鼓的有限元模型上。

              

    ②物料的離心壓力

     該力是 物料在離 心力 作 用下沿 徑 向 運 動 對 轉 鼓 壁 形成的壓力．方向垂直于轉鼓內表面。圓筒中的流體物料在高速回轉下所產生的離心壓力為

                   

     式中ρ為筒中物料的密度，１．０８５ｋｇ／ｍ３； ｒ為流體物料ｃ層 中任意處半徑 ，ｒ０為圓筒體回轉時流體的自由表面半徑，０．２７５ｍ。可以看出離心壓力隨而變化 ，本分析通過構建載荷函數， 調用函數加載， 實現了加載。

    １．３ 邊界條件

   轉鼓的約束是根據具體結構確定的。在轉鼓柱筒端施加全約束，在椎筒端施加徑向和周向約束，即約束ＵＹ和 ＵＺ。

    ２ 有限元計算和分析

    ２．１ 靜力分析

    應力０．１１３６２Ｅ＋０９ 大轉鼓的靜力分析主要是考察其強度問 題，即在一定的工作載荷下， 轉鼓是否有足夠的 強度。由圖 ２ 所示， 轉

鼓所受大應力 １１３．６２ＭＰａ。 本 分 析 采 用 應 力 強 度 ＳＩＭＴ來描述轉鼓的應力狀態，并與材料的設計應力強度Ｓｍ進行比較 。轉鼓材料為１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，其設計應力強度Ｓｍ＝１３７ＭＰａ。校核時， 對于沿壁厚方向的平均應力強度， 取其許用值為一倍的設計應力強度， 即 Ｓｍ。對于沿壁厚方向的大應力強度， 由于包含有危害較小的彎曲應力部分，因此取其許用值為 １．５倍的設計應力強度，即１．５ Ｓｍ。由于轉鼓所受大應力強度小于材料許用應力強度，故轉鼓強度是安全的。

              

    ２．２ 模態分析

    模態分析用于確定結構或機器部件的振動特性（固有頻率和振型），使結構設計避免共振或按特定頻率 進行振動。它也是其它更詳細的動力學分析的起 點，例如瞬態動力學分析 、諧響應分析、譜分析等。

     本分析應用 Ｌａｎｃｚｏｓ 法計算出的螺旋輸送器前５階固有頻率如表 ２ 所示。由下表可知， 螺旋輸送器階固有頻率為 １６５．６１ 赫茲， 對應的臨界轉速為 ９９３６．６ｒ／ｍｉｎｘ 螺旋輸送器的設計轉速為３０００ｒ／ｍｉｎｘ，遠小于該臨界轉速，因此，螺旋輸送器在正常的轉速范圍內不會發生共振現象。

       階數              1            2             3           4            5

    頻率(HZ)    165.61     187.90     253.59   279.45    301.45 

    ３ 結論

     ①采 用 Ｐｌａｎｅ４２、Ｓｏｌｉｄ４５實體單元成功地建立了臥式

螺旋卸料沉降離心機轉鼓的３維有限元模型，模型不但較好地模擬了轉鼓的真實結構，而且可以用來對轉鼓進行結構優化；

     ②對轉鼓進行了額定工況下的靜力分析，結果表明轉鼓的強度和剛度均能滿足要求；

     ③應用 Ｌａｎｃｚｏｓ 法對轉鼓進行了模態分析，得到前５階固有頻率，結果表明轉鼓在正常的轉速范圍內不會發生共振現象。

     參考文獻

     ［１］ 孫啟才， 金鼎五．離心機原理結構與設計計算．機械工業出版社， １９８７

     ［２］ 董俊華， 臥螺離心機雙錐角轉鼓結構的有限元分析北京化工大學學報 ２００４ 臥式螺旋

     ［３］ 顧威， 沉降離心機螺旋輸送器的三維有限元分析制造業自動化