离心脉冲电场破乳装置转鼓模态及强度分析

蒋佳男

摘 要 以离心脉冲电场破乳装置的关键部件转鼓为研究对象。首先采用有限元软件对其进行三维实体建模，然后进行模态分析和强度分析，得到了转鼓多阶固有频率、振型、最大应力等参数值。根据计算结果，确定了转鼓的危险位置并对其进行强度分析。结果表明，自行设计的转鼓各阶临界转速远大于设计转速，最大应力远小于许用应力，满足使用要求，为转鼓的结构设计提供了较高的参考价值。

关键词 转鼓;数值模拟;强度分析;模态分析

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

随着油田注水采油、三次采油等技术的广泛应用，采出液乳化现象越来越严重，如何对老化原油进行破乳处理的问题也逐渐凸显。针对这个问题，设计了一种新型离心脉冲电场破乳装置，乳浊液在该装置内能够短时间完成破乳聚结过程和沉降过程[1]。

转鼓作为该装置的主要部件之一，不仅对其用途和生产能力有显著的影响，而且转鼓在转动过程中会产生较大的工作应力和振动位移[2-3]。当转鼓的强度和刚度不足时就可能产生破坏，影响整个装置正常运行，所以说合理设计转鼓是非常重要的[4]。

本文就是采用有限元软件对转鼓进行模态分析[5]和结构分析（强度分析[6]），根据分析结果来验证转鼓结构设计的合理性。

1离心脉冲电场破乳装置转鼓整体结构

转鼓总高616mm，转鼓顶轴外径50mm，厚度4mm，转鼓底轴外径50mm，厚度4mm，转鼓直段外径90mm，厚度5mm，材料均为0Cr18Ni9Ti。

2有限元分析

2.1 有限元模型的建立

本文采用有限元计算软件对离心脉冲电场破乳装置转鼓进行分析。采用SOLID185[7]单元进行建模、网格划分、模态分析和结构分析。有限元模型如图1所示。

2.2 模态分析

（1）载荷与边界条件

在转鼓底轴和顶轴边界做固定约束，进行转鼓前6阶自由模态分析。

（2）结果分析

振动一般在低阶处激振起来后产生共振现象，不同阶的固有频率对应不同阶的臨界转速，当转鼓在第一阶固有频率下产生共振时，转鼓直段产生的变形较大。在求解结果中发现第一阶固有频率为499.05Hz时，对应的临界转速为29943r/min。其他各阶具体数值见表1。

由表1所示可知，不同固有频率对应不同的临界转数，从而导致转鼓转动过程中出现不同的危险位置。本文中转鼓的设计转速为3000r/min，远小于其对应的临界转速，因此，该转鼓在正常转速范围（0～3000r/min）内不会产生共振现象，可以正常运转。

2.3 结构分析

（1）载荷与边界条件

在转鼓底轴和顶轴边界做固定约束，对整个转鼓结构施加314rad/s的加速度，然后加载自重进行结构分析。

（2）结果分析

从应力计算结果中发现在转鼓直段与转鼓底轴、转鼓顶轴连接处有应力最大值，其他部位应力值均较小。

由于该结构用实体单元SOLID185建立的有限元模型，不能直接显示出标准的应力强度值，所以需要在最大值处沿着厚度放方向做应力线性化，算出相关的薄膜应力，弯曲应力以及薄膜应力加弯曲应力之和的数值，结构中最大位置处有三个方向是局部应力危险点，所以选择三个路径进行应力分析，具体路径分布如表2所示。

从线性化结果中可以看出，在路径1中，薄膜应力作为主要的破坏应力影响整个结构的运行，而且在一定厚度范围内，薄膜应力是一个不变的较大的恒定值;在路径2、3中，薄膜应力加薄膜应力及总体应力都是沿着厚度的方向逐渐变小的，这样也可以看出，厚度决定着整体应力的变化，但是厚度过去大就会产生多余成本，提高了产品消耗，同时由于该结构一直处于转动状态，因扭矩引起的弯曲应力也是一个不容忽视的破坏应力。

但目前为止，该结构转鼓最大应力值为2.786MPa<<[σ]，所以，该转鼓满足强度要求。

其中[σ]为0Cr18Ni9Ti在室温下的许用应力值[4]，即[σ]=120MPa。

3结束语

转鼓作为离心脉冲电场破乳装置的核心部件，合理对转鼓进行结构设计，可以有效降低成本，提高整个装置的使用效率。本文就是该目标为前提，应用ANSYS有限元软件对设计的转鼓进行模态分析和结构分析，得出结论如下：

（1）模态分析表明：转鼓的设计转速为3000r/min时远小于其对应的临界转速，因此，该转鼓在正常转速范围（0～3000r/min）内不会产生共振现象，可以正常运转。

（2）结构分析表明：转鼓最大应力值远小于其许用应力，满足强度要求。但不同路径下，薄膜应力和弯曲应力影响情况不同，这样该结构对厚度要求较高，厚度增加会直接增加生产成本，这就进行模拟分析给出最优化模拟数据作为参考。

因此，该转鼓的结构设计是合理的，为自行设计转鼓提供了有效的依据。

参考文献

[1] 王永伟，张杨，王奎升.新型离心-脈冲电场联合破乳装置的设计[J].流体机械，2009（11）：15-18.

[2] 刘建华，赵立宏，周其旺.基于ANSYS Workbench的立式离心机转鼓动力学分析[J]. 机械工程与自动化，2013（1）：56-57.

[3] 杨培志，谭蔚.加强箍结构参数对离心机转鼓应力的影响[J].流体机械，2010（4）：42-44，17.

[4] GB150-2011.钢制压力容器[S].北京：全国锅炉压力容器标准化技术委员会，2011.

[5] 毛文贵，李建华.基于模态分析的转鼓优化设计[J].机械设计， 2010（6）：71-74.

[6] 李文辉，龚俊.离心卸料离心机锥形转鼓筒体有限元分析与强度计算[J].流体机械，2012（7）：18-20.

[7] 张利民，王克明.叶片模态分析的单元类型选择[J].沈阳航空航天大学学报，2011（2）：21-24.