臥式螺旋離心機關鍵結構的靜力學性能分析與優化

靖吉東

（晉能控股煤業集團大地選煤公司永定莊選煤廠， 山西 大同 037003）

引言

離心機是利用旋轉運動產生的離心力將非均相混合物進行分離的設備，在煤炭、石油、食品等行業中均得到了廣泛的應用。臥式螺旋離心機采用行星差速器進行速度差的調節，具有速度穩定、分離效率高的特點，在煤炭分選等行業中應用較廣。雖然臥式螺旋離心機已被廣泛應用，但對其結構及力學系統的設計理論的研究較為匱乏，這是由于受分離過程中物料的不穩定性影響，使得物料的參數隨著分離的過程不斷變化[1]，必須采用大量的實驗來進行離心機結構及功能的驗證。隨著科學技術的發展，采用仿真分析的方式可對臥式螺旋離心機的結構及性能進行分析[2]，并由此對其進行一定的優化，可以提高臥式螺旋離心機的設計水平，進而提高離心機的使用效果。

1 臥式螺旋離心機轉鼓模型的建立

臥式螺旋離心機的主體結構主要包括螺旋部、差速器、排渣及保護裝置，轉鼓是螺旋部的主要結構，有多種不同的形式，轉鼓的結構對于固相物的沉降具有重要影響，且轉鼓的長徑比直接影響到沉降的效果。本文以柱-錐形結構轉鼓為例進行分析，柱-錐形轉鼓可以增加積液池的容積[3]，提高澄清效果。通過建立轉鼓結構的模型，采用有限元仿真的方式對臥式螺旋離心機轉鼓的靜力學性能進行分析。

臥式螺旋離心機轉鼓的主要結構參數有最大直徑、長徑比及溢流板直徑，長徑比的大小對于轉鼓的性能有直接影響。采用UG 建立轉鼓結構模型，轉鼓的內表面分布有溝槽或者筋條結構，在斷面上分布有排渣孔[4]，并安裝硬質合金刮刀，轉鼓的兩端分別通過法蘭盤和軸盤焊接固定。對轉鼓進行三維模型的建立后，將其直接導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench 中進行仿真分析進行前處理。

對得到的模型進行網格劃分處理，由于轉鼓的結構較為復雜，在靜力學分析時，可將網格尺寸劃分的較大些，這樣可以提高計算效率，且不會影響對結果的判定，在復雜結構面位置對網格進行一定的細化處理[5]，采用自動劃分網格的方法進行轉鼓的網格劃分，以此得到轉鼓的網格劃分模型，如圖1所示。

圖1 臥式螺旋離心機轉鼓網格劃分模型

2 臥式螺旋離心機轉鼓靜力學仿真及優化

2.1 臥式螺旋離心機轉鼓強度的仿真分析

轉鼓作為高速旋轉的柱狀殼體，在工作過程中主要受到離心力的作用，其強度表現對離心機的性能具有重要影響。轉鼓屬于薄壁零件，在使用過程中對強度和剛度的要求較高[6]，需保證其形變量在使用范圍之內。對正常工況下的轉鼓模型進行模擬，設定轉速為1 480 r/min，積液池的深度為50 mm，對轉鼓的應力進行分析，得到如下頁圖2 所示的轉鼓應力分布圖。

從圖2 中可以看出，在正常工況下，轉鼓受到的應力最大值為173.97 MPa，應力均勻分布在轉鼓的圓柱段中，最大應力值小于轉鼓的許用應力值248 MPa，轉鼓的強度滿足使用的需求，并且相對許用應力值具有較大的裕量，轉鼓結構存在一定的優化空間。

圖2 轉鼓的應力（Pa）分布云圖

2.2 臥式螺旋離心機轉鼓優化分析

轉鼓的尺寸在設計過程中預留了一定的余量，造成了轉鼓自身的質量較大，限制了轉鼓的長徑比，不利于煤炭的浮選。為進一步提高轉鼓的使用性能，在保證轉鼓強度的條件下，對轉鼓的長徑比及壁厚進行優化處理。

長徑比指臥式螺旋離心機轉鼓有效工作長度與圓柱段直徑的比值，轉鼓中沉降區與干燥區的長度對于煤液中固相和液相的質量有直接的影響，在保持轉鼓內徑一致的情況下，轉鼓的長徑比越大，臥式螺旋離心機對煤液的分離效果越好。在保證轉鼓圓柱段直徑不變的情況下，增加轉鼓的長度，對不同長度下的轉鼓應力進行分析，將最大應力值進行記錄，繪制轉鼓最大應力與長度變化曲線，如圖3 所示。

圖3 轉鼓最大應力與長度變化的曲線

從圖3 可以看出，在轉鼓長度增加的過程中，最大應力值也隨之增加，在轉鼓增加長度小于100 mm時，最大應力的變化不大，此時隨長度增加，對轉鼓質量的影響程度不大，對應力的作用有限；當轉鼓的長度增加量大于100 mm 時，最大應力值開始明顯增加，轉鼓的剛度受到影響，在增加量為150 mm 時，綜合應力最大值為220 MPa，接近于許用應力值。為保證轉鼓的強度，對長度增加量控制在100 mm 以內為宜。

轉鼓的壁厚是影響其使用性能的重要參數，較小的壁厚既可以降低制造成本又可以減少使用過程中的能耗。在其他參數不變的情況下，改變轉鼓的壁厚，對不同壁厚下的應力進行分析，并將最大應力值進行記錄，繪制轉鼓最大應力與壁厚變化曲線，如圖4 所示。

圖4 轉鼓最大應力與壁厚變化的曲線

從圖4 可以看出，在轉鼓壁厚減小的過程中，壁厚在10 mm 以上時，轉鼓的應力值變化不大，此時通過減小壁厚降低轉鼓質量對離心力產生的應力作用不大；當壁厚減小到10 mm 以下時，應力產生明顯增加，在壁厚為8 mm 時，最大應力值為240 MPa，此時接近于許用應力值。在進行轉鼓壁厚優化的過程中，可將轉鼓的壁厚降至10 mm，在對轉鼓質量有一定減輕的同時，保證其使用性能。

3 結論

1）正常工況下，轉鼓所受到的最大應力值為173.97 MPa，轉鼓的許用應力值為248 MPa，因此，轉鼓的結構存在一定的優化空間。

2）在保持轉鼓內徑一致的情況下，轉鼓的長徑比越大，臥式螺旋離心機對煤液的分離效果越好。為保證轉鼓的強度，對其長度增加量控制在100 mm以內為宜。

3）較小的壁厚既可以降低制造成本又可以減少使用過程中的能耗，為保證其使用性能，轉鼓的壁厚降至10 mm 為最佳。