新一代碟式分离机转鼓结构优化分析

郑加洲，李 丽，丁晓明，赵奇峰，任苗苗，尹延经

（1. 南京中船绿洲机器有限公司，南京 210000；2. 洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳 471000)

0 引言

碟式分离机是应用最广、使用数量最多的离心机之一，广泛应用于医药、食品、化工、石油化工、轻工、生物工程、船舶和涂料等领域[1]。世界顶尖的船用碟式分离机企业都来自欧洲，瑞典ALFA-LAVAL公司和德国GEA Westfalia公司是世界最著名的碟式分离机供应商，具有130年的历史，代表了当今世界碟式分离机的最高水平。它们分离机的发展趋势是更高的转速、小型化、大处理量发展。目前，碟式分离机的转速从早期4 000 r/min左右发展到现在12 000 r/min左右。但是转速的提高，对转鼓材料的选择和安全设计带来了新的挑战，传统碟式分离机转鼓的关重件零件强度校核主要是采用JB/T 8051—96中的转鼓强度计算方法。这种方法适用于结构简单、规则的转鼓零件，比较保守，对几何形状复杂的离心机转鼓重要零件强度校核，显然不能满足现在设计需要。

随着有限元分析应用越来越广泛，对复杂结构的强度校核，最适宜的方法是采用有限元法[2]。本文就是通过分析新一代碟式分离机转鼓主要零件转鼓盖、主锁环和转鼓体组合结构之间的接触关系和密封工况下的承载情况，应用有限元软件对其进行了结构分析，以此来校核设计的安全性并进行结构优化。

1 组合结构特点、技术参数及受力分析

1.1 组合结构特点

对于新一代碟式分离机转鼓来说，安全设计上非常关注的是3大件：转鼓盖、主锁环和转鼓体。装配示意图见图1，其中，序号1为转鼓盖，序号2为主锁环，序号3为转鼓体，序号4为密封环，序号5为活塞。

图1 组合结构装配示意图

1.2 技术参数

新一代碟式分离机的设计额定转速为9 6 0 0 r/m i n；转鼓盖、主锁环和转鼓体材料为高强度、高耐腐蚀性不锈钢，其材料热处理后机械性能（图纸要求）：屈服强度Rp≥630 MPa，抗拉强度Rm≥850 MPa；材料的弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3。

1.3 密封工况受力分析

新一代碟式分离机启动达到额定转速后，开始进入密封状态，这时活塞下部充满水，水压推动活塞上移压紧密封环，活塞、密封环和转鼓盖形成一个密封腔，这个状态就称为密封工况。工作状态如图1所示，此时，活塞下部和转鼓体下部受到密封水的离心液压力作用，活塞所受到的载荷通过密封环传递到转鼓盖上，组合结构转鼓盖、主锁环和转鼓体此时主要承受活塞传递到转鼓盖上的载荷F、密封水对转鼓体的作用力P和质量离心力的作用。

2 结构分析

2.1 模型简化

在保证不影响计算精度的前提下使计算更简化省时，有必要对模型进行简化。这里取模型的1/16，同时简化不影响结果的孔和倒角等特征。经过简化组合结构有限元模型见图2。

图2 组合结构有限元简化模型

2.2 网格划分

为了减少计算时间和计算的准确性，转鼓盖和主锁环采用六面体网格划分，转鼓体存在较多孔和槽结构，这里采用四面体网格，对主锁环和转鼓体螺纹处网格加密，见图3。

图3 组合结构网格划分

2.3 接触关系分析

组合结构转鼓盖、主锁环和转鼓体的接触主要3部分：转鼓盖和转鼓体接触、转鼓盖和主锁环接触、主锁环和转鼓体接触[3]。

对于转鼓盖和转鼓体接触关系主要是转鼓盖与转鼓体的配合定位，这里的平面定位考虑到有分离趋势，采用无摩擦可分离的接触；径向定位有滑移趋势，采用摩擦接触，摩擦系数取0.2。

对于转鼓盖和主锁环接触关系主要是转鼓盖与主锁环的平面配合定位，考虑到有滑移趋势，采用不分离的接触。

对于主锁环和转鼓体接触关系主要是主锁环与转鼓体的配合定位和螺纹啮合，配合定位考虑到有滑移趋势，采用不分离的接触；螺纹啮合有滑移趋势，采用摩擦接触，摩擦系数取0.2。

2.4 载荷与约束

根据组合结构装配关系，约束一是按周期对称的侧面无摩擦约束，二是限制轴向位移的约束，在转鼓体芯部与立轴螺母接触平面。

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载荷：质量离心力，在软件中可以通过直接加载转速实现；液压离心力。载荷与约束见图4。

图4 载荷与约束

2.5 组合结构分析

2.5.1 组合结构应力和变形情况

据分析，组合结构等效应力云图和变形云图分别见图5和图6。

图5 组合结构等效应力云图

图6 组合结构变形云图

2.5.2 转鼓盖应力与变形情况

据分析，转鼓盖等效应力云图和变形云图分别见图7和图8。

图7 转鼓盖等效应力云图

图8 转鼓盖变形云图

2.5.3 主锁环应力与变形情况

图9 主锁环等效应力云图

图10 主锁环变形云图

2.5.4 转鼓体应力与变形情况

据分析，转鼓体等效应力云图和变形云图分别见图11和图12。

图11 转鼓体等效应力云图

图12 转鼓体变形云图

3 结果分析

根据结果分析从图5和图6可知，组合结构整体应力水平不高，最大值为443.55 MPa，出现在转鼓盖环槽内，是应力集中部位；整体变形较小，最大值为0.4 mm，出现在转鼓盖上部，这是跟约束关系有关。组合结构的应力水平和变形可以满足设计的要求。

根据结果分析如图7和图8可知，转鼓盖最大等效应力出现在下部环槽内，这是因为环槽受到活塞传递过来载荷的作用，环槽内圆角产生应力集中，其余部位应力在200 MPa左右，根据选用不锈钢材料热处理后机械性能：Rp≥630 MPa，Rm≥850 MPa，应力集中部位和其他区域都有较高的安全系数，可以满足设计要求；变形最大0.4 mm，在设计范围内。

根据结果分析由图9和图10可知，主锁环最大等效应力出现在环内侧，最大值为159.41 MPa，主锁环螺纹处应力水平在128 MPa左右，根据选用不锈钢材料热处理后机械性能：Rp≥630 MPa，Rm≥850 MPa，应力集中部位和其他区域都有较高的安全系数，可以满足设计要求；变形最大0.34 mm，在设计范围内。

根据结果分析由图11和图12可知，转鼓体最大等效应力出现外侧排渣槽内，这是应力集中的结果；最大值为395.7 MPa，转鼓体螺纹处应力水平在180 MPa左右，根据选用不锈钢材料热处理后机械性能：Rp≥630 MPa，Rm≥850 MPa，应力集中部位和其他区域都有较高的安全系数，可以满足设计要求；变形最大0.34 mm，在设计范围内。

4 结论

根据结果分析，可以对一些应力集中的地方进行优化，比如加圆角和更改圆角尺寸等措施来减小应力集中部位应力水平。总体来说转鼓盖、主锁环和转鼓体应力水平和变形程度不高，主要是因为转鼓的直径规格较小，整体刚性较好，分析结果合理，该优化分析方法可以用于碟式分离机产品转鼓结构设计及离心机产品安全设计提供技术指导。