離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度計算

離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度計算

0離心轉(zhuǎn)鼓設(shè)計的研究離心分離是離心分離的關(guān)鍵部件之一。一方面,轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)對離心機(jī)的用途、操作、生產(chǎn)能力和功率等均有決定性作用;另一方面,轉(zhuǎn)鼓自身高速旋轉(zhuǎn)(其工作轉(zhuǎn)速通常在每分鐘幾百轉(zhuǎn)至每分鐘幾萬轉(zhuǎn)之間),同時受到離心力的作用,該離心力是由轉(zhuǎn)鼓筒體自身質(zhì)量、轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的篩網(wǎng)質(zhì)量以及物料質(zhì)量因高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的。在離心力作用下轉(zhuǎn)鼓筒體內(nèi)會產(chǎn)生很大的工作應(yīng)力。一旦發(fā)生強(qiáng)度破壞必將產(chǎn)生極大的危害,尤其是有時由于應(yīng)力過高發(fā)生“崩裂”,常會引起嚴(yán)重人身傷害事故。因此,對離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓設(shè)計的研究具有十分重要的意義。但因轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,用現(xiàn)行的強(qiáng)度設(shè)計計算方法,對轉(zhuǎn)鼓各部位的應(yīng)力往往得不到正確的估價,從而影響了離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓使用的安全性。為此,以SS800型三足式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓設(shè)計為研究對象,使用與Solidedge軟件集成的VisualNastran有限元分析軟件,對轉(zhuǎn)鼓設(shè)計進(jìn)行了分析研究,找出了既方便快捷,又較為實用的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計方法,對離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計有一定的指導(dǎo)性。1鼓勵效應(yīng)的有限分析如圖1所示是根據(jù)現(xiàn)行的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算方法,設(shè)計的SS800型三足式離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)圖。1.1轉(zhuǎn)鼓筒體載荷在對轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行有限元應(yīng)力分析時,為簡化建模和受力分析,將開孔轉(zhuǎn)鼓簡化為一個無孔的整體轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行考慮。轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)尺寸和受力均相對于轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)軸對稱,其受力如圖2所示。在轉(zhuǎn)鼓筒體的內(nèi)側(cè),作用有均勻分布的載荷p,其載荷的來源包括由轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量引起的離心壓力p1,由篩網(wǎng)質(zhì)量引起的離心壓力p2和由物料質(zhì)量引起的離心壓力p3。在與物料接觸的擋液板、轉(zhuǎn)鼓底上作用有按拋物線分布的由物料質(zhì)量的離心力引起的壓力q。在轉(zhuǎn)鼓底軸孔與主軸配合處,按配合均勻并有微量過盈考慮,配合表面作用有均布載荷p0。1.2彈性模量的計算根據(jù)轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)和材料性質(zhì),其原始數(shù)據(jù)確定如下p=p1+p2+p3=1.891MPaq=16.638(r2-0.0784)MPa(280≤r≤400)p0=0.001MPa彈性模量:E=2.1×105MPa泊松比:μ=0.29材料密度:ρ0=7.85g/cm31.3有限元分析驗證根據(jù)轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)尺寸,用Solidedge建立三維CAD模型,并用VisualNastran4D2002有限元分析軟件進(jìn)行了應(yīng)力分析。其網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分布如圖3(原圖為彩色顯示)所示。1.4用有限元分析的應(yīng)力值修正由上述分析知,最大應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處,其應(yīng)力值為297MPa。轉(zhuǎn)鼓筒體部分的應(yīng)力值為108～162MPa?？紤]開孔對轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的削弱,用開孔修正系數(shù)ζ=1.25對有限元分析的應(yīng)力值進(jìn)行修正。其最大應(yīng)力修正值為371MPa,轉(zhuǎn)鼓筒體部分的應(yīng)力修正值為135～202MPa。而用邊緣效應(yīng)區(qū)應(yīng)力計算公式計算的轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處的應(yīng)力為487～502MPa,用現(xiàn)行轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度計算方法計算的轉(zhuǎn)鼓筒體應(yīng)力為151MPa。比較用有限元分析所得應(yīng)力值和用公式計算所得的應(yīng)力值可以得出如下結(jié)論:(1)對轉(zhuǎn)鼓筒體部分,用有限元分析所得的應(yīng)力值和用公式計算所得的應(yīng)力值是比較吻合的。(2)對邊緣效應(yīng)區(qū),用有限元分析所得應(yīng)力值要比用公式計算所得的應(yīng)力值小,甚至小得很多。這說明用邊緣效應(yīng)區(qū)公式計算所得的應(yīng)力值的近似性較大。(3)局部地方的應(yīng)力值是不能滿足設(shè)計要求的(設(shè)計要求的許用應(yīng)力:對薄膜區(qū)為[σ]φH=171×0.95=162MPa,對邊緣效應(yīng)區(qū)為[σ]MφH=208×0.95=197MPa),尤其是在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處,應(yīng)力值達(dá)到了最大值371MPa。對此必須采取措施,否則會給使用帶來安全隱患。2修改和優(yōu)化鼓結(jié)構(gòu)2.1局部加強(qiáng)的結(jié)果分析由上述分析知,局部地方的應(yīng)力值是不能滿足設(shè)計要求的,主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處及其影響到的區(qū)域。其原因有2個方面:一是在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處因過渡突然,應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重;二是在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處結(jié)構(gòu)剛度較差,受力變形較大,從而產(chǎn)生了較大的應(yīng)力值。針對這種情況,對轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處,以提高結(jié)構(gòu)剛度,減小受力變形,從而降低應(yīng)力的方法為出發(fā)點,用增加材料的方法對原轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部加強(qiáng),如圖4所示。按局部加強(qiáng)后的尺寸,對原轉(zhuǎn)鼓的三維實體模型進(jìn)行修改后,重新進(jìn)行有限元應(yīng)力分析,其網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分布如圖5(原圖為彩色顯示)所示。分析結(jié)果表明,最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在沒有加強(qiáng)箍的轉(zhuǎn)鼓筒體處,其應(yīng)力值為115MPa。考慮開孔對轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的削弱,用開孔修正系數(shù)ζ=1.25修正后的應(yīng)力值為:115×1.25=143.75MPa,小于設(shè)計要求的許用應(yīng)力,滿足了設(shè)計的要求。同樣,對用有限元分析所得的應(yīng)力值和用公式計算所得的應(yīng)力值進(jìn)行分析比較后,可以得出如下結(jié)論:(1)經(jīng)過局部加強(qiáng)后,由于增強(qiáng)了邊緣效應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)剛度,減小了邊緣效應(yīng)區(qū)的受力變形,從而降低了邊緣效應(yīng)區(qū)的應(yīng)力。但局部加強(qiáng)僅對局部區(qū)域影響較大,對轉(zhuǎn)鼓筒體部分的宏觀影響不大。因為,用有限元分析所得的轉(zhuǎn)鼓筒體部分的應(yīng)力修正值(112～143MPa)和用公式計算所得的應(yīng)力值(151MPa)還是比較接近的。(2)經(jīng)局部加強(qiáng)后,對邊緣效應(yīng)區(qū)(轉(zhuǎn)鼓筒體和轉(zhuǎn)鼓底的連接處),用有限元分析所得應(yīng)力值仍然是比較大的,這與理論分析的結(jié)果(轉(zhuǎn)鼓筒體和轉(zhuǎn)鼓底的連接處過渡突然,應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重)是一致的。2.2局部優(yōu)化后的應(yīng)力分析由前面分析知,在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處及其影響到的區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力過大的原因之一,是因為在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處過渡突然,導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象十分嚴(yán)重。若將轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,即將尖角突然過渡改為圓角逐漸過渡,從而減小應(yīng)力集中,同樣可達(dá)到減小應(yīng)力的目的。由圖1可以看出,轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接方式采用的是搭接焊接。在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處近乎于尖角過渡,故應(yīng)力集中嚴(yán)重?，F(xiàn)將擋液板的折彎處的過渡圓角加大到r=10mm,將尖角過渡改為圓角逐漸過渡,同時將轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接方式改為對接焊接,如圖6所示。這樣既可減小應(yīng)力集中,又能節(jié)省一部分材料。按圖6所示的尺寸對轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部優(yōu)化后,對原轉(zhuǎn)鼓的三維實體模型進(jìn)行修改后,重新進(jìn)行有限元應(yīng)力分析,其網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分布如圖7(原圖為彩色顯示)所示。分析結(jié)果表明:最大應(yīng)力值為111MPa?？紤]開孔對轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的削弱,用開孔修正系數(shù)ζ=1.25修正后的應(yīng)力值為:111×1.25=138MPa,小于設(shè)計要求的許用應(yīng)力,同樣也滿足了設(shè)計的要求。再對用有限元分析所得的應(yīng)力值和用公式計算所得的應(yīng)力值進(jìn)行分析比較后,也可以得出如下結(jié)論:(1)經(jīng)過局部優(yōu)化后,使邊緣效應(yīng)區(qū)的應(yīng)力大大減小了。但對轉(zhuǎn)鼓筒體部分的影響并不大。因為,用有限元分析所得的轉(zhuǎn)鼓筒體部分的應(yīng)力修正值(108～138MPa)和用公式計算所得的應(yīng)力值(151MPa)還是比較接近的。這也進(jìn)一步說明了轉(zhuǎn)鼓筒體部分設(shè)計公式的計算結(jié)果是比較精確的。(2)經(jīng)局部優(yōu)化后,對邊緣效應(yīng)區(qū)(轉(zhuǎn)鼓筒體和擋液板的連接處),用有限元分析所得應(yīng)力值仍然是比較大的,這與理論分析的結(jié)果(轉(zhuǎn)鼓筒體和擋液板的連接處過渡突然,應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重)是一致的。3有限元分析技術(shù)在轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中的應(yīng)用通過對轉(zhuǎn)鼓設(shè)計進(jìn)行的分析研究,可得出如下結(jié)論:(1)工程實際中,對離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算時,僅對薄膜區(qū)進(jìn)行強(qiáng)度計算是不夠的,對于邊緣效應(yīng)區(qū)的強(qiáng)度核算也是非常必要的,因為邊緣效應(yīng)區(qū)的應(yīng)力有時會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過許用應(yīng)力。按現(xiàn)行的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算方法設(shè)計出的轉(zhuǎn)鼓,從宏觀上看,往往偏于保守(如轉(zhuǎn)鼓底),相關(guān)尺寸有較大富裕,使得轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量無謂地增加,既增加了轉(zhuǎn)鼓運(yùn)行的能耗也造成了材料的浪費(fèi),存在著不經(jīng)濟(jì)性;從微觀上看,局部地方(如邊緣效應(yīng)區(qū))的應(yīng)力值,往往得不到正確估價,而直接影響到轉(zhuǎn)鼓運(yùn)行的安全性。(2)對于邊緣效應(yīng)區(qū),在進(jìn)行應(yīng)力計算時采用經(jīng)過結(jié)構(gòu)簡化所推導(dǎo)出的公式計算出的數(shù)值不僅近似性較大,而且計算出的數(shù)值也明顯偏大,其實用性和可信度較差。而采用有限元分析技術(shù)能較好地計算出邊緣效應(yīng)區(qū)的應(yīng)力,且計算數(shù)值也較為接近實際,工程實際中應(yīng)該很好地去實施。(3)采用局部加強(qiáng)和局部優(yōu)化的方法,對減小局部區(qū)域的應(yīng)力值的效果是非常明顯的,是解決危險區(qū)域強(qiáng)度不足的較好方法。(4)先用現(xiàn)行的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算方法進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計,再用有限元技術(shù)對轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行應(yīng)力分析,并對局部尺