新型翻袋式离心机的转鼓结构设计及优化

2020-04-22王雪申燚汪立文朱宇迪章立

机械制造与自动化 2020年1期

王雪，申燚,b，汪立文，朱宇迪，章立

(江苏科技大学 a.机电与动力工程学院；b. 张家港江苏科技大学产业技术研究院，江苏张家港 215600)

0 引言

随着GMP和FDA等药品生产规范的执行，制药工业生产要求越来越严格。翻袋式离心机因其密闭作业、完全卸料等优点而得到广泛关注。转鼓是离心设备的关键部件，在高速运转下承载着物料的过滤与分离，决定着离心机的生产能力。一旦发生强度或刚度破坏将造成筒体崩裂，引发安全事故。因此，国内外专家将离心机转鼓优化作为离心设备的重点研究之一。周征等[1]针对卧式沉降离心机，在有限元分析的基础上进行了转鼓厚度及局部部位的优化；刘建华等[2]针对转鼓的特殊工况进行了线性屈曲分析，寻找最大受力与变形；曹尉南等[3]运用多尺度均匀化理论，用未开孔当量板代替真实开孔版，综合ANSYS二次开发功能，完成了转鼓模型的结构优化；毛文贵等[4]针对转鼓建立频响特性函数，进行模态分析，并求解其危险点和振型，数据分析显示出壁厚在转鼓设计中的重要性。现有转鼓设计与优化，多以厚度为变量，以轻量化为单一优化目标，以刚度条件为必要条件而非充要条件，优化效果不明显，且存在片面性。为此，文中针对新型翻袋式离心机，以壁厚、开孔参数为优化变量，通过多目标优化模型来获得转鼓最优设计参数，从而达到轻量化和高效化的目的。

1 翻袋式离心机结构及工作原理

翻袋式离心机结构如图1所示。当转鼓以工作速度运行时，离心力使物料均匀地分布在转鼓的滤布内，液相被过滤，固相则于筛网上形成多层滤渣。卸料时，首先主电机降速，然后辅助电机带动内轴推出推料盘。此时滤布内外翻转，物料被翻转至滤布外侧并通过离心力甩出，实现完全卸料[5-6]。全过程无需人工接触，完全符合药品工业的安全、清洁生产要求。

1—推料盘；2—滤布；3—筛网；4—转鼓罩；5—转鼓；6—内轴；7—机壳；8—外轴；9—主电机；10—辅助电机；11—机架；12—出料罩。图1 翻袋式离心机整体结构图

2 翻袋式离心机转鼓结构设计

2.1 壁厚设计

转鼓壁厚对转鼓性能影响很大，是离心设备最基础的设计参数[4]，该值太小，容易造成强度不足，造成安全事故；该值过大，会加重质量，造成生产和运作资金升高、分离效率降低。为此，文中先根据传统计算方法设计初始壁厚[5]，再利用有限元优化，在强度和刚度条件约束下优化出最佳壁厚。

初始壁厚设计计算如式(1)-式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：δ为转鼓壁厚，mm；σ0为周向应力，MPa；[σ] 为许用应力，MPa；ρw为物料密度，kg/m3；ρ0为材料密度，kg/m3；λ为开孔率,%；R为转鼓内半径，mm；D为转鼓直径，mm；Κ为满载率，取0.8。

2.2 开孔设计

转鼓开孔不仅会降低其承载力、减弱其强度，而且会破坏转鼓的连续性，因而易造成应力集中。大量数值分析表明，三角形排列开孔方式的转鼓强度刚度优于四边形排列[3]，圆孔边缘应力集中程度最低，为此文中开孔如图2所示。

图2 开孔示意图

图2中，d为开孔孔径，mm,t1为相邻两孔间轴向间距，mm,t2为相邻两孔间斜向间距，mm,θ为孔连线夹角,(°)。

此外，为减小滤液流动阻力，便于物料甩出[7]，文中采用倾斜孔结构，初始值取15°。表1给出了不同圆孔形的应力应变性能比较。由表1中可以看出，同等参数下直孔与斜孔的应力应变相差不大，但斜孔会更利于滤液分离。

表1 转鼓直孔与斜孔性能比较

为了进一步增加翻袋式离心机的过滤面积，提高分离效率，文中以孔径、孔间距、孔夹角为开孔设计参数，首先在传统弹性力学无力矩理论基础上，设计初始孔径值；然后通过有限元求解来获得最佳开孔参数。

开孔率[8]计算如下：

(4)

(5)

(6)

式中：κ为削弱系数，S为开孔面积，h为转鼓高度。

文中所设计翻袋式离心机转鼓的公称直径为600mm，由此计算转鼓初始参数。鼓壁厚度为12mm、开孔直径d为8mm、孔轴向间距t1为25mm、孔斜向间距t2为25mm、孔夹角为60°、开孔倾角为15°，初始开孔率为4.64%。

3 优化分析

3.1 多目标优化数学模型

以离心机的轻量化、高效化为优化目标，以转鼓壁厚δ、开孔孔径d、孔间距t1和t2、孔连线夹角θ为优化参数，在满足强度与刚度的同时，建立如下翻袋式离心机转鼓优化模型，在轻量化同时有着较大开孔率[9]。

y=f(δ,d,t1,t2,θ)

(7)

s.t.σ(y)≤[σ] ，k(y)≤[k]

式中：σ(y)为转鼓最大应力；[σ] 为转鼓材料许用应力；k(y)为转鼓最大应变；[k] 为转鼓材料许用应变。

3.2 有限元优化模型

转鼓材料选用不锈钢0Cr17Ni12Mo2，弹性模量E=1.93×1011，密度ρ=7930kg/m3，泊松比取ε=0.29。常温下，材料的抗拉强度σb=515MPa，屈服强度σ0.2=205MPa。

首先对参数化模型的小尺寸结构进行简化[5]，然后经过网格划分处理后，建立最终的有限元模型。

3.3 工况载荷及约束条件分析

通过分析该离心机的工作过程[10]，选取转鼓闭合满载时工况作为分析对象，此时所设计直径600mm转鼓的最大运转速度达2000r/min，滤布等造成液压力约0.5MPa。同时以切向自由的圆柱约束作轴承约束，以压缩约束限制转鼓轴向位移。

3.4 转鼓厚度优化分析

选择神经网络元模型，先进行最基本参数转鼓壁厚δ优化分析，在壁厚保证的基础上进行最佳开孔参数优化，并不断进行模型修正和增设样本点，从而提高最大应力应变随样本点的拟合度。

转鼓优化前初始壁厚为12mm，转鼓质量123.67kg，最大应力值103.92MPa，最大应变值0.11878mm。图3为壁厚分析，由图3中可以看出随着鼓壁厚度的增加，最大应力值逐渐减小。在壁厚约11mm时有极小值，约13mm有极大值。从应力分析和材料利用角度考虑，最佳壁厚时应在满足强度下取尽可能小的值，取值范围为6mm～11mm。最大应变随着厚度的增加而减小，当壁厚增加至8mm，最大应变变化很小，壁厚的增加不能显著地减小应变值，反而增加质量和功耗。当壁厚>6mm，即能够满足刚度条件。为了能在保证强度和刚度下，尽可能增加结构开孔面积来提高过滤分离效率，综合分析后壁厚取8mm，优化后转鼓质量为110.75kg，最大应力值为125.11MPa，最大应变值为0.12188mm。

图3 壁厚分析

3.5 开孔参数优化分析

开孔参数优化建立在所优化的8mm壁厚基础上，开孔的初始参数为孔径8mm、轴向和斜向孔间距皆为25mm、孔间连线夹角60°。由式(5)计算出初始的开孔过滤面积为48138.55mm2。

孔径大小是开孔参数中的主要因素，间接影响其他开孔参数。在壁厚优化基础上先进行如图4所示的孔径大小优化分析。由图4中可以看出，最大应力随孔径增大而减小，在孔径为12mm，减小速度开始明显变大。由于开孔造成应力集中，转鼓最大应力发生在开孔边缘处，孔径越小，应力集中越明显。在一定范围内，适当增加孔径的大小有利于应力减小。最大应变随孔径增大而增大，在近12mm处为转变点。若开孔过大，则处于高速运转过程的转鼓易产生变形。

图4 开孔孔径分析

综上分析，为保证转鼓的强度和刚度，孔径最优值取12mm，优化后的开孔面积为108311.74mm2，最大应力值为119.25MPa，最大应变值为0.13127mm。

在8mm壁厚，12mm孔径的基础上，基于多目标神经网络元模型，进行孔间距t1、t2和孔夹角θ3个因素综合分析，从而优化出开孔最优排列方式。转鼓质量、最大应力、最大应变随开孔间距变化如图5所示，随开孔夹角变化如图6所示。结合图形，将孔的轴向间距t1、孔的斜向间距t2和开孔夹角θ综合分析可以得出，开孔参数优化结果：轴向间距t1为26.25mm，斜向间距t2为25.15mm，孔夹角为55°，开孔面积为108406.26mm2，应力、应变分别为117.33MPa、 0.13051mm。对优化参数结果进一步取整后，轴向间距t1取值26mm，斜向间距t2取值25mm，而最大应力、应变最终分别为120.75MPa、0.13559mm。优化参数的最优值点如图6标注在开孔夹角的二维分析图上。经过优化后，最终的转鼓质量为107.27kg，减少了16.40kg，过滤面积为110105.32mm2，相比原来增加了61966.77mm2。开孔率由4.64%提高至10.62%，在保证强度、刚度的同时，降低了转鼓的质量和运行能耗，有效提高了材料利用率和分离效率。总体上，转鼓质量降低了13.25%，开孔过滤面积提高了56.28%。