離心脈沖電場破乳裝置轉鼓模態及強度分析

蔣佳男

摘 要 以離心脈沖電場破乳裝置的關鍵部件轉鼓為研究對象。首先采用有限元軟件對其進行三維實體建模，然后進行模態分析和強度分析，得到了轉鼓多階固有頻率、振型、最大應力等參數值。根據計算結果，確定了轉鼓的危險位置并對其進行強度分析。結果表明，自行設計的轉鼓各階臨界轉速遠大于設計轉速，最大應力遠小于許用應力，滿足使用要求，為轉鼓的結構設計提供了較高的參考價值。

關鍵詞 轉鼓;數值模擬;強度分析;模態分析

Analysis of the Modal and Strength of Rotating Drum in Centrifugal Pulse Electric Field Demulsification Device

Jianan Jiang

Jilin Yongsheng Gas Installation and Development Co.， Ltd.， Changchun 130117

Abstract Drum as the key component of centrifugal pulse electric field demulsification device is the research object. Firstly， the 3D solid modeling was performed using a finite element software， and then the analysis of modal and strength was performed to obtain the parameters of the drums multi-order natural frequency， mode shape， and maximum stress. According to the calculation results， the dangerous position of the drum is determined and its strength is analyzed. The results show that the critical speed of each stage of the self-designed drum is much larger than the design speed， and the maximum stress is far less than the allowable stress， which meets the requirements for using and provides a high reference value for the structural design of the drum.

Key words Drum; Numerical simulation; Strength analysis; Modal analysis

前言

隨著油田注水采油、三次采油等技術的廣泛應用，采出液乳化現象越來越嚴重，如何對老化原油進行破乳處理的問題也逐漸凸顯。針對這個問題，設計了一種新型離心脈沖電場破乳裝置，乳濁液在該裝置內能夠短時間完成破乳聚結過程和沉降過程[1]。

轉鼓作為該裝置的主要部件之一，不僅對其用途和生產能力有顯著的影響，而且轉鼓在轉動過程中會產生較大的工作應力和振動位移[2-3]。當轉鼓的強度和剛度不足時就可能產生破壞，影響整個裝置正常運行，所以說合理設計轉鼓是非常重要的[4]。

本文就是采用有限元軟件對轉鼓進行模態分析[5]和結構分析（強度分析[6]），根據分析結果來驗證轉鼓結構設計的合理性。

1離心脈沖電場破乳裝置轉鼓整體結構

轉鼓總高616mm，轉鼓頂軸外徑50mm，厚度4mm，轉鼓底軸外徑50mm，厚度4mm，轉鼓直段外徑90mm，厚度5mm，材料均為0Cr18Ni9Ti。

2有限元分析

2.1 有限元模型的建立

本文采用有限元計算軟件對離心脈沖電場破乳裝置轉鼓進行分析。采用SOLID185[7]單元進行建模、網格劃分、模態分析和結構分析。有限元模型如圖1所示。

2.2 模態分析

（1）載荷與邊界條件

在轉鼓底軸和頂軸邊界做固定約束，進行轉鼓前6階自由模態分析。

（2）結果分析

振動一般在低階處激振起來后產生共振現象，不同階的固有頻率對應不同階的臨界轉速，當轉鼓在第一階固有頻率下產生共振時，轉鼓直段產生的變形較大。在求解結果中發現第一階固有頻率為499.05Hz時，對應的臨界轉速為29943r/min。其他各階具體數值見表1。

由表1所示可知，不同固有頻率對應不同的臨界轉數，從而導致轉鼓轉動過程中出現不同的危險位置。本文中轉鼓的設計轉速為3000r/min，遠小于其對應的臨界轉速，因此，該轉鼓在正常轉速范圍（0～3000r/min）內不會產生共振現象，可以正常運轉。

2.3 結構分析

（1）載荷與邊界條件

在轉鼓底軸和頂軸邊界做固定約束，對整個轉鼓結構施加314rad/s的加速度，然后加載自重進行結構分析。

（2）結果分析

從應力計算結果中發現在轉鼓直段與轉鼓底軸、轉鼓頂軸連接處有應力最大值，其他部位應力值均較小。

由于該結構用實體單元SOLID185建立的有限元模型，不能直接顯示出標準的應力強度值，所以需要在最大值處沿著厚度放方向做應力線性化，算出相關的薄膜應力，彎曲應力以及薄膜應力加彎曲應力之和的數值，結構中最大位置處有三個方向是局部應力危險點，所以選擇三個路徑進行應力分析，具體路徑分布如表2所示。

從線性化結果中可以看出，在路徑1中，薄膜應力作為主要的破壞應力影響整個結構的運行，而且在一定厚度范圍內，薄膜應力是一個不變的較大的恒定值;在路徑2、3中，薄膜應力加薄膜應力及總體應力都是沿著厚度的方向逐漸變小的，這樣也可以看出，厚度決定著整體應力的變化，但是厚度過去大就會產生多余成本，提高了產品消耗，同時由于該結構一直處于轉動狀態，因扭矩引起的彎曲應力也是一個不容忽視的破壞應力。

但目前為止，該結構轉鼓最大應力值為2.786MPa<<[σ]，所以，該轉鼓滿足強度要求。

其中[σ]為0Cr18Ni9Ti在室溫下的許用應力值[4]，即[σ]=120MPa。

3結束語

轉鼓作為離心脈沖電場破乳裝置的核心部件，合理對轉鼓進行結構設計，可以有效降低成本，提高整個裝置的使用效率。本文就是該目標為前提，應用ANSYS有限元軟件對設計的轉鼓進行模態分析和結構分析，得出結論如下：

（1）模態分析表明：轉鼓的設計轉速為3000r/min時遠小于其對應的臨界轉速，因此，該轉鼓在正常轉速范圍（0～3000r/min）內不會產生共振現象，可以正常運轉。

（2）結構分析表明：轉鼓最大應力值遠小于其許用應力，滿足強度要求。但不同路徑下，薄膜應力和彎曲應力影響情況不同，這樣該結構對厚度要求較高，厚度增加會直接增加生產成本，這就進行模擬分析給出最優化模擬數據作為參考。

因此，該轉鼓的結構設計是合理的，為自行設計轉鼓提供了有效的依據。

參考文獻

[1] 王永偉，張楊，王奎升.新型離心-脈沖電場聯合破乳裝置的設計[J].流體機械，2009（11）：15-18.

[2] 劉建華，趙立宏，周其旺.基于ANSYS Workbench的立式離心機轉鼓動力學分析[J]. 機械工程與自動化，2013（1）：56-57.

[3] 楊培志，譚蔚.加強箍結構參數對離心機轉鼓應力的影響[J].流體機械，2010（4）：42-44，17.

[4] GB150-2011.鋼制壓力容器[S].北京：全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會，2011.

[5] 毛文貴，李建華.基于模態分析的轉鼓優化設計[J].機械設計， 2010（6）：71-74.

[6] 李文輝，龔俊.離心卸料離心機錐形轉鼓筒體有限元分析與強度計算[J].流體機械，2012（7）：18-20.

[7] 張利民，王克明.葉片模態分析的單元類型選擇[J].沈陽航空航天大學學報，2011（2）：21-24.