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上海祁立：臥螺離心機轉鼓的三維有限元分析
臥式螺旋卸料沉降離心機，簡稱臥螺離心機，是上50年代出現(xiàn)的分離機械。由于具有連續(xù)操作、處理量大 、單位產(chǎn)量耗電量低 、適應性強等特點，現(xiàn)已廣泛應用于石油、化工、冶金、醫(yī)藥、食品、輕工等領域， 并隨著石油化學工業(yè)的迅猛發(fā)展和城市污水治理的迫切需要，臥螺離心機必將會有更廣闊的發(fā)展前景。
1 有限元模型的建立
1.1 有限元幾何模型
根據(jù)設計圖紙，本分析研究的臥螺離心機轉鼓材料為1Cr18Ni9Ti，外形為筒椎形，柱筒段內徑0.520m，厚度0.015m，長度0.710m，椎筒段長度 0.473m，半椎角α=9.6°。分別采用 plane42、solid45 劃分網(wǎng)格。單元總數(shù)7580， 節(jié)點總數(shù) 7680。在保證計算精度要求的前提下， 劃分網(wǎng)格如圖所示：
上海總部：繆
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地址：上海市閔行區(qū)龍茗路2795號220-221室
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公司：http://www.doser-qilee.com/
1.2 載荷
①自身質量引起的離心力
高速回轉下的轉鼓， 鼓體金屬本身質量所 產(chǎn)生的離心力在分析中以角速度的形式施加于轉鼓的有限元模型上。
②物料的離心壓力
該力是 物料在離 心力 作 用下沿 徑 向 運 動 對 轉 鼓 壁 形成的壓力.方向垂直于轉鼓內表面。圓筒中的流體物料在高速回轉下所產(chǎn)生的離心壓力為
式中ρ為筒中物料的密度，1.085kg/m3; r為流體物料c層 中任意處半徑 ，r0為圓筒體回轉時流體的自由表面半徑，0.275m。可以看出離心壓力隨而變化 ，本分析通過構建載荷函數(shù)， 調用函數(shù)加載， 實現(xiàn)了加載。
1.3 邊界條件
轉鼓的約束是根據(jù)具體結構確定的。在轉鼓柱筒端施加全約束，在椎筒端施加徑向和周向約束，即約束UY和 UZ。
2 有限元計算和分析
2.1 靜力分析
應力0.11362E+09 zui大轉鼓的靜力分析主要是考察其強度問 題，即在一定的工作載荷下， 轉鼓是否有足夠的 強度。由圖 2 所示， 轉
鼓所受zui大應力 113.62MPa。 本 分 析 采 用 應 力 強 度 SIMT來描述轉鼓的應力狀態(tài)，并與材料的設計應力強度Sm進行比較 。轉鼓材料為1Cr18Ni9Ti，其設計應力強度Sm=137MPa。校核時， 對于沿壁厚方向的平均應力強度， 取其許用值為一倍的設計應力強度， 即 Sm。對于沿壁厚方向的zui大應力強度， 由于包含有危害較小的彎曲應力部分，因此取其許用值為 1.5倍的設計應力強度，即1.5 Sm。由于轉鼓所受zui大應力強度小于材料許用應力強度，故轉鼓強度是安全的。
2.2 模態(tài)分析
模態(tài)分析用于確定結構或機器部件的振動特性(固有頻率和振型)，使結構設計避免共振或按特定頻率 進行振動。它也是其它更詳細的動力學分析的起 點，例如瞬態(tài)動力學分析 、諧響應分析、譜分析等。
本分析應用 Lanczos 法計算出的螺旋輸送器前5階固有頻率如表 2 所示。由下表可知， 螺旋輸送器*階固有頻率為 165.61 赫茲， 對應的臨界轉速為 9936.6r/minx 螺旋輸送器的設計轉速為3000r/minx，遠小于該臨界轉速，因此，螺旋輸送器在正常的轉速范圍內不會發(fā)生共振現(xiàn)象。
階數(shù) 1 2 3 4 5
頻率(HZ) 165.61 187.90 253.59 279.45 301.45
3 結論
①采 用 Plane42、Solid45實體單元成功地建立了臥式
螺旋卸料沉降離心機轉鼓的3維有限元模型，模型不但較好地模擬了轉鼓的真實結構，而且可以用來對轉鼓進行結構優(yōu)化;
②對轉鼓進行了額定工況下的靜力分析，結果表明轉鼓的強度和剛度均能滿足要求;
③應用 Lanczos 法對轉鼓進行了模態(tài)分析，得到前5階固有頻率，結果表明轉鼓在正常的轉速范圍內不會發(fā)生共振現(xiàn)象。
參考文獻
[1] 孫啟才， 金鼎五.離心機原理結構與設計計算.機械工業(yè)出版社， 1987
[2] 董俊華， 臥螺離心機雙錐角轉鼓結構的有限元分析北京化工大學學報 2004 臥式螺旋
[3] 顧威， 沉降離心機螺旋輸送器的三維有限元分析制造業(yè)自動化
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