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离心机转鼓整体三维有限元 分析与强度计算 刘友宏 蒋蓓蓓 摘要 转鼓是离心机的关键部件,其设计正朝着转速更高,直径更大的方向发展, 因此鼓壁鼓底等零部件间的相互影响和作用越来越大。 这类结构的强度问题更为突出, 对强度分析的要求也越来越高。 为此,本文提出用三维立体单元对过滤式离心机整个转 鼓进行分析。 由于此方法对转鼓全部采用三维立体单元进行网格划分,因而可以模拟复 杂的局部结构和边界条件。本文对某国产卧式刮刀卸料离心机大直径转鼓的有限元计 算结果表明,在转鼓底和拦液板中的应力水平较低;在转筒体中应力水平较高,在开孔 周围存在着应力集中现象,最大虚拟弹性应力值远大于材料的屈服限。最后,对该离心 机转进行了强度评定。 关键词 离心转鼓 有限元 应力 强度评定 1 引言 离心机转鼓是离心机中的关键部件之一。 随着离心机单机生产能力的提高,这类结构的 强度问题更为突出,对强度分析的要求也越来 越高。 过滤式离心机转鼓开有许多小孔,其应力 状态更为复杂。 目前,常采用二类方法对这类结 构进行强度分析。对转鼓筒体采用有力矩理 论和无力矩理论进行分析,对转鼓底和拦液板 等盘类零件采用二次计算法进行应力分析。 轴对称有限元分析。将转鼓筒体和转鼓底等全 部看成是轴对称的或等效轴对称的。 随着离心机分离因数的提高,转鼓部应力 的作用越来越大。 在上述方法中,方法没有合 理考虑转鼓各零部件间的协调性;对过滤式离 心机,方法不能精确考虑因转鼓壁开孔对转 鼓强度带来的影响,另外,轴对称单元也不能方 便处理非轴对称的边界条件,如刮刀力。因此, 将过滤式离心机转鼓进行整体三维有限元分 析,具有重要的工程实际意义。 2 有限元模型建立 211转鼓结构 根据设计图纸,本研究的卧式刮刀卸料离 心机转鼓整体结构如图1所示。转鼓材料为 1Cr18N i9T i。 212网格划分 本分析采用三维立体单元对图1的1?4开 孔转鼓结构进行网格划分。图中未给出的局部 过滤结构在网格划分时均按实际结构尺寸用五 面体单元或六面体单元精确给出。经过网格划 分试验和调整,在保证计算精度的条件下,划分 的有限元网络如图2所示。单元总数3280,节 点总数8254。 213载荷和约束 02过滤与分离 1998年第4期 作者:刘友宏讲师,博士,工作单位:江苏石油化工学院机械系,地址;江苏省常州市,邮编: 213016,联系电话: 051923285872 收稿日期: 19980912 图1 转鼓结构示意图 图2 有限元网格划分图 计算所考虑的力载荷为:转鼓内物料、 筛网 等质量旋转时产生的离心力以内压载荷的形式 均匀作用在转鼓筒体(除去小孔的面积)内壁面 上;流动性物料对转鼓底和拦液板产生的压力 也以均布载荷的形式作用在转鼓底和拦液板的 内壁面上;在轮毂轴孔内表面作用最大可能产 生的配合应力015M Pa。 刮刀力载荷为:刮刀力 的大小与物料性质、 滤渣压 紧程度、 转鼓直径与转速、 刮 刀的几何形状以及切割速度 等有关,对这一部分的计算, 目前有不同的近似方法。本 文采用较保守公式 F5= Kd60hB nT5 式中各符合的意义见文献 (1), 各符号的值按保守值进 行选取计算,得到刮刀传递 的转鼓筒身内壁面上的切向 力为26914kgf。因为刮刀是 宽刮刀,所以把刮刀力作为 力的边界条件均匀施加到有 限元计算模型筒体45 方向 的内壁面网格节点上,力的 方向与转鼓壁面相切。 约束条件:在图2所示 的1?4转鼓对称面垂直方向,位移固定,其它方 向为铰支。 为限制轴向自由度,任取模型的某一 节点的轴向位移为0。 214有限元计算软件 采用目前国内外应用广泛的商用有限元计 算软件SSA P91软件。 3 有限元应力计算与分析 为了判定刮刀力对转鼓应力场影响的程度, 本文尝试将刮刀力作为力的边界条件均匀施加到 有限元计算模型筒体45 方向的内壁面网格节点 上。这带有一定的近似性,因为刮刀力并不具有 1?4的对称性,但并不影响本文计算结果的正确 性。计算时考虑了以下二种载荷工况: 工况一:模型承受全部载荷的作用; 工况二:模型中不考虑刮刀力载荷的作用。 计算结果表明,因为刮刀是宽刮刀,刮刀力作用 节点所承受的离散刮刀力与离散离心力相比较 12过滤与分离 1998年第4期 小;另外,转鼓壳体周向刚度远大于径向刚度, 所以刮刀力对转鼓筒体应力场影响较小,两种 工况计算结果基本相同。 以下不分工况,以工况 一为准。转鼓中最大应力点位于径向变形最大 的转鼓轴向中间筒体 8孔A点(图1所示)的 内表面处。图3为转鼓筒体最大应力点处内壁 表面最大主应力场等值线图(图中应力值的单 位为: 01098 M Pa,下同)。因为转鼓筒体每一个 开孔周围的应力场分布相似,应力值相近,所以 图中仅表示了最危险点附近一个孔周围的最大 主应力等值线图。 转鼓工作时变形如图4所示, 转鼓筒体的最大径向位移0189mm。最大应力 点各应力分量为: xx= 261. 8 M Pa yy=231. 2 M Pa zz=2113. 0 M Pa xy= 4. 9 M Pa 图3 转鼓内壁面最大主应力场等值线分布图 图4 转鼓变形图(变形值放大100倍) yz=20. 9 M pa zx=2110. 6 M pa 图5 转鼓底最大主应力场等值线图 图6 转鼓底最大主应力场等值线图 图7 拦液板最大主应力场等值线图 图8 拦液板最大主应力场等值线图 22过滤与分离 1998年第4期 转鼓底的最大主应力场等值线图见图5和 6所示;拦液板的最大主应力场等值线图见图7 和8所示。 从图3可见,转鼓筒体开孔附近有应力集 中现象,虚拟弹性应力值远大于材料的屈服限。 应力值大小与弹性力学的齐尔西解答(2)是基 本一致的。引起孔边应力集中的均布载荷主要 是筒体的周向薄膜应力,对图1的离心机转鼓, 如果忽略轴向和径向薄膜应力,则开孔转鼓的 总周向薄膜应力 2等于转鼓自身质量、 筛网质 量和物料质量引起的周向薄膜应力之和,即: 2=(1 2)+ 2 (1 2 )+ 2 =0R 22 ( 1 2) + sSsR 22 S ( 1 - ) + mf2R 3K 2S = 108. 44 M Pa 式中各符号的意义见文献(1)。 按照齐尔西 解答,由此引起的孔壁最高峰值应力为32= 325. 3 M Pa。 这与本文41212节根据有限元计算 结果,线法处理得出的孔边最大一次周向薄膜 应力31110M Pa是接近的。 从图58中可见,转鼓底和拦液板中应力 水平较低。 从图中可以看出,在结构不连续的地 方有应力集中现象存在,在它们与转筒体连接 区有较高的峰值应力存在。 4 强度评定 411依据 离心机转鼓筒体在工作时就是一只承受内 压作用的圆筒形压力容器。从而可按照A SM E 锅炉及压力容器规范第V 卷第二册中AD 140设计准则的规定,强度校核采用最大剪应 力理论,应力强度规定为最大剪应力的2倍,即 S= max 1-2,223,321式中, S 为应力强度;1,2,3为主应力。 根据A SM E锅炉及压力容器规范第V 卷第二册强制性附录 4 ( 以应力分析基础的设 计)中的规定: 一次总体薄膜应力强度Pm应不超过设计 许用应力强度Sm,即: PmSm 一次局部薄膜应力强度P1的许用极限为 11 5S m,即: P11. 5Sm 一次局部薄应力加一次弯曲应力的应力强 度P1+ Pb的许用极限为11 5S m,即: P1+ Pb1. 5Sm 一次局部薄膜应力加一次弯曲应力以及二 次应力的应力强度P1+ Pb+ Q的许用极限为 3S m,即: P1+ Pb+ Q 3S m 一次局部应力、 一次弯曲应力、 二次应力以 及峰值应力的应力强度P1+ Pb+ Q + F的许用 极限为 2S a,即: P1+ Pb+ Q + F 2S a 式中Sa为转鼓材料在一定循环次数下的 疲劳许用应力幅 对转鼓底和拦液板等零部件按照固体力学 最大剪应力理论进行强度校核,其强度条件为: SH 式中,H为焊缝系数,本文 H= 1. 0; 为 材料的设计许用应力,即Sm。 根据上述规定,可对转鼓各零部件中的最 大应力点进行强度校核。 412 强度校核 41211筒体一次总体薄膜应力 由离心载荷引起的薄膜力为一次总体薄膜 应力,根据中径公式可得: Pm108. 4 M Pa Sm= 147. 0 M Pa 式中Sm为转鼓材料在设计温度下的许用 应力强度。 41212筒体局部应力 根据A SM E锅炉及压力容器规范第V 卷第二册强制性附录4中的应力分类可知,转 鼓筒体开孔处的局部应力为一次局部薄膜应 力、 二次应力和峰值应力的组合。 其强度条件为 P11. 5Sm P1+ Q 3S m 32过滤与分离 1998年第4期 P1+ Q + F 2S a 根据主应力和应力强度的计算方法,利用 线法手段,可由最大应力点处的应力分量求出 强度校核条件中所需要的应力强度: P1= 345. 2 M Pa P1+ Q = 435. 3 M Pa P1+ Q + F= 435. 3 M Pa 刮刀卸料离心机是周期性工作的,转鼓承 受的是低周疲劳载荷的作用,而且可以认为主 应力方向在循环中不变。 按离心机的设计寿命、 操作周期算得相应的循环次数1175105。由 A SM E锅炉及压力容器规范第V 卷第二册 强制性附录,按奥氏体不锈钢的设计疲劳曲线 算得相应的疲劳许用应力幅Sa= 254. 9 M Pa。 强度校核如下: P1= 345. 2 M Pa1. 5Sm= 220. 5 M Pa P1+ Q = 435. 3 M Pa 3S m= 441. 0 M Pa P1+ Q + F= 435. 3 M Pa 2S a= 509. 8 M Pa 由开孔引起容器壳体不连续效应产生的局 部薄膜应力(周向薄膜应力)具有二次应力的性 质,规范中是偏保守地划为一次应力的范畴,实 质上是为了防止局部材料发生塑性流动,导致 过量的塑性变形而失效。本文8孔很小,一次 局部薄膜应力主要是指开孔处的周向薄膜应 力,它不但具有自限性,沿开孔半径方向衰减很 快,如在二倍开孔半径(r= 8mm)处已变为 132. 3 M Pa;而且因为转鼓筒体承受的轴向外载 荷(轴向一次总体薄膜应力)很小,所以一次局 薄膜应力沿开孔周向衰减亦很快,如沿圆孔边 周向转过45 后,局部薄膜应力强度,经线法处 理为189. 1 M Pa。因此考虑到离心机的工作特 点,本文设计的转鼓筒体开孔间距41 9d (d为开 孔直径)较大,该一次局部薄膜应力不会引起筒 体局部的过量塑性变形,转筒体强度是安全的。 41313鼓底、 拦液板强度校核 利用SSA P991软件后处理功能,选择2倍 T resca开关,可方便地求得鼓底和拦液板中的 应力强度为: 转鼓底 Sb= 101. 6 M Pa 拦液板 Sl= 99. 4 M Pa 强度校核如下: Sb= 101. 6 M Pa = 147. 0 M Pa Sl= 99. 4 M Pa = 147. 0 M Pa 5 结论 从上面的计算分析结果可以知道,离心机 转鼓筒体开孔附近有严重的应力集中现象,转 鼓中最危险点位于转鼓筒体上径向变形最大的 开孔内壁表面的A点处。转鼓底和拦液板中的 应力水平较低。有必要对转鼓进行应力分析和 强度计算。 强度计算分析结果表明,本设计转鼓 在正常操作过程中是安全的。 参考文献 1 高慎琴,化工机器,化学工业出版社, 1992 2 徐芝纶,弹性力学,高等教育出版社, 1982年第 二版 3 中国机械工程学会压力容器分会,A SM E锅炉 及压力容器规范,第V 卷第二册,化学工业业部设备 设计中心站, 1992版 4 JB473295,钢制压力容器分析设计标准, 全国压力容器标准化委员会, 1995 5 AL GOR FEA S(Super SA P91版)用户手册 (内部资料) 编辑:舒伟文 (下转第48页) 42过滤与分离 1998年第4期 要是使离心机外形简单,成本降低、 管线流动时 间减少,产品性能超出预想效果。 对逆流技术,不同的人有不同的看法。 因为 它不是唯一的。 所以,这里所介绍的观点的确超 出了纯粹的传统概念。下功夫增强对沉积固体 (表现为以设计方案为基础的特征)的计算机辅 助设计(CAD)能力。这样,不仅仅是增加了 CA E和它的直接分析能力,而且可使CA E和 CAD处于一个相互兼容的网络中,第三,产生 了一种新的机器管理工具,并且它能有效地与 CAD?CA E联网。 在这个报告中,已经取得的成果都收录于 内。然而,随着设计智慧化的不断发展,将会有 更多更重要的成果涌现。现将已经取得的成果 列出如下: 产品图纸的设计时间减少了50% ,实际 上,产品图纸已转换为电子化数据文件,它完全 能连续地同加工小组联网。 设计分析时间(CA E)减少了5070%。 产品样机生产时间从24个月减少到14 15个月。 制造商能降低其成本,而且产品的性能 更好。因为它们是从贮存在电子网络中的图样 信息中传递出来生产的。 成品的质量要满足尺寸,光洁度和平衡 等所有的新要求。新的平衡技术将成品的不平 衡量减少到一半以上。 6 结束语 先进的螺旋离心机的设计,在九十年代希 望能够成为不仅具有较高的分离因数技术,而 且在转鼓内应具有更有效的固体和液体流态分 布状态。产品生产和产品推出所需的时间将减 少。这就要求一个优质的设计中心拟定发展策 略,为将来的革新进步打下良好的基础。 (译自第六届世界大会论文集) 编辑:李秀琴 Advance in Decanter Technology Joseph F1Luchetta A laf L av A l S eparation,Inc, 955M earns R oad W arm inster,Pa18974U.S.A T his article is translated f rom the paper volum es w hich is f rom the m etting of N o. 6w orld f ilter. (上接第24页) 3- D FE Analgsis and Strength Calculation of the Integral Centrifgal Bashet L iu Youhong J iang B eibei ABSTRACT: A basket is one of the critical centrifuge components . W ith the de2 velopment of centrifuges, the strength of basket becomes a more severe problem. The design of modern centrifuges is trending higher speed and larger diameter. Thus the c