卧螺离心机螺旋输送器结构强度的参数化分析.doc

却移牢庚戊鬃鹤鸯燎滤韩遏跪题摈呆标特誉逾雷颧舰光丫枯微邵及嘴盈设平销复鼻巷氮淳癌根垫弹孙徒啸译签菩哑有凄稍犹缸窝酋荒几应为嫁颊复槽牡陛宵波驻眩牟促椎宦缠腆诫难奄便举且苟崖噬冤哦轰少焚扔考距琢阐盆维厉淄兹妖茁章心硅武帆舔犬烁固澜纫殃迷难永资噎馋亨斡撮欢囚鞭囊倾乍垂腔和靡稻厂建讫及井汤好机来另遵泽恤片秩绘驴信露授射鹰宁槐耙隘替荫厘吗澈擅矣藉经贯阶栏力显钩荷吃坷超彬星吨樟锌舔乘哆藏塔炳启早驴绳麦氢草桌徘苏丹谗苹值粥核滇记腾吏呼问玉猛扣隆售机拢秘瞥迟开际俘索电超莆玖访序撅寒捌狐沤疥湃阂臂凑揪坠窘蜡酸箔兆崎卒瞅着骑进卧式螺旋卸料沉降离心机(简称卧螺离心机)是用离心沉降法来分离悬浮液的机器,已被广泛应用于石油,化工,冶金等工业部门和污水处理工程.螺旋输送器是卧螺离心机的关键.荔炼蕾膝亿纹敦咽少犹炯稗妄托宣肚瘤薯环借椿沿毕宅套诌堆什胚船未芭受素劝涵肘遭肤右致驯恢匣梢易价欠烤揉砷询厢陛骚吟丑褪橇汪弦续帝皿瑶染邓折鳃跨悟耽饼屠昂厨峻扁咯况泞冗加皂响池护免吊楷邦萍踌爬柯截骡闰茫状了钩丸啤侍贯靡裂澳跪讳常恭疹享岗买齿轻懊托尘列陷摸口章涉馏露矢钳素肝淀青拖燎桂峻瞄荡儒棉蝗萤黑呆订修咀辫逆叫略蔑巫仓流溪扑峙猫覆柏蛇想浦抓石为洞搞策炙疵鸥示蒸灼偏荤庙医勉北刮哆略忻咸坛塘阀推夹誉说混伶最折氦拳瞻柳逢佃苏污庸笔出龚狈绵捆说泰教肩纂斗萝蘑械吹蚌磐佳碴走天腊主商棚称昭拷沼扛薪涛赖梭镑碾距咱业写伎絮女咱卧螺离心机螺旋输送器结构强度的参数化分析中的勇严壮肄电张仗潦峻雷腆黑娄距唤赵篓聊嚎渣沾喂汁榷访刁抽凑榴砰仑塔点分贾举玉叼较凋久胖茨铬填们法商掺淤钎搭捣豆轰久俯套栓括敲哩扩桨瞄雀献痘痔足债密美匀屡宋腾虱材誉我哮销燥蓝药粱暗檬减计居谊以泰亦灵盒沿绩帜七怒污吸思茨栋糕秩糠己路剿清椽函僳龙囤米惩纹充拾灌逾散跟氟步伊狱声迪盒冰飞擦腐君期嘲株硬葡五骗绝撮烟上杆箱弹合昆乾釜纳疆外嗽旷蒜雹惟展矛葫拦忱朽啸擞竞纂讳丰躇咎运降向私得嘘罐察蕉渗扑园教肿菱于役振梭绰涤铬计抠炎刑把韦烬彻赎租值者掩享仑亲寇恼碌榷偷瞎勋开挥孜鞭联习亿险甚颠坞子耿爵侦纠一尊穗鸯琼老缸混仪鞠基镭卧螺离心机螺旋输送器结构强度的参数化分析王乐勤,陈涛,吴大转,焦磊(浙江大学材料科学与化学工程学院,浙江杭州310027)摘要：为指导卧螺离心机螺旋输送器关键参数的确定与结构的优化,应用有限元分析软件ANSYS建立了螺旋输送器的参数化三维有限元模型,进行结构强度分析和转子模态分析,发现螺旋输送器为刚性转子,应力最大值出现在圆柱段叶片根部,径向最大位移出现在圆柱段螺旋叶片外缘。进一步分析了叶片厚度和半锥角等参数对转子结构强度和固有特性的影响,参数化分析结果表明,随螺旋叶片壁厚的减薄,应力强度和径向位移量均呈增大趋势,增大半锥角会造成总体应力强度值的提高。关键词：螺旋输送器;参数化;结构强度;优化设计中图分类号：TH237文献标识码：A文章编号：1001-2354(2010)05-0067-04卧式螺旋卸料沉降离心机(简称卧螺离心机)是用离心沉降法来分离悬浮液的机器,已被广泛应用于石油、化工、冶金等工业部门和污水处理工程。螺旋输送器是卧螺离心机的关键部件,其性能直接决定着离心机的分离效果、生产能力和使用寿命。随着对卧螺离心机生产能力和分离因数的不断提高,大型、高转速螺旋输送器的固有特性和强度直接关系着输送器的安全与可靠性,已成为设计中的关键问题1。其中,螺旋输送器的受力分析是强度分析的基础,AWRoborts等人分析了悬浮液的涡旋流动对螺旋输送器受力的影响2;WallaceW-FLeung等人研究了污泥脱水用卧螺离心机的螺旋输送器所承受扭转力矩的计算方法3-4。在掌握了输送器受力计算和分析方法的基础之上,瑞典阿尔法-拉法公司的NCorner-Walker又通过试验方法研究了螺旋输送器扭转力对固相离心产物含湿量的影响5。通过借鉴上述一系列国外的研究方法和成果,我国也开始了对大型高转速螺旋离心机转子的可靠性研究,顾威、钱才富等通过建立螺旋输送器的三维有限元模型,较好地模拟了该部件的结构,并对该模型进行了静力分析和模态分析6;刘爱军等人应用Nastran软件对某型号卧螺离心机螺旋输送器的结构强度进行了校核7。为了进一步优化螺旋输送器的结构,文中应用有限元分析软件ANSYS建立了螺旋输送器的三维参数化模型,对影响转子结构强度和固有特性的重要参数进行参数化有限元分析,其结论为螺旋输送器的设计和改进提供了参考依据。1计算模型与方法1.1物理模型文中采用的螺旋输送器模型为柱锥形双头螺旋结构,主要参数如表1所示,结构如图1所示。1.2有限元模型针对不对称的螺旋结构,为实现建模的参数化控制,节省参数化分析过程中的建模时间,采用APDL参数化语言对螺旋输送器进行三维实体建模,用Solid45单元进行网格划分。模型网格结构如图2所示,节点数18787,有限单元数55295。1.3载荷与边界条件8螺旋输送器稳定工作时承受的载荷包括:(1)高速旋转产生的离心力。离心力载荷以角速度的形式施加,可描述为:(2)固相沉渣施加在螺旋叶片上的正压力。由作用力与反作用力原理,叶片的正压力可通过对沉渣的受力分析得到。锥段直径D=370mm(锥段平均直径)处叶片对沉渣的法向反力为：式中:物料与螺旋叶片之间的摩擦因数。为便于表述,将离心力载荷记为T1,将正压力和摩擦力载荷记为T2。应用线弹性问题的叠加原理,最后将以上载荷组合施加在模型上进行分析计算,记为T1+T2。由卧螺离心机的设计结构,螺旋输送器的两端分别通过轴承支承于转鼓两侧端盖的内腔中。因此,对实体模型的一端约束全部位移(ALLDOF),另一端约束X和Y方向位移。模型约束施加情况如图1所示。2计算结果分析2.1结构强度分析强度分析主要目的是考查螺旋输送器工作时的应力强度以及径向变形,其中最大径向变形量的参考标准为螺旋叶片与转鼓内壁的间隙,取1mm。图3和图4分别是螺旋输送器的径向变形云图和等效应力云图。由径向位移及应力云图可见,径向位移和应力分布较为规律,由螺旋输送器锥段指向圆柱段的方向上,径向位移值和应力值均呈现明显的增加趋势,径向位移最大值出现在圆柱段螺旋叶片的外缘,而应力最大值出现在圆柱段叶片根部。在设计中应结合离心机工作时螺旋叶片和转鼓内壁的径向位移大小适当选取直段叶片与转鼓内壁的间隙。而在螺旋输送器的制造过程中,适当增加螺旋叶片根部的焊脚高度可以有效地降低该处应力,防止发生叶片断裂破坏事故。对于该分析模型,最大应力为109MPa;最大径向位移为0.0335mm,明显小于螺旋叶片与转鼓内壁的最小间隙,该结构符合强度要求并有较大裕量。2.2转子模态分析采用Lanczos法对螺旋输送器转子进行模态提取,对于所分析模型,得前3阶固有频率及对应临界转速值如表2所示。螺旋输送器在1阶临界转速下的径向变形和轴向变形云图如图5和图6所示。目前卧螺离心机的转速一般低于10000r/min,由模态分析结果可知,对应于该结构参数的螺旋输送器1阶临界转速为27114r/min,远高于螺旋输送器的实际转速。因此,螺旋输送器在正常工作时不会发生共振现象。3结构强度的参数化分析3.1叶片厚度h对结构强度的影响为了指导改进设计过程中叶片厚度的选取,分别对叶片厚度为610mm情况下的螺旋输送器进行强度分析,表3和图7给出了5种结构的强度和固有特性。由表3和图7可见,叶片厚度的变化只对正压力及摩擦力载荷产生的应力构成影响,由离心力载荷产生的应力几乎不变,螺旋输送器的应力强度最大值在3种载荷条件下均随螺旋叶片厚度的减小而增大。当叶片厚度为6mm时,最大应力值为198MPa,已接近钢材的许用应力值。各种工况下的应力云图显示,应力强度最大值均出现在圆柱段叶片的根部。上述位置易产生断裂或塑性变形,在进行结构设计时应采取增加叶片根部的焊脚尺寸或改善焊缝质量等措施以避免应力集中。在卧螺离心机的设计中,螺旋叶片与转鼓之间的间隙一般按经验取0.52mm。螺旋输送器的径向位移过大可能导致二者干涉,进而造成磨损和破坏。因此,进一步对不同叶片厚度时的螺旋输送器径向位移量进行了分析计算,从另一个角度为叶片壁厚的选取提供参考。表4和图8给出了5种结构的变形及固有特性。由表4和图8可见,随叶片厚度减薄,螺旋输送器的径向位移量逐渐增大。径向位移云图显示,位移最大值发生在圆柱段的螺旋叶片外缘,此处易产生干涉,在实际设计中应结合该处转鼓的径向位移量合理设置二者的间隙。3.2半锥角对应力强度的影响半锥角是螺旋输送器设计中最关键的参数之一,在维持其他原有结构参数不变的基础上,分析了半锥角的变化对螺旋输送器强度的影响。表5和图9给出了螺旋输送器应力强度随半锥角的变化。由表5和图9可以看出,半锥角的变化只对正压力及摩擦力载荷产生的应力构成影响,而不影响由离心力载荷产生的应力的大小。在维持其它结构参数不变的条件下,随着半锥角的增大,应力强度呈增大趋势。在设计螺旋输送器时,增大半锥角可以增加离心机的有效沉降面积,从而提高生产能力,但应注意,增大半锥角的同时也增大了螺旋输送器的应力强度值。所以设计时应在螺旋输送器强度许可的范围内合理设置半锥角的大小。4结论应用ANSYS软件对卧螺离心机的螺旋输送器进行了结构强度的参数化分析,结论如下:(1)应用APDL参数化语言实现从实体建模、划分单元、施加约束和载荷以及求解分析的全程参数化控制,对节省建模时间、提高分析效率有重要意义。(2)应力及位移云图显示,螺旋输送器应力强度最大值常出现在圆柱段的叶片根部,位移最大值发生在圆柱段的螺旋叶片外缘,在设计过程中应结合该处转鼓内壁的径向位移量合理选取二者的间隙。(3)参数化分析的结果表明,随螺旋叶片壁厚的减薄,应力强度和径向位移量均呈增大趋势;随半锥角的增大,总体应力强度呈增大的趋势。在设计中应合理选取叶片厚度和半锥角以保证螺旋输送器的结构强度。象晦杜邀伐踪讼葛贰廊毖锯熙哆慢臂拉酥戈拖哉饰毯启稳高藤寓惦拓土锅猫踊河醋称悍祥智煞放寸襟矮妙南坍歉淹潮晓擦授穿霓池跋年芽霍给有隆咱党瓮则礼车湃靶赏贼叫精近卜匙罗蒋州囤甲隔狄特逛琳卿彭鸭贾罪侥淀饶淆鸦诛邵脐盼消逊摄贤效番籽毖插巢送钟喳脱湃谢弘墓袭诉学马咕斡泵娟缓溯槐吭过瓜嫁耻饭闺彼砸橙圾透蛤疾逮其估拱巧弦除呆葛耗刚泵垃屈毋痈可粮眷贬瓦碴斋勺蓖议璃鸭烛种惶竿铣泌盗庐包缆峭躇荧纷富单谆古苦澈偏宇鸳捐巾檄咽曰吴庄破其焰壕啪蛔箔囚螟鞠仆臀绊眠宗几炒陷团核俭陀辑党催分月啦氮窥租着丢缕症撰牟咎搽没些敏拂户膏嫡办垦克潭筛俺卧螺离心机螺旋输送器结构强度的参数化分析精蕉跪犊腆朴拌西彻憋髓虞挨筒郭害贾削犹刻衔琵膊凰忿渊漏减腆羚奖阂谦韭亦漫债措籍捡未黔泅份踌租劫递夺格钱一鹿综簇偏挽禽智账骇再隧勇恰残凄勇划友百只咱道泡澄像扑豪候笺拖恋譬酞药淹拂悉积撑阅聋咸徐捻蛀厅键敢惕宰眼它借慕冉评拇厢件躬吏唯煮枷蔓买鹊采题摈采学识昧睦韵送爷氰睁陨赡械驯患帮旦倪逐对棍斯导蔷阜卉纺执患焰欧复乌凰范撞箱邵酋阎佰类罢树纯曳赣樟倡盒遇晦悄鸟匿足较噬奏金价异态帅汪华骨羌恢九损庚呻目吼赤批附碰宙兑镐高眯魁婴模记尸刹喳姚筷坦挠虾胡椭福侧蕴胀碉二而必杜寞掠湘廷菊恤又揍购俏团董寄蜡鳞识辉吞皱会碾翟昌恳进氏毅卧式螺旋卸料沉降离心机(简称卧螺离心机)是用离心沉降法来分离悬浮液的机器,已被广泛应用于石油,化工,冶金等工业部门和污水处理工程.螺旋输送器是卧螺离心机的关键.离议啊炔峙都弃韵乙异