（化工过程机械专业论文）碟式分离机转鼓强度计算及其可靠性分析.pdf

二一 塑坚三些查鲎坚塞生堂些堡苎； j 一 碟式分离机转鼓强度计算及其可靠性研究 摘要 本文借助于a n s y s 大型商用软件对碟式分离机的转鼓零件进行了二维和三 维有限元应力分析。在进行二维分析过程中，针对碟式分离机的实际工作情况， 采用a n s y s 软件中的接触单元模块对转鼓零件作整体分析，避免了因单独计算 每个零件的应力而带来的误差；在分析过程中还合理的考虑了转鼓装配过程中所 施加的预紧力，得到较合理的计算结果；在对转鼓筒体开孔处进行三维应力分析 时采用子模型模块计算，既提高了计算精度叉节省了丈量的计算时问和硬盘空 间。另外，本文运用了a n s y s 含有的内部开发工具a 聊语言进行二次开发， 解决了转鼓零件二维和三维应力分析中二次型载荷如操作水压和物料离心压力 等的加载问题。 碟式分离机的可靠性越来越受人重视，由于转鼓零件的应力对转鼓转速的变 化比较敏感，因此本文利用蒙特卡罗有限元法研究了转鼓转速的随机性对转鼓筒 体螺纹处和开孑l 处应力的影响，并得到相应的可靠度。 关键词：碟式分离机、转鼓强度、可靠性分析、a n s y s 塑坚三些苎兰! ! 堡竺堂竺兰塞 t h e s t r e n g t h a n d r e l i a b i l i t ya n a l y s i s f o r t h ed i s c s e p a r a t o r sd r u m a b s t r a c t t h e p a p e r u s e sm ea n s y ss o 椭a r et oa n a l y z em e2 一ds n 弓s sa i l d3 - ds 骶s so f t h ed i s cs e p a r a t o r sd n 蚰i nt h ep r o c e s so f l e2 一ds 订岱sa n a l y s i s ，a c c o r d i n gt om e a c t u a ls 妯l a t i o n ，i tu s e sm ec o n t a c t - e l e m e n tm o d e lt oa n a l y z et l l e2 - ds 廿e s so f 也e p a r t so fm es e p 锄t 0 i ，sd n 蛐a saw h o l e i tc a i la v o i dt 1 1 e e r r o rw h i c hc a i i s e db y 啦! y z et h e2 - ds n s so f 龇p a r ts i n g l y i n 也ep a p e r i tt a k e st h ep r e t e n s i o n 证t o a c c o u n t ，a n d 也er e s u l 乜a r er e 硒o n a b l e nu s e s 也es u l 卜m o d e lt 0 删y z et h e3 d s t r e s so fh o l e s0 f 血ed r u m i tc i m p m v et h ep r e c i s i o n 姐ds h o 衄lt h cm 俩m ea n d s a v et h es p a c eo fh a r dd i s i c o nt l l eo t h 盯h 锄d ，i iu s e sm ea p d l 谢l i c ha n s y s c o n t a i n st oa p p l yt l el o a do fw a t e r 讲h i c hr m m i p m a t e st l l e s 吓哪a t o ra n dt l 坞l o a d w l l i c hc a u s e sb yt h em a t e r i a li n 吐他p r o c 髂so f t h e2 d 心e 鹃a n d3 ds 廿e s so fm c s e p a r a t o sd n 珊删y s i s n o w p e o p l et a k em o r ei m p a 吡蛆“nt h er e l i a b i l i t yo f t h es 印a m t o r ，m er o t a 血g s p e e do f t h ed r u mi sk e 锄t o 也es t r e s so f 也ed n l m i nt i l ep 印e r i tu s e sh i o n t e c a r 】o f e mt o 蚰a l y 笳t h ee f r e c to f 也es c r e w 吐l r e a da n d 也eh o l eo f t h ed n 瑚，趾d r e c e i v et h er e l i a b i l i 哆i k e yw o r d s ：d i s cs 印a r d t o r ；鼬g 血a n a l y s i so f 吐圮d m m ；r e l i a l b i l i t y 蛆a l y s i s ； a n s y s 堑竖士些查兰塑壅皇兰些堡苎 第一章绪论 1 1 前言 ， 分离机是利用转鼓产生的离心惯性力来实现悬浮液、乳浊液及其它物料的分 离或浓缩的机械。它具有结构紧凑、体积小、分离效率高、生产能力丈阱及附属 设备少等的优点。所以广泛应用在资源开发、化工等生产过程以及三废的治理等 工业生产上m l 。 分离机械产品主要用于固液、液液等非均匀物相的分离和提纯，这些产品 大多数是在高速下完成固- 液、液液的分离，所以其操作转速较高，转速高迭每 分钟几千转，甚至几万转以上，在这样的转速下运转时分离机的转鼓实际上是一 台高速旋转的压力容器，比通常静止的压力容器安全性要求更高。另外分离机械 分离的产品大多数是有腐蚀性的介质( 酸、碱、盐) 或是有毒、易燃、易爆的介 质容易产生应力腐蚀。因此，设计中必须进行可靠的强度计算以确保分离机的安 全，尤其是近几年来碟式分离机向大直径、高转速方向发展，就更要求对转鼓应 力分析作深入系统的探讨，作符合实际情况的精确计算口，4 】。 l2 分离机转鼓零件的强度计算现状 分离机转鼓在高速旋转时，转鼓自身的质量引起的离心力、转鼓内液体的压 力以及转鼓零件间的相互作用力，都将在转鼓零件内产生很高的应力，其数值大 致与转鼓的半径的平方以及转速的平方成正比。因此转鼓的直径及工作极限值， 主要取决于转鼓的机械强度【7 1 2 】。 离心机转鼓强度的研究工作，于5 0 年代苏联3 b k ahtopobhq 开始采用经典弹性理论计算高速回转圆盘和圆筒形、圆锥形的回转壳体及其边缘 区域的应力，对离心机转鼓的强度计算进行了详细的论述。德国的i r w i l s m a n n 于1 9 6 2 、1 9 6 3 年相继发表了“底板对离心机转鼓壳体应力的影响”和“薄底盘 离心机转鼓”，文中将转鼓简化为管子与平板来进行讨论，着重研究了圆筒形离 心机转鼓中鼓底的厚度对圆筒边缘部位应力的影响。w w i l s 咆n n 分析认为离心 机转鼓采用薄鼓底有利于减少鼓壁的边缘应力。七十年代初苏联学者将最优化方 法应用于高速回转容器的设计，提出等应力的设计观点，这对转鼓的优化设计在 理论上具有一定的意义。 浙江工业大学研究生学位论文 国外一些国家如英国、苏联、法国等，从1 9 5 1 年起就相继制定了一部分离 心机转鼓强度计算方面的规范或标准。例如，英国的b s 7 6 7 1 9 5 l 标准“脱水机 与离心机”对离心机转鼓的强度计算、材料、开孔、壁厚、加强箍、制造等作了 规定；前苏联颁布了d 丁c 2 6 0 1 一1 1 7 0 “离心机转鼓强度计算方法和标准”；1 9 7 6 年法国公布了j fe 4 0 一o 叭“离心机转鼓强度计算”标准。我国于1 9 7 9 年编著 的机械工程手册对离心机转鼓的强度计算提出了指导性意见 3 一。 目前在工程和实验研究方面，关于转鼓机械强度的计算方法主要采用两种： 经典弹性力学解析解法、有限元解法。 1 2 1 分离机转鼓强度计算的工程算法 分离机转鼓零件在高速下回转，其应力大小与转速、转鼓直径、壁厚、材料 以及物料负荷等因素有关。转鼓强度计算包括简体、转鼓底、转鼓边缘、锁环、 开孔区等部位的应力计算。 1 ) 转鼓简体应力计掣5 ，t 1 2 】 转鼓筒体应力计算是由鼓壁、筛网、物料高速回转时的离心力对转鼓壁的作 用所产生的。过滤式离心机的转鼓是开孔圆鼓，对于物料成流体状态时开孔圆筒 形转鼓的经向应力及环向应力可以给出下列公式： 经向总应力： 。 盯：鱼竺坠： ( 1 1 ) 8 j 周向总应力： 铲盯0 ( 1 _ 矿) ( ，+ 鲁+ 等 z ， 上两式中： 以一物料密度 一转鼓回转角速度 r 一转鼓内半径j 一转鼓壁厚度 一转鼓中物料的填充系数盯。一转鼓自身质量离心力引起的周向应力 一转鼓壁开孔率点一转鼓中筛网等附件厚度 五= 以f 成( 1 一伊) 】 ( 其中岛一转鼓材料密度妒一开孔削弱系数，尹= 与兰，一开孔中心距d 一 浙江工! 世大学研究生学位论文 开孔直径) 2 ) 转鼓边缘应力的计算 1 0 ，i ，】 分离机转鼓鼓壁的边缘应力坷题长期以来受人们的关注。在边缘应力计算中 广泛采用前苏联人提出的公式。高速旋转转鼓的边缘应力发生在转鼓简体与转鼓 鼓底、转鼓筒钵与顶盖的连接处。转鼓筒底与鼓底( 或顶盖) 连接处受到自身的 离心力、物料、筛网等附件的离心力，同时受到边缘力和边缘力矩的作用。其计 算原理是两连接件在连接处的变形应等值协调，即各自的半径增值、经线弯曲 转角口应相等，经过建立变形协调方程、求解边缘载荷、内力( 线载荷) 等步骤 求出边缘应力。变形协调方程如下： 珊：+ ? + 乩= o ( 1 3 ) 口n 十口机= oi 。 这些计算虽然比较复杂，但假如在一定的条件下加以简化，便可使计算较易进 行，且得出与实验基本相符的结果。 由于边缘应力的局部性，其影响范围很小。如钢质园管，当距离大于产生边 缘应力的边界距离x = 2 5 j 浴时( r 为圆筒半径，s 为圆筒壁厚) ，边缘应力就 衰减到很小的值。 3 ) 转鼓鼓底应力的计算【8 】 按照一般的工程计算，转鼓鼓体的应力由转鼓高速旋转时，转鼓自身质量 离心力引起的应力盯。、作用于鼓底的物料压力引起的应力盯9 、边缘力引起的边 缘应力盯f 、边缘力矩引起的应力盯”叠加而成的。其中应力为： 经向应力：盯，= 盯；+ 盯? + 盯? + 盯y ( 1 4 ) 环向应力：仃口= 叮；+ 盯f + 盯；+ 盯r ( 1 5 ) 4 ) 锁环的应力计算【1 3 】 碟式分离机转鼓一般采用带内螺纹的大锁环来保证分离机简体和锥形顶盖 的连接和密封。在碟式分离机转鼓的几个主要零件中，锁环往往是最薄弱的零件 由于锁环所承受的载荷复杂，且应力水平很高，因此它的强度问题根受人们重视。 浙江工业大学研究生学位论文 前苏联学者曾提出按材料力学中梁在斜弯曲时强度计算的方法来求解作用于锁 环的弯曲应力，锁环自身的质量离心引起的应力则按带中心孔的圆板公式来计 算。然而按材料力学中梁在斜弯曲时强度计算的方法来求解作用于锁环的弯曲应 力是比较粗略的。在文献【1 3 中，该文的作者在探讨锁环受力分析模型的基础上， 提出了较精确合理的解析计算方法，并采用了有限元计算和电阻应变测试进行验 证，两者结果基本一致。锁环的强度计算具体方法如下： 考虑锁环的弯曲应力，将锁环截面形状简化并分割为上、下两个矩形截面 的圆环。变形协调方程为： i 竹。妒2( 1 6 ) 沁i d = 2 。 其中 他、。分别表示上环的转角和位移 伊：、：。分别表示下环的转角和位移 5 ) 离心机转鼓开孔应力计算两，9 1 分离机转鼓简体因分离工艺需要开一定数量的孔，用以排除滤液或滤渣。转 鼓壁开孔后，削弱了转鼓的承载能力，破坏了鼓壁结构的连续性，从而引起应力 的增加，同时在开孔周围产生较大的附加弯蓝应力，开孔区出现应力集中现象。 根据计算，在应力集中区域内的最大的应力值可比筒体的薄膜应力高3 叫倍，有 时甚至更高。这样就削弱了转鼓的承载能力，因此准确合理的确定开孔转鼓应力 分布及其开孔应力集中非常重要。 转鼓开孔应力计算的工程算法如下： 目前在设计计算中应用的转鼓强度计算标准多是经典的弹性力学的解析解 然后用开孔影响系数进行修正。机械工程与简体的平均半径手册第7 8 篇“离 心机转鼓的强度计算”规定：当转鼓壁厚占与简体平均半径r 。之比s o 1 ，开孔 率0 - 2 时转鼓壁的环向应力为： 妒吒m 卜鲁+ 等) | c 脚 以上只是用于小开孔的情况，对于大开孔问题，用上述方法求解时误差较大， 因此对于这种大开孔的情况最有效的方法就是利用有限元方法来进行分析。 4 塑垩三些查! 堡塞圭兰丝堡塞 1 2 2 分离机转鼓零件强度的有限元分析 以上所提到的对于离心机转鼓强度的研究计算，都是采用传统的经典弹性理 论，在计算过程中存在以下问题 8 】： 把几何形状复杂的离心机转鼓简体简化为几何形状简单的有规则的回 转体进行，即把鼓壁简化为圆柱体( 或圆锥形) 、鼓底简化为规则的几何形状， 由于鼓底比较复杂，简化成规则的几何形状，就必然是计算精度下降，其结果与 实际情况相差很大。 没有合理考虑转鼓各零部件间的协调性。 对于过滤式离心机来说上述方法不能精确考虑因转鼓开孔对转鼓强度 带来的影响。 因而，在工程实际中对于几何形状及载荷情况较复杂的转鼓零件，要想得 到较精确的解最好用数值解法【酊。 已经发展的数值分析方法可以分为两大类。一类以有限差分法为代表，其特 点是直接求解基本方程和相应的定解条件的近似解。一个问题的有限差分法求解 步骤是：首先将求解域划分为网格，然后再网格的节点上用差分方程近似解微分 方程。但采用较多的结点时，近似解的精度就得到改进。借助于有限差分法，能 够求解某些相当复杂的问题。特别是求解建立与空间坐标的流体问题，有限差分 法有它自己的优势。因此在流体力学领域内，它至今仍占支配地位。但用于几何 形状复杂的问题是，它的精度将会降低，甚至发生困难。 另一类数值分析方法是首先建立和原问题基本方程及相应定解条件相等效 的积分提法，然后据之建立近似解。例如配点法、最小二乘法、g a l e r k i n 法、力 矩法等都是属于这一类数值方法。如果原问题的方程具有某些特定的性质，则它 的等效积分体法可以归结为某个泛函的变分。相应的近似解实际上是求解泛函的 驻值问题。上述不同的方法在不同的领域活不同的类型的问题中都得到了成功的 应用，但也只能限于几何形状规则的问题。其基本原因是：他们都再整个求解区 域上假设近似函数。因此对于几何形状复杂的问题，不可能建立合乎要求的近似 函数。而有限单元法的出现是数值分析方法领域内的重大突破性进展。 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定的 方式相互连接在一起的单元的组合体。由于单元按不同的连接方法是进行组合， 浙江工业大学研究生学位论文 且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单 元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每个单元内假设的近似函 数来分片的表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常有未知场 函数或及其导数在单元的各个节点上其插值函数来表达。这样一来，一个问题的 有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量 ( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。 一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元场函数的近似值， 从而得到整个求解域上的近似解。髓着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小 或者随着单元自由度的增加及差值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进， 如果单元是满足收敛要求的，近似解将最后收敛于精确解【博】。 三十多年来，有限单元法的理论和应用都得到了迅速的、持续不断的发展， 有限单元法的应用弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问 题扩展到稳定问题、动力学问题和波动问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、 粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质 力学领域。随着有限元理论的不断发展，出现了不少专门用于有限计算的有限元 软件，如：a b a q u s 、a n s y s 、s a p 、m 觚屺、n t u s 、n a s t r a n 、a d i n a 、 n e p s a p 、a s a s 、b e r s a f e 、p a f e c 、a s k a 等等【1 8 ，5 扪。 8 0 年代中期，南京化工学院的王德润教授在文献【1 3 】中把有限单元法应用到 碟式分离机转鼓应力的计算。到了9 0 年代初，无锡轻工业学院与浙江轻工机械 厂合作对浙江轻工机械厂的q ，i d 一3 5 0 h z 碟式分离机转鼓零件进行了应力分 析，他们采用了国际上通用的商用软件s a p 5 进行计算【1 3 ，1 9 0 1 ，笠1 。 对于活塞排渣的碟式分离机转鼓的四个主要零件分离筒本体、顶盖、锁环和 活塞的结构和载荷进行分析后得知：它们承受的载荷全是轴对称的，其结构形状， 除了分离筒本体的排渣口以及锁环的锁紧螺母槽口局部外，其余部分可完全视为 轴对称的。根据圣维南定理可知，沿纬线方向均匀排列的小孔并不影响较远区域 的应力分布规律，转鼓筒体底部和筒壁上的距离排渣孔稍远处的应力分布仍接近 于轴对称。故用有限单元法对转鼓零件应力的分析计算大体上可分为两步 1 3 | 1 9 0 0 ： 排渣口等局部地区经过必要的简化后，采用轴对称有限元计算四个主要 浙江工业大学研究生学位论文 零件的整体以及边缘部位应力。 在轴对称有限元计算的基础上，采用三维等参有限元计算非对称部位的 简体排渣口以及锁环镄紧槽口附近区域的应力。 在文献 1 3 ，1 9 】中，采用有限元方法的计算结果与实验测试的结果进行比较 二者的分布规律是一致的对于高应力二者比较吻合，低应力处有一定的相对误 差。但总的看来，能够说明有限元计算的可靠性【m 。 1 3 结构可靠性 现代产业发展表明，产品的质量不仅是国家工业整体技术水平的主要标志， 而且是产品及企业生存和竞争力的标志。产品质量指标主要包括：性能指标、可 靠性指标和维修性指标。性能指标代表产品的实际使用价值，是先进性和经济性 的直接反映，可靠性和维修性指标是产品在实际使用中实现其价值的最有效保 证。 产品的可靠性研究是为了表明产品在规定的时间内完成规定功能的能力。 从近几十年的发展状况来看，国外在该领域内的研究已经不只局限于航空航天和 电子技术等部门，进入二十世纪七十年代后，更多的研究已经深入到机械、建筑 等民用工业的应用。尤其在当今国际市场上，产品的可靠性已成为竞争的焦点。 在国内，我国首先在电子工业和国防部门进行可靠性研究和普及工作，继而在机 械工业等其他部门逐步展开，已经收到了良好的经济效益。 1 3 1 结构可靠性的发展及现状l 工程结构可靠性就是结构在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能 的能力。即在给定的使用寿命期限内，评判研究对象的有效承载能力和正常工作 能力的概率分布，主要内容包括：1 、可靠性预测；2 、可靠性设计；3 、可靠性 分析；4 、相关性分析；5 、可靠性分配；6 、失效模式、影响及风险性分析；7 、 可靠性评价、检测与维护等。 早期的工程结构比较单一，采用传统的许用应力方法进行计算。由于传统 的设计方法在选取载荷和材料性能数据时仅考虑最大点、最小点和平均值，没有 顾及实际数据的分布性和随机性作用，因此安全系数的确定带有很大的主观成 分，在使用新材料和设计新产品时，过大的安全系数不能杜绝事故的发生，仅会 带来结构设计性能的下降和材料的浪费。结构可靠性研究是将作用于结构上的真 浙江工业大学研究生学位论文 实载荷和载荷能力考虑为概率意义上的分布量，在分析和设计中引入随机变量和 随机过程量，按一定的分布处理，可更好的贴合实际。依据可靠性设计要求，可 以把失效控制在可接受的范围内。结构可靠性研究的优点在于，是将不确定性事 件和可靠程度表述为量的概念，有利于把握事件的发生的可能性的大小、降低成 本和提高设计性能等。 在结构可靠性的发展史上，将概率论和数理统计的方法用于结构可靠性分 析可以追溯到2 0 世纪初f o r s e l l 和m a y e r 等人的工作。f o r s e l l 和m a y e r 等指定了 有关概率设计规范的计算过程，但由于当时科技水平，方法缺乏严格的证明，因 此其实用价值不大。后来a m f r e u d 朋也a l 【5 4 】首先用全撅率分析方法，较系统的 阐述了传统的安全系数法和结构破坏概率之间的内在关系，提出了考虑多种因 素，主要是由初始损伤条件下的结构可靠性分析数学模型，并于1 9 4 7 年，发表 了“结构安全度”一文，奠定了结构可靠性的理论基础，标志着结构可靠性分析 理论由经典向现代过渡。从此结构可靠性研究开始由理论探讨进入实用性研究， h 鼬o f e r 和l i n d 【5 5 】提出了应力强度结构可靠性设计的正态正态模型，并推导 出用正态分布二阶矩表达的可靠性中心安全系数的一般形式。r a c k w j 乜和 f i e s s k 一5 6 】提出了一种有效的算法将任何非正态随机变量都能在设计点处转化为 正态随机变量。 进入2 0 世纪8 0 年代后，随着计算机技术的迅速推广和有限元法理论的迅 猛发展，分析和求解结构可靠度的主要方法可归纳为两大模式：一次二阶矩模式 和蒙特卡罗模式。 一次二阶矩法包括有j c 法、p a l o h e i m o 法以及其他一些优化法，但它们只 能用于求解仅含有一个功能函数构件的可靠性指标，当处理多个功能函数和功能 函数非线性程度比较高时，此时求出的破坏率p 与实际值相差较大，甚至可能 出现不收敛的情况。蒙特卡罗法分析结构可靠度精度相对比较高，而且方法简单， 收敛概率和速度与问题的维数无关，对构件和体系的可靠度问题同样适用。蒙特 卡罗法的不足之处在于模拟次数多。而随着计算机硬件、软件及新技术的出现给 于此方法新的应用前景，随机问题在计算机仿真上可以得到较为完善的模拟和解 答。a m l a 在h a r b i 乜【5 7 1 方法的基础上提出了一种改进的蒙特卡罗方法，可以用小 样本获得元件失效概率的精确估计。m a r s e g i l e n 8 1 提出了非线性蒙特卡罗算法。 浙江工业大学研究生学位论文 同样在国内，沈风生、吴世伟【5 9 1 等提出了求解结构可靠度的蒙特卡罗算法及其 改进。高而坤、吴世伟等研究了同时可算出结构可靠度指标和验算点值的快 速收敛蒙特卡罗法。 随着结构可靠性研究对象规模的扩大和复杂性增加，随机有限元已经步入 结构可靠性领域，用来研究载荷情况复杂的构件。有限单元法在结构可靠性领域 中的应用是以一次二阶矩理论的优化算法工具出现的。随机有限元技术应用始于 2 0 世纪7 0 年代初，主要用于岩土沦陷应力分析。到8 0 年代，h a n d a 等首先运 用t a y o r 技术展开方法提出结构静力分析的随机有限元法，其后m s a d a 等用摄动 法对随机问题的有限元解法作了较为系统的研究，给出了二阶摄动有限元列式， 使得随机有限元法理论上的研究和在结构可靠性研究中的应用走向成熟，解决了 一系列的工程实际问题。在国内，g l i a n g 恤1 6 1 j 等提出了基于蒙特卡罗理论的 有限元法在结构可靠性中的应用，刘正兴、王劲松等人提出假定随机变量呈正态 分布，用一阶摄动法建立计算随机载荷和随机运动约束下的随机有限元方程。陈 虬、刘先斌旧魄出了二阶摄动随机有限元法等等。 1 3 2 结构可靠性在分离机中的应用 在产品的设计和制造过程中，由于各种原因的影响，零件材料的物理特性、 几何参数等和零件所承受的载荷，都在一定程度上具有不确定性，因而在产品的 设计和制造过程中就相应的提出可靠性设计，可靠性设计广泛的应用于军事、电 子、航空和航天领域，近年来也用于锅炉等压力容器的设计和制造中。由于国内 外在碟式分离机转鼓可靠性方面的研究比较少，本论文将在转鼓的可靠性方面进 行一些研究。 1 4 本论文的目的、意义和内容 碟式分离机主要用于轻、重两相液体的分离和提纯，其操作转速高达每分钟 几千转。尤其是近年来碟式分离机向大直径、高转速方向发展，就更要求对转鼓 应力分析作深入系统探讨，作符合实际情况的精确计算。 国内外一些学者( 尤其是国内学者) 用有限元的方法对碟式分离机的转鼓 进行应力分析时都比较早，由于他们当时所应用的软件在功能上还不够完善，因 而对某些问题还不能精确求解。在九十年代，随着计算机技术的高速发展和有限 元理论的日趋成熟国际上通用的有限元软件得到迅速的发展，其功能及计算精 浙江工业大学研究生学位论文 度也得到了进一步提高。因此本论文用国际上通用的有限元计算软件( a n s y s 软件) 对碟式分离机的转鼓进行较全面、精确的应力分析j 三维有限元计算为厂 方进行碟式分离机转鼓零件的设计和生产提供有效的技术参数，来确保碟式分离 机安全可靠的运行。 目前国内在转鼓零件的可靠性方面的研究甚少，本论文利用蒙特卡罗法模 拟和有限元相结合的方法在碟式分离机转鼓可靠性方面做一些探索。 本论文主要包括以下四个方面的内容： 对碟式分离机的四个主要的零件( 转鼓、活塞、大锁紧螺母、钵盖) 的 应力进行分析由于以前的文献对转鼓和活塞等零件进行有限元分析时，把它 们全部看成是轴对称的或等效轴对称来进行二维的分析，因而计算误差较大。本 论文针对转鼓零件进行三维应力分析，并利用a n s y s 软件强大的三维造型功能， 尽量对转鼓零件的造型接近实体，这样可大大提高计算精度。 考虑锁环与简体的连接处的预紧力本论文在计算过程中考虑锁环 和简体连接处的预紧力，并在此基础上考虑如何对此预紧力进行加载。 如何加载液体对转鼓零件的作用力由于碟式分离机的筒体的受力 隋况较复杂，操作水压和分离液体对转鼓零件的压力接近二次抛物线型，本论文 将考虑如何应用a n s y s 软件的a p d l 宏生成自定义的命令，按转鼓实际受力情 况对其进行加载。 对有限元计算的结果进行可靠性分析应用蒙特卡罗有限元的方法， 对转鼓的可靠性方面进行一些研究，并得出用a n s y s 软件算出的转鼓应力的可 靠度，本论文具体将在以下几方面展开工作： a ) 、材料性能的随机性参数确定本论文中材料的随机性参数t 是通过 实验的方法求得。 b 、承受载荷的随机性参数的确定主要考虑碟式分离机转速的随机性 ( 例如由工作电机的电压的随机性引起) 而导致零件所受载荷的随机性。本文针 对碟式分离机工作转速的随机性，借用a n s y s 软件，用蒙特卡罗模拟法和有限 元法相结合的方法对町d 一3 5 0 h z 碟式分离机的转鼓筒体开孔处的应力进行可靠 性分析。 1 0 塑坚三些查兰竺茎生兰堡堡苎 第二章碟式分离机转鼓零部件的二维有 ， 限元计算 2 1 碟式分离机的分离原理及过程 离心分离过程是在离心力场中进行的，离心机转鼓内物料在离心力场中所受 的离心力与其所受的重力的比值，即离心加速度与重力加速度的比值，称为分离 因数f ， f ，：业：里堕二( 式中，国为转鼓转速，g 为重力加速度)7 唧量 。 分离因数是衡量离心机分离性能的主要指标，p 越大，离心分离的推动力 就越大，分离性能就越好。从上式可以看出，提高转鼓转速比加大转鼓直径对增 大f ，更易见效。因此，为了提高分离机的分离性能，常常采用提高分离机转鼓 的转速来提高分离因素。 活塞排渣碟式分离机是一种利用活塞的开启、关闭排渣孔来进行断续的自动 排渣的分离机。该分离机的整体结构与人工排渣碟式分离机、喷嘴排渣式碟式分 离机相似，其结构示意图见图2 1 。碟式分离机操作对，自中心加料管加悬浮 液入转鼓进行分离，此时活塞下面的密封水总压力大于被分离悬浮液作用于活塞 上面的总压力，活塞位置在上，排渣孔关闭。捧渣时，停止加料，并经转鼓底加 入操作水，开启转鼓周边的密封的泄水阀，排除密封水，使密封水泄压，活塞迅 速下降，开启排渣孔进行排渣。停止供给操作水，关闭泄压阀门，密封水压上升， 活塞上升，关闭排渣孔，然后再加料，进行下一循环操作。 2 2 碟式分离机的受力情况分析 碟式分离机工作时共有三种工况： i 工况一：启动活塞下腔无操作水压，活塞上腔无物料； 2 工况二：启动后活塞下腔充有操作水压，而活塞上腔无物料； 浙江工业太学研究生学位论文 3 工况三：正常工作时，活塞下腔充有操作水压，活塞上腔充有物料。 下面就不同的工况下对碟式分离机转鼓零部件的受力情况进行分析： 图2 _ 1q t d 3 5 0 h z 碟式分离机转鼓装配简图 2 2 1 、活塞的受力情况分析 1 工况一：活塞仅作用有自身质量引起的离心力p 糟。 2 工况二：活塞承受的载荷有自身质量引起的离心力p 活和操作水压对活 塞的上推力p 活：和转鼓盖对活塞的作用力p 羞，a 其中： 1 ) 、离心水压沿径向呈二次型分布，半径r 处的分布载荷g 水可表示为： 盱掣 其形成的上推合力为： 1 2 浙江工业大学研究生学位论文 胳肛g 乒：盟掣翘 ( r ：为进水管半径，r ：出水管半径) ：，、蹄胳里掣 ( 2 2 ) 图2 - 2 正常工况一f 括塞受力图 3 工况三：活塞承受的载荷有：自身质量引起的离心力尸活、物料对活塞 的作用力p 话。、操作水压对活塞的上推力p 茜：和转鼓盖对活塞的作用力p 未 其中： 1 ) 、物料对活塞的作用沿径向呈二次型分布，半径r 处的分布载荷g 蜘可表 示为： 旷塑掣塑 其形成的下推合力为： 船肛几西：塑掣笪 c z s ， 浙江工业大学研究生学位论文 ( ，目由液面半径，月- 活塞内腔的最大半径) 2 ) 、p 扩堡掣( 脯t ) 3 ) 、成，= r ：一p 话， ：丑掣一迅掣 泣。， 2 2 2 、顶盖的受力情况分析 1 一工况一：自身质量引起的离心力r 2 工况二：自身质量引起的离心力 璜，活塞对转鼓顶盖的作用力p 。：一 锁环对转鼓盖的作用力只。其中： 胎船丝掣( 脚1 ) 3 工况三：自身质量引起的离心力p 矿物料对转鼓顶盖作用力p - 、活塞 对转鼓顶盖的作用力p 礓：、转鼓筒体对转鼓顶盖的作用力p 一，锁环对转鼓盖的 作用力p 。其中： 1 ) 、 物料对顶益的作用沿径向里二次型分布，半径r 处的分布载荷孽物可 表示为： 驴掣 其形成的上推合力为： 陆：r ：石即：塑肇尘 c z ，。， ( r 自由液面半径，足顶盖内腔的最大半径) 2 ) 、r ：= 成，= r ：一r ( 见式2 4 ) 1 4 浙江工业大学研究生学位论文 r 辐，。 !镢h 。 li 乏磊、 i 卜 i 。一 il d 一 图2 3正常工况下转鼓顶盖的受力不慈图 3 、由于碟式分离机在装配过程时，锁紧圈上作用有预紧力。根据实践经 验，这儿取尸。= 1 5 ( p 。+ 尸。：) ，因此转鼓简体对转鼓盖的作用力p m 为： ，= 岛擘- p l ，p m ：= 0 5 ( r - + 尸m ：) 2 _ 6 ) 4 ) 、p m = + ：+ p m ( 2 7 ) 2 2 3 、转鼓筒体的受力情况分析 1 工况一：自身质量引起离心力p 一 2 工况二：自身质量引起离心力p 、操作水压对转鼓简体的作用力p 一、 转鼓盖对转鼓简体在接触处的压力p ：和锁紧环对转鼓简体的作用力p 一，。其 中。 1 ) 、离心水压沿径向呈二次型分布，半径r 处的分布载荷g 水可表示为： ”掣 其形成的下推合力为： 浙江工业大学研究生学位论文 凡= 算切q 砂= 盟掣s ， ( 式中，：为进水管半饪月：出水管半径) 2 ) 、p 。= 尸。+ 尸， 3 工况三：自身质量引起离心力尸、操作水压对转鼓简体的作用力j p 一 转鼓盖对转鼓筒体在接触处的压力p ：和锁紧环对转鼓筒体的作用力尸。，。其 中： 图2 4 正常工况下转鼓简体受力示意图 p 慵 - ，p 。：互旦掣 c 推导见式z 8 ， 2 ) p ，= p 。= o 5 ( 尸。+ p 。，) ( 推导见式2 6 ) ，a ，：p _ + p 。，：型盘掣+ o 5 ( p | + r j c z 。， 2 2 4 、锁环的受力情况分析 在正常工作状态下，锁环所承受的载荷主要有： 1 6 浙江工业大学研究生学位论文 1 自身质量所引起的离心力尸 2 转鼓顶盖对锁可的正反力p ：，其中：只= 只。( 见式2 7 ) 3 - 转鼓简体通过螺纹压在锁环上的力p ，其中：只= p 筒，( 见式2 9 ) 2 3 碟式分离机的二维有限元分析 8 0 年代南京化工学院的王德润教授在文献 1 3 中把有限单元法应用到碟式 分离机转鼓应力的计算。到了9 0 年代初，无锡轻工业学院与浙江轻工机械厂合 作对浙江轻工机械厂的q t 【卜3 5 0 h z 碟式分离机转鼓零件进行了应力分析，他 们采用了s a p 5 软件对活塞排渣碟式分离机转鼓的四个主要零件分离筒本体、顶 盖、锁环和活塞的应力分别进行了分析。他们用有限单元法对转鼓零件应力的分 析计算大体上可分为两步： 排渣口等局部地区经过必要的简化后采用轴对称有限元计算四个主要零 件的整体以及边缘部位应力。 轴对称有限元计算的基础上，采用三维等参有限元计算非对称部位的简体 排渣口以及锁环锁紧槽口附近区域的应力。 尽管他们在文献中指出计算结果与实验测试的结果规律是一致的，但这样 对转鼓零件进行有限元分析时，还存在着以下问题： 在用有限元方法对转鼓筒体和转鼓底等零件进行有限元分析时，把它们 全部看成是轴对称的或等效轴对称、忽略转鼓壁上的开孔等等，这样就不能精确 的考虑因转鼓筒壁开孔等因素对转鼓强度带来的影响，给计算结果带来误差。 由于对主要零件仅进行二维分析，利用二维分析的结果采用三维等参有 限元计算非对称部位的筒体排渣口以及锁环锁紧槽口附近区域的应力，这样对于 锁紧环和转鼓本体的排渣口附近的应力不精确。 由于他们当时应用的s a p 软件在功能上还不够完善，因此在运用该软件 对转鼓零件进行建模和计算时，就需对复杂的实际问题进行简化，由于简化不当 而必将对计算结果产生较大的误差。 本论文采用目前国际上通用的a n s y s 软件对q t d 一3 5 0 h z 碟式分离机转 鼓零件进行了应力分析。a n s y s 软件是融结构、温度场、流体、电磁场、声场、 1 7 浙 工工业太学研究生学位论文 耦合场等于一体的大型有限元分析商业软件，是由世界上最大的有限元分析软件 公司之一的美国s w a i l s o na m l y s i ss y s t e m 公司开发的。它是美国机械工程师协 会、美国核安全局及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。它能与多数 c a d 软件接口，实现数据的共享与交换，如u g 、p r 洲巳n 百n e e r 、n a s t i u n 、 i d e a s 、a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 a n s y s 包含有a n s y sp 姗e d cd e s i g nl a n g u a g e ，即内部开发工具a p d l 语言( a n s y s 参数化设计语言，) ，a p d l 语言是一种解释性语言，可以用来自动 完成一些通用性强的任务，也可用于根据参数来建立模型，此外a p d l 还包括 其他许多特性，诸如重复某条命令、宏、i 廿1 e n - e l s e 分支、d o 循环、标量、向量 及矩阵等操作。a p d l 不仅是设计优化和自适应网格划分等经典特性的实现基 础，而且它也为日常分析提供了很多方便。本论文就是应用a p d l 语言进行二 次开发，很好的解决了离心机转鼓零件应力分析中，二次型载荷的加载问题。 2 3 1 碟式分离机结构特点及分析方法 图2 5 正常工况下转鼓应力二维分析装配简图 从以上对碟式分离机转鼓的四个主要零件( 转鼓简体、转鼓顶盖、锁环、活 塞) 的结构和载荷进行分析后可知：它们所承受得载荷全是轴对称的- 此四个零 浙江工业大学研究生学位论文 件的结构形状除了转鼓简体的排渣口和锁环的锁紧槽口局部外，其余部分完全可 看成是轴对称。因此，本论文主要从以下几方面对转鼓零件进行二维有限元应力 计算： 1 ) 、对转鼓筒体、转鼓盖、锁环三零件作整体进行二维应力分析。转鼓简体、 转鼓顶盖、锁环的整体受力分析见图2 5 。由于a n s y s 软件提供了接触单元模 块，因而在对转鼓零件进行二维应力分析时，可采用a n s y s 提供的接触单元来模 拟转鼓简体、转鼓顶盖及锁环间的实际的接触情况，这样可以真实的模拟 q t n 一3 5 0 h z 碟式分离机正常工作状况，得到符合实际情况的结果，可以避免 因采用对单个零件逐一进行应力分析而导致计算精度下降。 本论文考虑到转鼓在装配时锁环与鼓体简体间施加了预紧力因此利用 a n s 幅的预应力模块对其进行了预处理。 图2 6 二维有限元计算流程图 浙江工业大学研究生学位论文 图2 7 二维情况下加载二次型载荷流程图 浙江工业太学研究生学位论文 2 ) 、利用轴对称性质对活塞进行二维应力分析。 3 ) 、从前面转鼓零件受力分析可以看出，碟式分离机的分离物料对转鼓顶盖 和活塞内壁的压力以及操作水压对活塞外壁和转鼓简体内壁的压力分布均为二 次型分布，但由于a n s y s 软件不能直接施加呈二次型分布压力的载荷。因此，本 论文在分析过程中，利用a p d l 语言进行二次开发，编制相应的加载程序很好的 解决了对二次型分布压力进行加载。 2 3 2 碟式分离机二维有限元分析流程( 见图2 _ - 6 ) 2 3 3a p d l 语言加载操作水压、物料离心压力 由于碟式分离机在工作过程中操作水压和所分离的物料对碟式分离机转鼓 活塞的内外壁和转鼓简体的内壁的压力分布为二次型分布，但a n s y s 软件不能 直接对二次型分布载荷进行加载，因此对于本论文中的二次型分布载荷的加载是 利用a n s y s 软件自带的a p d l 语言进行二次开发编制相应的加载程序来进行加载 的。 利用a p d l 语言进行二次开发编制相应的二次型载荷的加载程序具体思路 是：选取需要加载的线，提取依附于所选取线上的所有单元特性，即单元号和单 元节点的坐标值以及该单元加载的边号，并且认为在每个单元所要加载的边上认 为载荷是均布的。 本文利用a p d l 语言编制的加载二次型载荷的程序很好的解决了操作水压和 所分离的物料所引起的二次载荷的加载问题( 加载流程图见图2 7 ) 。第三章中 三维情况下的加载同样如此。 2 3 4 结果分析及结论 本文以浙江轻工机械厂生产的q 1 d 一3 5 0 h z 碟式分离机为例来分析转鼓零 件的应力分布。考虑到q 1 n x 3 5 0 h z 碟式分离机在工作时三种工况中第三种 工况( 即正常工作) 下转鼓最危险，因此本论文主要对正常工作状态下转鼓零件 的应力进行分析，其余工况下，计算方法相同，区别仅仅是施加的载荷不同。 0 1 d 一3 5 0 h z 碟式分离机的基本参数：工作转速6 0 6 9 转分材料：2 c r l 3 ， 材料的密度p = 7 9 0 0 唔脚，弹性模量e = 2 0 6 g p 口，泊松比y = o 3 ， 2 l 浙江工业大学研究生学位论文 盯，= 4 9 0 a 俨口( 国产) ，盯。= 6 6 5 a 俨a ( 国产) 。 2 3 4 1 顶盖的应力分布 正常工作时q t 一3 5 0 h z 碟式分离机顶盖的应力分布如图2 8 、2 9 所示。 从图2 8 顶盖内壁的应力图可以看出其环向应力盯。从上到下依次增大，到 中d 点达到最大，其值为9 6 9 7 9 m p a ，再往底部则因截面增大而吒有所下降； 顶盖内壁的经向应力则大大低于环向应力。由于顶盖内壁几何上没什么突变，因 此应力曲线变化比较平缓。 t 代表经向应力 t ，二d e a 。bc 飞扩 常工况下顶盖内壁应力曲线 代表环向应力 、 一代表经向应力 ；、 7 飞扎 强! 8 c d 心釉 图2 9 正常工况下顶盖外壁应力曲线 从图2 9 顶盖外壁的应力图可以看出其环向应力盯，也是自上而下增大，在 d 处达到1 1 6 7 i p a ，其值不是很大且衰减的很快故对顶盖的影响不大，出现这 吼 。 浙江工业大学研究生学位论文 种情况主要是由边缘力矩造成的。 2 3 4 2 转鼓筒体的应力分布 工况下转鼓简体内壁应力曲线 ；八、水 ab 、爿de fg h i 图2 1 1正常工况下转鼓简体外壁应力曲线 o t d 一3 5 0 h z 碟式分离机转鼓筒体在正常工况下的计算结果见图卜1 0 和 图2 一l l 。由图卜l o 可知筒体底部的d 、e 、f 处q 的波动较大( 造成这种现象 的主要原因是由于转鼓的自身约束而产生较大的边缘应力) ，但其值并不大其主 要原因有：( 1 ) 简体底部厚度适中；( 2 ) 结构不连续处都有圆弧过渡简体外壁 应力最大处现在g 点附近，其环向应力达到1 5 0 m p a 左右，同时经向应力也达到 最大值1 1 5 m p a 这是由于边缘力矩所引起的 2 3 4 3 活塞的应力分布 a 0 0 o 肿l 9 6 3 0 一 瞻瑚 m 暑； ； o 珈 m 浙江工业大学研究生学位论文 由图2 一1 2 正常工况下活塞内壁应力曲线可以看出，其内壁h 处有最大的环 向应力吒，这主要是由于转鼓顶盖对活塞的反力作用所引起的。 簪 7 。、i。j ? 一鬯 f l 2 f j 一 代表环向应力 3 代表经向应力 7 摹弋毒 、 一7 、， a b