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卧螺离心机转鼓主要参数对其模态的影响研究

[来源:原创] [作者:北斗星] [日期:12-04-19] [热度:]


  离心机是高效、低耗的离心分离设备,高速旋转的转鼓能产生强大的离心力,从而实现各种物料的液、固及液、液分离.作为核心部件的转鼓必须满足3个条件:耐腐蚀、高强度及低能耗.只有三者兼备,才能保证离心机的使用性和安全性.刘天丰12)、谭蔚12.3]顾巧祥。]等人也对转鼓强度进行过有限元分析,但是

对改变参数后对转鼓强度的影响研究还做的不够,同时它的结构、形状和参数在很大程度上决定了离心机的特点和工艺效果.若是转鼓参数变化导致其强度低,很难提高离心机的分离因数,束缚了大直径、高转速离心机的发展.

  离心机转鼓是一个每分钟转动数百乃至数万转以上的高速回转壳体,合理设计转鼓不仅是保证离心机能正常工作及安全运行的前提,而且将直接影响离心机的技术经济指标.转鼓 基 本 参数包括:转鼓 内 径 D=520m m;液池高度h=33-55m m;转鼓壁厚t=18 mm;转鼓转速nZ=2 800 r/min;圆锥段转鼓长H:=777 mm;圆柱段转鼓长从=1 064 mm;圆锥段转鼓半锥角a=80;转鼓总长度、L =1 800 mm;转鼓材料为IOCr22Ni5Mo3N;许用应力Sm =205/MPa;固相密度P=1470 kg/m3;液相密度P=1 085 kg/m3;处理能力Q=13-20 m3/h.

  在诸多参数中,主要对转鼓转速、转鼓壁厚和液池深度3个参数对强度影响进行研究.

  1 转鼓转速的影响

  被分离物料在离心场中所受的离心力和它所受重力的比值,称为分离因数F,则



  显然,分离因数亦即离心加速度与重力加速度的比值.分离因数的值一般是以转鼓的转速表示的.分离因数是表示离心机分离能力的主要指标,是代表离

心机性能的重要指标之一值愈大,物料受的离心力愈大,分离效果也就愈好.

  表 1和 图 1分别为应力SINT最大值随转速的变化列表和变化曲线.

  从图 1和 表1可以看出数据之间存在平方的关系.这说明转鼓总应力、转鼓自身质量的离心力产生的应力和物料离心压力引起的应力,这些应力的最大值均与转速的二次方成比例.这个结论完全符合传统的计算圆筒形或者圆锥形的转鼓筒体应力的理论公式.因为提高转速,转鼓的应力的最大值将随之快速增长,所以对于一定尺寸和材料的转鼓,转速的提高并不是任意无限制的,其极限值取决于转鼓的机械强度和结构参数.在本分析中,转鼓的最高许用转速为约为3 500 r/min.当转速超过这个值时,最大应力大于1.5S.,转鼓会发生危险.



   除了转鼓强度外,选择转鼓转速飞还应考虑生产能力、分离要求和功率消耗.如需高分离因数时,应采用较高强度的材料.

   表2和图2分别为径向位移最大值随转速的变化列表和变化曲线.

   由表2和图2可以看出,各种载荷作用下转鼓的最大径向位移均与转速的二次方成比例,即转速的增大,也可能会导致转鼓径向变形过大.因此为了改善分

离效果而提高转速时,应保证变形在许可的范围内,以避免与固定机壳发生碰擦.



  2 转鼓壁厚的影响

  本设计把转鼓最大内径D、转鼓总长L以及转鼓转速n.(或离心分离因数F,)作为设计常量,根据设计要求事先给定.当螺旋离心机转鼓的这些主要结构参数处理为常量时,转鼓的强度主要取决于转鼓的几何尺寸.如果材料、价格加工成本都一样,则转鼓在满足强度、刚度等条件下的质量越轻越经济,可见转鼓的厚度尺寸的变化将直接影响到转鼓的强度、刚度和质量大小,因此把优化计算的变量定为转鼓的壁厚.影响离心机转鼓壁厚的因素很多,离心机转鼓的壁厚与物料的密度、转鼓的内径、物料的厚度、转鼓的密度成正比;与使用应力、削弱系数成反比.

  由于现行设计的转鼓壁厚已满足强度要求,并有很大的安全裕量,因此从考虑节省成本的角度出发,用有限元方法对转鼓进行优化,在保证强度、刚度的前提下,使得转鼓的壁厚尺寸逐渐降低,并观察壁厚尺寸参数的变化对应力SINT和径向位移DZ产生的影响.

  各种工况下应力SINT最大值随转鼓壁厚变化的计算结果如表3,并将计算结果经线性化处理制成二维坐标图如图4所示.

  从表 3和 图3中可以看出,正常工况(凡十只)下的应力SINT最大值随着转鼓壁厚的减小而增大,且增大的幅度较小.即使在转鼓壁厚为6 mm时,应力SINT最大值仍然小于材料的基本许用应力205 MPa,符合强度要求.从图3还可以直观看出,物料的离心液压所产生的应力变化曲线和正常工况下的变化曲线几乎平行,随着壁厚的变化,离心力所产生的应力最大值变化很小.这说明转鼓自身质量引起的离心力在壁内产生的应力与鼓壁厚度无关,转鼓壁主要是承受物料的离心液压,所以改变鼓壁的厚度并不能降低自身质量离心力引起的应力.

 

  各种工况下径向位移DZ最大值随转鼓壁厚变化的计算结果如表4,并将计算结果经线性化处理制成二维坐标图如图4所示.



  由表4和图4可以看出,各种工况下径向位移的最大值都随着转鼓壁厚的减小而增大,并且增长趋势和应力的变化曲线相近似.在转鼓壁厚减薄到一定程度时(4 mm),径向位移的增大速度较快,所以在选择较小的转鼓壁厚时一定要考虑刚度(变形)条件.

  为了保证离心机转鼓的准确加工、合理安装及安全运行等要求,转鼓的壁厚不仅要满足强度和变形的要求,还应不小于某一规定值,即t-tm,这里将转鼓壁厚设取为10m m,那么转鼓总质量降低了约260 kg,可节省材料近34%,也降低了启动功率消耗.

  3 液池深度的影响

  液池 深 度 h=R-Ro,因转鼓直径R是一定的,当液池深度小时,液池半径R。大,那么物料在脱水区停留时间长,沉渣的含湿量就小,但是容易造成排渣困难,甚至排渣失败.所以一般情况下,对于不同的物料首先在保证顺利排渣的前提下,再考虑对含湿量的要求,从而合理选择液池深度,应尽量选择液池深度大些的以利排渣,



  从表 5和 图5可以看出,对于比重较小的物料,且液池深度较浅的情况,转鼓总应力的最大值和物料离心压力引起的最大应力均随着液池深度的增加而增大,但是增长缓慢;转鼓自身质量离心力产生的最大应力不随着液池深度的变化而变化,说明它与液池深度无关.可见,本分析中液池深度的大小对转鼓应力的影响很小,选取液池深度时可不考虑转鼓强度,只需保证顺利排渣和获得较低的含湿量即可.



   表6和图6分别为径向位移最大值随液池深度的变化表和变化曲线.从表6和图6可以看出·,物料比重较小,并且液池深度较浅,转鼓的总径向位移最大值和物料离心压力引起的径向位移的最大值均随着液池深度的增加而增大,但是增长很缓慢;转鼓自身质量的离心力产生的径向位移与转鼓的液池深度无关.

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