（机械工程专业论文）pta装置卧螺离心机螺旋输送器与转子头强度计算及结构优化的研究.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 删删删删舢删| f f f f i | 删 y 18 7 7 3 3 7 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。 作者签名：至迹日期： 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，在土年解密后适用本授 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： 导师签名：日期：兰旦型垒垒旦塑 学位论文数据集 中图分类号t q 0 5 l学科分类号4 6 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 0 3 9 密级公开 学位授予单位代 1 0 0 1 0 学t ：7 ：授予单位名称北京化一j ：大学 码 作者姓名千璐学号 2 0 0 9 01 0 0 3 9 获学位专业名称机械：r = 程获学位专业代码 4 3 0 1 0 2 卧螺离心机结构仿真计 课题来源中石油横向项目研究方向 算 p t a 装置卧螺离心机螺旋输送器与转予头强度计算及结构优化的研 论文题目 究 关键词卧螺离心机、螺旋输送器、转子头、强度计算、结构优化 论文答辩日期2 0 1 1 一0 5 3 1宰论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 ：作单位学科专长 指导教师何立东研究员 北京化：。【= 大学动力机械 评阅人1江志农研究员北京化工大学化t 过程机械 评阅人2马波副研究员北京化工大学 故障诊断 评阅入3 徽员会主席 干奎升 教授北京化t 大学石油机械 答辩委员l杨卫民教授北京化- t 大学机械设计及理论 答辩委员2张弧军教授北京化工大学微钠制造 答辩委员3 张有忱教授 北京化丁大学机械设计 答辩委员4周俊良教授北京化工大学1 ：业设计 答辩委员5钱才富教授北京化工大学化- t 过程机械 答辩委员6薛平研究员北京化：i = 大学聚合物加 答辩委员7 涯：一诒之垂型：1 压础研宠2 应用研宓3 开发研究4 箕当 ：中国分垂号在中圈固j ；谤料分垂癌查询。 三学科分差号在中竿尺厌善和回国家括：馥( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学钭分垂与代码中 童询。 四铪之编号由单位代码和年伤厦孝号的后四使徊成。 具有连续操作、长期运转、生产能力大、分离效果好、单位产量能耗小、 适用性广的优点。 螺旋输送器是离心机的重要部件。通过分析沉渣发现，螺旋主要受 到离心力、沉渣的作用。本文用a n s y s 对卧式螺旋输送器进行了受力 分析和强度校核，考虑了三种载荷的作用，证明了螺旋强度满足设计强 度要求，进而保证了离心机运行的安全可靠。 转子头是卧螺离心机的关键部件。它封闭转鼓腔，形成一定厚度的 液环，并支撑整个双转子系统的重量。本文运用w o r k b e n c h 对p t a 卧螺 离心机的大小端转子头的进行了受力分析，确定了应力集中的区域，并 采用参数化分析进行结构优化，通过对比，确定了增大法兰盘根部过渡 圆角是改善根部受力的有效方式。设计时充分考虑这一点，可以有效减 小应力集中，避免疲劳破坏，进而提高卧螺离心机运行的稳定性和安全 性。 关键词：卧螺离心机，螺旋输送器，转子头，强度计算，结构优化 p u r i f i c a t i o n i np t ap r o d u c t i o n ，w i t hf e a m r e ss u c ha sc o n t i n u o u sf e e d i n g ， g r e a tc 印a c i t y o fp r o d u c t i o n ， h i g hs 印a r a t i o ne f j e i c i e n c 弘 l o w e n e 玛y c o n s u m p t i o n ，l o n g t i m eo p e r a t i n ga b i l i t ya n d w i d ea d a p t a b i l i t y s c r e wc o n v e y o ri sa ni m p o r t a n tc 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 s c r e wc o n v e y o rw o r k su n d e rc e n t r i f u g a lf o r c ea n dn o r m a lp r e s s u r e i n f l i c t e d b y f i l t e r c a k e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s t r u c t u r es i m u l a t i o n ， m e c h a n i c s a n a l y s i s a n ds t r e s sc h e c ko ft h es c r e w c o n v e y o r a r e c o n d u c t e dw i t ha n s y sw o r k b e n c h t h ec l o u dc h a r t so fs t r e s si n t e n s i t y d i s t r i b u t i o nu n d e rt h r e ec o n d i t i o n sa r eg i v e n t h es t r e s sa n dd e f 6 m a t i o n o ft h eb l a d ea r ec h e c k e dt om a k es u r et h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h e o p e r a t i o n t h er o t o re n dh e a do ft h ed m mi sak e yc o m p o n e n to fd e c a n t e r c e n t r i 如g e i tc o v e r sd m mc a v i t y ，f o m sl i q u i dr i n gl a y e ro fs p e c i f i c t h i c k n e s sa n ds u p p o r t st h ew h o l ed o u b l er o t o rs y s t e m i nt h i s p a p e r p a r a m e t r i cd e s i g nb yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o r w a r e ，w o r k b e n c h ，i s p e r f o m e dt o e x t r a c tas e r i e so fs t r u c t u r a l p a r a m e t e r s b yc h a n g i n gt h e p a r a m e t e r si n d i v i d u a l l ya n dc o m p a 订n gr e s u l t so fs t r e s sd e n s i t ya n a l y s i s ，i t c a nb ec o n f i m e dt h a tf i l l e tr a d i u si st h ek e yf a c t o ri n f l u e n c i n gf a c t o ro f i i i 北京化- t 大学硕t 学位论文 s t r e s sd e n s i t yo fr o t o re n dh e a d i n c r e a s i n gi tp r o p e r l yc a nm i n i m i z es t r e s s f a t i g u ea n di m p r o v es t a b i l i t y k e yw o r d s ：d e c a n t e rc e n t d 如g e ，s c r e w c o n v e y o r r o t o re n dh e a d ， s t r e n g t hc a l c u l a t i o n ，s t m c t u r eo p t i m i z a t i o n i 、 1 5 国内p t a 卧螺离心机的运行状况1 l 1 6 本论文的研究内容1 2 第二章p t a 卧螺离心机螺旋输送器的应力分析1 5 2 1 转鼓腔流场的基本特征1 5 2 2 螺旋输送器的应力分析1 7 2 2 1 螺旋输送器的受力分析1 7 2 2 2 螺旋输送器的有限元模型1 9 2 2 3 各工况下螺旋输送器有限元分析结果2 l 2 3 螺旋输送器的强度校核2 4 2 4 本章小结2 5 第三章卧螺离心机转子头的有限元分析2 7 3 1 引言2 7 3 2 转子头的结构和原理2 7 3 3 强度判据2 9 3 4w 6 r k b e n c h 有限元软件简介3 0 v 北京化工大学硕+ 卜学位论文 3 5 卸料端转子头的有限元模型3 2 3 5 1 转子头的建模3 3 3 5 2 网格的研究3 4 3 6 卸料端转子头不同加载方式下的分析结果及讨论3 5 3 6 1 卸料端转子头加载方式一下的有限元分析结果3 5 3 6 2 卸料端转子头加载方式二下的有限元分析结果3 8 3 6 3 卸料端转子头加载方式三下的有限元分析结果4 0 3 6 4 卸料端转子头的强度校核4 2 3 7 溢流端转子头的强度分析4 2 3 7 1 溢流端转子头的有限元模型4 2 3 7 2 溢流端转子头加载方式一下的有限元分析结果4 4 3 7 3 溢流端转子头加载方式二下的有限元分析结果4 6 3 7 4 溢流端转子头加载方式三下的有限元分析结果4 8 3 7 5 溢流端转子头的强度校核5 0 3 8 本章小结5 0 第四章p t a 卧螺离心机转子头的结构优化5 3 4 1 引言5 3 4 2 转子头的结构参数化5 3 4 3 转子头不同尺寸组合下的分析结果和讨论5 4 4 4 本章小结：6 4 第五章结论与展望6 5 5 1 论文的主要结论6 5 5 2 课题研究的展望6 5 参考文献6 7 致谢7 1 研究成果及发表的学术论文7 3 作者和导师简介7 5 v i 1 4 1r e s e a r c hs t a t u so f s t m c t u r eo f d n l m 。8 1 4 2r e s e a r c _ hs t a t u so f s c r e wc o i e y o r 9 1 4 3f o r c e 姐a _ l y s i so f c a k e 9 1 5o p e r a t i o ns t a t i l sd o m e s t i cd e c a l l t e rc e l l t r i 如g e ”1 1 1 6c o n t e n to f s n l d y 1 2 c h 印t e r2s t m c t u r ea n d s t r e s sa n a l y s i so fs c r e wc o n v e y o r 1 5 2 1b a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fn o wf i e l di n 曲姗c a v i t ) ，15 2 2n u m e r i c a ls i i i 】l u l a t i o no f s c r e wc o n v e y o r 1 7 2 2 1f o r c ea i l a l y s i so fs c r e wc o n v e y o r 1 7 2 2 2f i n i t ee l e m e n ti i 】【o d e lo fs c r e wc o n v e y o r 1 9 2 2 3f i n i t ee l e m e i l ta n a l y s i sr e s u l t so fs c r e wc o n v e y o f1 1 1 1 d e rd i tw o r k i n g c o n d i t i o n s ：2 1 2 3s t r e n g t hc h e c ko f s c r c wc o n v e y o r 2 4 2 4c o n c l u s i o n s 2 5 c h 印t e r3f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f r o t o re n dh e a d 2 7 3 1i n t r o d u c t i o n 2 7 3 2o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r er o t o re n dh e a d 2 7 3 3s t r e n 加嘶t 甜o no f r o t o re n dh e a d 2 9 v l l 北京化工大学顾十学位论文 3 3ab d e f i n t r o d u c t i o nt ow 6 r k b e n c h 3 0 3 5f i n i t ee l e i l l e n tm o d e lo fs e d i m e i l td i s c h a r g i n ge n dh e a d 3 2 3 5 1g e o m e t r i cm o d e l 3 3 3 5 2m e s hs 砌v 3 4 3 6a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no fs e d i m 朗td i s c h a 玛i n ge n dh e a du n d e rd i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s 3 5 3 6 1f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t so fs e d i m e n td i s c h a 蟛n ge n dh e a du n d c rl o a dc a s e l ：；! ； 3 6 2f i i l i t ee l 锄e n ta 1 1 a l y s i sr e s u l t so fs e d i m e n td i s c h a 玛i n ge n dh e a d 眦d e r1 0 a dc a s e 2 3 8 3 6 3f i i l i t ee l e m e n ta l l a l y s i sr e s u l t so fs e d i m e i l td i s c h a 画n ge l l dh e a d 啪d e rl o a dc a s e 3 z l ( ) 3 6 4s t r e n g t hc h e c ko f s e d i m e n td i s c h a 画n ge n dh e a d 4 2 3 7a n a l y s i sa 1 1 dr e s u l t sd i s c u s s i o no fo v e r n o we n dh e a du n d e rd i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s 4 2 3 7 1f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f o v e r f l o we n dh e a d 4 2 3 7 2f i n i t ee l e i n e n ta 1 1 a l 、，s i sr e s u l t so f o v e r n o we n dh e a du n d e rl o a dc a s e l 4 4 3 7 3f i n i t ee l e m e i l ta n a l v s i sr e s u l t so f o v e m o we i l dh e a du n d e rl o a dc a s e 2 4 6 3 7 4f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr c s u l t so f o v e r n o we n dh e a du n d e rl o a dc a s e 3 4 8 3 7 5s t r e l l g mc h e c ko f o v e m o we n dh e a d 5 0 3 8c o n c l u s i o n s 5 0 c h a p t e r4s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no f r o t o re n dh e a di nc e n t r i 如g e 5 3 4 1i i l t r o i i u c t i o n 5 3 4 2s t m c t i l r ep a r 锄e t 耐z a t i o no fr o t o re n dh e a d 5 3 4 3a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no fo v 锄o we n dh e a d 吼d e rd i f - f 醯e n ts i z e j 5 4 4 4c o n c l u s i o n s 6 4 c h a p t e r5c o n c l u s i o na n ds u g g e s t i o n s 6 5 5 1m a i nc o n c l u s i o n 6 5 5 2s u g g e s t i o n s 6 5 r e f e r e n c e s 6 7 v i i i c o n t e n t s a c k n o w l e d g e m e n t s 71 c o n t e n t so fp u b l i s h e dp a p e r so rp a t e n t s 7 3 b i o g r a p h y 7 5 螺旋叶片半径，m 螺旋叶片厚度，m 最大处理能，t s 设计压力，m p a 设计温度， 主轴承跨距，m m 分离因数 叶片倾角，。 螺距，m 沉渣与转鼓肩的摩擦系数 沉渣与螺旋叶片的摩擦因数 螺旋与转鼓的差速度，r a d s 每秒的湿物料重量，k s 物料粘度，p a s 转鼓内被分离的物料的重度，k g n m 3 重力加速度，i i l s 2 转鼓的角速度，1 s 转鼓内表面半径，m x l r ，q昂气厶e 9力六正出qy b o 缈r 北京化工大学硕上学位论文 ，i ps q 嗽 p f 转鼓内物料环的内表面的半径，m 固相密度，k g m 3 最大应力强度，m p a 最大位移，m m 液相密度，k g m 3 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 p t a ( p 们f i e dt e r 印h t h a l i c a c i d ) 全名精对苯二甲酸，常温下外观为白色晶体或粉 末、无毒、无味，它是重要大宗化工原料之一。主要用途是生产聚酯切片p t e ( p t e 包括聚酯纤维、聚酯薄膜、聚酯瓶片) 。最重要的应用在纺织行业中生产聚酯、涤纶 纤维。此外，油漆、涂料、塑料、胶片等的生产也都离不开p t a 【i - 3 1 。 p t a 生产流程：经过一系列化学反应，原油生产出石脑油，再由石脑油最后反 应提炼出p x ( 对二甲苯) 。对二甲苯以醋酸为溶剂，在催化剂( 常用钯一碳催化剂) 的作用下，与空气发生液化氧化，生成产物粗对苯二甲酸，对其精制以后可以得到 精对苯二甲酸，精制的过程包括加氢，分离，干燥，最后生产出纤维级的精对苯二 甲酸【4 - 5 1 。 p t a 装置主要包括了催化裂化装置、液化氧化装置、分离装置、加氢装置、干 燥装置。其中，压力离心机是p t a 生产中关键的机械设备，通常采用的是卧螺离心 机。卧螺离心机是高速运转、连续进料、分离分级、螺旋输送卸料型离心机，是沉 降离心机中一种，也是目前应用最广泛的一种。由于它具有连续操作、长期运转、 生产能力大、分离效果好、单位产量能耗小、适用性广的优点而得到了迅速发展【6 1 。 特别在工业废水和污泥脱水，工业p t a 分离等的处理中得到了运用和不断发展。 卧螺离心机的国产化报告显示，目前国产化卧螺离心机主要是转鼓直径在 6 0 0 咖以下的，直径在1 1 0 0 m m 以上的卧螺离心机的国产化程度不高，基本依靠进 口。中石油辽化分公司的p t a 装置首次使用了一台国产的卧螺离心机l w l 2 0 0 1 9 8 0 ， 试车运行良好。在p t a 的生产过程中，作为脱水、提纯设备的卧螺离心机是p t a 生 产中的重要设备，本文针对该台国产化大直径卧螺离心机进行研究。 本文依据该厂提供的基础数据，对离心机结构型式、工作性能、运行可靠性及 故障形式进行了了解，主要应用a n s y s 经典和w d r k b e l l c h 对卧式离心机的转子头 和螺旋输送器进行了性能模拟、受力计算以及强度校核。绘制了转子头和螺旋输送 器不同加载方式作用下的应力强度云图，校核了螺旋叶片及内筒的强度，保证p t a 装置重型离心机的安全可靠运行。 1 2p t a 卧螺离心机的结构和原理 p t a 卧螺离心机的主要结构如图1 1 ，外部为机壳，其内装有两个同心回转部 件，分别是转鼓和内转子( 即螺旋输送器) 。内转子支撑在外转鼓两端转子头的内伸 北京化工人学硕上学位论文 轴上，与转鼓耦合为整个双转子系统。 l23 s 纛7 毫l o 图l 一1 卧螺离心机的工作原理图 f i g 1 - 1o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fd e c 觚t e rc e n t r i 如g e 1 差速器2 花键轴3 卸料端转子头4 锥形转子5 水平转子 6 内转子( 螺旋推进器) 7 壳体8 溢流端转子头9 皮带轮1 0 中心进料管 离心机启动时，电动机通过皮带轮带动外转鼓，外转鼓的空心轴与差速器的外 壳连接，作为差速器的输入，差速器的输出轴与螺旋输送器相连，带动其和外转鼓 做一定差速的同向旋转。p t a 悬浮液由中心进料管连续输送，进入螺旋输送器的内 筒，由内筒的加料隔舱的进料孔进入到分离区域，在离心力的作用下，转鼓内形成 了环向的液池，由于固液两相的密度差，固相的颗粒在离心力的作用下沉降在转鼓 内表面。转鼓和螺旋输送器做同向差速旋转运动，沉渣被螺旋输送器推向小端抵达 干燥区后，沉渣脱离环液面，最后从小端的出渣孔甩出。大端溢流端盖上设有若干 个溢流孔，澄清液从溢流孔甩出，进入机壳的排液室。按照工艺要求设计调节溢流 口溢流挡板的位置，可以改变沉渣的含湿量【l l 】。 当出现输渣不顺利而堵料、螺旋输送器卡住、振动过大或者离心机运行超载等 的故障征兆时，卧螺离心机的控制系统能及时检测出故障信号，并立即地断开主电 机电源，停止向螺旋内筒输入物料。防止由于操作不当、运行故障、危险工况而引 发事故6 1 。 调节转速和差速能改变离心机的处理能力，转速高，处理量越大；差速越小， 沉渣在转鼓内停留的时间越长，能获得含水量更小的滤饼【n 】。 1 2 1 离心机转鼓 转鼓是卧螺离心机的主要结构部件如图1 2 。转鼓的参数主要是：转鼓直径、转 鼓长度、锥段锥角和溢流半径1 1 1 。 2 图1 - 3 转鼓结构图 f i g 1 - 3s t m c t l l r eo fd n l m l 小端转子头( 卸料端转子头) 2 转鼓简体3 环状凸缘 4 大端转子头( 溢流端转子头) 5 液位调节装置 ( 1 ) 简体 筒体的形状有圆柱状、锥形、柱锥结合型【6 】。其中锥形是最初常用的，后来出 现了柱锥结合型，柱锥结构的优点是大大增加液池的容量，从而提高了澄清的效果。 有的特殊锥形的离心机，它的作用是，在脱水的同时还将物料按粒级分类，非常有 优势【1 2 】。 通常在转鼓内表面沿母线方向上焊上筋条或锉上沟槽，目的是减少输渣对内壁 的磨损和防止沉渣沿周向运动。作用原理是，沉渣层在转鼓上形成密实保护层，减 少筒壁的磨损；筋条或沟槽能防止沉渣在转鼓上做圆周运动而发生打滑，提高了沉 渣的输送效率【13 1 。 外转鼓的锥角是一个重要的参数。转鼓锥角的减小，可以在一定程度上避免产 生沉渣回流，达到顺利排渣的目的，对于难输送的沉渣可以适当采用小锥角；同时， 锥角变小会使沉降面积变小，使用效率也降低了【1 4 1 5 】。 转鼓筒体的外表面边缘有环形凸缘，它与外壳内隔板配合形成迷宫密封结构， 北京化t 大学硕十学位论文 阻止分离液深入排渣室内，这些环状凸缘与转鼓加工时，一定要保持同轴度【6 】。 ( 2 ) 转子头 外转鼓的大转子头是一个带空心转轴的法兰端盖，转轴支撑在主轴承上，法兰 圆盘与转鼓简体法兰采用螺栓连接，连接处一般设有止口配合。在组装时要做动平 衡校核，确保端盖与转鼓简体的同轴旋转，降低振动。根据工艺要求，大端转子头 上开设若干个溢流孔，并设有液位调节装置，如图1 4 。 图1 - 4 溢流端端盖 f i g 1 - 4o v e m o we n dh e a d 由于大端转子头具有溢流的作用，也称其为溢流端转子头。其主要作用如下， 一方面作为整个双转子系统的的转轴，支撑着整个转子系统的重量；另一方面是封 闭离心腔，并通过溢流口，并形成一定厚度的液环。改变液位调节装置的位置，可 以改变液环层厚度，进而改变了沉降容积和干燥区长度：液环层厚度增加时，沉降 面积增大，物料在机内停留时间增加，进而提高了滤液质量，但也缩短了干燥区长 度，增加了沉渣含湿量，干度降低【1 5 】。所以，根据工艺要求合理的控制溢流孔的位 置是非常重要的。 小端转子头是带弧形筋条的法兰盘，左右两侧是空心转轴，弧形筋条间的开孔 是卸料孔，所以也称其为卸料端转子头，如图1 5 。 4 孔，可在其内装上硬质合金的保护衬套。衬套的安装角度可变，按照需要调节，使 衬套的尾端磨损和冲擦【6 】。 溢流口位置和形状、转速、转速差，进料速度都是离心机的重要工作参数，它 们决定了离心机的分离效果即出渣含湿量以及清液的含固量【1 5 】。还因为转鼓是高速 旋转的重型部件，所以不允许有裂纹，夹渣，气孔等，各处的配合连接、密封、支 撑的加工要求很高。为了保持同轴度，组装时必须做动平衡校核，满足一定的平衡 精度才可以安装。 ( 3 ) 四个轴承 卧螺离心机的整个转子部分由四个轴承支撑。其中，螺旋输送器内部的左右轴 承将其支撑在两端转子头内伸轴上，螺旋和外转鼓被耦合为差速双转子系统。整个 转子通过左右两个主轴承支撑在离心机机架上【6 1 。主轴承、螺旋输送器轴承、简体 以及两端转子头的配合均要保持高度的同轴，加工精度要求较高。 1 2 2 螺旋输送器 螺旋输送器是卧螺沉降离心机中的重要部件，它连续地将沉渣从沉降区输送到 干燥区，最后从卸料端转子头的排渣孔排到机外。它的结构、材料、力学性能是决 定离心机工作寿命、分离能力、生产能力的重要因素【1 2 出】。 螺旋输送器主要部件结构包括，螺旋叶片、内筒、加料隔仓、左右轴颈6 1 。 北京化丁大学硕 ：学位论文 ( 1 ) 螺旋叶片 螺旋叶片直接与沉渣接触，推动沉渣，实现轴向输送，结构如图1 6 。它的结构 有多种，有的螺旋叶片垂直于母线，有的垂直于转鼓的回转轴线。螺旋的形式也有 单头，双头，多头，单双结合( 沉降区为单头，干燥区为双头) 的几种形式【1 6 j 。叶 片的厚度、叶片倾角、头数、螺距、材料都是螺旋输送器的重要结构参数，直接影 响了分离的效果和离心机的处理能力【1 5 】。 图1 - 6 卧螺离心机的螺旋输送器 f i g 1 - 6s c r e wc o n v e y o ro fd e c a i l t e rc e n t r i 如g e ( 2 ) 内筒 螺旋输送器的内筒是接收和分布料液的地方。螺旋输送器内筒的结构形式决定 了料液进入转鼓内的沉降效果。例如，把进料通道设计成涡形，增加了流动性，进 入内筒的料液没有死区。还有的，为了尽量降低物料旋转滞后与转鼓旋转的程度、 提高分离效果，加料隔舱中安装特定的加速旋转装置来增大料液进入转鼓的周向速 度，使料液在出口处的径向速度减小，增加料液在分离液池内径向的停留时间，有 利于料液的沉降，提高分离效果。加料位置十分重要，起初学者认为最合适的加料 位置是在沉降区与脱水区的交界处【1 2 】。经过不断试验后，人们发现，加料位置设在 柱锥交界处较为适宜，这样能大大降低沉渣被冲刷的程度。 筒内一般被分隔为多个带加料孔的加料隔舱，目的是适应因改变环液层深度后， 沉降区长度的变化而导致的加料位置的变化【1 3 】。 ( 3 ) 材料 螺旋输送器的材料：当沉渣颗粒对叶片具有较大的磨蚀性，会很容易造成叶片 表面磨损。叶片磨损的危害性体现在：增加了沉渣与叶片间的摩擦力，而沉渣的输 送要依靠沉渣与转鼓内壁的摩擦力，当前者大于后者时，沉渣就会黏附在叶片上， 随叶片一起旋转，而不能沉渣就不能沿轴向输出，结果会使沉渣就淤积在转鼓内。 因此要尽可能的避免螺旋叶片磨损，减小沉渣与叶片摩擦力，保证螺旋的输渣能力， 6 第一章绪论 降低沉渣的含湿量增大，让沉渣顺着转鼓内壁被叶片推出【1 2 1 3 1 。 降低沉渣与叶片间的摩擦力，可以采用增加螺旋叶片表面的硬度和耐磨性的方 式，具体常用的有：叶片表面喷涂耐磨层；螺旋叶片表面堆焊硬质合金，堆焊材料 一般可选碳化钨、铬钴合金。在叶片上安装可更换的耐磨扇形片，用埋头螺钉固定 在螺旋叶片上，这种办法修复磨损的叶片非常方便，但存在更换量大，不经济的问 题。 传统喷焊技术存在结合强度低、组织不致密、不均匀的问题。而且如果在高速 旋转的工况下，镶嵌的陶瓷片与基体易脱落固定效果很差。安装可更换的耐磨片可 以修复磨损的叶片非常方便，但存在更换量一般较大，不经济的问题【1 7 】。 浙江工业大学研发出的在叶片表面采用激光堆焊技术【1 8 】，形成与基体的冶金相 结合的，组织改变均匀细化的高性能的堆焊层。改变了传统喷焊结合强度低，组织 不致密，不均匀的问题。而且避免了高速旋转的工况下，镶嵌的陶瓷片与基体易脱 落的事故。 1 3 卧螺离心机的驱动方式 卧螺离心机的转速，特别是速差，直接决定了沉渣含湿量，高差速可以增加单 位时间的处理量，但速差低可增加沉渣在转鼓中的停留时间，有利于产生更干的泥 饼，同时也减缓了螺旋叶片的磨损。因此，选择合适的驱动方式和差速调节系统十 分重要。 1 3 1 常用驱动方式 国内离心机常用的是单电机驱动模式，即一台电机通过主皮带轮驱动转鼓，次 级皮带驱动差速器的轴，从而产生差转速。缺点是不能实现无级调节，对于不同不 误不同处理要求，需要停机调节差速。 国外离心机的驱动方式常见的有双电机驱动，即一台电机通过皮带驱动转鼓旋 转，另一台电机通过减速器( 差速器) 驱动螺旋旋转。这种驱动方式能实现差速的无级 调节，但和液压驱动方式相比，在差速调节的精度上都有一定距离。还有一种常见 的单电机驱动，即电机外转鼓产生转动，电磁涡流差速器产生速差。这种方式能实 现差速的无级调节，具有制动性，效率较高【1 9 】。 1 3 2 液压驱动方式 目前精度最高的是液压驱动方式，即外转鼓和螺旋输送器均由独立的液压系统 驱动，或者采用变频电机直接驱动外转鼓，同时液压系统带动螺旋输送器，优点是 7 北京化t 人学硕上学位论文 高驱动扭矩、低速差，高精度，速差控制简单【2 0 1 。 2 0 0 4 年四川大学研发了卧螺离心机的液压控制【1 7 】，实现了内外转子的无级调 速。具体方案是采用调速型液力偶合器，使用液力对转鼓进行驱动；采用液压马达 驱动螺旋输送器。优点是：改善了传动方式，液力传动提高了控制精度和生产效率； 与传统的普通电机驱动相比，这种液力驱动方式所需的电机功率大大减小，同时也 降低了能耗。 瑞典n o x o n 公司在离心机液压驱动驱动方式的改进和创新，使内外转子速差达 到0 2 r m i n ，调节精o 0 1 r m i i l ，几乎是目前离心机驱动方式中速差最低、精度最高 的。这种驱动方式对液压元件的密封可靠性、电控系统要求高，所以设备成本较高【2 0 1 。 1 4 卧螺离心机的研究状况 1 4 1 螺旋输送器结构的研究状况 由于螺旋输送器是卧螺离心机的关键部件，很多学者致力于分析和改进螺旋输 送器的结构，向降低能耗和磨损，提高输渣效率的方向发展。1 9 8 0 年，蔡抒涮2 m 2 】 研究了螺旋卸料沉降式离心机沉渣受力，推导了螺旋推料功率计算公式。1 9 8 9 年， 戴小娟【2 3 。2 5 】等对卧螺离心机叶片进行分析，得到了叶片弯曲应力、回转应力的计算 公式，校核了叶片应力。1 9 9 2 年顾金初，林勇明【2 6 】等证明了当螺旋叶片倾角大于转 鼓锥筒段的半锥角时，螺旋叶片的磨损程度会大大降低、离心机的能耗也会降低。 1 9 9 3 梁福兴、张永胜【27 j 研究w l g 9 0 0 型沉降过滤式离心机螺旋，给出了推料力矩 的计算公式并验证。1 9 9 9 年，颜春敏、黎长山【2 8 。2 9 】分析了螺旋输送器叶片的螺距和 沉渣输送的关系，得到如下结论：螺旋升角增大会造成转鼓和内筒之间堵料，可能 造成在螺旋输送器叶片间堵料。同时，螺距增大使得螺旋的圈数变少，容易致使物 料分布不均匀，进而致使离心机，特别是转子部分振动剧烈，进而也不利于沉渣的 输送。通过计算发现，对于难分离的物料，螺旋升角采用2 。4 。，对于容易分离的 物料，采用4 。6 。有利于螺旋叶片输渣。 为了降低沉渣的含湿量，许多学者在螺旋的结构上作出了很多改进。后来出现 了一种新型压榨式卧螺离心机【3 0 1 。这种离心机的螺旋输送器设计采用渐变的螺距， 从大端到小端逐渐变小，这样一来，沉渣除了收到离心力压实外，还受到了轴向的 压力，沉渣的含湿量被进一步降低。为了达到根据需要改变离心机的处理能力的目 的，2 0 0 6 年w i l h e l mo s t k 姗p 【3 1j 设计了一种中间圆柱，两端圆锥的螺旋输送器，并 安装特殊的挡板装置来调节液环层厚度。 还有的根据需要将螺旋叶片安装纵向叶片，大大降低了螺旋叶片对分离液池流 场的扰动，也使物料进一步被压实。或者将叶片设计成相对错丌的、沿着两条不同 第一章绪论 的螺旋线螺旋叶片，试验证明，改造后增加了固环层厚度。有的学者通过实验验证 了，在叶片上增加斜板来增加流道，改造后大大地提高分离的效果。 1 4 2 转鼓腔内沉渣的受力分析 卧式螺旋卸料沉降离心机的输渣效率和分离效果的关键是转鼓腔内的沉渣进行 的动力学分析。在这方面的研究有：闻邦椿【3 2 】对沉渣进行了动力学研究，得到了离 心机输渣功率的计算公式。蔡抒澍2 m 2 】建立了沉渣受力关系式，得到了螺旋输送器 所受正压力和摩擦力的计算公式，1 9 8 6 年g v e n ug o p a l ar a o a 【3 3 】等人用有限元法分 析螺旋管内的不可压缩粘性流体，得到了流场内固体颗粒的运动规律。1 9 8 9 年r e i f ， s t a l l l w 【3 4 】进行通过计算得到了螺旋上所受的正压力，摩擦力，转矩的计算公式。 1 9 9 2 年l ( r a v e t s 【3 5 】运用有限元法计算了加转鼓的强筋结构对输渣的影响，并给出了输 渣功率的理论计算过程。吴青【3 6 】利用动力学原理结合颗粒与螺旋叶片的相互作用力， 获得了在哥氏力，惯性力以及液体二次流作用下沉渣颗粒的运动方程。w 年l e u n g 、 n c o m e rw a l k 一3 7 。3 8 】，袁夫彩例分别通过实验研究推导了螺旋转矩的计算公式。顾 威【枷、黄志别13 1 、董俊华【4 l 】等建立了螺旋输送器的三维有限元模型，模拟了螺旋输 送器的结构和受力情况，进行了静力分析，模态分析。 阚小平【4 2 】对沉渣的动力学进行了研究，获得了螺旋输送器转矩、螺旋轴向力、功率 的计算公式。2 0 1 0 年王乐勤、陈涛、吴大转、焦磊【4 3 】对卧螺离心机螺旋输送器结构 强度进行了的参数化分析得出了影响其强度的主要因素。 1 4 3 转鼓结构的研究状况 卧螺离心分离机是p t a 装置中相当重要的一部分，为了提高卧螺离心机的分离 能力，改进卧螺离心机的结构非常必要。1 9 8 8 年日本s o u r o k us 唧k i 【4 4 彤】研发出了 一种双锥角转鼓，如图1 7 。卧螺离心机的转鼓被设计为双锥段，实验证明，这种结 构的优点是：液池下采用大锥角，液池上采用小锥角，沉渣被推出液池后在坡度平 稳的岸区上移动，减小了沉渣的回流，提高了稳定性；另一方面，第二段锥角增加 液池深度的同时没有减短干燥区长度，生产能力也有了明显提高。 图1 7 双锥角卧螺离心机结构 f i g 1 - 7d e c a n t e rc e n t r i f u g ew i t ht h ed o u b l et a p e r e db e a c h 9 北京化工人学硕 j 学位论文 分离因数和液池面积决定了卧螺离心机的分离能力，而分离因数