离心卸料离心机锥形转鼓筒体有限元分析与强度计算.pdf

离心卸料离心机継形装鼓筒体有限元分析与强度计算
口李文辉□龚俊口刘永平
州理工大学机电工程学院兰州730050
摘要:锥形转鼓是离心卸籵离心机的关鍵部件,其结构性能决定了离心机的分高性能。通过对某国产连续式离心
分离机大直径維形转鼓结构分析,采用有眼元分析方法对转鼓及鼓壁开孔进行有限元建模和应力分析,对该维形转鼓进
行强度评定。研究结果对离心机维形转鼓结构设计有一定的指导意义。
关键词:离心机锥形转鼓有限元分析强度计算
中图分类号:TH123
文献标识码:A
文章编号:1000-4998(2012)07-0018-03
离心卸料离心机主要用于固液的分离,其特点是
1材料特性
备,其转鼓是离心机的重要部件,它的工作转速从每分ムをるo部松比」 Mpa a/Mpa o
加料、过滤、卸渣操作自动连续,是一种高速回转的设弹性模量
0.31
钟数百转到上万转,在离心力的作用下会产生很大的12网格划分
应力,而转鼓筒体上又开有许多小孔,其应力状态更为
运用ProE4.0建立转鼓三维模型导入 ANSYS
复杂,往往产生应力集中现象。实际应用情况表明,过 Workbench对模型整体进行网格划分,如图2所示
高的应力有可能使旋转转鼓发生“崩裂”,引起严重事
本文采用三维实体单元 Solid186对离心机转鼓
故,因此正确计算和校核转鼓在高速旋转时产生的应进行静力分析, Solid186单元为三维实体单元,由20
力是十分必要的。
节点组成的高阶单元,带有二次位移形函数,非常适
在计算离心机转鼓强度时,目前常采用两类方法阳,用于对不规则模型进行网络划分,模型的单元总数
是对转鼓筒体采用有力矩理论和无力矩理论进行分74972,节点总数165035。
析;二是有限元应力分析,包括轴对称有限元法和三维1.3约東与栽荷
有限元法,前一类将转鼓视为完全轴对称结构,选取模
根据锥形转鼓在离心机上的安装要求来确定转鼓
型的14或16,然后添加约東和载荷进行分析,后
的约束条件,转鼓底面轴向固定,转鼓整体沿回转中心
种是对转鼓整体添加约束和载荷进行有限元分析
旋转。
我国许多学者利用有限元方法对离心机转鼓进行
载荷:由于在分离过程中滤渣受离心力在轴向上
了分析2il4,这些转鼓的结构都是圆柱形的,且转鼓的分力沿转鼓上的滤网向上爬行,而滤液一部分通过
开孔均为圆孔,而对非圆柱形的转鼓以及开孔形状为排液孔排出,另一部分受轴向分力沿转鼓内壁母线向
非圆孔的转鼓则较少涉及,因此对这类非圆柱形转鼓上爬行并通过转鼓上相错排列的排液孔排出。因此转
进行应力分析和强度计算,具有一定的工程应用意义。鼓内壁所受的压力很复杂,分布不均匀,其值为
有限元模型建立
P3=
Scosc
1.1转鼓结构及技术参数
式中:p3为物料离心力产生的周向应力,Pa;y为流体
以离心卸料离心机锥形转鼓为例进行分析,其结物料的密度,kg/m;の为转鼓的回转角速度,rad/s;P
构形状如图1所示
1400
转鼓材料为1Cr18Ni9,材料特性如表
1336
所示。离心机工作转速为1800hin1go_2
rad/s),转鼓壁上开有564个12mm的圆
孔,分15排相错排列,相隔的圆孔在同一条
圆锥母线上,转鼓中部开有两排各12个长
WN
100mm、宽15mm的长条孔,转鼓身与转鼓
b380
底采用焊接连接。
14.5
收稿日期:2012年2月
▲图1转鼓结构图
▲图2转鼓有限元网格划分
2012/7
机械制造50卷第575期ラ
为锥形转鼓任意半径,;2为转鼓
回转时流体的自由表面半径,m:8为
ANSYS E
ANSYS
物料的当量厚度,m;a为半锥角,°。
代入各参数,计算出转鼓内壁「用
所受的当量压力为0.025MPa。
2有限元应力分析
通过 ANSYS Workbench对转鼓
进行应力和应变分析,得到转鼓的
Print Pevedren Es Z
应力分布如图3,4、5所示。
▲图3转鼓等效应力图
▲图4转鼓最大等效应力图
从图3.4可看出,转鼓简体的
AN
N
应力值随着直径的増大而增大,转
鼓筒体最大应力点位于转鼓内壁最
上一排开孔的上缘处,其最大等效
应力(范式应力)为337.74MPa,长
条孔的等效应力小于最大应力。转
鼓筒体开孔附近有应力集中现象,
虚拟弹性应力值远大于材料屈服极
限。引起孔边应力集中的均布载荷『m
主要是筒体的周向薄膜应力(o2)r
▲图5转鼓长条孔等效应力图
▲图6转鼓应变图
而锥形开孔转鼓最大端的总周向薄膜应力等于转鼓自部薄膜应力R、弯曲应力Q和峰值应力F的和,其强
身质量、筛网等附件质量和物料质量所引起的周向薄度条件为P+Q≤3Sn
膜应力之和,即:
根据上面计算得到的开孔处最大当量应力为
(2)g=ya(1-b)Ro+
(1ー)DRo+YORK
337.74MPa,而3S=441MPa,因此R+Q≤3S。成立。
coso
根据以上计算得到
=123.95MPa
(2)n=123.95MPa≤[o]=147.0MPa
其中:yo为转鼓壁金属材料密度,kg/m3;v为转鼓的开
R+Q=337.74≤3o]=441MPa
孔率;R为锥形转鼓大端半径,m;y,为節网材料密度,3.3转鼓刚度判定
kg/m3;b.为筛网的开孔率;81为筛网厚度,m;K为转
由图6可知,转鼓最大周向位移出现在锥形转鼓
鼓中物料的填充系数,K=1-(r/R2)。
最顶端外沿处,其值为0.6mm,相对于转鼓半径,变形
按照齐东西解答,由此引起的孔壁最高峰值应力很小,故转鼓满足刚度条件的要求。
为3(o2)=371.85MPa,而开孔位置不在锥形转鼓最顶
端,此处的总周向薄膜应力为123MP,其3倍薄4结论
膜应力值为338.79MPa,与 ANSYS Work bench计算结
从上面的计算分析结果可知,离心力卸料离心机
果接近。从图5可看出,长条孔处的最大应力为锥形转鼓简体在开孔处有应力集中现象,其最大应力
114.03MPa,小于最大应力点的应力337.74MPa。
点位于转鼓内壁最上一排开孔的上缘处,这个问题可
3强度校核
通过改变设计参数或改变材料来解决。非圆长条孔应
力集中的最大应力为小于筒体最大应力点的应力,最
次总体薄膜应力
大应変小于许用应变。通过应力分析可知,本设计中的
由于离心载荷引起的薄膜力为一次总体薄膜应锥形转鼓是安全的。
力,根据锥形转鼓圆锥大端周向应力计算公式得
参考文献
(O2)s=123.95MPa[1]中国机械工程学会压力容器分会.ASME锅炉及压力容
其中:S。为转鼓材料在设计温度下的许用应力强度。
器规范,第Ⅷ卷第二册[S].化学工业部设备设计中心站,
3.2局部应力
1992
根据文献[11附录4(以应力分析为基础的设计)
2]闫水明.离心机转鼓边缘效应区强度条件[J