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祁立離心機開孔轉鼓設計計算分析（一）
祁立環保專家介紹說離心機轉鼓是離心機的關鍵部件之一。一方面,轉鼓的結構對離心機的用途、操作、生產能力和功率等均有決定性影響。另一方面,轉鼓自身因高速旋轉(其工作轉速通常在每分鐘幾百轉至每分鐘幾萬轉之間),受到了離心力的作用,在離心力作用下轉鼓體內會產生很大的工作應力,一旦發生強度破壞,必將產生極大的危害,尤其是有時由于應力過高發生“崩裂”,常會引起嚴重人身傷害事故。同時,對于高速旋轉的轉鼓而言,轉鼓的剛度同樣非常重要。若轉鼓的剛度不足,工作中轉鼓的幾何形狀將會發生明顯變化,輕則會出現轉鼓與機殼撞擊、摩擦,損壞零部件;重則同樣會引起轉鼓的爆裂,甚至出現人身傷害事故。多年來,由于轉鼓設計不當、轉鼓制造質量不高等原因導致重大事故的現象頻頻發生。這已引起了設計人員、制造廠家和使用部門的重視,經常進行三足式離心機事故原因的診斷、分析與研究。因此,對離心機轉鼓設計計算的分析研究也是十分必要的。
1開孔轉鼓設計計算的依據
轉鼓強度計算的傳統方法,是在以旋轉薄殼無力矩理論為基礎,并認為轉鼓是*彈性體,計算時能滿足小位移假設和直法線假設,且轉鼓壁厚S與轉鼓半徑R之比(S?R)小于011,轉鼓高度H≥215RS的情況下導出的。在進行轉鼓應力計算時,主要考慮了由轉鼓體自身質量、轉鼓內的篩網質量以及物料質量因高速旋轉所產生的離心力作用下的應力。
1.1轉鼓旋轉時由自身質量引起的離心力所產生的周向應力
轉鼓旋轉時由自身質量引起的離心力所產生的周向應力為R1′:
R1′=10-90R2X3。
式中:q——轉鼓體上開孔引起的密度減少系數,q=1-(Pd2/4b1b2·sinA),其中d、b1、b2、A為轉鼓上開孔的布置尺寸,見圖1;
X——角速度;
Q0——轉鼓體材料密度;
R——轉鼓內半徑。
1.2轉鼓旋轉時由篩網質量引起的周向應力
轉鼓旋轉時由篩網質量引起的周向應為力R2″:
R2″=10-9X2QmR2DsSZ。
式中:Qm——物料密度;
S——轉鼓的壁厚;
Z——加強箍系數,Z=1 n1A/SH
,其中,A、n1、H分別為加強箍的截面積、加強箍的數目、轉鼓的高度;Ds——篩網的當量厚度,Ds=Ms2PRHQs
,其中Ms、Qs為篩網的質量和篩網材料的密度。
1.3轉鼓旋轉時由物料質量引起的離心力所產生的鼓壁周向應力
轉鼓旋轉時轉鼓內由物料質量引起的離心力所產生的鼓壁周向應力為R3
R3=10-9W2Qm(R2-r20)R/2SZ。
式中:r0——轉鼓內物料分布的zui小半徑。
1.4轉鼓的周向總應力
轉鼓的周向總應力為Rt:
Rt=R1′ R2″ R3/K。
式中:K——焊縫及開孔系數,K為K1、K2、K3中的zui小值,或為K2、K3中的zui小值與K1的乘積,其中K1為焊縫系數,K2、K3為轉鼓壁開孔系數,K2=b1-d/b1,K3=V(b2-d)/b2,V是與A有關的系數。
2對轉鼓設計中存在問題的分析
2.1轉鼓設計中強度計算的近似性
轉鼓設計中強度計算的近似性主要表現在以下幾方面:
(1)強度計算的公式是以無力矩理論為基礎,并按照薄壁壓力容器而推導出來的。這些計算公式的適應范圍只有在轉鼓體離開擋液板和轉鼓底適當遠的部位才是成立的[2]。如果用上述計算公式的計算結果作為轉鼓各部位強度計算的依據,顯然存在著來源于計算公式的近似性。
(2)轉鼓體上因有開孔,不僅削弱了轉鼓體的強度,同時在開孔處也引起了應力集中。在公式中靠引入幾個系數(如K2、K3、q等)來考慮應力集中等問題顯然也存在著計算過程的近似性。
(3)轉鼓體與擋液板、轉鼓底的連接處應力集中現象比較嚴重,而實際的計算方法中,則是在初步結構設計的基礎上經過適當簡化后再進行二次強度計算,不僅計算公式繁瑣,而且因簡化計算模型,其計算過程與結果本身也存在著近似性。
因此,按目前采用的離心機開孔轉鼓設計計算方法設計的離心機轉鼓,從宏觀上看,往往偏于保守,相關尺寸有較大富裕,使得轉鼓質量增加,既增加了轉鼓運行的能耗也造成了材料的浪費,顯然是不經濟的;從微觀上看,局部地方(如轉鼓體與擋液板、轉鼓底的連接處,轉鼓體的開孔處)的應力值往往得不到正確估計,直接影響到轉鼓運行的安全性。在離心機發生的轉鼓破裂事故中,出現在開孔處和邊緣處的比例很高