基于有限元法的碟式分离机转鼓组件强度分析

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转鼓组件是碟式分离机的主要工作部件。转鼓组件强度不足是造成碟式分离机出现故障的重要原因I。由于分离机转速的高速化和结构的复杂化，经典的弹性力学计算方法难以满足设计要求，对于几何形状复杂的离心机转鼓各部位的应力状态的计算 ，最适宜的方法是有限元方法口↑十几年来，由于计算机技术的飞速发展和广泛应用，采用有限元方法求解工程技术问题被业界普遍重视♂合转鼓组件的结构特点，利用有限元方法研究转鼓组件的应力变化受到国内外科研机构以及转鼓组件生产企业的广泛关注。文献喂 出了-种研究循环对称结构动力特性的方法，他首先根据循环对称结构的-个基本扇区建立有限元子结构模型，通过对结构施加复约束条件来考虑结构其它部分对模型的影响，由此导出了复 Hermite矩阵的广义特征值问题。文献 l用有限元方法计算了-种循环对称涡轮泵叶轮对于周期三角脉冲载荷的振动的时域响应。文献论述了基于ANSYS的周期对称旋转壳体结构有限元分析。文献 在回顾以往转鼓强度分析的基础上，指出了目前转鼓有限元应力分析所存在的问题，给出了提高计算精度和保证模拟有效性的注意事项，并探讨了转鼓强度评定准则。文献忉在建立分离机立轴轴系计算模型的基础上，采用有限元分析软件ANSYS进行分析计算，得出碟式分离机立轴系统各阶临界转速。文献 解决了转鼓体梯形螺纹及密封水对转鼓体离心液压力的模拟加载问题，并根据分析结果对转鼓体进行了安全分析。文献 指出数值方法研究碟式分离机内部流场对碟式分离机结构优化有重要的指导意义。

根据碟式分离机的特点，建立碟式分离机转鼓组件的基本扇区模型，模拟其旋转运动以及大小沿径向二次变化的离心压来稿日期：2012-08-07基金项目：2011年度河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目(201 1GGJS-269)作者简介：朱跃峰，(1971-)，男，副教授，博士生，主要研究方向：数字化制造技术186 机械设计与制造No.6June.2013较为复杂，单元划分采用自由方式，在矩形螺纹、切向排渣槽及各接触对表面等位置进行网格细化。网格划分，如图8Ca)所示。活塞结构较为简单，单元划分采用手动方式，可以选用精度较高的六面体单元。网格划分，如图8(b)所示。

4分析结果与评价转鼓组件的强度分析采用第三强度理论，即最大应力处最大主应力与最小主应力之差小于材料的许用应力。依据压力容器设计标准旧，材料的许用应力计算方法为：[ ]Min0.5 ，0.330"b (1)式中： -屈服强度； -抗拉强度。

利用前面表 1提供的数据求得2Cr13的许用应力 209.5MPa，40Cr的许用应力为290.4MPa。分离极端工况下转鼓体装配件的等效应力分布，如图9(a)所示。最大应力为365.4MPa，由软件得到该处最大主应力与最小主应力分别为434.1MPa和244.6MPa，两者之差为 189.5MPa，小于 2Cr13许用应力209.5MPa∩见转鼓装配件满足强度要求。分离极端工况下活塞的等效应力分布如图9(b)所示，最大应力为165.1MPa，由软件得到该处最大主应力与最小主应力分别为 163.2MPa和9.4MPa。两者之差为 153.8MPa，小于40Cr的许用应力290.4MPa∩见活塞满足强度要求。从转鼓装配件和活塞等效应力分布图可知，总体而言，零件材料应力沿着转鼓组件径向增大，显而易见，这是由于材料自身离心力和介质离心压力与该点的线速度成平方关系的缘故；另外，转鼓装配件最大应力发生在转鼓体直径1 10mm转角处，这是应力集中的结果。因此，分离机转速 、转鼓直径和应力集中是制约是转鼓组件强度的重要因素。

(a)转鼓装配件 (b)活塞图 9转鼓组件等效应力分布Fig.9 The Equivalent Stress of Gyrate Drum Component5总结根据碟式分离机转鼓组件是循环对称结构的特点，采用其扇区模型，应用有限元法对某分离机企业设计的转鼓组件进行了强度分析；结果显示，转鼓装配件和活塞强度满足；通过分析得到分离机转速、转鼓直径和应力集中是制约转鼓组件强度的重要因素。论文采用有限元方法进行强度分析，解决了分离机高速化和结构复杂化应用传统弹性力学方法难以进行强度计算的问题；避免了企业多次试验造成的人力物力等资源浪费；从而为企业生产创造了可观的经济效益。