李自光 傅彩明 毛文貴

       1．長沙理工大學(xué)，長沙，410076 2．湖南工程學(xué)院，湘潭，411101

　　摘要：應(yīng)用VisualNastran有限元仿真軟件對轉(zhuǎn)鼓在各種栽荷工況下的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真分析，并調(diào)整轉(zhuǎn)鼓壁厚參數(shù)來研究參#-0變化對轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度和徑向變形的影響。仿真結(jié)果表明：轉(zhuǎn)鼓的最大應(yīng)力位于靠近大端鼓底的柱形筒體的內(nèi)壁上，物料離心液壓引起的最大應(yīng)力和最大徑向位移隨著轉(zhuǎn)鼓壁厚的減小而增大，轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量離心力在壁內(nèi)產(chǎn)生的最大應(yīng)力和最大徑向位移與鼓壁厚度無關(guān)。

　　關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)鼓，應(yīng)力應(yīng)變仿真，轉(zhuǎn)鼓壁厚，結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　中圖分類號：TH452，TR752．24 文章編號：1O04— 132X(2006)23-2454--04

　　引言

　　臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)(簡稱臥螺離心機(jī))利用離心沉降原理對懸浮液進(jìn)行固液分離u]，由于它具有單機(jī)處理能力大，操作方便以及維護(hù)費用低等優(yōu)點，得到了迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于化工，冶金，輕工等部門，但它的工作性能并不理想，沉渣含濕量較高，分離效果不太好。轉(zhuǎn)鼓部件是臥螺離心機(jī)的主要部件，轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)參數(shù)在很大程度上決定了離心機(jī)的特點和分離效果。離心機(jī)的設(shè)計正朝著提高單機(jī)生產(chǎn)能力，增大轉(zhuǎn)速和增加直徑的方向發(fā)展，由此使得轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變問題顯得更為重要。因此，在解決應(yīng)力應(yīng)變問題的前題下，對轉(zhuǎn)鼓組進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)分析和優(yōu)化，以提高離心機(jī)的分離效果，減輕質(zhì)量，降低成本，具有十分重要的工程實際意義 ]。轉(zhuǎn)鼓組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力與物料有關(guān)，采用傳統(tǒng)的解析法建模和求解都很困難，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和有限元仿真方法，能較好地優(yōu)化參數(shù)，為離心機(jī)設(shè)計提供有價值的理論參考。

　　轉(zhuǎn)鼓的有限元仿真

　　1．1 轉(zhuǎn)鼓虛擬樣機(jī)模型

    　轉(zhuǎn)鼓主要包括轉(zhuǎn)鼓筒體和大小端蓋(包括液位調(diào)節(jié)裝置)。轉(zhuǎn)鼓幾何結(jié)構(gòu)，約束和載荷的特點比較復(fù)雜。轉(zhuǎn)鼓簡體由圓錐體和圓柱體組成，為軸對稱結(jié)構(gòu)。采用實體建模技術(shù)對轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行建模和應(yīng)力應(yīng)變仿真分析具有以下優(yōu)點：模型和參數(shù)的修改都很方便，最終確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)所需時問可得到大幅度的縮短，成本低，整個過程都在計算機(jī)上完成，有利于通過優(yōu)化等手段開發(fā)出性能更為優(yōu)越的產(chǎn)品。本文采用具有高度集成設(shè)計功能的三維建模系統(tǒng)Pro／E軟件Is]建立LW520臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓實體模型(圖1)，同時進(jìn)行質(zhì)量匹配，間隙檢查，干涉檢查。實體模型能提供準(zhǔn)確的質(zhì)量參數(shù)，即零件的質(zhì)量，質(zhì)心位置和慣性矩等，并為后面模型的分析作準(zhǔn)備，實體模型以STEP格式導(dǎo)人VisualNastran軟件中，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變仿真。轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)參數(shù)為轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑D一520ram，圓錐段轉(zhuǎn)鼓長H 一777mm，轉(zhuǎn)鼓液面內(nèi)徑D。=420mm，圓柱段轉(zhuǎn)鼓長H ：==1064mm，轉(zhuǎn)鼓壁厚t一18mm，圓錐段轉(zhuǎn)鼓半錐角n一8。，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速一2800r／min，轉(zhuǎn)鼓總長度L一1800mm，液池高度h一33～ 55mm。轉(zhuǎn)鼓材料為1OCr22Ni5Mo3N。物料的固相密度 一1470kg／ma，液相密度．0—1085kg／m。轉(zhuǎn)鼓的處理能力Q 一13～20m。／h。

              

    　　1．2 轉(zhuǎn)鼓的有限元仿真

   　　 1．2．1 載荷的種類，大小和施加方式在離心機(jī)運行過程中，轉(zhuǎn)鼓主要受以下兩種載荷：

             

    　同樣，錐段簡體壁上和轉(zhuǎn)鼓大端蓋的任意半徑處的物料壓力仍用式(2)進(jìn)行計算，方向垂直于作用處的內(nèi)表面，都以線載荷形式施加到有限元模型上。

    　1．2．2 轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力應(yīng)變仿鼻

    　下面對轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變仿真，求解在離心力( 工況)，物料離心液壓力(戶 工況)兩種工況下轉(zhuǎn)鼓整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分布情況，并分別線性疊加這兩種工況下的應(yīng)力和位移，以考察轉(zhuǎn)鼓滿載( +P ． 況)時是否具有足夠的強(qiáng)度和較小的徑向變形，并與材料的許用應(yīng)力進(jìn)行比較轉(zhuǎn)鼓材料為10Cr22Ni5Mo3N，材料許用應(yīng)力為205～ 225MPa，取其小值，許用應(yīng)力為205MPa。轉(zhuǎn)鼓的變形需要控制在一定的限度范圍內(nèi)。El前我國離心機(jī)行業(yè)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從工程上講就是要求轉(zhuǎn)鼓在運行過程中不能有明顯的變形，更不能因變形等因素引起轉(zhuǎn)鼓與固定機(jī)殼等發(fā)生碰擦¨J。LW520臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓外殼與機(jī)殼內(nèi)表面的距離為5mm。

   　在VisualNastran對虛擬樣機(jī)模型添加1OCr22Ni5Mo3N材料并進(jìn)行四面體固體單元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格平均長度30ram，共61 697個節(jié)點，3278個單元。分析中，在轉(zhuǎn)鼓的大小端軸頸與滾珠軸承接觸處施加滾動鉸鏈約束。分別對上述三種工況進(jìn)行仿真分析，離心力(F 工況)，長瀨茜物料的離心液壓力( 工況)應(yīng)力，位移仿真云圖如圖2，圖3所示， 由應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力為164．2MPa，在靠近大端鼓底的柱形筒體的內(nèi)壁上，并且整個圓柱簡體上的應(yīng)力水平都比錐段筒體，頂蓋和鼓底的應(yīng)力高。因為最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力205MPa，表明本分析的轉(zhuǎn)鼓在正常操作過程中是安全的。由徑向位移云圖可知，轉(zhuǎn)鼓正常工作狀態(tài)下，圓柱形簡體向外擴(kuò)張，最大徑向位移也發(fā)生在簡體上(O．1812ram)。轉(zhuǎn)鼓的變形并不明顯，滿足剛度要求。可見轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步優(yōu)化的可能。

               

               

    　2 轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    　由于現(xiàn)行設(shè)計的轉(zhuǎn)鼓壁厚己滿足強(qiáng)度要求，并有很大的安全裕量，因此從節(jié)省成本的角度出發(fā)，我們用有限元方法對轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行優(yōu)化，在保證強(qiáng)度，變形的前提下，使得轉(zhuǎn)鼓的壁厚尺寸逐漸降低，并考察壁厚參數(shù)的變化對應(yīng)力，徑向變形產(chǎn)生的影響。

   　2．1 轉(zhuǎn)鼓壁厚對轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力的影響

    　通過仿真分析，獲得了轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力最大值隨轉(zhuǎn)鼓壁厚的變化曲線，如圖4所示。由圖4可以看出：滿載工況的應(yīng)力最大值隨著轉(zhuǎn)鼓壁厚的減小而增大，開始的時候增大的幅度較小，即使在轉(zhuǎn)鼓壁厚為10ram時，應(yīng)力最大值仍然小于材料的許用應(yīng)力205MPa，符合強(qiáng)度要求，厚度小于10ram以后增大速度明顯變大，厚度小于6ram以后曲線變得更陡峭，但在轉(zhuǎn)鼓壁厚為6mm 時，應(yīng)力最大值超過材料的許用應(yīng)力，不符合強(qiáng)度要求。從圖4還町以直觀看出，物料的離心液壓力所產(chǎn)生的應(yīng)力最大值的變化曲線和滿載工況下的變化曲線幾乎平行，而隨著壁厚的變化，離心力所產(chǎn)生的應(yīng)力最大值變化很小。這說明轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量離心力在壁內(nèi)產(chǎn)牛的應(yīng)力與鼓壁厚度無關(guān)，轉(zhuǎn)鼓壁主要是承受物料的離心液壓力，所以增加鼓壁的厚度并不能降低自身質(zhì)量離心力引起的應(yīng)力。

               

    　2．2 轉(zhuǎn)鼓壁厚對轉(zhuǎn)鼓徑向位移的影響

    　圖5為徑向位移最大值d 隨轉(zhuǎn)鼓壁厚的變化曲線 由圖5可以看出，三種工況下徑向位移的最大值都隨著轉(zhuǎn)鼓壁厚的減小而增大，并且增長趨勢和應(yīng)力的變化曲線相近似。在轉(zhuǎn)鼓壁厚減薄到一定程度時(4ram)，徑向位移的增大速度較快，所以在選擇較小的轉(zhuǎn)鼓壁厚時一定要考慮剛度(變形)條件。

                

    　　為了保證離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的準(zhǔn)確加工，合理安裝及安全運行等要求，轉(zhuǎn)鼓的壁厚不僅要滿足強(qiáng)度和變形的要求，還應(yīng)不小于某一規(guī)定值，即t≥tmin。

    　　3 結(jié)論

    　(1)轉(zhuǎn)鼓的最大應(yīng)力位于靠近大端鼓底的柱形筒體的內(nèi)壁上，并且整個圓柱簡體上的應(yīng)力都比錐段簡體，頂蓋和鼓底的應(yīng)力高，最大徑向位移也發(fā)生在筒體上。

    　(2)滿載工況下，長瀨茜臆力最大值隨著轉(zhuǎn)鼓壁厚的減小而增大，開始時增大的幅度較小，當(dāng)厚度小于10ram 以后增大速度明顯變大，厚度小于6ram 以后曲線變得更陡峭，但在轉(zhuǎn)鼓壁厚為6mm 時，應(yīng)力最大值超過材料的基本許用應(yīng)力205MPa，不符合強(qiáng)度要求。

   　 (3)仿真研究表明，轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量離心力在壁內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力與轉(zhuǎn)鼓肇厚度無關(guān)，轉(zhuǎn)鼓壁主要是承受物料的離心液壓力，所以增加鼓壁的厚度并不能降低自身質(zhì)量離心力引起的應(yīng)力。

    　(4)轉(zhuǎn)鼓壁厚同樣會顯著影響轉(zhuǎn)鼓的徑向位移，而徑向位移量會直接影響離心機(jī)的動態(tài)性能，所以在設(shè)計中應(yīng)引起高度重視。

    　參考文獻(xiàn)：

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