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上海祁立：臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓主要參數(shù)對其模態(tài)的影響研究
臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓主要參數(shù)對其模態(tài)的影響研究
離心機(jī)是、低耗的離心分離設(shè)備，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓能產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，從而實(shí)現(xiàn)各種物料的液、固及液、液分離.作為核心部件的轉(zhuǎn)鼓必須滿足3個(gè)條件:耐腐蝕、高強(qiáng)度及低能耗.只有三者兼?zhèn)洌拍鼙ＷC離心機(jī)的使用性和安全性.對改變參數(shù)后對轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的影響研究還做的不夠，同時(shí)它的結(jié)構(gòu)、形狀和參數(shù)在很大程度上決定了離心機(jī)的特點(diǎn)和工藝效果.若是轉(zhuǎn)鼓參數(shù)變化導(dǎo)致其強(qiáng)度低，很難提高離心機(jī)的分離因數(shù)，束縛了大直徑、高轉(zhuǎn)速離心機(jī)的發(fā)展.
離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓是一個(gè)每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)百乃至數(shù)萬轉(zhuǎn)以上的高速回轉(zhuǎn)殼體，合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)鼓不僅是保證離心機(jī)能正常工作及安全運(yùn)行的前提，而且將直接影響離心機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo).轉(zhuǎn)鼓 基 本 參數(shù)包括:轉(zhuǎn)鼓 內(nèi) 徑 D=520m m;液池高度h=33-55m m;轉(zhuǎn)鼓壁厚t=18 mm;轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速nZ=2 800 r/min;圓錐段轉(zhuǎn)鼓長H:=777 mm;圓柱段轉(zhuǎn)鼓長從=1 064 mm;圓錐段轉(zhuǎn)鼓半錐角a=80;轉(zhuǎn)鼓總長度、L =1 800 mm;轉(zhuǎn)鼓材料為IOCr22Ni5Mo3N;許用應(yīng)力Sm =205/MPa;固相密度P=1470 kg/m3;液相密度P=1 085 kg/m3;處理能力Q=13-20 m3/h.
在諸多參數(shù)中，主要對轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)鼓壁厚和液池深度3個(gè)參數(shù)對強(qiáng)度影響進(jìn)行研究.
1 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的影響
分離因數(shù)亦即離心加速度與重力加速度的比值.分離因數(shù)的值一般是以轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速表示的.分離因數(shù)是表示離心機(jī)分離能力的主要指標(biāo)，是代表離心機(jī)性能的重要指標(biāo)之一值愈大，物料受的離心力愈大，分離效果也就愈好.
可以看出數(shù)據(jù)之間存在平方的關(guān)系.這說明轉(zhuǎn)鼓總應(yīng)力、轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量的離心力產(chǎn)生的應(yīng)力和物料離心壓力引起的應(yīng)力，這些應(yīng)力的zui大值均與轉(zhuǎn)速的二次方成比例.這個(gè)結(jié)論*符合傳統(tǒng)的計(jì)算圓筒形或者圓錐形的轉(zhuǎn)鼓筒體應(yīng)力的理論公式.因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力的zui大值將隨之快速增長，所以對于一定尺寸和材料的轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)速的提高并不是任意無限制的，其極限值取決于轉(zhuǎn)鼓的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)參數(shù).在本分析中，轉(zhuǎn)鼓的zui高許用轉(zhuǎn)速為約為3 500 r/min.當(dāng)轉(zhuǎn)速超過這個(gè)值時(shí)，zui大應(yīng)力大于1.5S.，轉(zhuǎn)鼓會(huì)發(fā)生危險(xiǎn).
除了轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度外，選擇轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速飛還應(yīng)考慮生產(chǎn)能力、分離要求和功率消耗.如需高分離因數(shù)時(shí)，應(yīng)采用較高強(qiáng)度的材料.
各種載荷作用下轉(zhuǎn)鼓的zui大徑向位移均與轉(zhuǎn)速的二次方成比例，即轉(zhuǎn)速的增大，也可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓徑向變形過大.因此為了改善分離效果而提高轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)保證變形在許可的范圍內(nèi)，以避免與固定機(jī)殼發(fā)生碰擦.
2 轉(zhuǎn)鼓壁厚的影響
本設(shè)計(jì)把轉(zhuǎn)鼓zui大內(nèi)徑D、轉(zhuǎn)鼓總長L以及轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速n.(或離心分離因數(shù)F,)作為設(shè)計(jì)常量，根據(jù)設(shè)計(jì)要求事先給定.當(dāng)螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的這些主要結(jié)構(gòu)參數(shù)處理為常量時(shí)，轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度主要取決于轉(zhuǎn)鼓的幾何尺寸.如果材料、價(jià)格加工成本都一樣，則轉(zhuǎn)鼓在滿足強(qiáng)度、剛度等條件下的質(zhì)量越輕越經(jīng)濟(jì)，可見轉(zhuǎn)鼓的厚度尺寸的變化將直接影響到轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度、剛度和質(zhì)量大小，因此把優(yōu)化計(jì)算的變量定為轉(zhuǎn)鼓的壁厚.影響離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓壁厚的因素很多，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的壁厚與物料的密度、轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)徑、物料的厚度、轉(zhuǎn)鼓的密度成正比;與使用應(yīng)力、削弱系數(shù)成反比.
由于現(xiàn)行設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鼓壁厚已滿足強(qiáng)度要求，并有很大的安全裕量，因此從考慮節(jié)省成本的角度出發(fā)，用有限元方法對轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行優(yōu)化，在保證強(qiáng)度、剛度的前提下，使得轉(zhuǎn)鼓的壁厚尺寸逐漸降低，并觀察壁厚尺寸參數(shù)的變化對應(yīng)力SINT和徑向位移DZ產(chǎn)生的影響.
正常工況(凡十只)下的應(yīng)力SINTzui大值隨著轉(zhuǎn)鼓壁厚的減小而增大，且增大的幅度較小.即使在轉(zhuǎn)鼓壁厚為6 mm時(shí)，應(yīng)力SINTzui大值仍然小于材料的基本許用應(yīng)力205 MPa，符合強(qiáng)度要求.從圖3還可以直觀看出，物料的離心液壓所產(chǎn)生的應(yīng)力變化曲線和正常工況下的變化曲線幾乎平行，隨著壁厚的變化，離心力所產(chǎn)生的應(yīng)力zui大值變化很小.這說明轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量引起的離心力在壁內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力與鼓壁厚度無關(guān)，轉(zhuǎn)鼓壁主要是承受物料的離心液壓，所以改變鼓壁的厚度并不能降低自身質(zhì)量離心力引起的應(yīng)力.
各種工況下徑向位移的zui大值都隨著轉(zhuǎn)鼓壁厚的減小而增大，并且增長趨勢和應(yīng)力的變化曲線相近似.在轉(zhuǎn)鼓壁厚減薄到一定程度時(shí)(4 mm)，徑向位移的增大速度較快，所以在選擇較小的轉(zhuǎn)鼓壁厚時(shí)一定要考慮剛度(變形)條件.
為了保證離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的準(zhǔn)確加工、合理安裝及安全運(yùn)行等要求，轉(zhuǎn)鼓的壁厚不僅要滿足強(qiáng)度和變形的要求，還應(yīng)不小于某一規(guī)定值，即t-tm,這里將轉(zhuǎn)鼓壁厚設(shè)取為10m m，那么轉(zhuǎn)鼓總質(zhì)量降低了約260 kg，可節(jié)省材料近34%，也降低了啟動(dòng)功率消耗.
3 液池深度的影響
液池 深 度 h=R-Ro，因轉(zhuǎn)鼓直徑R是一定的，當(dāng)液池深度小時(shí)，液池半徑R。大，那么物料在脫水區(qū)停留時(shí)間長，沉渣的含濕量就小，但是容易造成排渣困難，甚至排渣失敗.所以一般情況下，對于不同的物料首先在保證順利排渣的前提下，再考慮對含濕量的要求，從而合理選擇液池深度，應(yīng)盡量選擇液池深度大些的以利排渣，對于比重較小的物料，且液池深度較淺的情況，轉(zhuǎn)鼓總應(yīng)力的zui大值和物料離心壓力引起的zui大應(yīng)力均隨著液池深度的增加而增大，但是增長緩慢;轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量離心力產(chǎn)生的zui大應(yīng)力不隨著液池深度的變化而變化，說明它與液池深度無關(guān).可見，本分析中液池深度的大小對轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力的影響很小，選取液池深度時(shí)可不考慮轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度，只需保證順利排渣和獲得較低的含濕量即可.
物料比重較小，并且液池深度較淺，轉(zhuǎn)鼓的總徑向位移zui大值和物料離心壓力引起的徑向位移的zui大值均隨著液池深度的增加而增大，但是增長很緩慢;轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量的離心力產(chǎn)生的徑向位移與轉(zhuǎn)鼓的液池深度無關(guān).
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