卧式螺旋离心机关键结构的静力学性能分析与优化

2022-01-27靖吉东

机械管理开发 2021年12期

靖吉东

（晋能控股煤业集团大地选煤公司永定庄选煤厂，山西大同 037003）

引言

离心机是利用旋转运动产生的离心力将非均相混合物进行分离的设备，在煤炭、石油、食品等行业中均得到了广泛的应用。卧式螺旋离心机采用行星差速器进行速度差的调节，具有速度稳定、分离效率高的特点，在煤炭分选等行业中应用较广。虽然卧式螺旋离心机已被广泛应用，但对其结构及力学系统的设计理论的研究较为匮乏，这是由于受分离过程中物料的不稳定性影响，使得物料的参数随着分离的过程不断变化[1]，必须采用大量的实验来进行离心机结构及功能的验证。随着科学技术的发展，采用仿真分析的方式可对卧式螺旋离心机的结构及性能进行分析[2]，并由此对其进行一定的优化，可以提高卧式螺旋离心机的设计水平，进而提高离心机的使用效果。

1 卧式螺旋离心机转鼓模型的建立

卧式螺旋离心机的主体结构主要包括螺旋部、差速器、排渣及保护装置，转鼓是螺旋部的主要结构，有多种不同的形式，转鼓的结构对于固相物的沉降具有重要影响，且转鼓的长径比直接影响到沉降的效果。本文以柱-锥形结构转鼓为例进行分析，柱-锥形转鼓可以增加积液池的容积[3]，提高澄清效果。通过建立转鼓结构的模型，采用有限元仿真的方式对卧式螺旋离心机转鼓的静力学性能进行分析。

卧式螺旋离心机转鼓的主要结构参数有最大直径、长径比及溢流板直径，长径比的大小对于转鼓的性能有直接影响。采用UG 建立转鼓结构模型，转鼓的内表面分布有沟槽或者筋条结构，在断面上分布有排渣孔[4]，并安装硬质合金刮刀，转鼓的两端分别通过法兰盘和轴盘焊接固定。对转鼓进行三维模型的建立后，将其直接导入到有限元分析软件ANSYS Workbench 中进行仿真分析进行前处理。

对得到的模型进行网格划分处理，由于转鼓的结构较为复杂，在静力学分析时，可将网格尺寸划分的较大些，这样可以提高计算效率，且不会影响对结果的判定，在复杂结构面位置对网格进行一定的细化处理[5]，采用自动划分网格的方法进行转鼓的网格划分，以此得到转鼓的网格划分模型，如图1所示。

图1 卧式螺旋离心机转鼓网格划分模型

2 卧式螺旋离心机转鼓静力学仿真及优化

2.1 卧式螺旋离心机转鼓强度的仿真分析

转鼓作为高速旋转的柱状壳体，在工作过程中主要受到离心力的作用，其强度表现对离心机的性能具有重要影响。转鼓属于薄壁零件，在使用过程中对强度和刚度的要求较高[6]，需保证其形变量在使用范围之内。对正常工况下的转鼓模型进行模拟，设定转速为1 480 r/min，积液池的深度为50 mm，对转鼓的应力进行分析，得到如下页图2 所示的转鼓应力分布图。

从图2 中可以看出，在正常工况下，转鼓受到的应力最大值为173.97 MPa，应力均匀分布在转鼓的圆柱段中，最大应力值小于转鼓的许用应力值248 MPa，转鼓的强度满足使用的需求，并且相对许用应力值具有较大的裕量，转鼓结构存在一定的优化空间。

图2 转鼓的应力（Pa）分布云图

2.2 卧式螺旋离心机转鼓优化分析

转鼓的尺寸在设计过程中预留了一定的余量，造成了转鼓自身的质量较大，限制了转鼓的长径比，不利于煤炭的浮选。为进一步提高转鼓的使用性能，在保证转鼓强度的条件下，对转鼓的长径比及壁厚进行优化处理。

长径比指卧式螺旋离心机转鼓有效工作长度与圆柱段直径的比值，转鼓中沉降区与干燥区的长度对于煤液中固相和液相的质量有直接的影响，在保持转鼓内径一致的情况下，转鼓的长径比越大，卧式螺旋离心机对煤液的分离效果越好。在保证转鼓圆柱段直径不变的情况下，增加转鼓的长度，对不同长度下的转鼓应力进行分析，将最大应力值进行记录，绘制转鼓最大应力与长度变化曲线，如图3 所示。

图3 转鼓最大应力与长度变化的曲线

从图3 可以看出，在转鼓长度增加的过程中，最大应力值也随之增加，在转鼓增加长度小于100 mm时，最大应力的变化不大，此时随长度增加，对转鼓质量的影响程度不大，对应力的作用有限；当转鼓的长度增加量大于100 mm 时，最大应力值开始明显增加，转鼓的刚度受到影响，在增加量为150 mm 时，综合应力最大值为220 MPa，接近于许用应力值。为保证转鼓的强度，对长度增加量控制在100 mm 以内为宜。

转鼓的壁厚是影响其使用性能的重要参数，较小的壁厚既可以降低制造成本又可以减少使用过程中的能耗。在其他参数不变的情况下，改变转鼓的壁厚，对不同壁厚下的应力进行分析，并将最大应力值进行记录，绘制转鼓最大应力与壁厚变化曲线，如图4 所示。

图4 转鼓最大应力与壁厚变化的曲线

从图4 可以看出，在转鼓壁厚减小的过程中，壁厚在10 mm 以上时，转鼓的应力值变化不大，此时通过减小壁厚降低转鼓质量对离心力产生的应力作用不大；当壁厚减小到10 mm 以下时，应力产生明显增加，在壁厚为8 mm 时，最大应力值为240 MPa，此时接近于许用应力值。在进行转鼓壁厚优化的过程中，可将转鼓的壁厚降至10 mm，在对转鼓质量有一定减轻的同时，保证其使用性能。