论文部分内容阅读
【摘 要】 本文主要从离心机工作原理、离心机转鼓强度计算方法简介、对转鼓设计中存在问题的分析及相应的讨论等方面进行了分析。
【关键词】 离心机；开孔转鼓；设计
一、前言
离心机在我国应用越来越广泛，离心机开孔转鼓设计成为其整体设计中的重中之重，本文就该部分内容进行了分析与探讨。
二、离心机工作原理
离心机是一种利用转鼓带动物料高速旋转产生的离心力来强化分离过程的分离设备，是工业上主要采用的分离设备之一。当其高速回转时，由于鼓壁金属自身以及物料都会产生很大的离心力（向心力的反作用力），这些离心力都作用在鼓壁上，从而使鼓壁产生相应的应力。离心机转鼓壁厚计算公式来源于薄壁容器设计规范，即将转鼓看作承受内部压力的薄壁壳体，以无矩理论为依据来校核转鼓强度。现有的离心机设计规范没有规定鼓壁的最小厚度，就是说，将强度要求视为充分必要条件，但是在容器设计规范中对容器的最小厚度都有规定，主要是为了保证容器的刚度，避免发生几何形变而引起的强度降低。由此，在转鼓的设计过程中，要从强度和刚度两方面同时进行考虑。
多鼓式沉降离心机转鼓的排列为径向排列。使得空间利用率大的提高，而且可以提高离心机的性能。径向排列多鼓式离心机由多个不同直径的转鼓同轴安装，形成多个分离室，使颗粒沉降距离从单转鼓的整个液层厚度减为鼓与鼓之间的径向间隙，大大减少了颗粒的沉降距离，增加了停留时间，故可以在较低速下工作，从而提高了离心机的性能。料液首先从中间加入到最里面的分离室，经过第一次沉降后，通过转鼓孔流到外层分离室进行沉降，依次下去，从而完成分离过程。转鼓是离心机的关键部件之一，在高速旋转过程中，受到转鼓自身、物料和筛网所引起的离心力的共同作用，产生很大的工作应力和变形。特别是开孔转鼓，鼓壁在结构上产生突变或者不连续，引发应力集中，一旦发生破坏，必将导致极大的危害，所以倍受学术界和工程界的重视。开孔转鼓的应力计算，依据传统的计算方法，还存在着很大程度的近似性和复杂性，因此在设备的设计和应力的校核方面还存在着不足。
三、离心机转鼓强度计算方法简介
离心机转鼓强度计算包括：应力计算、系数选取和强度计算三个方面。我国离心机转鼓强度计算应用的是经典弹性力学理论，采用《机械工程手册》第78篇所推荐的方法计算时，将整个转鼓分为薄膜区和边缘效应区，并分别运用无力矩理论和有力矩理论进行分析和计算。由于设计计算时考虑问题的角度不同，计算方法大体分为两类，一类是先设计出大部分几何尺寸，通过转鼓强度计算确定壁厚；另一类是根据设计出的全部几何尺寸，验算转鼓强度。在强度验算时，一般运用第三强度理论，分为许用应力判别法和许用安全系数判别法两种，事实上这两种方法的实质是相同的。就设计计算的角度而言，應该采用前一种方法，但目前实际上多是采用后一种方法。
1.转鼓开孔后会产生应力集中，且存在最大的薄膜应力集中系数，KHmax=2.80。
2.开孔直径对应力的影响可分为小开孔和大开孔两个阶段：在小开孔阶段，转鼓半径不同，但应力的变化趋势相同；在大开孔阶段，应力变化规律则不同。
3.壁厚的改变在小开孔阶段对应力的影响不大，此时不可以通过增加鼓壁厚度来减小应力的数值。
4.给出了KHmax出现时对应的l-d关系曲线图，为工程应用提供了计算依据。
四、对转鼓设计中存在问题的分析
1.强度计算的公式是以无力矩理论为基础，并按照薄壁压力容器而推导出来的。这些计算公式的适应范围只有在转鼓体离开挡液板和转鼓底适当远的部位才是成立的。如果用上述计算公式的计算结果作为转鼓各部位强度计算的依据，显然存在着来源于计算公式的近似性。
2.转鼓体上因有开孔，不仅削弱了转鼓体的强度，同时在开孔处也引起了应力集中。在公式中靠引入几个系数（如K2、K3、q等）来考虑应力集中等问题显然也存在着计算过程的近似性。
3.转鼓体与挡液板、转鼓底的连接处应力集中现象比较严重，而实际的计算方法中，则是在初步结构设计的基础上经过适当简化后再进行二次强度计算，不仅计算公式繁琐，而且因简化计算模型，其计算过程与结果本身也存在着近似性。因此，按目前采用的离心机开孔转鼓设计计算方法设计的离心机转鼓，从宏观上看，往往偏于保守，相关尺寸有较大富裕，使得转鼓质量增加，既增加了转鼓运行的能耗也造成了材料的浪费，显然是不经济的；从微观上看，局部地方（如转鼓体与挡液板、转鼓底的连接处，转鼓体的开孔处）的应力值往往得不到正确估计，直接影响到转鼓运行的安全性。在离心机发生的转鼓破裂事故中，出现在开孔处和边缘处的比例很高。
4.离心机转鼓壁厚计算公式来源于薄壁压力容器设计规范，即将转鼓视为承受内压的薄壁壳体，以无力矩理论为依据校核转鼓强度。但是，现有的离心机转鼓设计方法没有考虑鼓壁的最小厚度，而是把强度要求作为必要与充分条件，这种作法实际上是欠妥当的。因为历年来的压力容器设计规范对容器最小壁厚都有所规定，其根本目的是为保证容器有必须的刚度，以避免其几何形状发生畸变（如截面失圆），因为一旦发生这种情况容器所承受的弯曲应力将大大超过了壁厚设计计算时作为依据的薄膜应力。这就说明转鼓设计的强度条件是必要的，而不一定是充分的。离心机转鼓是一个高速旋转的薄壁构件，其所受到的空气动力作用相当于处于狂风中的静止薄壳，处于随机湍流流场中的结构件均将发生振动，离心机转鼓自然也不能例外。
五、讨论
1.工程计算法是在弹性力学基础上对转鼓按旋转薄壳无力矩或有力矩理论计算应力的，它不能精确求出转鼓结构较为复杂区域的应力情况及开孔边缘的应力集中。对结构比较简单、开孔率低、孔间距大的转鼓可以用工程计算法按无孔转鼓进行应力计算。在对转鼓进行强度校核时，再考虑开孔应力集中对转鼓强度的影响而适当降低许用应力。当转鼓的筒体开孔后，就破坏了转鼓的轴对称性。若采用轴对称有限元法计算开孔转鼓应力就必须首先按无孔转鼓计算，然后对开孔区域的应力进行修正。从弹性力学理论分析，对于空转鼓受离心力载荷作用，其内壁应力应大于外壁应力。由轴对称有限元计算得到的最大应力出现在转鼓的内壁周向，这与理论分析是一致的。最大应力在筒体中部。
2.二维轴对称有限元法能够处理几何形状较复杂的轴对称转鼓，不需要简化转鼓结构，即可直接计算得到转鼓各个部位的应力分布，但它仍要用转鼓开孔影响系数来修正应力。对开孔率W>0.2的转鼓，特别是开大孔的转鼓，用开孔影响系数修正应力是极不精确的。三维有限元法可直接对开孔转鼓进行分析计算，不必引入开孔修正系数来修正应力。由于转鼓开孔在孔边产生的应力集中值可通过曲边块单元计算得到，并可推算出应力集中系数。这对承受交变载荷作用的转鼓来说显得非常重要，因为应力集中值的大小直接影响了转鼓承受交变载荷的能力。
3.三维有限元法既能精确地确定复杂结构转鼓壁的应力分布（包括开大孔的下卸料转鼓底的应力计算），又能准确地描述转鼓上孔沿的应力集中。这种由开孔而引起的应力集中现象在离心机转鼓，特别是承受交变载荷作用的开大孔转鼓的设计中是必须考虑的。研究已表明，对开孔转鼓的应力计算最好的方法是三维有限元法。随着微型计算机应用的进一步普及，三维有限元分析技术将成为离心机转鼓设计的有力工具。
离心机在多个领域都有很广泛的应用，加强对离心机开孔转鼓设计计算的研究非常具有现实意义，在设计用仍然存在着许多问题，结合离心机的具体使用需求进行设计也是非常必要的。
参考文献：
[1]杜徳鱼.离心机开孔转鼓设计计算分析.机械工程与自动化.2013年3月，第2期，166-168.
[2]王朝.离心机开孔转鼓设计计算分析.过滤与分离.2012年4月，第4期，243-247.
[3]高洁.离心分离机开孔转鼓的设计计算.价值工程.2013年10月，第9期，110-115.
【关键词】 离心机；开孔转鼓；设计
一、前言
离心机在我国应用越来越广泛，离心机开孔转鼓设计成为其整体设计中的重中之重，本文就该部分内容进行了分析与探讨。
二、离心机工作原理
离心机是一种利用转鼓带动物料高速旋转产生的离心力来强化分离过程的分离设备，是工业上主要采用的分离设备之一。当其高速回转时，由于鼓壁金属自身以及物料都会产生很大的离心力（向心力的反作用力），这些离心力都作用在鼓壁上，从而使鼓壁产生相应的应力。离心机转鼓壁厚计算公式来源于薄壁容器设计规范，即将转鼓看作承受内部压力的薄壁壳体，以无矩理论为依据来校核转鼓强度。现有的离心机设计规范没有规定鼓壁的最小厚度，就是说，将强度要求视为充分必要条件，但是在容器设计规范中对容器的最小厚度都有规定，主要是为了保证容器的刚度，避免发生几何形变而引起的强度降低。由此，在转鼓的设计过程中，要从强度和刚度两方面同时进行考虑。
多鼓式沉降离心机转鼓的排列为径向排列。使得空间利用率大的提高，而且可以提高离心机的性能。径向排列多鼓式离心机由多个不同直径的转鼓同轴安装，形成多个分离室，使颗粒沉降距离从单转鼓的整个液层厚度减为鼓与鼓之间的径向间隙，大大减少了颗粒的沉降距离，增加了停留时间，故可以在较低速下工作，从而提高了离心机的性能。料液首先从中间加入到最里面的分离室，经过第一次沉降后，通过转鼓孔流到外层分离室进行沉降，依次下去，从而完成分离过程。转鼓是离心机的关键部件之一，在高速旋转过程中，受到转鼓自身、物料和筛网所引起的离心力的共同作用，产生很大的工作应力和变形。特别是开孔转鼓，鼓壁在结构上产生突变或者不连续，引发应力集中，一旦发生破坏，必将导致极大的危害，所以倍受学术界和工程界的重视。开孔转鼓的应力计算，依据传统的计算方法，还存在着很大程度的近似性和复杂性，因此在设备的设计和应力的校核方面还存在着不足。
三、离心机转鼓强度计算方法简介
离心机转鼓强度计算包括：应力计算、系数选取和强度计算三个方面。我国离心机转鼓强度计算应用的是经典弹性力学理论，采用《机械工程手册》第78篇所推荐的方法计算时，将整个转鼓分为薄膜区和边缘效应区，并分别运用无力矩理论和有力矩理论进行分析和计算。由于设计计算时考虑问题的角度不同，计算方法大体分为两类，一类是先设计出大部分几何尺寸，通过转鼓强度计算确定壁厚；另一类是根据设计出的全部几何尺寸，验算转鼓强度。在强度验算时，一般运用第三强度理论，分为许用应力判别法和许用安全系数判别法两种，事实上这两种方法的实质是相同的。就设计计算的角度而言，應该采用前一种方法，但目前实际上多是采用后一种方法。
1.转鼓开孔后会产生应力集中，且存在最大的薄膜应力集中系数，KHmax=2.80。
2.开孔直径对应力的影响可分为小开孔和大开孔两个阶段：在小开孔阶段，转鼓半径不同，但应力的变化趋势相同；在大开孔阶段，应力变化规律则不同。
3.壁厚的改变在小开孔阶段对应力的影响不大，此时不可以通过增加鼓壁厚度来减小应力的数值。
4.给出了KHmax出现时对应的l-d关系曲线图，为工程应用提供了计算依据。
四、对转鼓设计中存在问题的分析
1.强度计算的公式是以无力矩理论为基础，并按照薄壁压力容器而推导出来的。这些计算公式的适应范围只有在转鼓体离开挡液板和转鼓底适当远的部位才是成立的。如果用上述计算公式的计算结果作为转鼓各部位强度计算的依据，显然存在着来源于计算公式的近似性。
2.转鼓体上因有开孔，不仅削弱了转鼓体的强度，同时在开孔处也引起了应力集中。在公式中靠引入几个系数（如K2、K3、q等）来考虑应力集中等问题显然也存在着计算过程的近似性。
3.转鼓体与挡液板、转鼓底的连接处应力集中现象比较严重，而实际的计算方法中，则是在初步结构设计的基础上经过适当简化后再进行二次强度计算，不仅计算公式繁琐，而且因简化计算模型，其计算过程与结果本身也存在着近似性。因此，按目前采用的离心机开孔转鼓设计计算方法设计的离心机转鼓，从宏观上看，往往偏于保守，相关尺寸有较大富裕，使得转鼓质量增加，既增加了转鼓运行的能耗也造成了材料的浪费，显然是不经济的；从微观上看，局部地方（如转鼓体与挡液板、转鼓底的连接处，转鼓体的开孔处）的应力值往往得不到正确估计，直接影响到转鼓运行的安全性。在离心机发生的转鼓破裂事故中，出现在开孔处和边缘处的比例很高。
4.离心机转鼓壁厚计算公式来源于薄壁压力容器设计规范，即将转鼓视为承受内压的薄壁壳体，以无力矩理论为依据校核转鼓强度。但是，现有的离心机转鼓设计方法没有考虑鼓壁的最小厚度，而是把强度要求作为必要与充分条件，这种作法实际上是欠妥当的。因为历年来的压力容器设计规范对容器最小壁厚都有所规定，其根本目的是为保证容器有必须的刚度，以避免其几何形状发生畸变（如截面失圆），因为一旦发生这种情况容器所承受的弯曲应力将大大超过了壁厚设计计算时作为依据的薄膜应力。这就说明转鼓设计的强度条件是必要的，而不一定是充分的。离心机转鼓是一个高速旋转的薄壁构件，其所受到的空气动力作用相当于处于狂风中的静止薄壳，处于随机湍流流场中的结构件均将发生振动，离心机转鼓自然也不能例外。
五、讨论
1.工程计算法是在弹性力学基础上对转鼓按旋转薄壳无力矩或有力矩理论计算应力的，它不能精确求出转鼓结构较为复杂区域的应力情况及开孔边缘的应力集中。对结构比较简单、开孔率低、孔间距大的转鼓可以用工程计算法按无孔转鼓进行应力计算。在对转鼓进行强度校核时，再考虑开孔应力集中对转鼓强度的影响而适当降低许用应力。当转鼓的筒体开孔后，就破坏了转鼓的轴对称性。若采用轴对称有限元法计算开孔转鼓应力就必须首先按无孔转鼓计算，然后对开孔区域的应力进行修正。从弹性力学理论分析，对于空转鼓受离心力载荷作用，其内壁应力应大于外壁应力。由轴对称有限元计算得到的最大应力出现在转鼓的内壁周向，这与理论分析是一致的。最大应力在筒体中部。
2.二维轴对称有限元法能够处理几何形状较复杂的轴对称转鼓，不需要简化转鼓结构，即可直接计算得到转鼓各个部位的应力分布，但它仍要用转鼓开孔影响系数来修正应力。对开孔率W>0.2的转鼓，特别是开大孔的转鼓，用开孔影响系数修正应力是极不精确的。三维有限元法可直接对开孔转鼓进行分析计算，不必引入开孔修正系数来修正应力。由于转鼓开孔在孔边产生的应力集中值可通过曲边块单元计算得到，并可推算出应力集中系数。这对承受交变载荷作用的转鼓来说显得非常重要，因为应力集中值的大小直接影响了转鼓承受交变载荷的能力。
3.三维有限元法既能精确地确定复杂结构转鼓壁的应力分布（包括开大孔的下卸料转鼓底的应力计算），又能准确地描述转鼓上孔沿的应力集中。这种由开孔而引起的应力集中现象在离心机转鼓，特别是承受交变载荷作用的开大孔转鼓的设计中是必须考虑的。研究已表明，对开孔转鼓的应力计算最好的方法是三维有限元法。随着微型计算机应用的进一步普及，三维有限元分析技术将成为离心机转鼓设计的有力工具。
离心机在多个领域都有很广泛的应用，加强对离心机开孔转鼓设计计算的研究非常具有现实意义，在设计用仍然存在着许多问题，结合离心机的具体使用需求进行设计也是非常必要的。
参考文献：
[1]杜徳鱼.离心机开孔转鼓设计计算分析.机械工程与自动化.2013年3月，第2期，166-168.
[2]王朝.离心机开孔转鼓设计计算分析.过滤与分离.2012年4月，第4期，243-247.
[3]高洁.离心分离机开孔转鼓的设计计算.价值工程.2013年10月，第9期，110-115.