（化工过程机械专业论文）卧螺离心机螺旋输送器的强度和振动分析.pdf

摘要 卧螺离心机螺旋输送器的强度和振动分析 摘要 卧螺离心机是一种广泛应用的高效离心分离设备，它具有连续操 作、处理量大、单位产量耗电量较少、适应性强等特点。螺旋输送器 是卧螺离心机的主要部件，它的结构和参数不仅关系到离心机的生产 能力和工艺效果，而且在很大程度上决定了卧螺离心机的使用寿命。 论文计算了离心机的生产能力，根据质量守恒进行了处理量估算， 对离心机中沉渣进行了力学分析。 论文应用a n s y s 有限元分析软件，使用其自有的参数化编程语言 a p d l ，建立了卧螺离心机螺旋输送器的三维有限元分析模型，考察了 单元划分的影响。论文重点对正常工作状态下的螺旋输送器进行了应 力场和位移场的计算与分析。 论文探索了螺旋输送器上开孔对其强度的影响。结果显示，虽然 开长形孔使输送器上应力增加，但在保证进料量和物料不堵塞的情况 下，可以开设周向狭长进料孔。增加螺旋输送器内筒壁厚在一定范围 内能够降低其应力，但壁厚超过一定值后，增加壁厚应力强度值反而 增大。 论文参照压力容器的分析设计法对螺旋输送器进行了强度校核， 结果表明在正常工况下，螺旋输送器的强度满足要求。 论文对螺旋输送器进行了模态分析，结果表明螺旋输送器在正常 的转速范围内不会发生共振。 论文计算了不同轴承刚度、不同轴承位置以及不同内筒壁厚下的 输送器固有频率，供离心机的没计和结构优化时参考。 关键词：卧螺离心机，应力，固有频率，有限元分析 a b s t r a ( ? r s t r e n g t ha n d b r a t i o na n a iy s i so ft h e s c r e wc o n v e y o ro fd e c a n t e rc e n t r i f u g e a b s t r a c t d e c a n t e rc e n t r i f u g ei sw i d e l yu s e dc e n t r i f u g a ls e p a r a t i o ne q u i p m e n t w i t hc o n t i n u o u so p e r a t i o n ，h i g he f f i c i e n c y , h i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n ， l a r g ec a p a c i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds t r o n ga d a p t a b i l i t y s c r e w c o n v e y o ri st h em a i nc o m p o n e n to fd e c a n t e rc e n t r i f u g e ，i t ss t r u c t u r ea n d p a r a m e t e r sd e c i d en o to n l yt h ee f f e c t i v e n e s so fc e n t r i f u g i n gp r o c e s s ，b u t a l s ot h el i f e s p a no ft h ew h o l em a c h i n e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec a p a c i t yo fac e r t a i nk i n do fc e n t r i f u g ei s c a l c u l a t e d ，a n db a s e do nt h em a s sc o n s e r v a t i o nl a w , t h ey i e l do fw e t s e d i m e n ti se s t i m a t e d f u r t h e r m o r e m e c h a n i c a la n a l y s i si sc a r r i e do u tf o r t h es e d i m e n td u r i n gt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h ec o n v e y o r t h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs c r e wc o n v e y o rw a s c r e a t e dw i t hp a r a m e t r i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea p d lo ft h es o f t w a r e a n s y s ，a n dm e s hd e n s i t yw a st e s t e df o rt h ea c c u r a c yt h em o d e l i n g s t r e s s a n dd e f o r m a t i o no fs c r e wc o n v e y o ru n d e rn o r m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n s w e r ea n a l y z e d i n f l u e n c eo fo p e n i n go ft h ef e e d i n gh o l eo nt h es t r e n g t ho ft h ei n n e r t u b ew a si n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o wt h a ta l t h o u g hal o n go p e n i n gr a i s e st h e s t r e s si nt h ec o n v e y o r , al o n ga n dn a r r o wc i r c u m f e r e n t i a lf e e d i n gi n l e t c o u l db ea l l o w e di nt h ep r e c o n d i t i o no fe n s u r i n gf e e dr a t ea n dc a u s i n gn o ja m i n c r e a s i n g t h et h i c k n e s so ft h ei n n e rt u b ec o u l dd e c r e a s et h e m a x i m u ms t r e s si n t e n s i t yi nt h ew h o l ec o n v e y o r , b u tt h em a x i m u ms t r e s s i n t e n s i t yi nt h eb l a d ec o u l dd e c r e a s ef i r s ta n dt h e ni n c r e a s e r e f e r r i n gt ot h ea n a l y s i sd e s i g nc o d ef o rp r e s s u r ev e s s e l ，s t r e n g t h c h e c kw a sc a r r i e do u tf o rt h es c r e wc o n v e y o ru n d e rn o r m a lw o r k i n g c o n d i t i o na n di tt u r n so u tt h a ta l lt h es t r e n g t hr e q u i r e m e n t sa r es a t i s f i e d m o d ea n a l y s i sw a sa l s op e r f o r m e df o rt h es c r e wc o n v e y o ra n di ti s f o u n dt h a tu n d e rn o r m a lo p e r a t i o n ，r e s o n a n tv i b r a t i o nw i l ln o th a p p e n i i i b e s i d e s ，n a t u r a lf r e q u e n c i e su n d e rd i f f e r e n ts t i f f n e s s ，l o c a t i o n s a n dt h e t h i c k n e s so ft h ei n n e rt u b ew e r ec a l c u l a t e d ，w h i c hc o u l db eh e l p f u lf o r d e s i g na n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no f t h ec o n v e y o r k e yw o r d s ：d e c a n t e r , s t r e s s ，n a t u r a lf r e q u e n c y , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i v 符号说明 符号说明 转鼓半锥角，度：接触角，度； 螺旋叶片倾角，度； 螺旋角，度； 导程，m ； 角速度，r a d s - 1 ； 液相密度，k g m - 3 固相密度，k g i n _ 3 ； 固液相密度差，k g m - h 螺旋和转鼓的转速差，r a d s - 1 ； 螺旋输送器等效沉降面积； 生产能力修j 下系数； 转鼓对沉渣的法向反力，n ； 转鼓内直径，m ； 沉渣与转鼓间的摩擦系数； 沉渣与螺旋叶片间的摩擦系数； 叶片上单位长度的正压力，n m - 1 ； 离心力，n ； 每秒钟获得的湿沉渣量，k g s _ 1 ； 螺旋叶片高度，m ； 螺旋输送器圆柱段沉降区长度，m ； 螺旋输送器锥段沉降区长度，m ； 沉降区总长度，m ； 螺旋叶片半径，m ； 螺旋内筒半径，m ； 物料在转鼓内位置的半径值，m ； 液环层最小半径，m ； 正常工作时的绝对温度，k ； 液环层厚度，m ； 螺旋内筒壁厚，m ； 螺旋叶片壁厚，m ； 重力场下粒子自由沉降速度，m s - 1 ； 雷诺准数； i x 口 秒 夕 以免 q d疋艿风凡g l 厶厶b r如风母r五 “， 胎 北京化工大学硕上学位论文 f r z 8 r o n a x d b l e n z d c 分离因数；轴承所受外载荷； 滚动体数目； 滚动体与内外套圈接触处的径向弹性变形量，r l l l t l ； 轴承的最大滚动体受力，n ； 滚动体直径，m m ； 滚动体有效长度，l r l n l ； 自输送器柱锥结合处始，输送器圆柱段螺旋导程数的 2 倍，即柱段两头螺旋导程数之和； 本文所研究的输送器的导程长度，0 3 9 5 m x 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 - 彳1 2 、一7。 作者签名：奎皇! 垄日期：! 竖：壁 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在必解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：至童主垫 导师签名：毒阻 日期兰三：兰：翌一 日期：迎z 冱。妞 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于北京化工大学机电工程学院和辽阳石化公司关于m 1 1 4 1 1 a 重 型卧螺离心机设计制造的合作项目，课题任务为对该离心机的主要部件螺旋输送 器进行结构安全性分析，考察在各种工况条件下螺旋输送器能否满足强度和变形 要求，计算螺旋输送器的固有频率，考察输送器工作转速能否远离临界转速区域 而避免共振。 1 2 离心机的发展及应用 离心分离是利用离心力对液固、液液固、液液等非均相混合物进行分离的 过程。实现离心分离操作的机械称为离心机【啦】。 离心机和其它分离机械相比，不仅能得到含湿量低的固相和高纯度的液相， 而且具有节省劳力、减轻劳动强度、改善劳动条件，具有连续运转、自动遥控、 操作安全可靠和占地面积小等优点。因此自第一台工业用三足式离心机在德国问 世，迄今一百多年以来已获得很大的发展。离心机品种繁多，各有特色，并正在 向提高技术参数、系列化、自动化方向发展，专用机种越来越多。离心机基本上 属于后处理设备，主要用于脱水、浓缩、分离、澄清、净化及固体颗粒分级等工 艺过程，它是随着各工业部门的发展而相应发展起来的。现在离心机已广泛用于 化工、石油化工、石油炼制、轻工、医药、食品、纺织、冶金、煤炭、选矿、船 舶、军工等各个领域。例如湿法采煤中粉煤的回收，石油钻井泥浆的回收，放射 性元素的浓缩，三废治理中的污泥脱水， 淀粉及农药的制造，牛奶、酵母、啤酒、 各种石油化工产品的制造，各种抗菌素、 果汁等食品的制造，纤维脱水及合成纤 维的制造，各种润滑油、燃料油的提纯等都使用离心机。离心机己成为国民经济 各个部门广泛应用的一种通用机械【1 1 。 离心机种类繁多，可按分离原理、操作目的、操作方法、结构形式、分离因 数、卸料方式等分类。按分离原理可分为过滤式离心机和沉降式离心机两大类， 详见图1 1 【2 1 。 北京化工人学硕上学位论文 鸯鸯秘乃姆冉 眷式括蠢推转 上聱娜# 下蕞挪并 力q # 曩膏嚣 分离叠 图1 - 1 离心机的分类 f i g 1 - 1c l a s s i f i c a t i o no fc e n t r i f u g e 1 3 卧螺离心机的结构特点和工作原理 控型 拄镶蓖 囊锭螫 螺旋卸料沉降式离心机是高速运转，连续进料、分离分级、螺旋推进器卸料 的离心机，分为立式螺旋卸料沉降式离心机和卧式螺旋卸料沉降式离心机【l 弓】。自 从第一台卧螺离心机诞生以来，由于它具有连续操作、处理量大、单位产量耗电 量较少、适应性强等特点而得到了迅速发展0 1 。随着环境保护和三废治理发展的 需要，对于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高，因此促使卧螺离心机有了进 一步的发展。在合成塑料及合成纤维生产的分离设备中，卧螺离心机已成为关键 设备之一【1 1 - 1 5 。 卧螺离心机还可按转鼓的结构形式、分离特性、流场型式、排出方式、差速 器的结构形式、用途等分类 2 , 1 6 , 1 7 ，详见图1 2 。 2 = 一 篓罢 要 薹蕊 一一一一一一 第一章绪论 野缫离心机的分类 转鼓的结构形式 翻锥体 柱锥体 双锥体 圆柱体 带有滤网的 带宵碟片的 离心机的分离特性 霎磊警篓誊竺薯 i 逆漉型 轻楣流的流场形式 磬漉毽 l 混合型 轻相流的捧出方式 票皇篝萋 i 电磁式 差速器的结构形式强蔓胨式 l 机械式 l 脱水 卧螺离心机的用途 澄清 1 分级 图1 - 2 卧式螺旋离心机的分类 f i g 1 - 2c l a s s i f i c a t i o no f d e c a n t e rc e n t r i f u g e 卧螺离心机在化工厂是一种非常常用的设备，适用于分离含固相颗粒粒径 5 9 m 的悬浮液和澄清含少量固相的液体，也适合分离对滤布再生有困难无定性物 料及固相浓度和颗粒度变化范围较大的悬浮液，对细粘物料分离后滤渣一般含湿 量较高，处理量也减少【i 】。 卧螺离心机的工作原理和主要结构如图1 3 所示。在机壳6 内有两个装在主轴 承3 和8 上的同心回转部件，外面是无孔转鼓7 ，里面是螺旋输送器4 。主电动机 通过三角皮带轮带动转鼓旋转。转鼓通过左轴承处的空心轴与行星差速器9 的外 壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓作同向转动，但转速不同， 其转速差一般为转鼓转速的0 2 3 。料液从右端的中心加料管l 连续送入机内， 经过螺旋输送器内筒加料隔仓的进料孔5 进到转鼓内。在离心力的作用下，转鼓 内形成了环形液池，重相固体粒子离心沉降到转鼓内表面上而形成沉渣，由于螺 旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓小端的干燥区，从排渣孔 1 2 甩出。在转鼓的大端盖上开设有若干溢流孔1 1 ，澄清液便从此处流出，经机壳 的排液室排出【1 8 锄】。当过载或螺旋输送器意外卡住时，保护装置l o 能自动断开主 电动机电源，停止进料，防止事故发生【2 1 1 。 北京化。【大学碗上学位论立 田1 - 3 卧螺离心机t 作原理幽 f i g 1 3 0 p e r a t i n gp n n c i p l e o f d e c a n t e c c e n t r i f i l g e l 一进料管2 一j 角皮带轮3 一右轴承4 螺旋输送器5 一进料孔6 一机壳 7 转鼓8 左轴承9 行星羞速器l o 过载保护装置1 1 溢流孔1 2 一排渣扎 调节溢流挡板溢流口位置、机器转速、转鼓与螺旋输送器的转速差、进料浓 度，就可以改变沉渣的含湿量和澄清液的含固量。 卧螺离心机转鼓的参数一般包括最大内径、长度、锥形部分的锥角和溢流直 径。转鼓的形状有圆筒形、圆锥形和筒锥结台形。圆筒形有利于固相脱水，圆锥 形有利于液相澄清，筒锥结合形兼有两者特点。为了减少筒壁的磨损和防止沉渣 打滑，在转鼓内表而通常焊有筋条或锉 沟槽。转鼓的锥角对物料的输送有很大 的影响，对愈难输送的沉渣，转鼓的锥角电就愈小，以避免产生回流现象，顺利 排渣。但足，转鼓的锥角越小，卧螺离心机的沉降面积也越小使用效率也就越 低口“。所以，必须选择合适的转鼓锥角。 卧螺离心机转鼓最重要的参数足其最人内径，离心机的型号和系列化都是以 此作为主要参数柬制定。转鼓的最大内径和转鼓的转速决定了离心机分离因数的 大小洲。 转鼓体的全长同最人直径的比值即k 径比。对于易分离的物料，长径比为1 2 ， 一般在l5 五：右：对于难分离的物料，长径比为2 5 - - 4 ，一般在3 左右；睦径比超 过4 时，在制造上有网难，但它是末束发展的方向口”。 埘难分离的悬浮液，增加眭径比是提高产量所要考虑的首选方式。分析表明： ( 1 ) 分离难分离悬浮液时离心机的产量主要取决 二转鼓的圆周速度，而分离易 分离的悬浮液时则主要取决于转鼓的几何尺寸； ( 2 ) 难分离的低浓度悬浮液的产量 要取决于圆周速度和转鼓的长度； ( 3 ) 由于长径比大于4 时受到制造的限制，为了增加长度绝对值，必须同时增加 转鼓直径； 第一章绪论 ( 4 ) 单位金属消耗与直径平方成正比，而与转鼓长度无关。 所以，对难分离的悬浮液，提高产量优选小直径条件下提高长径比，若最高 的长径比仍不能保证产量，则增加转鼓直径【2 3 1 。 为了获得更干燥的滤渣，可以采用在锥段排出口附近的内筒上安装流动控制 结构。可调溢流口能够调节转鼓内液面深度，来适应不同物料的需要【2 4 】。在转鼓 大端有两个环形板，每个板上都有许多凹槽，调整一个环板相对另一个环板的角 度，就可以通过增加或减少凹槽重叠部分来改变溢流口的高低【2 5 1 。 随着各行业对高精度、高质量设备需求量的不断增加，各种类型的离心机不 断出现，品种繁多，各具特色，并且都向提高技术参数、系列化、机电一体化方 向发展。螺旋卸料沉降离心机由于能够连续出料，生产能力大，对物料的适应性 强，结构紧凑，占地面积少等特点，因此应用越来越广泛。目前其发展速度很快。 其整体发展趋势有以下几个特点【2 3 】： ( 1 ) 为了提高单机生产能力，采取加大转鼓直径，增加长径比的方法。 ( 2 ) 为了分离固相颗粒比较细，粘度大的悬浮液，采取提高转速度方法，如阿法 拉法公司生产的4 5 0 0 离心机，转鼓直径3 1 0 m m ，转速达7 6 0 0 m i n - 1 ，这样高的转 速，目前我国还不能达到。 ( 3 ) 目前国外先进离心机己实现在离心机上对分离物料的自动检测与调节，机械 性能自动保护，振动的随机检测和自动报警，过载保护分离反馈等，并且性能不 断强化。 ( 4 ) 适应不同物料及工况的需要，目前国内外离心机制造厂推出来多种型号的防 爆型离心机，用于易燃易爆场合的物料分离。 卧螺离心机的主要优点如下【1 】： ( 1 ) 自动、连续操作，无滤网和滤布，能长期运转，维修方便。 ( 2 ) 应用范围广。它能完成下列分离过程： 1 ) 固相脱水对易分离物料，其脱水效果与过滤式离心机一样好。对含有可压缩固 相的悬浮液，在过滤离心机上分离效果很差，甚至无法分离；用卧螺离心机能完 成此分离过程。 2 ) 液相澄清它对液相的澄清效果虽然不如分离机，但是可获得比分离机干得多的 沉渣，而允许的悬浮液固相浓度比分离机高的多。 3 ) 可分离固相重度比液相轻的悬浮液。通常这种物料是用过滤式离心机来分离的， 但是当固相是可压缩的物料或滤布清洗、再生有困难时，只有依靠结构上稍加改 进的离心机进行分离。 4 ) 液一液一固分离固相含量大于1 4 的液一液一固混合物，在碟式分离机上难 以分离。一般分离这种物料要先进行液一固分离，再进行液一液分离。然而，用 卧螺离心机可以直接把固相和轻、重液相一次分离。 5 北京化工人学硕士学位论文 5 ) 粒度分级通过卧螺离心机可以将固相按颗粒大小进行分级。 ( 3 ) 对物料的适应性较大，能分离的固相粒度范围较广，并且在颗粒大小不均匀 的条件下，能照常分离得很好。能适应各种浓度悬浮液的分离，浓度的波动不影 响分离的效果。 ( 4 ) 结构紧凑、易于密封，某些机型能在高压和低温条件下操作。 ( 5 ) 单机生产能力大，分离质量比转高，操作费用小，占地面积小。 1 4 研究成果和发展趋势 1 4 1 理论分析方面 1 9 9 2 年丹麦的n i e l sf i m a d s e n t 2 6 】进行了大长径比卧螺离心机的理论和实践的 研究，证明了在能耗上大长径比卧螺离心机优于与之相当的小长径比的大直径卧 螺离心机，当分离因数一定时，两种可替换的卧螺离心机能耗比与转鼓直径之比 成正比。但是由于卧螺离心机长径比的增加，带来了制造和设计的困难。在设计 中可采用柔性悬置主轴承、浸没式螺旋卸料器、分离式差速器等改进方法来克服 长径比增加带来的困难，使卧螺离心机的长径比超过4 2 以上，从而降低了投资成 本和运行费用。 南京绿洲机器厂研究所的颜春敏、黎长山【2 7 】定性地分析了沉渣的输送条件与 转鼓锥角、螺旋推料器叶片的倾角、螺距、液池半径、差转速之间的关系，阐述 了改善输渣条件的基本设计思路。 北京化工大学的黄志新【2 8 】对离心机中沉渣进行了力学分析，拟合出适用于不 同型式螺旋叶片的通用强度计算关联式；拟合了考虑转鼓转速、液层厚度和流量 影响的轴向速度关联式及自由液面层的周向速度滞后系数计算公式。 1 4 2 设计和结构改进方面 改进离心机螺旋叶片的结构，使转鼓锥端的叶片导面边缘在朝着沉渣排泄口 方向成弧形凹面，这样可以降低操作过程中所需的扭矩同时也可使排渣更干燥1 2 9 】。 针对螺旋叶片边缘输送沉渣易磨损，采用可更换结构，将叶片和衬瓦作为组 件一起焊接到输送器上，衬瓦开切槽，叶片边缘可以嵌到衬瓦的丌槽里，与衬瓦 机械固定，所以叶片边缘部分拆换比较方便【3 0 】。 天津大学杨培志【3 l 】分析了加强箍参数和预紧量对转鼓应力、寿命的影响，并 对j b t8 0 5 1 1 9 9 6 离心机转鼓强度计算规范中加强箍系数z 的适用范围提出了 修订建议。 刘超峰、纪莲清【3 2 】针对延长离心机寿命，减轻维修工作量，提出了对易损工 6 第一章绪论 作部件使用表面陶瓷化、覆盖硬质合金、覆盖高分子材料等进行表面改性的方案。 传统卧螺离心机转鼓与螺旋输料器的差速运转过程中连续进料、分离、排液 与卸渣同时进行，使得经沉降于转鼓壁的微细颗粒又重新被液体搅起，从而降低 了卧螺离心机的分离澄清效果。针对此现象，辛舟、尚鸿吴【3 3 】提出将差速器与超 越离合器结合在一起，在沉积物沉降时实现无差速运行。改进后的离心机传动机构， 可根据进料的固相浓度高低，在分离和排渣过程中选择不同的工作状态，提高了 离心机的适应性。 离心机分离的效果与转鼓的转速、螺旋输送器及转鼓之间的转差关系紧密。 传统离心机利用一个行星差速器实现差转速，通常情况下转速、转速差不能调节， 设备难以在最佳状态下工作。龚俊，路玉峰畔】等使用液压驱动来替代电机驱动以实 现转速和转速差的调节。冯惕张进峰【3 5 】使用双电机变频器对螺旋离心机进行了技 术改造，同样实现了工作状态可调的目的。 合肥工业大学的黄继武【3 6 1 应用快速设计技术和m d t 二次开发技术，进行了卧 螺离心脱水机的快速设计系统的开发，能够通过输入和修改主要参数得到设计产 品的三维模型。 1 4 3 新领域应用方面 隔膜电解法制烧碱产生的石棉废水通常采用混凝沉降加过滤来去除石棉绒。 马玉呀3 7 】将离心机分离回收方法引入该项处理，使用l w 3 8 0 8 8 6 c 1 l 型卧螺离心 机处理石棉废水并取得满意效果。 在氧化铝生产工艺流程中，对于溶出液的赤泥分离，传统工艺采用分离槽进 行沉降分离，分离速度慢，容易引起二次反应。吴运新，何成申【3 8 】成功利用卧螺 离心机实现溶出浆液的快速分离，实现大直径、大长径比的卧螺沉降式离心机在 氧化铝生产赤泥分离中的应用。 陈海员【3 9 】介绍了w l l l 0 0 0 式离心机在煤泥脱水回收的应用，表明卧螺离心 机可以提高选煤厂的分选效率、产品质量和精煤产率，对促进选煤企业向环保节 能型企业发展意义显著。 酒精行业的酒糟废液分离设备中，大型板框压滤机滤布再生困难，操作劳动 强度大，常规作业费用高；过滤式离心机物料易堵塞过滤介质，处理量小不能满 足生产需要。针对这些问题，刘长星j 等选用不同规格的卧式螺旋卸料沉降离心 机用于酒糟废液分离，取得了良好的应用效果。 葛东、栾兆爱【4 1 】等使用阿法拉伐有限公司生产的p 2 5 2 0 液一液一固卧螺离 心机进行煤焦油处理，处理后焦油水分基本保证在2 以下，固体含量可达到0 3 以下，对焦油乳化问题处理效果明显，同时有效降低了沥青产品中n a + 含量。 北京化工大学硕士学位论文 兰州石化公司投运的国内首套高浓度、高悬浮物的催化剂污水处理装置中使 用了德国福乐伟公司的z 5 3 4 4 5 5 型离心机，解决了高悬浮物和高氨氮废水处理 的环保难题【4 2 1 ，实现了催化剂污水的达标排放。 1 5 本课题研究的内容、方法、意义 本课题主要是应用a n s y s 有限元软件对卧螺离心机的主要部件螺旋输送器 进行应力和固有频率的计算，并分析内筒开孔、轴承设置对应力和频率的影响。 目前，还有一些化工厂需引进卧螺离心机或者是对已有的卧螺离心机进行改造， 本课题的研究有助于卧螺离心机的结构设计与改造，具有一定的理论和工程应用 价值。 第二章离心机结构和皋奉计算 第二章离心机结构和基本计算 2 1 螺旋输送器形式、材料和主要参数 2 1 1 螺旋输送器形式 螺旋输送器是螺旋卸料离心机的主要部件，它能连续地把沉渣送至排渣口排 出机外。它的结构、材料和参数不仅关系到离心机的生产能力、工作寿命，而且 还关系到分离效果的好坏。螺旋输送器的简体与转鼓同心的装在轴承上，螺旋输 送器边缘所形成的回转外廓通常同转鼓的形状相同，即有单锥、筒锥、双锥等形 式。为了输送沉降在转鼓内表面的物料，螺旋与转鼓以相同的方向旋转，但转速 不同( 一般转差为转鼓转速的0 2 3 ) ，此转差是由行星差速器来实现的。把沉渣 输送到小端的排渣口的条件，见表2 1 。 表2 - 1 螺旋输渣条件 t a b l e2 - 1c o n d i t i o n so fs e d i m e n tt r a n s p o r t i n g 螺旋缠绕方向螺旋柏对予转鼓的旋转转鼓与螺旋的旋转方向( 从小端看) 超前 颗时针 右旋 滞后逆时针 滞质顺时针 左旋 超酶逆时针 螺旋头数可以是单头、双头和多头，难分离的物料一般采用单头螺旋；需要产 量大又易分离的物料，多采用多头，但母液含固量会增加，在污水处理行业，一 般采用单头螺蒯4 3 1 。 2 1 2 螺旋叶片材料 通常情况下螺旋叶片选取与转鼓相同的材料。但是螺旋叶片推送沉渣，磨损 大，当分离物料中的固体粒子磨蚀性很大时，叶片表面更容易损坏。叶片磨损将 降低螺旋输渣能力，造成沉渣含湿量增大。如果沉渣与螺旋叶片的摩擦力大于沉 渣与转鼓内表面的摩擦力，则沉渣就粘附在螺旋叶片上并和螺旋一起旋转。于是 沉渣就不能从转鼓中卸出，并逐渐塞满转鼓【l 】。为防止这种现象发生，叶片材料必 须具有高硬度和高耐磨性。解决以上问题主要有以下三种方法： 9 北京化r t 大学硕士学位论文 ( 1 ) 螺旋叶片表面堆焊硬质合金选用钻铬、钻镍合金、碳化钨等进行表面堆焊， 其中碳化钨耐磨性较好。缺点为堆焊材料硬度大，表面打磨困难，修复难度大。 ( 2 ) 表面喷涂耐磨层耐磨层与叶片的结合强度较低，脱落后需要专业制造厂重 加工。 ( 3 ) 镶嵌耐磨元件使用埋头螺钉将耐磨片固定于支承螺旋叶片上，是较为简便 有效的方法。 2 i1 3 研究用螺旋输送器结构参数 根据设计图纸，本论文分析的卧式螺旋卸料沉降离心机的螺旋输送器外形为 筒锥形，由连续整体螺旋叶片( 双头左旋) 和两头圆柱形中间锥形过渡的内筒组 成，输送器材料为0 c r l 9 n i l 0 。 图2 - 1 螺旋输送器 l f i g 2 - 1s c r e wc o n v e y o r 螺旋输送器参数如下： 转鼓半锥角口，9 8 7 5 。；螺旋叶片倾角矽，0 。； 导程a ，0 3 9 5 m ： 螺旋角，6 0 2 ：t a n f l = 忐- o 1 0 5 5 ： 输送器正常工作时的绝对温度乃4 6 0 k ： z 7 a 输送器角速度，9 6 9 2 r a d s - 1 ；螺旋和转鼓的转速差a6 9 ，2 6 2 r a d f 1 ； 沉渣与转鼓间的摩擦系数，i ，o 1 2 ； 沉渣与螺旋叶片间的摩擦系数正：o 1 2 ； 每秒钟获得的湿沉渣量g ，3 3 3 k g f 1 ； 螺旋叶片半径r ，o 5 9 6 m ： 螺旋内筒半径风，0 4 2 2 5 m ； 物料在转鼓内位置的半径值r w ，0 6 m 液环层最小半径风，0 5 1 m ：螺旋内筒壁厚t l ，0 0 2 m ： 1 0 第二章离心机结构和基本计算 螺旋叶g - 壁厚t ，0 0 1 m ；螺旋叶片高度l ，o 1 5 3 5 m ； 重力场下粒子自由沉降速度= 警。 2 2 卧式螺旋离心机生产能力计算 2 2 1 湿沉渣产量计算 悬浮液自进料口进入沉降离心机转鼓后，液相沿转鼓轴向流动至溢流口处溢 出鼓外，其中的固相粒子随液相作轴向移动外，还在离心力的作用下沿径向沉降。 较细的粒子由于沉降速度较慢，沉降到鼓壁所需的时间较长，如果悬浮液进料量 过大，轴向流速过快，使较细粒子在转鼓内的停留时间少于沉降所需时间，则细 粒子将随液流溢出鼓外而不能被分离。因此，沉降离心机的生产能力，应理解为 能将所需分离的最小固相粒子沉降在鼓内，而不致随分离液带出的最大悬浮液流 量【1 1 。 溢流 图2 - 2 液环层示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fl i q u i dr i n g 一避料 沉降离心机的生产能力取决于液体的轴向流速和粒子的离心沉降速度，计算 离心机生产能力，首先考察设计结构参数和工作状态下离心机的粒子临界分离粒 径和离心场内流体流动状态。 在一定的离心力场下，当固体粒子小于某一定尺寸而不能被离心分离时，该 尺寸被称为极限粒子直径d l n l 。确定温度下，采用布朗运动和扩散现象确定的极限 粒子尺寸为 d i21 7 3 4 丽t ) 一4 = 1 7 3 4 x 而而声- - 0 3 5 岬 北京化工大学硕十学位论文 实际工作时计入生产能力的目标粒子直径为0 0 2 m m = 2 0 1 上m ，大于极限沉降尺 寸，正常工况下能够完成沉降。 根据雷诺和列辛科所做试验，球形粒子的自由沉降过程分为三个区域而有不 同的雷诺数：对于层流区，r e 1 6 ，对于过渡区，1 6 r e 4 2 0 。 假设离心机内流体流动状态处在层流区，则球形粒子自由沉降速度为： ：d e 2 a p g ：垦兰坚 二兰兰翌型：3 7 2 4 l 旷s m r -” 1 8 “1 8 0 0 0 3 则雷诺数rp：d。uop：2x10-5x3724x10-5x513：12710-416 0003 满足层流区假设判断。 故按照层流区条件下的安布勒( a m b l e r ) 西格马理论计算生产能力。在保证 具有一定澄清度条件下，对于具有柱锥形转鼓的螺旋型离心机，实际生产能力的 计算公式可表达为： o = - v o y ( 2 1 ) f ：垡：5 4 3 3 ， g d = 2 r w = i 2 m h = r w r y = 0 0 9 m a = h r w = 0 0 9 0 6 = 0 15 a2 = o 0 2 2 5 三l = 1 3 5 7 m ， 2 = ( r w r y ) t a n ( 口2 ) = 0 0 9 t a n 9 8 7 5 = 0 5 1 m l o = l l + l 2 ：1 8 6 7 m f ：16 6 4 ( 丝) 0 3 ，s ，( 粤) 们s 一 l = 1 6 俐( 3 3 5 9 ( 罴) 0 3 6 7 4 = 1 6 6 4 0 8 1x0 0 1 5 = 0 2 柱锥形输送器值为 = e 万。 厶( t 一五+ 三名2 ) + 厶( 三一；五+ 三五2 ) ：1 5 4 1 m 3 将数值代入式2 - 1 q = ( v o z = 0 2 x 3 7 2 4 x1 0 x1 5 4 1 = 8 6 2 x1 0 3m 3 s - 1 = 4 1 3 1m 3 h - 1 1 2 第二章离心机结构和基本计算 2 2 2 进料量计算 在物料离心分离的过程中，进口处溶质对苯二甲酸质量与两出口处溶质对苯 二甲酸质量和保持一致，不发生变化。将此作为惰性关联量，结合进出口的物料 密度和溶质含量，进行单位时间进料量估算 水的密度设为1 ，则精对苯二甲酸密度1 5 5 ，进料口料液密度1 1 1 5 ，溶质含 量0 3 7 7 ，溶剂密度设为x 0 3 7 7 x1 5 5 + 0 6 2 3 x - = 1 1 1 5 x = 0 8 5 2 排液口密度0 9 6 ，设排液e l 溶质含量y o 8 5 2 x ( 1 - y ) + 1 5 5 尸0 9 6 尸0 1 5 5 出渣口密度1 4 7 3 ，设溶质含量z 1 5 5 z + 0 9 6 ( 1 - z ) = 1 4 7 3 z = 0 8 6 9 出渣口出料量为1 2 t h - 1 ，设进料口入料量为at - h - 1 ，则排液口为( a - 1 2 ) t - h - 1 ， a 0 3 7 7 = 1 2 0 8 6 9 + 0 1 5 5 ( 口1 2 ) a = 3 8 6 进料口每小时进入物料质量为3 8 6 t ，体积为3 4 6 m 3 按悬浮液生产能力计的物料入口体积为4 1 3m 3 h - 1 ，高于工况下进料量，故物 料处理量合理。 2 3 沉渣受力分析 以沉渣为研究对象作受力图，沉渣受到转鼓法向反力q ，与转鼓间的摩擦力 五q ，垂直于叶片的法向反力f ，与叶片的摩擦力f 3 f ，离心力r ( 根据达朗贝尔原 理转化) 。在铅垂平面内投影，图形如下： 1 3 北京化工人学硕士学位论文 图2 - 3 沉渣受力图 f i g 2 - 3f o r c ed i a g r a mo fc a k ei nt h ev e r t i c a lp l a n e 在x 、y 轴进行投影，根据平衡关系可得 c + f 2 q s i n c r + 瓢s i n f l s i n 0 = q c o s c t + f e o s f l s i n o f c o s f l s i n 0 = f 2 q c o s a + e s i n f l c o s 0 + q s i n a 整理得 f = f cl t c o s 6 r 七s i no c c o s f l 一六s i n f lc o s ( 0 一口) + 以s i n ( 0 一口) 2 - 2 沉渣沿轴向的绝对速度为y = 丢国， 湿沉渣在一个导程叶片停留的时问为f ：三 一个导程叶片获得的湿沉渣量为朋：研：g 三， 所以离心力为c = m c 0 2 r = g 2 丁m 0 2 r ；又有几何关系t 那= 刍r ， 。 彩 。 2 万 综匕可得一个导程叶片e 线件分布的币压力为： 1 对于头数为疗的双头及多头螺旋输送器的离心机，若单位时间内与单导程输送器 离心机湿沉渣产量相同，则有 1 4 i 竺矽篇 五万 一义 丝如 g 一 第二章离心机结构和基奉计算 c = i g 2 夕r c 0 2 r f ，c o s0 + s i no c 1 v c o s ( 0 一口) + 六s i n ( 0 一口) 2 n r 一六五 l 一( 2 - 4 ) 、一 ， 刀 根据以上推导，可得不同结构的压力和摩擦力公式： 圆柱形螺旋输送器，半锥角口为零，一个导程上线性分布的正压力为 e = 一警 2 n r 一六五2 5 螺旋叶片垂直于转鼓母线的锥筒段，叶片倾角0 为零，0 与口相同 f 一 上j g 2 n c 0 2 r 五c o s a + s i nc t n a c o 2 n r _ - - 。f 3 ；t 1 5 第三章螺旋输送器强度计算 第三章螺旋输送器强度计算 3 1 有限元模型的建立 3 1 1 有限元软件和单元类型 本论文采用美国a n s y s 公司开发的大型通用有限元分析软件a n s y s 对螺旋 输送器进行整体三维有限元分析。a n s y s 有限元软件是一个多用途的有限元法计 算机设计程序，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限 元分析软件。在国际上，它是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的分析设计软件，美 国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近二十种专业技术协会认 证的标准分析软件。1 9 9 5 年l o 月，该软件已通过全国压力容器标准化技术委员会 认证并在国务院十七个部委推广使用，被认可为压力容器分析设计标准 ( j b 4 7 3 2 9 5 ) 相适应的有限元分析软件，用于压力容器分析设计。 本分析采用s o l i d 4 5 单元对螺旋输送器进行网格划分。s o l i d 4 5 单元为三维 实体单元，由8 节点定义组成，每个节点有3 个方向的自由度，即x 、y 、z 方向 的位移，可退化为6 节点组成。本单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变 形、大应变等功能，具有沙漏控制的凝聚积分选项。单元结构如图3 1 所示。 拨枝体选项) 一守娶 一不推荐) 图3 - 1s o l i d 4 5 单元 f i g 3 - 1e l e m e n ts o l i d 4 5 本分析使用表面效应单元s u r f l 5 4 进行螺旋输送器锥段上力载荷的施加。 s u r f l 5 4 可以用于各种变化载荷和表面效应。可以覆盖在任意3 d 单元面上。该 单元用于3 d 结构分析，而且变载荷和表面效应可以同时存在。单元节点数可以是 1 7 北京化工大学硕上学位论文 4 或8 ，由k e y o p t ( 4 ) 控制。单元坐标系的x 轴与单元u 边平行。计算单元质量 和体积使用单元厚度，单元厚度由实常数t k i ，t k j ，t k k , t k l 定义。质量计算使 用密度d e n s ( 材料模型) 和实常数a d m s u a ( 单位面积附加质量) ，实常数e f s 为基础刚度。 x 耕湖劾嚣磅k e y o p t ( 劲鬻1 图3 - 2s u r f l 5 4 单元 f i g 3 - 2e l e m e n ts u r f l 5 4 当k e y o p t ( 2 ) = 0 ，面1 、2 、3 的压力正方向与单元坐标系的正方向相同( 除 非在z 的负方向作用法向压力) 。f a c e = l ，压力作用在表面的法向；f a c e = 2 ，压力 作用在表面的切向( ；f a c e = 3 ，压力作用在表面的切向( y ) 。 当k e y o p t ( 2 ) = i ，压力载荷依照局部坐标系施加在单元面上。面l 、2 、3 分别 为局部坐标系的x 、y 、z 方向。注意：该局部坐标系必须已经定义，并且在创建 单元时用e s y s 命令设置了该坐标系。 本分析使用弹簧单元c o m b i n l 4 模拟连接螺旋输送器和转鼓的轴承。 c o m b i n l 4 单元在一维、二维或三维应用中有轴向拉压的或扭转的能力。轴向弹 簧阻尼器选项意味着单轴拉压单元，在