加强箍参数对锥篮离心机转鼓应力的影响

蒙 文

MENG Wen

（广西工业职业技术学院，广西 南宁 530001）

（Guangxi Vocational and Technical Institute of Industry，Guangxi，Nanning 530001，China）

锥篮离心机是糖厂的主要分离设备，应用广泛。随着经济的发展，离心机向着大型、高速、高效发展。转鼓是离心机的关键部件之一，在高速旋转过程中将产生很大的鼓壁应力。与物料接触的转鼓材料一般为耐腐蚀低强度的奥氏体不锈钢，其强度制约了离心机向大型化发展。为了提高转鼓强度，国内外的大型离心机转鼓外侧常设置加强箍以增强其承载能力。采用加强箍既可以保证转鼓高强度的需要，又可以满足其耐腐蚀的要求。由于装有加强箍的转鼓结构和应力复杂，运用传统的工程计算不准确，易造成加强箍的截面及分布参数不合理或盲目选择加强箍过盈量［1－5］。本研究以IL－1400锥篮离心机转鼓为例，拟采用三维有限元法，在箍与鼓壁间有或无预紧的情况下，对鼓壁应力进行分析计算，以期获得加强箍参数和过盈量对鼓壁应力的影响规律，旨在为锥篮离心机转鼓结构的工程设计和优化提供参考依据。

1 参数定义与有限元模型建立

1.1 加强箍参数定义

如图1所示，在锥篮离心机转鼓外侧设置加强箍，转鼓与箍的材料为321不锈钢，计算时认为加强箍与鼓体保持贴合。转鼓材料在常温下的弹性模量E为2.04×105MPa，泊松比μ为0.3，密度ρ0为7 930 kg／m3。转鼓的结构参数见表1。

图1 设置加强箍的转鼓结构Figure 1 Basket structure of installed rings

表1 转鼓结构参数与计算参数Table 1 Structure parameters and compute parameters of basket

1.2 有限元模型建立

1.2.1 转鼓模型 采用有限元软件ANSYS进行模拟分析，建模时对模型进行了一些合理简化，在一些非重点和非应力集中的地方去除了圆角和倒角。所建立的转鼓等效模型见图2。

图2 转鼓的等效模型Figure 2 Equivalent model of basket

1.2.2 网格划分与载荷约束 由于转鼓结构复杂并且是轴对称的，取模型的1／12作为分析研究对象，采用Solid45实体单元进行网格划分。耦合加强箍与转鼓的节点，使两者保持贴合［6］。

在转鼓内壁上施加的载荷见文献［7］。对底座底面的节点施加所有固定约束，在转鼓对称截面施加对称约束。转鼓的载荷分布和约束见图3。

图3 转鼓的载荷分布和约束Figure 3 Load distribution and constraint of basket

1.3 鼓壁应力强化系数定义

为了便于分析与描述，定义有或无预紧时鼓壁应力强化系数：

式中：

Ky——有预紧时的鼓壁应力强化系数；

Kw——无预紧时的鼓壁应力强化系数；

2 加强箍参数对鼓壁应力的影响

2.1 箍间距对鼓壁应力的影响

在给定箍的截面积A1＝3 825 mm2、A2＝7 200 mm2，箍数n＝2的条件下，采用数值模拟计算了鼓壁最大周向应力，得出了强化系数随箍间距变化的情况，见图4、5。在研究预紧力的影响时，以箍的过盈量为变量，此处过盈量ΔD取0.1 mm。由定义可知强化系数值小于1时，表明鼓体得到加强，且强化系数越小这种强化作用越明显。

图4 无预紧时K w随C变化的曲线Figure 4 Curves of K w vary with C for non－precompression

由图4、5可知，随着箍间距C的减小，强化系数Kw、Ky呈下降趋势，表明鼓壁的最大周向应力随箍间距的减小而减小，鼓体受到强化。当C＝265 mm时，Kw＝1，C＝292 mm时，Ky＝1，即鼓壁上有箍时的最大周向应力等于无箍时的最大周向应力。由此可见，在有或无预紧的条件下，当C＜265或292 mm时，箍对鼓壁才起到强化作用，且有预紧力的转鼓受到箍强化作用最显著。

图5 有预紧时K y随C变化的曲线Figure 5 Curves of K y vary with C for precompression

当箍的截面尺寸确定时，从图4、5中可以得出：对于特定的转鼓结构，箍间距越小，箍的分布数量越多，强化作用越明显。这就意味着箍的总截面积越大，箍的强化作用越明显，显然这样的结论没有实际价值。应在箍的总截面积相等的条件下，考察箍的分布数量才有意义。

给定箍的总截面积分别为 ∑A1＝11 475 mm2、∑A2＝21 600 mm2，将箍沿转鼓的高度均匀分布，模拟计算结果见图6、7。由图6、7可知，不同箍总截面积的Kw、Ky随箍数n的增大逐渐减小，且变化趋势一致。结果表明：箍的数量对鼓壁应力分布规律的影响不会随箍总截面积的变化而改变。当箍数n≥3时，鼓壁最大周向应力的减小幅度趋于减缓。就转鼓设计中对周向应力的要求尽可能小这一点来说，箍数越多越好。但设置过多的加强箍会造成滤孔堵塞，阻碍滤液排出，影响固液分离效果，也会使制造成本提高。因此在设计过程中应考虑到经济性和分离效果问题，合理选择箍的数量。

图6 无预紧时K w随n变化的曲线Figure 6 Curves of K w vary with n for non－precompression

图7 有预紧时K y随n变化的曲线Figure 7 Curves of K y vary with n for precompression

2.2 箍端距对鼓壁应力的影响

在给定箍数n＝3、箍截面积A＝1 350 mm2的条件下，分析箍端距对鼓壁应力的影响，模拟计算结果见图8～11。由图8～11可知，强化系数Kw、Ky随着大端端距d1的减小而减小、随着小端端距d2的增大而减小。有或无预紧时，当d1＜109 mm、d2＞74 mm时，Kw、Ky均小于1，加强箍开始起加强作用。由此可见，在设计时，加强箍的安装位置应适当往转鼓大端偏移，可使鼓壁应力减小。

图8 无预紧时K w随d 1变化的曲线Figure 8 Curve of K w vary with d 1 for non－precompression

图9 有预紧时K y随d 1变化的曲线Figure 9 Curve of K y vary with d 1 for precompression

图10 无预紧时K w随d 2变化的曲线Figure 10 Curve of K w vary with d 2 for non－precompression

图11 有预紧时K y随d 2变化的曲线Figure 11 Curve of K y vary with d 2 for precompression

2.3 箍截面参数对鼓壁应力的影响

通过模拟计算，图12、13给出了在不同箍截面积A1＝1 350 mm2、A2＝5 850 mm2、A3＝7 650 mm2和箍数n＝3的条件下，强化系数Kw、Ky随箍截面高厚比γ与截面积A变化的情况。由图12、13可知，在等箍截面积下，Kw和Ky随γ增大而减小，即鼓壁应力减小，箍截面积较大时，这种影响比较明显，而箍截面积较小时鼓壁应力变化很小。由此可见，当箍截面积较小时，高厚比γ的变化对鼓壁应力的影响较小。

图12 无预紧时K w随γ和A变化的曲线Figure 12 Curves of K w vary withγand A for non－precompression

图13 有预紧时K y随γ与A变化的曲线Figure 13 Curves of K y vary withγand A for precompression

2.4 过盈量大小对鼓壁应力的影响

通过模拟计算，图14给出了在A＝3 826 mm2、n＝4、c＝257.55 mm的条件下，当鼓壁厚度分别为δ1＝8 mm、δ2＝10 mm、δ3＝15 mm时，强化系数Ky随加强箍过盈量ΔD与壁厚δ变化的趋势。由图14可知，随着ΔD的减小，Ky逐渐减小，即鼓壁应力减小，这种变化趋势在鼓壁厚度较小时表现得相对比较明显。当ΔD≤0.1 mm时，鼓壁应力减小的幅度趋于减缓。按照图14中曲线的变化规律，设计中过盈量取得越小鼓壁应力就越小。但在转鼓设计时应考虑到工艺和成本问题，加强箍的过盈量越小，要求加工工艺越高，制造成本也就越大。因此，在设计转鼓时，应综合考虑精度要求和经济成本，合理选择过盈量。

图14 K y随ΔD与δ变化的曲线Figure 14 Curves of K y vary withΔD andδ

3 结论

本研究分别在有或无预紧力的条件下，研究了加强箍分布参数、截面参数及过盈量对鼓壁应力的影响，得到如下结论：

（1）与传统的工程计算方法相比，在对带有加强箍的转鼓结构进行应力分析时，传统的计算法需要对转鼓结构作较大的简化，不仅计算过程复杂，而且计算结果与实际结果偏差较大；而采用三维有限元法，只需对转鼓结构作较小的简化，而且计算结果更准确。

（2）运用传统法计算带有加强箍的转鼓强度，计算结果偏保守且结构尺寸有较大的富裕，既增加了离心机的能耗，又增加了制造成本；采用三维有限元法对锥篮离心机转鼓进行优化计算，可以合理地确定加强箍的分布参数、截面参数以及过盈量，在保证强度和刚度的前提下使转鼓结构尺寸有效地降低，从而减小制造成本。

本项目研究成果已取得国家专利，专利号为ZL201320029908.6。

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