开孔和开槽参数对锥篮离心机转鼓应力的影响

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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。企业加快了更新换代的步伐.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-， 在高速旋转过程中将产生很高的工作应力。与物料接触的转鼓材料-般为耐腐蚀低强度的奥氏体不锈钢。

其强度制约了离心机的发展。转鼓的开孑L和开槽是否合理 .直接影响到鼓壁的强度。在转鼓上开孔会破坏鼓壁结构的连续性.使开孑L边缘产生严重的应力集中田.-旦发生破坏.必将危及操作人员的生命安全。传统的工程计算法及二维轴对称有限元法不能精确求出转鼓结构复杂区域的应力情况及开孔边缘的应力集中鲫。因此在开孔转鼓结构设计和应力评定方面还存在着很大程度的近似性和复杂性。转鼓的孔径、孔桥宽度、槽宽及壁厚等参数的变化对鼓壁应力有很大影响.其共同作用在鼓壁上，使鼓壁的应力更加复杂。合理的开孔和开槽可以降低鼓壁应力，使转鼓结构更加趋于合理，从而提高转鼓的强度。本文应用三维有限元法对开孔和开槽参数进行分析，获得参数变化对鼓壁应力的影响规律.为锥篮离心机的改造优化和工程设计提供理论依据1 转鼓结构及材料特性1.1 转鼓结构如图 1所示 ，为某公司现行产品 IL-1400锥篮离心机转鼓结构图。转鼓大端内半径 为 700mm。

小端 内半径 r为 330ram.半锥角 O/为 34.壁厚 为15mm。转鼓上开有滤孔和弧形槽 ，孔径 d为 12mm。

槽 宽 s为 lOmm.槽 深 a为 5ram.孔 桥 宽 度 l为16mm，开孔率为 15.7%，孔和槽的分布如图2所示。

转鼓 与底座通过螺栓连接 .转鼓 和底座总高 为680mm。转速 0.9为 1 600r/rain图 1 锥篮离心机转鼓结构和 实体模型Fig.1 Structure and model of cone-shaped centrifugal basket收稿 13期：2012年 1O月 22 13 修回日期 ：2013年 1月 4 13作者 简介 ：蒙 文 ，男 ，1965年生 ，广西南 宁人 ，硕士 ，副教授 ；研究 方 向为 CAD/CAM/CAE、 非均相分 离技术 与设备 。E-mail：mengwen664###sina.com中国农机化学报 2013在图 2 孔 和 槽 的 分 布 形 式Fig.2 Distribution of holes and groovess-开槽槽宽 n-开槽槽深 f-孔桥宽度 d-开孔直径1.2 转鼓材料特性转鼓材料为321不锈钢.其屈服极限oS>210MPa。

强度 极 限 Orb 530MPa：常温下 弹性 模量 E2.04x105MPa，泊松 比g0.3，密度 p07.93x10-9kg/mm 。

2 验证有限元模型2.1 有限元模型建立2.1.1 转鼓模型采用 ANSYS有限元软件进行模拟分析.转鼓的模型不考虑开孔、开槽及两端结构的约束.这些结构对鼓壁应力的影响在以后的参数分析中考虑 为了减少网格数和计算工作量.建模时进行了-些合理简化 由于 ANSYS在处理圆角和倒角时需要大量的单元 .因此在-些非应力集中或非重点分析 的地方去除了圆角和倒角2.1.2 网格划分由于 转鼓 结 构非 常复 杂 .在 结 构 上是 轴 对称的.承受的载荷以及约束也都是轴对称的 .取模型 的 1/12作 为研究对 象 .以减 少 占用过 多 的计算机 内存空间 ，如图 3所示 。分析采用 Solid45实体单 元图 3 转鼓的有限元模型Fig.3 Finite element model of basket2.1-3 载荷和约束对于锥篮离心机 ，转鼓壁承受的主要载荷有 ：1)转鼓回转时由自身质量产生的离心力。只需在施加载荷时加入-个角速度 tOl 600r/min：21转鼓 内装有 的筛 网与物 料在 回转 时 由其质 量 产 生 的 离 心 力 .其 作 用 在 鼓 壁 上 的 离 心 压力 P为 ：P-p，RtoZcOS ( -r02)0.246MPa (1)式 中 ：Jp 鼓壁 、筛 网材 料 的密度 ，kg/mm ，P。

7.9310-g/mm ；- - 筛网当量厚度 ，mm， 1mm；R--转鼓大端内半径 。mm，R700mm；p - 物料的密度 ，p 1.5x10kg/mm ；转 鼓 大 端 物 料 层 内半 径 ，mm，F0696mm。

41转鼓小端与转鼓底座为过渡配合，配合力忽略不计因转鼓的有限元模型为轴对称模型.所以.在转鼓的对称截面施加轴对称约束.再在转鼓的小端施加所有固定约束2.2 转鼓的鼓壁应力计算在高速回转下 .圆锥形转鼓壁所产生 的应力主要由三部分引起.即鼓壁本身质量产生的离心力引起的鼓壁应力、由物料产生的离心力所引起的鼓壁应力和由筛网高速回转时引起的鼓壁应力 对于圆锥形转鼓 .其经向和周 向的最大应力在圆锥大端 .鼓壁最大应力为周向应力[51。转鼓上没有开孔。转鼓大端的周向总应力为 ：(OrE)R(cr2) R( 2)”R( 2)tRp (1鲁 p. rK。IR ')KII-式中：R- 转鼓大端的中半径，mm。

2.3 计算结果对比图 4为鼓壁最大周 向应力的数值 模拟值与理论计算值随转速变化的比较图。图中实体标记点的值为理论计算值.其对应的空心标记点的值为数值模拟值从图 4中可以看出.随着转速的增大 ，不同壁厚和锥角的转鼓最大周向应力值逐渐增大.且数值模拟值与计算值吻合较好.计算结果表明，所建立的模型正确第 3期 蒙文：开孑L和开槽参数对锥篮离心机转鼓应力的影响育 150至130lO901 400 l 50 l 60o转速(r/rain)- .-a34。 -c ：34。 -1 a36.5。

(a)锥角改变的最大周向应力比较 15mm)- l30邑 1201100o901 40O l 450 l 5x) l 55 l 6O0转(r/rnin) l-lO - -々 lO -- l15- 6- l5 十 20 -o- l2O(b)厚度改变的最大周向应力比较 (ot34。)图 4 转鼓 的最大周 向应力比较Fig.4 Maximum circumferential stresses comparison of basket3 模拟结果分析3.1 定义系数阐为了方便比较分析.定义鼓壁开孔应力集中系数K和开孔系数 为： - (3)IⅫ 丁d式中： Ⅱ鞠 转鼓两端无约束 、向应力的数值模拟值，MPa；- - 转鼓两端无约束、周向应力数值模拟值.MPa；开孔的直径 .mm：Z--孑L桥的宽度，mm。

开孔槽时的最大周不开孔槽 时的最大32 孔径大小对鼓壁应力的影响图 5所示为在给定 l40mm.615mm的条件下 ，转鼓半锥角分别为 34、36.5。、39。时，转鼓开孔应力集中系数 随开孑L系数 的变化情况。

从图5中可以看出：11 K值随着锥角的增大 f即大端直径增大)而减小 。虽然增大锥角 ，可以减小鼓壁应力 ，但物料在转鼓 中停 留的时间短 ，固、液分离不干净 ，会影响分离效果 ：锥篮离心机顺利卸料 的条件是锥篮的半锥角必须大于物料与筛网表面的摩擦角.锥角过小则会影响卸料。因此.在离心机转鼓设计过程中.锥角不宜过大也不宜过小2) 值随 值 的变化而不断改变：当 ≤0.2时，K值急剧增大；当 0.2< ≤O.3时， 值不断减小 ，当 0.3时，开孔应力集中系数 K相对较小，值约为 1.6；当 >O.3时， 值急剧增大，然后逐渐减小 ，当 0.75时，K值达到另-个较小值.值约为1.8；当 >0.75时，K值增大趋势放缓。因此，在转鼓设计过程中，当孔桥宽度为定值时，开孔系数 取03、0.75，开孑L应力相对较校K 21.8l6l-41.210 0-2 0.4 O.6 0.8 l图 5 于L径大小对鼓 壁应 力的影响Fig.5 Influence of hole diameter on stress of basket3.3 孔桥宽度对鼓壁应力的影响图6为给出了不同孑L桥宽度 Z条件下.在圆锥形转鼓上排布不 同直径 d的开孔时应力集 中系数 变化情况 计算时取 15mm，a34o。

从图 6中可以看出.虽然孔桥宽度 Z不同.但曲线的变化趋势相近 .开孔应力集 中系数 随着孔桥宽度 l的减小而减校当，-o.15、0.3、0.75时， 值达到相对较小值 对于锥篮离心机.开孔率 f开孔面积与鼓壁面积之比1要求为 10% 15%。孑L径为 10 20ram。当孔桥宽度取 Z：16mm，4，-0.15、0.3时，其对应的开：fLTL径太小.不利于滤液的排出。由 3-2和 3-3的分析可知，在转鼓设计过程中∽桥宽度 Z取 16ram，开孔系数 取0.75.其对应的开孔孑L径为 12mm，开孔率为 15.7%，开孔结构比较合理.离心机可以获得最佳的分离效果。分析结果与现行离心机开孑L结构相符。

图 6 孔桥大小对鼓壁应力的影响Fig.6 Influence of ligament width on stress of basket中国农机化学报3.4 壁厚对鼓壁应力的影响图 7为在给定 l40mm、ot34的条件下，计算壁厚 分别取 10、15、20mm时，在锥形转鼓上排布不同直径的开孔时应力集中系数变化情况。从图 7可以看 出。当 00.3、0.75时 ，K值相对较小 ，这与前面的分析结果相符。当f，<0.75时，随着壁厚的增大，壁厚不同的曲线逐渐逼近 .K值的下降变化变小 ，特别是当鼓壁厚度 8由 15mm增大到 20mm时 ，K值非常相近 .即增大壁厚后 ，应力下降很校因此 .在这种情况下 ，通过增大壁厚来降低开孔引发的应力效果不明显.反而会增大转鼓的制造难度和制造成本K 20 n2 0.4 0.6 n8 1图 7 壁厚大小对鼓壁应 力的影响Fig.7 Influence 0f thickness size on stress 0f basket3.5 槽宽对鼓壁应力的影响图8为给出了不同槽宽IS条件下.在圆锥形转鼓上排布不同直径的开孔时应力集中系数变化情况。计算时取 /40mm、a34。。

0 0Il 0.2 O-3 0.4 0.5c，图 8 槽宽大小对鼓壁应 力的影响Fig.8 Influence 0f notch width on stress of basket由图 8可知 ，不 同槽宽的 K值 随 值 的变化趋势相近， 值随着槽宽的增大而减校设计转鼓时，应适当增大槽宽，以降低开槽引起的应力，也便于液体在孔间的流动和排出。

4 结论2013芷11开孔应力集中系数随着锥角的增大 (即大端直径增大1而减小 ，但锥角过大会影响分离效果 ，应综合考虑卸料条件和分离效果。

21孔 桥 宽 度 l取 16mm，开 孑L系 数 取 0.75时，开孔应力集中系数相对较小 ，转鼓结构 比较合理。

41适当增大槽宽∩以降低开槽引起的应力集中.也便于液体在孔间的流动和排出。