有限元法在卧螺离心机转鼓强度分析上的应用_高志惠

1、有限元法在卧螺离心机转鼓强度分析上的应用高志惠，黄维菊，张俊青，陈文梅（四川大学化学工程学院，四川成都610065）摘要：有限元法作为离心机强度计算的数值分析方法，相对于传统的强度计算方法有着显著的优越性。对有限元法在卧螺离心机转鼓强度分析上的应用进行了总结，对用有限元法分析转鼓强度时应重点考虑的问题进行了讨论，并对其在卧螺离心机设计中的更多应用进行了展望。关键词：卧螺离心机；转鼓；有限元法；强度中图分类号：TQ051.8+4文献标识码：A文章编号：1005-8265（2009）04-0033-030引言卧式螺旋卸料沉降离心机(下称“卧螺离心机” 自1954年出现后，由于它具有单机处理能力大、

2、操作方便、能连续自动操作、劳动强度低、占地面积少以及维护费用低等优点，得到了迅速发展，广泛应用于石油、化工、冶金、医药、食品、轻工等部门。由于悬浮液的沉沉渣的输送和脱水都在转鼓中完成，因此转鼓是卧降、用传统的螺离心机的主要部件1。因转鼓结构较复杂，强度设计计算方法，对转鼓各部位的应力往往得不到正确的估价从而影响离心机使用的安全性2，并且按此算法设计的离心机转鼓系相关尺寸有较大富裕，造成材料的浪费，是很不经济的3。采用有限元法分析设计转鼓是解决这个问题的有效手段，它不受几何形状的限制，可以直接对转鼓整体的各部分进行详细计算，具有重要实际工程价值。也开始将有限元法用于离心机转鼓的应力分析89。2.

3、1应用现状近20多年来，许多学者和工程技术人员先后开展了有限元分析在转鼓强度计算上的应用研究，取得了极有价值的成果。在优化转鼓目标函数方面，以转鼓重量为目标函数，以强度约束、位移约束和几何约束为约束条件，采用有限元法作应力分析，运用混合惩罚函数法进行寻优10；以启动转鼓所需的驱动功率为目标函数，以填料比例、转鼓转速、摩擦系数及回弹系数等参数为设计变量，应用有限元法对转鼓部件进行仿真，得到了填料比转鼓转速、摩擦系数对动态结构仿真影响很大的结例、论11；以转动惯量为目标函数，采用ANSYS 有限元软件对转鼓完成参数化建模，以这些参数为设计变量，基于有限元分析计算，对转鼓结构的几何尺寸进行优化以分离

4、因数为目标函数，以转鼓直径、回转角设计12；速度、壁厚为设计变量建立优化设计数学模型，经过逐次迭代，得到了转鼓的优化尺寸，提高了转鼓的分离能力，降低了转鼓的壁厚13。在研究转鼓参数方面，应用Pro/E软件建立了卧螺离心机转鼓的有限元模型，通过改变转鼓内径、大端质量、筒体壁厚等主要尺寸参数和转速、液池深度等可调节的机械参数分别对转鼓进行了模态和静力仿真分析。通过分析，分别获得转鼓各参数的变化对其频率、应力及应变的影响14；通过ANSYS 有限元软件分析转鼓系统的模态特性及变形问题，通过对转速的优化，得2有限元法在转鼓强度分析上的应用由于卧螺离心机转鼓结构的多样性及复杂性，如Souroku Suz

5、uki 研制的双锥角卧螺离心机4；Woon-Fong Leung 等在转鼓锥段排出口附近的内筒上安装流动控制结构5；Tetsuo Ohinata 等开发的直筒压榨式卧螺离心机6，使得适合分析复杂结构的有限元法得到了广泛应用。从1983年起，英国BS767“工业及商业用过滤式离心机和沉降式离心机”标准就明确指出，对于旋转转鼓的应力分析，最合适的方法是有限元分析方法7。为探求合理的设计计算方法，我国从20世纪80年代起，收稿日期：2009-09-28，.到了转鼓在一、二阶固有频率下其最大变形值分别发生在大端和小端的结论15；应用VisualNastran 有限元仿真软件对卧螺离心机转鼓虚拟样机模型

6、在各种工况下进行应力应变仿真分析，得到了转鼓的应力和径向位移的分布情况。并在此基础上，主要对转鼓转速16和转鼓壁厚进行了优化，提高了离心机的分离效果，减轻了离心机质量。在研究转鼓结构方面，应用ANSYS 有限元软件建立了卧螺离心机双锥角转鼓的二维有限元模型，对其在正常工作状态下的整体结构进行了静力分析，得到了转鼓的径向、轴向变形和应力分布及最大应力点17。对改进后的双锥角转鼓进行强度和刚度的校核，为验证双锥角结构的安全性提供了理论依据。除此以外，在回顾以往转鼓强度分析的基础上，探讨了转鼓强度评定准则18；应用Pro /E软件，对卧式螺旋沉降离心机进行参数化建模和可视化设计，并对卧式螺旋沉降离心

7、机转鼓进行机构工作过程仿真，实现了在卧螺离心机的设计阶段可视地对它进行干涉检测，为实物的制作及安装环境提供一切必要的准备19等等。目前对卧螺离心机转鼓强度的有限元分析主要在改变参数后看转鼓是否还满足强度和刚度要求。其实转鼓的结构、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，高转速离很难提高离心机的分离因数，束缚了大直径、而且目前对转鼓参数的研究仅限于转速、心机的发展。硬盘空在有限元分析中，为了减少占用的RAM 、必须适当地简化实体。目前，许多分析间和CPU 时间，网格划分直接影响到计算结果的精度和计算速度，甚至会因为网格划分不合理而导致计算不收敛。目前对卧

8、螺离心机转鼓的网格划分一般采用四面体如果不使用中间节点，在很多单元。对于四面体单元，在卧螺离心机运行过程中，转鼓主要承受由于转鼓自身质量高速旋转引起的离心力作用以及物料离心压力作用。值得注意的是转鼓自身质量引起的离心力但由作用容易考虑，计算软件通常提供此项分析功能。于物料离心压力与回转半径的平方成正比，计算软件在进行有限元分析时，目前大都是应用Pro/E等三维软件对转鼓建立实体模型，然后通过导入接口导入到专业的有限元分析软件ANSYS 中进行分析。这种软件分析的功能比较强大，可以进行全面的力学分析，但是使用者应具有丰厚的力学背景知识，还需要多次的实践和经验积累，因为专业，所以比较难学22。而且

9、最致命的缺点就是在将Pro/E模型导入ANSYS 时，经常会出现复杂曲面发生曲面丢失或者变形的情况。有些学者为了解决导入带来的问题，就直接在ANSYS 软件中进行分析对象的实体建模，以求得到更加准确的分析结果。但是ANSYS 是侧重于有限元分析的软件，用它来实体建模会很不方便。若使用集成有Cos mosWorks 有限元分析软件的SolidWorks 软件，在传统强度设计计算的基础上，用SolidWorks 软件建立三维模型，用CosmosWorks 有限元分析软件进行应力的有限元分析，既方便快捷，又能较为准确地确定各部位的应力值。机的设计制造等各个环节将发挥着重要作用，它使离心机向着更安全、

10、更经济的方向发展的目标成为可能。可以乐观的估计，在不远的将来，有限元方法将非常广泛地应用到离心机行业的各个领域，它将为我国的离心机设计水平赶超国际先进水平而发挥重要的作用。参考文献：1李自光，毛文贵，傅彩明. 卧螺离心机转鼓的应力应变有限元2006，22(1：62-65. 仿真分析J.食品与机械，2周知进，傅彩明. 卧式螺旋离心机转鼓参数变化对其模态影响的仿真J.中南大学学报(自然科学版 ，2007，38(2:309-313.周密. 易泽明. 离心机复杂转鼓的有限元优化计算J.3冯立成，机械强度，2002，24(2：295-297.4Souroku Suzuki.Three -phase se

11、paration device using doubly -United States Patent ，4729830P.1988-03-08.canted decanter ：6Tetsuo Ohinata.Decanter type centrifugal separator with restric tion effected discharge ：United States Patents ，6780148P.2004-08-24.7BS767-1983，Specification for centrifuges of the basket and bowl type for use

12、in industrial and commercial applications BS767S.8胡金榜，李恩贵，朱启新. 离心机转鼓应力状态的研究J.天津1981，(01：137-148. 大学学报，9程金凤. 离心机转鼓应力和变形的分析J.河北工业大学学报，1985，(02：55-66.10戚俊清. 离心机转鼓的优化设计研究J.郑州轻工业学院学报，1989，4(1：7-12.C. R. WASSGREN. Modeling the Dynamics of Fab 11J. PARK ，ric in a Rotating Horizontal Drum Using the Discrete

13、 Element 2003，(21：Method J.ParticulateScience and Technology ，157-175.12刘天丰，童水光，孙富一. 基于有限元法的卧螺离心机转鼓优化设计J.化工机械，2006，32(2：85-87.13赵斌. 卧式螺旋离心机转鼓有限元仿真研究J.石油化工设备技术，2008，29(4：45-47.14周知进，傅彩明. 卧螺离心机转鼓主要参数对其模态的影响J. 机械设计，2006，23(9：28-30.15方彦凯，刘洁. 卧式螺旋离心机转鼓系有限元模态分析J.食品与机械，2008，24(6：93-96.16毛文贵，刘迎春，傅彩明. 卧螺离心机转

14、鼓虚拟样机建模与有限元仿真研究J.湖南工程学院学报，2005，15(4：44-47. 17董俊华，刘忠明，范德顺. 卧螺离心机双锥角转鼓结构的有限元分析J.北京化工大学学报，2004，31(4：99-102.（48页）3展望有限元法在卧螺离心机的分析设计中发挥了非常重要的作用，使离心机的结构得到了优化，有效地提高了工作性能，带来了良好的经济效益。但目前情况下，大都将螺旋输送器、转鼓等零部件分开进行研究，对螺旋-转鼓组进行整体研究的却很少，即使进行整体研究时，为了简化模型，也将螺旋-转鼓组考虑为多刚体系统，所得结果不能真实反映离心机的工作特性；目前尚未有用于离心机转鼓应力分析评定的系统方法，考虑

15、到离心机转鼓可以认为是一种特殊的承压设备，所以对转鼓进行有限元应力分析时，可以参照在压力容器行业制定的应力分析评定标准，但有限元法不能对应力进行进一步分析，不能区分出应力的类型，得出的结论不能对转鼓的优化提供更加可信的科学依据，这些方面还有待进一步的研究与发展。有限元法在离心机行业将会有更广大的空间。比如用有限元法分析转鼓在焊接过程中的残余应力，充分指导机械的焊接过程；在开机、停机等瞬态过程中的应力进行分析，解决在这些过程中的机器损害等等。（26）（30）（34）（38）（41）（45）喷灌用水力旋流器的设计与数值模拟刘建华，连黎明，翟国亮三级变压器油真空滤油机技术参数分析曹凤伟编织滤布自身性

16、能对过滤的影响朱永爱，刘国荣卧螺离心机在酒糟废液分离中的应用刘长星丁启圣新型过滤机在工业中的应用（待续）油气回收技术的研究现状李荣强，刘国荣，周季乾，等第4期金属丝网过滤器过滤初期阶段压力特性的研究*代广平，张博松，罗晓兰，等（1）金属离子固载膜及其有机物的渗透汽化分离*项雯，杜春慧，吴礼光（5）纳滤分离机理及应用于高含盐溶液脱盐的进展*陈利，沈江南，林龙，等（9）壳聚糖复合絮凝剂处理含油废水丁仕强（13葛宁，冯颖（17）改性PVA-CA 共混膜的制备与性能研究杨德武，微电解-混凝工艺预处理染料废水的研究卢科峰，李艳（20）旋转压滤机功率消耗的实验研究陈望，曾振祥，李发军（22）金属烧结毡滤芯

17、过滤非牛顿料浆实验研究吉庆林，刘国荣（26）膜分离氨基酸的模型研究王一鸣，张永锋，许振良，等（30）有限元法在卧螺离心机转鼓强度分析上的应用高志惠，黄维菊，张俊青，等（33）刘姣（36）石脑油脱水试验及消减碱渣的研究马庆磊，锅炉分离除尘工艺方案潘永宝，裴亮, 姬涛（38）碟式分离机和卧式离心机在生物工程中的应用王友强（41）丁启圣（44）新型过滤机在工业中的应用（续完）*基金论文：16自引频次：15!（上接第35页）18谭蔚，王泽军，朱企新. 有限元方法在离心机转鼓强度分析中的应用J.化工机械，2002，29(2：103-107.陶学恒，冯少岭，等. 卧式螺旋沉降离心机的三维可视19杨宇，20

18、08，25(2：8-9. 化设计及仿真J.机械设计，20刘东杰，陈志，李建明，等. 虹吸式离心机转鼓结构的有限元应力分析J.流体机械，2008，36(03：24-28.21陈海生，张慧峰. 卧螺离心机转鼓的三维有限元分析J.现代制造技术与装备，2007，17(3：20-22.戴建强，席晨飞. 基于SolidWorks 的应力分析和运22蔡慧林，动仿真的研究J.机械设计与制造，2008，(1：92-94.Application of the Finite Element Method in the StrengthAnalysis of a Decanter Centrifuge DrumGAO Zhi-hui ，HUANG Wei-ju ，ZHANG Jun-qing ，CHEN Wen-mei (Schoolof Chemical Engineering, Sichuan University ，Chengdu 610065，ChinaAbstract:Finite element method as a method of numerical analysis for calculating centrifuge strength has significant superiority over the traditional calculation methods. T