卧式螺旋卸料过滤离心机转鼓开孔削弱系数的研究

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卧式螺旋卸料过滤离心机的转鼓是有孔的，在离心力的作用下 ，液相通过过滤介质而将固相颗霖留在过滤介质上，形成滤饼层，在过滤介质上形成的滤饼在离心力及螺旋的推动下排出转鼓[。转鼓开孑L后的强度应力会出现大的不规律变化，设计资料中对开孔转鼓强度应力的计算是很笼统的。因此，对于转鼓开孔削弱系数的研究显的尤为重要，转鼓开孔削弱系数的研究对卧螺离心机开孔转鼓强度应力的研究和理论计算有着重要的意义。通过三维有限元分析，可以看出工作部件开孑L区具有很高的应力集中现象[21，文献131已经通过开孔的的位置、直径、和对应的环向应力的计算来对转鼓开孔系数进行讨论，并得出了开孑L系数对转鼓应力的计算会带来-定的偏差的结论D1。但是不能得到转鼓开孔后的应力会削弱多少，获得的转鼓开孑L削弱系数则能够有效的计算转鼓开孔后的应力减小值。

有限元法能够有效的对物料产生的离心力引起的转鼓应力和应变进行分析l4I，通过轴向平衡条件和拉普拉斯方程对离心机物料引起的转鼓的应力应变进行理论计算，缩小软件分析和理论计算误差，将更方便离心机的设计计算。这就需要获得相关的理论计算与软件分析校正系数，下面，就 LLW1000型卧螺卸料过滤离心机进行有限元仿真分析。

2基于有限元的开孔转鼓模型卧式螺旋卸料过滤式离心机是-种内外转鼓的具有锥角，薄层分离液固混合物的连续操作离心机。由螺旋的差转速来控制物料的滑动速度。从功能实现上来讲，转鼓采用开孑L转鼓；从设计经验上来讲，结构上采用20。锥角设计，这样能够减小摩擦，-方面降1氐了能耗，另-方面能够减轻磨损。从保证T作可靠性角度来讲，最基本的要求是对转鼓进行强度校核。这里将会涉及到-些影响强度的设计参数，其中重要的几个是孑L形及尺寸、转鼓壁厚、锥角。转速-般来稿日期：2012-04-19基金项目：国家自然科学基金项目(61105071)；江苏势技支撑计划项目(BE2012080)的资助作者简介：王 琪，(1962-)，男，江苏盐城，教授，博士，主要研究方向：车辆： 程，特种车辆第2期 王 琪等：卧式螺旋卸料过滤离心机转鼓开孔削弱系数的研究 221不作为优化变量考虑，因为转速与分离因数密切相关，降低转速将严重影响分离效果。内外转鼓系结构，如图 1所示。

1.转鼓底 2l夕 转鼓 3.螺旋连接毂 4内转鼓图 1内外转鼓系结构图Fig.1 luside and Outside Turning Drum System Structure在对卧螺卸料过滤离心机开孑L转鼓进行应力强度分析过程时，采用分析软件 ANSYS进行参数化建模，外转鼓的有限元模型，如图 2所示。转鼓模型参数：转鼓角速度设定为 lO00r，开孑L按照与原点呈 22.5。形式排布开孑L，转鼓开孑L面积呈等差数列，转鼓大端内径 1000mm，锥角 20。，转鼓材料密度为 7800kg/m。，弹性模量为 206GPa，泊松比为 0.3。

图2外转鼓的参数化有限元模型Fig.2 Outward Turning Drum Parametric Finite Element Model3转鼓有限元仿真，施加约束、载荷。

转鼓为对称模型，且本转鼓为回转体，其几何形状 、约束条件及载荷(主要是转鼓和物料产生的离心力，其他载荷对结构强度影响较小)均对称于回转轴，所以应力、应变和位移等也对称于回转轴151。在有限元分析中，用轴对称模型来计算。取转鼓的 1/8作为分析研究对象，-方面简化了模型，节势算时间；另-方面对其两侧表面施加对称面约束能够更加理想且规律的看到转鼓应力变化情况，对其两侧表面施加对称面约束 ，如图3所示。离心机开孔转鼓在工作过程中主要受到以下两种载荷的影响。

1l -I I -J l I - -I- -J - -，- . 图3转鼓 1/8模型两侧施加对称约束Fig.3 Symmetry Constraint on Both Sides of Turning Drum 1/8 Model3.1自身质量产生的离心力转鼓高速回转时，自身质量产生的离心力，在分析中以角速度的形式施加于转鼓的有限元模型上，转鼓的回转角速度计算公式：60 104.7(r/s) (1)OU3.2物料的离心液压力是物料在离心力作用下沿径向运动对转鼓壁形成的压力，方向垂直于转鼓内表面，可根据力平衡方程获得。由于物料离心液压与回转半径的平方成正比，将物料离心压力以均布载荷形式沿转鼓内表面法向施加到转鼓内壁上。转鼓内表面受到的物料rR 2离心液压 为： J rdr (R -r，2) (2) 3I口转鼓形状是锥形，如图4所示。利用函数编辑器来编辑函数- 压力函数，如下： p 。(R -：)COSO/ (3)式 中： -离心液压 (kgr/m )； -转鼓内被分离物料的重度(kgf/m )；co-转鼓的回转角速度 (rad/s)；r2-转鼓内物料环的内表面半径(m)； -转鼓内表面半径(m)； 重力加速度(m/s )；n-转鼓半锥角(。)；p-物料密度(kg/m)。

图4转鼓物料轴向受力平衡模型Fig.4 Turning Drum Material Axial Force Equilibrium Model4对开孑L转鼓和不开孔转鼓节点应力的仿真研究通过操作 ANSYS有限元软件，开孔转鼓强度应力云图，如图5所示。从图5中看到，转鼓产生的应力从小端到大端不断的变大，危险区域出现在大端，在转鼓开孔位置会产生较大的应力集中，但是最大应力出现在转鼓大端开孔位置。通过进-步研究，获得开孔转鼓最大 Stress intensity值及其所处的位置大端右下角位置，如图 5所示。然后对不开孑L的转鼓进行分析，找出与以上开孑L转鼓最大应力相同位置处的 Stress intensity值并通过节点坐标图找出其坐标点。未开孔转鼓的Stress intensity云图，如图 6所示。由图6看到，转鼓在不开孔情况下，其受力是均匀且规律的，与开孔转鼓最大应力节点位置最接近的节点位置，如图 7所示。

图5开孔转鼓Sress intensity云图Fig.5 Drum with Hole Sress intensity Cloud Picture222 机械 设计 与 制造NO.2Feb.20l3图6转鼓未开孔时的Sress intensity云图F培6 Drum without Hole Sress intensity Cloud Picturel 图7节点位置Fig.7 Node Position5对转鼓开孔削弱系数的研究当转鼓转速为 1000r/min的情况下，通过软件分析得到开孔转鼓产生最大强度应力的节点坐标，如表 l所示。对开孔削弱系数进行计算，可设开孑L转鼓削弱系数为k，转鼓开孔后比开孔前应力强度削弱的大小设为 △：则有：AsinT，xksinT2-sinT，(54.212-23.721)30.491MPa (4)得：k 0.56 (5)表 1开孑L转鼓最大 Sress intensity点的节点坐标Tab.1 Drum with Hole Maximum Stressintensity Node CoordinatesE Y z SINT2 458.246664492 7.091 10598380 l 15.000000000 0.54212E08表 2节点坐标Tab.2 Node CoordinatesN0DE y Z表 3未开孑L转鼓节点坐标对应 Sress intensity 值Tab.3 Drum without Hole MaximumStress intensity Node Coordinates6转鼓经过开孔削弱系数校正后应力计算文献目中有关于圆锥形转鼓应力和变形的计算，却没有对转鼓开孔情况进行的相关校正计算。对于圆锥形开孔转鼓的计算则需要考虑开孑L处的Stress intensity值的变化值，需要加上削弱系数产生的应力和位移的变化量。以在开孑L转鼓应力最大处为例，半径为P，削弱系数为 k，则矫正后，在锥形转鼓任意半径P处的径向应力( )p根据轴向平衡条件计算嗍：2 ( )(1-k)COS ： 2rdrJ (r2-r2)·2rrdr(6)： (kg ) (7)周向应力可由拉普拉斯方程式求得：2 ， 2 2 、2( )P 貉 (kgN/m2) (8)锥形转鼓任意半径P处的半径方向位移：2 ， 2 2 、2 [(4 )p ] (9)在锥形转鼓任意半径P处的经线弯曲转角为：2 4毒 嚣 (15p3- - ) (10)式中：月-锥形转鼓大端半径(m)； 鼓角速度(rad/s)；居-开孑L削弱系数；6-转鼓壁的厚度 mm)；p-锥形转鼓任意-点处得内半径(m)。

7结论(1)开孔转鼓强度应力由小端到大端逐渐增加，并在开孑L位置出现应力集中。(2)开孔转鼓最大应力出现在转鼓大端开孑L的位置。转鼓开孑L前后，最大应力点的位置会发生变化。(3)对转鼓开孔削弱系数的研究，能够从理论上缩小软件分析与强度理论计算产生的的误差，有利于离心机开孔转鼓的应力、应变的理论计算，为离心机开孔转鼓的设计提供理论依据。