臥螺離心機(jī)雙錐角轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的有限元分析

1、臥螺離心機(jī)雙錐角轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的有限元分析普通臥螺離心機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)為了保證輸渣，輸渣段全部錐半角應(yīng)在一定的角度范圍內(nèi)，而雙錐角臥螺離心機(jī)在液面下靠近液面處有一錐角變化點(diǎn)（如圖1所示）使沉渣輸出液池之后在平緩的坡度上穩(wěn)定移動(dòng)，而在液池下采用大錐角是因?yàn)橐撼刂须x心力小，故回流力自然也小，因而沉渣回流現(xiàn)象也很小1。由于第一錐段錐角大，使得第一錐段軸向距離變短，在離心機(jī)總長(zhǎng)不變時(shí)第二錐段相應(yīng)變長(zhǎng)。故可以適當(dāng)增大雙錐角臥螺離心機(jī)液池深度，而不會(huì)使得轉(zhuǎn)鼓的干燥距離變短。同時(shí)液池深度的增大使得轉(zhuǎn)鼓沉降面積增大，根據(jù)生產(chǎn)能力與沉降速度及沉降面積成正比，重力沉降速度不變，所以雙錐角臥螺離心機(jī)生產(chǎn)能力也增加了。圖I奴維角結(jié)

2、構(gòu)示點(diǎn)圖Figr .1 S keich for st ruct u re of double tape red Seach由于雙錐角結(jié)構(gòu)既能保證沉渣的順利輸送又比單錐角的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有更高的生產(chǎn)能力，故對(duì)國(guó)內(nèi)大型臥螺離心機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。但是，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓是高速回轉(zhuǎn)部件，對(duì)強(qiáng)度有比較高的要求，并且變形不能太大2。所以必須對(duì)改進(jìn)后的雙錐角轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核，以防止出現(xiàn)事故。各國(guó)離心機(jī)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)中只給出了轉(zhuǎn)鼓筒體部分的薄膜應(yīng)力3，而沒(méi)有給出整個(gè)轉(zhuǎn)鼓體的詳細(xì)應(yīng)力，因此，在我國(guó)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)中推薦用有限元法計(jì)算轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力4。本文利用ANSYS有限元軟件對(duì)1200 mm臥螺離心機(jī)雙錐角轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行應(yīng)力和變形

3、的計(jì)算與分析。1有限元模型的建立1.1有限元幾何模型由于轉(zhuǎn)鼓在結(jié)構(gòu)上是軸對(duì)稱的，承受的載荷（離心力、物料反力）以及約束也都是軸對(duì)稱的，因此在不降低計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)鼓的軸對(duì)稱模型簡(jiǎn)化為2D模型。本分析采用4節(jié)點(diǎn)的軸對(duì)稱單元plane42,具體有限元模型如圖2所示，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑1.2m，壁厚0.22m，大錐角15°小錐角8°，單元總數(shù)為1044,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1285。圖2雙錐角轉(zhuǎn)鼓冇限元模型I ig ,2 E ini re cle ment n）*xkl of a dru m wiih double 11pered each1.2轉(zhuǎn)鼓的載荷和約束1）載荷 轉(zhuǎn)鼓在工作過(guò)程中主要受

4、以下兩種載荷2自身質(zhì)量引起的離心力高速回轉(zhuǎn)下的轉(zhuǎn)鼓于轉(zhuǎn)鼓的有限元模型上。，鼓體金屬本身質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力在分析中以角速度3的形式施加2 JT* a 2 n X 900=rad/ s - 94* 3 rad/ s603物料的離心壓力該力是物料在離心力作用下沿徑向運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)鼓壁形成的壓力，方向垂直于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面。圓筒中的流體物料在高速回轉(zhuǎn)下所產(chǎn)生的離心壓力為：60式中,d為筒體中物料的密度，1085kg /m 3； r為流體物料層中任意處半徑,m ； r 0為圓筒體回轉(zhuǎn)時(shí)流體的自由表面半徑,0 525 m。由式可見(jiàn)，物料層產(chǎn)生的離心壓力隨半徑的變化而變化，在同一半徑上其值相等，在圓筒筒壁上其值最大，即

5、(94.3 rad/&)2 x (0,6RJm): x二寸 x I 0X5 kg/xI (0. 525_'(0.6 m)20. 407 MPa同樣,錐段筒體壁上和轉(zhuǎn)鼓大端蓋的任意半徑處的物料壓力也用公式（1）進(jìn)行計(jì)算，方向垂直于作用處的內(nèi)表面。嚴(yán)格來(lái)講，轉(zhuǎn)鼓還應(yīng)有設(shè)備自重，但因轉(zhuǎn)鼓具有很高的分離因數(shù)，即轉(zhuǎn)鼓所受離心力遠(yuǎn)大于自身重力，因此忽略了自重對(duì)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和剛度的影響。2）約束轉(zhuǎn)鼓的約束是根據(jù)具體結(jié)構(gòu)確定的。因轉(zhuǎn)鼓有限元模型為軸對(duì)稱模型，所以，在轉(zhuǎn)鼓的大小端蓋中心線上施加對(duì)稱約束，即約束UX和UZ ;再在轉(zhuǎn)鼓大端蓋中心線最外側(cè)一點(diǎn)約束UY。2有限元計(jì)算與分析雙錐角轉(zhuǎn)鼓的靜力分析

6、主要是考察其強(qiáng)度和剛度問(wèn)題，即在一定的工作載荷下，考察它是否有足夠的強(qiáng)度和較小的徑向和軸向變形。雙錐角轉(zhuǎn)鼓在工作過(guò)程中的徑向和軸向變形如圖3和4所示。由圖3和圖4可知，雙錐角轉(zhuǎn)鼓的最大徑向位移為 0 118mm，最大軸向位移為-0 141mm。 顯然，轉(zhuǎn)鼓的最大軸向位移和最大徑向位移都很小，滿足剛度要求。本分析采用應(yīng)力強(qiáng)度SINT來(lái)描述轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力狀態(tài)，并與材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm進(jìn)行比較。轉(zhuǎn)鼓材料為0Cf 19Ni 9,其設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm =137MPa。校核時(shí)，對(duì)于沿壁厚方 向的平均應(yīng)力強(qiáng)度，取其許用值為一倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，即Sm ；對(duì)于沿壁厚方向的最大應(yīng)力強(qiáng)度，由于包含有危害較小的彎曲應(yīng)力部

7、分，因此取其許用值為1 5倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，即1 5Sm。.13： E-04-*5* t-O< .vasE-ot 口 S< lieE-O33雙錠角轉(zhuǎn)蝕能向變形云圖bitj .j Ridial dcfor mation ding ra in of a dru mwith dou tape red Seach - 1 4z.t 03-IE OR -_ «39t-04 -4«E-G<« fH $嗎E “吒 -.t L1B-C5 * 13 l甥-N 4E-<KIM 4以錐角轉(zhuǎn)鼓軸向變形云圖Axial de for ma ti on Jiag ra

8、m of i dru ie wit h加u* tapered *>e恥h雙錐角轉(zhuǎn)鼓在工作過(guò)程中的應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖5所示。由圖5可知，雙錐角轉(zhuǎn)鼓筒體上應(yīng)力水平較低 ，其上最大值僅為72 9MPa，而轉(zhuǎn)鼓最大應(yīng) 力強(qiáng)度為109MPa ,出現(xiàn)在轉(zhuǎn)鼓大端蓋中心線最外側(cè)的一點(diǎn)上。這與單錐角轉(zhuǎn)鼓不同，單錐角轉(zhuǎn)鼓的最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒體上，其值僅為39MPa （見(jiàn)圖6單錐角轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖 ）。可見(jiàn)，單錐角轉(zhuǎn)鼓的受力狀態(tài)好于雙錐角轉(zhuǎn)鼓的受力狀態(tài)。但是，由于雙錐角轉(zhuǎn)鼓的最大應(yīng)力強(qiáng)度也小于材料的許用應(yīng)力 15Sm，故雙錐角轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度是安全的。雙錐角轉(zhuǎn)鼓的最危險(xiǎn)點(diǎn)不在 筒體上而在大端蓋中心線外側(cè)，這是由于大錐

9、角度數(shù)較大，當(dāng)物料反力作用在第一錐段時(shí)，在 轉(zhuǎn)鼓大端中心線處會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩，使得該處應(yīng)力最大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮到該處的 材料及厚度的選用。圖5 雙錐他轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力強(qiáng)度分布云Fig ,5 Stress diagrfi m of dru m with doutapered Seach> 5691 +0? .LQOI+O0.225EK10 .2 65£ *QB * w?r*aa ,j 49E +08 ” J901 +09圖fi單錐曲轉(zhuǎn)披應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖Fig 上 S( ress ditignin of a dru m wiih singk 畑pend *>each為進(jìn)一步研

10、究轉(zhuǎn)鼓沿壁厚方向兩個(gè)特殊截面的應(yīng)力分布情況 轉(zhuǎn)鼓柱錐過(guò)渡截面的應(yīng)力分布情況，再進(jìn)行如下路徑操作。,即SINT最大值截面和路徑一一 :筒錐過(guò)渡截面,node 491 node 591；路徑二：最值截面,node 1 inode 70,路徑操作位置如圖S 7懾值路徑位置示荒圖Sketch of path at the Location of max si rcss圖8和圖9給出了MEMBRANE 路徑二的變化規(guī)律，m表示位移。,MEM + BEND ,TOTAL應(yīng)力強(qiáng)度沿路徑一和命®旳24圖R路栓的應(yīng)力強(qiáng)度曲線Fig .J? Sirss curve cf path 111 OTS I Vi 2 U 1 t2 1mt 11) *u：i圖9賂袴二的應(yīng)力強(qiáng)度曲線Fig .9 Stress curvc of path 2由圖8,9可知，路徑一的膜應(yīng)力為35 78MPa，路徑二的膜應(yīng)力為59 85MPa，均小于材料 的許用應(yīng)力Smo計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)鼓只在離心力作用下最大應(yīng)力強(qiáng)度（SMX ）出現(xiàn)在直段筒體上，值為30 1MPa