螺旋卸料沉降式离心机螺旋机构设计与安全防范研究

郑程

摘 要：文章首先对卧式螺旋卸料离心机工作原理和主要部件结构进行了介绍，然后分析了螺旋卸料离心机机构的设计处理，并对离心机的主要零部件转鼓进行了有限元分析，得到离心机的结构优化参数，最后分析了RB2800型螺旋缷料沉降式离心机螺旋机构安全设计与防范的主要方案，探讨了机械自动化在螺旋机构设计中的安全设计与防范。

关键词：离心机；安全防范；螺旋机构；有限元分析

中图分类号：TE924 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）29-0017-03

1 螺旋卸料沉降室离心机介绍

卧式螺旋离心机具备处理量庞大、持续操作性较好、耗电量少、灵活性强等优势。自诞生以来，便得到不断的发展与进步，成为了化工产业中常见的设备之一，主要应用于分离在滤布再生方面存在一定困难的无定性物料、分离含有固化颗粒的悬浮液及颗粒变化范围相对来说比较大的悬浮液中，针对细粘性质的物料，在分离后，滤渣湿度较高，处理量也在相应减少。

2 卧式螺旋离心机的主要结构概述

2.1 卧式螺旋沉降式离心机结构

变速器、卸渣装置、转鼓、过载保护装置与螺旋推进器均为卧式螺旋沉降式离心机的主要构成部分。详细情况如图1所示。其中数字6代表的区域为机壳，其内部包含回转部件8与主轴承3，外端部位则为无孔转鼓7，内部区域在为螺旋输送器4。

2.2 工作原理

卧螺离心机是依靠固液两相的密度差，在离心力的作用下，加快固相颗粒的沉降速度来实现固液分离的。其转鼓前段部分存在锥段。按照所使用物料性质的差异，可设定不同的旋转迅速。一般物料在转鼓内部部分依照所涉及的速度进行旋转，并按照转鼓壳体而形成同心液层，又称作液环层。而物料内所包含的固体物质则在离心机的离心作用下，沉积于转鼓壁部分，并在螺旋运转作用下推出转鼓外。因此，可得出转鼓的运作速度使决定分离因数的关键，而螺旋运作的速度差则会对机械所输送至转鼓外的固体含水率产生直接的影响，同时也影响着卧螺离心机的整体处理量、停留时间、固体排出时间等参数。

3 卧式螺旋卸料沉降式离心机的有限元仿真分析

螺旋输送器属于卧式螺旋卸料沉降式离心机的重要构成部件，其操作过程主要是将离心沉渣排出机器外部。螺旋输送器的结构与其具体设计参数与卧式螺旋卸料沉降式离心机的生产情况、工作寿命及离心效果存在密切的联系，是其设计中最为关键的环节。它主要安装于与转鼓、筒体交汇的轴承部分，其边缘所形成的外廓一般与转鼓类似，包括单锥形、柱形与柱锥形。以柱锥形更为常见。通常为了确保在输送沉降过程中输送转鼓内部表层的物料，需保持转鼓与螺旋的方向一致，但一般情况下其转速不尽相同，存在一定的速度差（转速差一般为转鼓转速的0.2%～3%），主要是通过齿轮的差速器来实现，是将分离沉渣输送至排渣口的重要条件。卧式螺旋卸料沉降式离心机的输渣条件见表1。

3.1 螺旋输送器的结构介绍

一般螺旋输送器主要由加料隔仓、左轴颈、右轴颈、螺旋叶片、内筒等结构构成，详细结构如图2所示。

RB2800卧螺离心机螺旋输送器的实物模型如图3所示。

3.2 单元选用

在仿真软件VisualNastran的有限元分析中，最为常见的应用单位便为四面体单元。一般主要采用四面体单元对螺旋输送器进行有限元分析与网格划分。

3.3 螺旋输送器的有限元模型介绍

依照设计图纸的主要内容，本分析主要研究对象为卧式螺旋离心机的重要构成部件螺旋输送器，其外形一般为筒锥形，是由柱锥内筒与连续性螺旋切片所构成。通常而言，螺旋输送器的载荷与其结构并非呈轴对称表现，同样也并非呈周期对称，因此模型一般不易被简化，需要实施整体三维建模。同时为了更好地模拟螺旋输送器内部复杂的结构，并对其单元的数量与质量进行控制，一般应用直接生成节点的单位法建立有限元集合模型，详细情况如图4所示。在模型内部包含单元总数总计29 260个，节点总数则为57 629个。一般需将网格划分的误差率控制在小于20%的范围内。

同样在螺旋输送器柱椎的过渡部分，为确保柱椎形外廓与叶片呈垂直表现，需将三维参数化软件应用于功能建模中。描绘叶片精确的外径曲线，随后实施截面扫描。对各结构参数实施参数化变成处理，形成有限元分析模型，在本组研究中，共计生成15个有限元分析模型如图4所示。

3.4 荷载大小、种类及其施加方式

一般螺旋输送器在其运作过程中主要产生三种负荷。①由于螺旋输送器自身高速回转而形成的离心力；②在沉渣分离过程中其向叶片所施加的正压力；③则为沉渣施加于螺旋叶片的摩擦力。

3.4.1 离心力

离心力主要以角速度？棕的形式作用于有限元模型。若nL代表螺旋输送器的转速，设定值为2 742 r/min，则可得出：

3.4.2 正压力

螺旋输送器叶片所受到的正压力一般可由沉渣受力分析结果而进行分析。以F表示螺旋叶片对沉渣的反向作用力，则可得出：

同时，为了得出螺旋叶片的强度与变形幅度，还需计算出锥段的直径，其值一般为（0.516+0.306）/2=0.411 m。将β表示为锥段直径的螺旋角，α表示半锥角，为8 ？觷，其中Re表示柱段螺旋叶片的最外层单元沿其径向的高度，为0.018m，？籽n则表示柱段叶片径向外层单位施加的荷载，则可得出：

3.4.3 摩擦力

摩擦力沿其周向与叶片表面呈现相切关系，在本组研究中，摩擦力同样进行等效转换，施加于叶片径向的外层单元上，以？滋代表叶片与物料的摩擦系数，则可得出：

3.4.4 边界条件

螺旋输送器内筒的两端与其左轴颈与右轴颈相互连接，且轴颈支撑于转鼓左右端口的内腔轴承内。依照具体工作状况，需在所建立的模型左右支撑部分施加副约束，并可得出螺旋输送器在任何运动条件下的变形程度与应力。

3.4.5 静力分析

螺旋输送器应力云图如图5所示。

螺旋输送器径向（DZ）变形云图如图6所示。

针对螺旋输送器强度的校对与核算需严格按照压力容器分析与设计的方法实行。一般螺旋输送器所使用的材料与转鼓一致，其许可应力为205。其与转鼓的间隙为4 mm。在本次研究中将2 mm作为评估输送器径向变形的主要条件。一般对螺旋输送器的静力分析无需依照转鼓的有限元分析方案而实行。无需考虑不同工作条件下静力的叠加。仅需在正常工作条件下进行静力分析，内容包括摩擦力、离心力与正压力工况的线性组合情况。对螺旋输送器的静力分析是所有分析环节中需注意的重点问题。如图5与图6表示，在正常工况条件下，输送器应力与其径向变形的云图，一般在正常条件下，其应力SINT的最大值为152.5 MPa，最大径向变形直径为0.092 mm。

4 沉降式离心机螺旋机构的安全设计与防范

4.1 安全管理

一般而言，沉降式离心机在开车进料的过程中，可能由于进料速度过快、过猛而导致自动阀反应欠敏锐，可能造成机器损坏。因此，在离心机螺旋机构设计过程中，必须重视安装管道的设计，在浆料进料管切断阀门前管道设计时，应用竖管，确保进料方向为自下而上。由于在离心机停机状态下，若切断阀门，离心机再次运作时，可能导致内部自然沉积，且浓度较高的浆料会迅速进入离心机内，而此时离心机无法迅速分离浆料，进而导致浆料经由离心机与进料管间隙中喷泻而出，造成离心机与进料管道间隔部分出现塑化片，严重情况下甚至会扭断进料管，破坏离心机。因此，为保障离心机运作的安全性，提高机械的使用寿命，必须重视安装管道的设计，采用竖管，确保进料方向设计的准确性。此外，沉降式离心机在开机运作过程中，由于其自动阀门有一定的滞后性，为防范进料量过大而导致的机器耗损，必须配置相关的处理措施，包括手动阀门关小、自动进料阀门设置高限等。

在沉降式离心机下料过程中，一般使用螺旋输送机进行送料处理，此时必须保障离心机与螺旋输送机之间的连接，保障两者之间的统一性，若任一机械出现故障，且立即切断进料阀，停止进料准备，避免由于物料堆积而造成的离心机破坏。除此之外，在每次停机开机时，必须清洁转鼓，将转鼓内残存物料冲洗干净，避免造成离心机坏损。

4.2 维护管理

一般沉降式离心机所产生的故障在大多数情况下是由齿轮箱不当操作所引起。由于齿轮箱结构相对来说比较复杂，且长时间处于高速运行的状态，传热性能较差，且温度较高，需得到内部不同运作零件的配合，因此，需注重对齿轮箱的维护管理。选用质量较优的润滑油，对齿轮实施轮滑处理。严格控制加油量，参照设计标准。加油过多或过少均可对搅油过程产生影响。同时可配备相应的红外测温仪器来监测齿轮的运行状态，实施故障预警制度，及时排除故障，避免设备遭受破坏。

另外，还需注意对螺旋轴承的维护管理，由于其安装于离心机内部，拆卸相对比较困难，且检测难度较大，因此需强化对螺旋轴承的后期维护，以确保其正常运行。选用质量较优且耐温的润滑脂，每隔3个月重新加注新的润滑脂。此外，做好对皮带的维护，定期实施拉紧处理，确保其张力，防止皮带过度磨损，以延长其使用寿命。同时还需立即更换易损配件，确保离心机的稳定运行。

5 结 语

在RB2800型螺旋卸料沉降式离心机螺旋机构设计中，需尤为重视螺旋输送器结构的分析，建立螺旋输送器的有限元模型，确定荷载的种类、大小及其施加方式，做好静力分析，同时还需注重对离心机的安全设计与安全防范，以延长离心机的使用寿命，提高机械运作的安全性。

参考文献：

[1] 常映辉，张小龙，张利芹.钻井液卧螺离心机轴承选择与计算[J].机械研究与应用，2006，（3）.

[2] 吴彬.国产与进口离心机对比[J].聚氯乙烯，2005，（2）.

[3] 戴素萍.离心机的原理、操作及维护[J].云南大学学报（自然科学版）， 2000，（S2）.

[4] 黄毅林，王进亮，沈翔，等.离心机的应用与展望（综述）[J].医疗保健器具， 1998，（3）.

[5] 宋持健，周祥凡.离心机技术进展[J].中国医疗器械，1996，（5）.

3.4.5 静力分析

螺旋输送器应力云图如图5所示。

螺旋输送器径向（DZ）变形云图如图6所示。

针对螺旋输送器强度的校对与核算需严格按照压力容器分析与设计的方法实行。一般螺旋输送器所使用的材料与转鼓一致，其许可应力为205。其与转鼓的间隙为4 mm。在本次研究中将2 mm作为评估输送器径向变形的主要条件。一般对螺旋输送器的静力分析无需依照转鼓的有限元分析方案而实行。无需考虑不同工作条件下静力的叠加。仅需在正常工作条件下进行静力分析，内容包括摩擦力、离心力与正压力工况的线性组合情况。对螺旋输送器的静力分析是所有分析环节中需注意的重点问题。如图5与图6表示，在正常工况条件下，输送器应力与其径向变形的云图，一般在正常条件下，其应力SINT的最大值为152.5 MPa，最大径向变形直径为0.092 mm。

4 沉降式离心机螺旋机构的安全设计与防范

4.1 安全管理

一般而言，沉降式离心机在开车进料的过程中，可能由于进料速度过快、过猛而导致自动阀反应欠敏锐，可能造成机器损坏。因此，在离心机螺旋机构设计过程中，必须重视安装管道的设计，在浆料进料管切断阀门前管道设计时，应用竖管，确保进料方向为自下而上。由于在离心机停机状态下，若切断阀门，离心机再次运作时，可能导致内部自然沉积，且浓度较高的浆料会迅速进入离心机内，而此时离心机无法迅速分离浆料，进而导致浆料经由离心机与进料管间隙中喷泻而出，造成离心机与进料管道间隔部分出现塑化片，严重情况下甚至会扭断进料管，破坏离心机。因此，为保障离心机运作的安全性，提高机械的使用寿命，必须重视安装管道的设计，采用竖管，确保进料方向设计的准确性。此外，沉降式离心机在开机运作过程中，由于其自动阀门有一定的滞后性，为防范进料量过大而导致的机器耗损，必须配置相关的处理措施，包括手动阀门关小、自动进料阀门设置高限等。

在沉降式离心机下料过程中，一般使用螺旋输送机进行送料处理，此时必须保障离心机与螺旋输送机之间的连接，保障两者之间的统一性，若任一机械出现故障，且立即切断进料阀，停止进料准备，避免由于物料堆积而造成的离心机破坏。除此之外，在每次停机开机时，必须清洁转鼓，将转鼓内残存物料冲洗干净，避免造成离心机坏损。

4.2 维护管理

一般沉降式离心机所产生的故障在大多数情况下是由齿轮箱不当操作所引起。由于齿轮箱结构相对来说比较复杂，且长时间处于高速运行的状态，传热性能较差，且温度较高，需得到内部不同运作零件的配合，因此，需注重对齿轮箱的维护管理。选用质量较优的润滑油，对齿轮实施轮滑处理。严格控制加油量，参照设计标准。加油过多或过少均可对搅油过程产生影响。同时可配备相应的红外测温仪器来监测齿轮的运行状态，实施故障预警制度，及时排除故障，避免设备遭受破坏。

另外，还需注意对螺旋轴承的维护管理，由于其安装于离心机内部，拆卸相对比较困难，且检测难度较大，因此需强化对螺旋轴承的后期维护，以确保其正常运行。选用质量较优且耐温的润滑脂，每隔3个月重新加注新的润滑脂。此外，做好对皮带的维护，定期实施拉紧处理，确保其张力，防止皮带过度磨损，以延长其使用寿命。同时还需立即更换易损配件，确保离心机的稳定运行。

5 结 语

在RB2800型螺旋卸料沉降式离心机螺旋机构设计中，需尤为重视螺旋输送器结构的分析，建立螺旋输送器的有限元模型，确定荷载的种类、大小及其施加方式，做好静力分析，同时还需注重对离心机的安全设计与安全防范，以延长离心机的使用寿命，提高机械运作的安全性。

参考文献：

[1] 常映辉，张小龙，张利芹.钻井液卧螺离心机轴承选择与计算[J].机械研究与应用，2006，（3）.

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[3] 戴素萍.离心机的原理、操作及维护[J].云南大学学报（自然科学版）， 2000，（S2）.

[4] 黄毅林，王进亮，沈翔，等.离心机的应用与展望（综述）[J].医疗保健器具， 1998，（3）.

[5] 宋持健，周祥凡.离心机技术进展[J].中国医疗器械，1996，（5）.

3.4.5 静力分析

螺旋输送器应力云图如图5所示。

螺旋输送器径向（DZ）变形云图如图6所示。

针对螺旋输送器强度的校对与核算需严格按照压力容器分析与设计的方法实行。一般螺旋输送器所使用的材料与转鼓一致，其许可应力为205。其与转鼓的间隙为4 mm。在本次研究中将2 mm作为评估输送器径向变形的主要条件。一般对螺旋输送器的静力分析无需依照转鼓的有限元分析方案而实行。无需考虑不同工作条件下静力的叠加。仅需在正常工作条件下进行静力分析，内容包括摩擦力、离心力与正压力工况的线性组合情况。对螺旋输送器的静力分析是所有分析环节中需注意的重点问题。如图5与图6表示，在正常工况条件下，输送器应力与其径向变形的云图，一般在正常条件下，其应力SINT的最大值为152.5 MPa，最大径向变形直径为0.092 mm。

4 沉降式离心机螺旋机构的安全设计与防范

4.1 安全管理

一般而言，沉降式离心机在开车进料的过程中，可能由于进料速度过快、过猛而导致自动阀反应欠敏锐，可能造成机器损坏。因此，在离心机螺旋机构设计过程中，必须重视安装管道的设计，在浆料进料管切断阀门前管道设计时，应用竖管，确保进料方向为自下而上。由于在离心机停机状态下，若切断阀门，离心机再次运作时，可能导致内部自然沉积，且浓度较高的浆料会迅速进入离心机内，而此时离心机无法迅速分离浆料，进而导致浆料经由离心机与进料管间隙中喷泻而出，造成离心机与进料管道间隔部分出现塑化片，严重情况下甚至会扭断进料管，破坏离心机。因此，为保障离心机运作的安全性，提高机械的使用寿命，必须重视安装管道的设计，采用竖管，确保进料方向设计的准确性。此外，沉降式离心机在开机运作过程中，由于其自动阀门有一定的滞后性，为防范进料量过大而导致的机器耗损，必须配置相关的处理措施，包括手动阀门关小、自动进料阀门设置高限等。

在沉降式离心机下料过程中，一般使用螺旋输送机进行送料处理，此时必须保障离心机与螺旋输送机之间的连接，保障两者之间的统一性，若任一机械出现故障，且立即切断进料阀，停止进料准备，避免由于物料堆积而造成的离心机破坏。除此之外，在每次停机开机时，必须清洁转鼓，将转鼓内残存物料冲洗干净，避免造成离心机坏损。

4.2 维护管理

一般沉降式离心机所产生的故障在大多数情况下是由齿轮箱不当操作所引起。由于齿轮箱结构相对来说比较复杂，且长时间处于高速运行的状态，传热性能较差，且温度较高，需得到内部不同运作零件的配合，因此，需注重对齿轮箱的维护管理。选用质量较优的润滑油，对齿轮实施轮滑处理。严格控制加油量，参照设计标准。加油过多或过少均可对搅油过程产生影响。同时可配备相应的红外测温仪器来监测齿轮的运行状态，实施故障预警制度，及时排除故障，避免设备遭受破坏。

另外，还需注意对螺旋轴承的维护管理，由于其安装于离心机内部，拆卸相对比较困难，且检测难度较大，因此需强化对螺旋轴承的后期维护，以确保其正常运行。选用质量较优且耐温的润滑脂，每隔3个月重新加注新的润滑脂。此外，做好对皮带的维护，定期实施拉紧处理，确保其张力，防止皮带过度磨损，以延长其使用寿命。同时还需立即更换易损配件，确保离心机的稳定运行。

5 结 语

在RB2800型螺旋卸料沉降式离心机螺旋机构设计中，需尤为重视螺旋输送器结构的分析，建立螺旋输送器的有限元模型，确定荷载的种类、大小及其施加方式，做好静力分析，同时还需注重对离心机的安全设计与安全防范，以延长离心机的使用寿命，提高机械运作的安全性。

参考文献：

[1] 常映辉，张小龙，张利芹.钻井液卧螺离心机轴承选择与计算[J].机械研究与应用，2006，（3）.

[2] 吴彬.国产与进口离心机对比[J].聚氯乙烯，2005，（2）.

[3] 戴素萍.离心机的原理、操作及维护[J].云南大学学报（自然科学版）， 2000，（S2）.

[4] 黄毅林，王进亮，沈翔，等.离心机的应用与展望（综述）[J].医疗保健器具， 1998，（3）.

[5] 宋持健，周祥凡.离心机技术进展[J].中国医疗器械，1996，（5）.