離心機開孔轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算分析

時間：2016-03-09         來源：佳毅（上海）機械設(shè)備有限公司           點擊量：

離心機轉(zhuǎn)鼓是離心機的關(guān)鍵部件之一。一方面，轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)對離心機的用途、操作、生產(chǎn)能力和功率等均有決定性影響。另一方面，轉(zhuǎn)鼓自身因高速旋轉(zhuǎn)(其工作轉(zhuǎn)速通常在每分鐘幾百轉(zhuǎn)至每分鐘幾萬轉(zhuǎn)之間)，受到了離心力的作用，在離心力作用下轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)會產(chǎn)生很大的工作應(yīng)力，一旦發(fā)生強度破壞，必將產(chǎn)生極大的危害，尤其是有時由于應(yīng)力過高發(fā)生“崩裂”，常會引起嚴(yán)重人身傷害事故。同時，對于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓而言，轉(zhuǎn)鼓的剛度同樣非常重要。若轉(zhuǎn)鼓的剛度不足，工作中轉(zhuǎn)鼓的幾何形狀將會發(fā)生明顯變化，輕則會出現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓與機殼撞擊、摩擦，損壞零部件；重則同樣會引起轉(zhuǎn)鼓的爆裂，甚至出現(xiàn)人身傷害事故。多年來，由于轉(zhuǎn)鼓設(shè)計不當(dāng)、轉(zhuǎn)鼓制造質(zhì)量不高等原因?qū)е轮卮笫鹿实默F(xiàn)象頻頻發(fā)生。這已引起了設(shè)計人員、制造廠家和使用部門的重視，經(jīng)常進行三足式離心機事故原因的診斷、分析與研究。因此，對離心機轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算的分析研究也是十分必要的。

1、開孔轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算的依據(jù)

   轉(zhuǎn)鼓強度計算的傳統(tǒng)方法，是在以旋轉(zhuǎn)薄殼無力矩理論為基礎(chǔ)，并認(rèn)為轉(zhuǎn)鼓是完全彈性體，計算時能滿足小位移假設(shè)和直法線假設(shè)，且轉(zhuǎn)鼓壁厚 與轉(zhuǎn)鼓半徑尺之比(S／R)小于0．1，轉(zhuǎn)鼓高度的情況下導(dǎo)出的。在進行轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力計算時，主要考慮了由轉(zhuǎn)鼓體自身質(zhì)量、轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的篩網(wǎng)質(zhì)量以及物料質(zhì)

量因高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力作用下的應(yīng)力。

1．1 轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時由自身質(zhì)量引起的離心力所產(chǎn)生的周向應(yīng)力

2、對轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中存在問題的分析

2．1 轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中強度計算的近似性

轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中強度訂算的近似性主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)強度計算的公式是以無力矩理論為基礎(chǔ)，并按照薄壁壓力容器而推導(dǎo)出來的。這些計算公式的適應(yīng)范圍只有在轉(zhuǎn)鼓體離開擋液板和轉(zhuǎn)鼓底適當(dāng)遠(yuǎn)的部位才是成立的 。如果用上述計算公式的計算結(jié)吳作為轉(zhuǎn)鼓各部位強度計算的依據(jù)，顯然存在著來源于計享公式的近似性。

(2)轉(zhuǎn)鼓體上因有開孔，不僅削弱了轉(zhuǎn)鼓體的強度，同時在開孔處也弓．起了應(yīng)力集中。在公式中靠引入幾個系數(shù)(如K。、K。、q等)來考慮應(yīng)力集中等問題顯然也存在著計算過程的近似性。

(3)轉(zhuǎn)鼓體與擋液板、轉(zhuǎn)鼓底的連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而實際的計算方法中。則是在初步結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上經(jīng)過適當(dāng)簡化后再進行二次強度計算，不僅計算公式繁瑣，而且因簡化計算模型，其計算過程與結(jié)果本身也存在著近似性。

   因此，按目前采用的離心機開孔轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算方法設(shè)計的離心機轉(zhuǎn)鼓，從宏觀上看，往往偏于保守，相關(guān)尺寸有較大富裕，使得轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量增加，既增加了轉(zhuǎn)鼓運行的能耗也造成了材料的浪費，顯然是不經(jīng)濟的；從微觀上看，局部地方(如轉(zhuǎn)鼓體與擋液板、轉(zhuǎn)鼓底的連接處，轉(zhuǎn)鼓體的開孔處)的應(yīng)力值往往得不到正確估計，直接影響到轉(zhuǎn)鼓運行的安全性。在離心機發(fā)生的轉(zhuǎn)鼓破裂事故中，出現(xiàn)在開孔處和邊緣處的比例很高。

2．2 轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中的不全面性

2．2．1 缺乏基本剛度的要求

2．2 轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中的不全面性

2．2．1 缺乏基本剛度的要求

   離心機轉(zhuǎn)鼓壁厚計算公式來源于薄壁壓力容器設(shè)計規(guī)范，即將轉(zhuǎn)鼓視為承受內(nèi)壓的薄壁殼體，以無力矩理論為依據(jù)校核轉(zhuǎn)鼓強度。但是，現(xiàn)有的離心機轉(zhuǎn)鼓設(shè)計方法沒有考慮鼓壁的最小厚度，而是把強度要求作為必要與充分條件，這種作法實際上是欠妥當(dāng)?shù)?。因為歷年來的壓力容器設(shè)計規(guī)范對容器最小壁厚都有所規(guī)定，其根本目的是為保證容器有必須的剛度，以避免其幾何形狀發(fā)生畸變(如截面失圓)，因為一旦發(fā)生這種情況容器所承受的彎曲應(yīng)力將大大超過了壁厚設(shè)計計算時作為依據(jù)的薄膜應(yīng)力。這就說明轉(zhuǎn)鼓設(shè)計的強度條件是必要的，而不一定是充分的。離心機轉(zhuǎn)鼓是一個高速旋轉(zhuǎn)的薄壁構(gòu)件，其所受到的空氣動力作用相當(dāng)于處于狂風(fēng)中的靜止薄殼，處于隨機湍流流場中的結(jié)構(gòu)件均將發(fā)生振動，離心機轉(zhuǎn)鼓自然也不能例外。一旦激勵頻率與轉(zhuǎn)鼓固有頻率重合或接近，轉(zhuǎn)鼓的幾何形狀將發(fā)生明顯變化，其后果是可怕的。所以，轉(zhuǎn)鼓設(shè)計時考慮剛度要求是很有必要的。設(shè)計時沒有考慮剛度要求也是離心機轉(zhuǎn)鼓發(fā)生爆裂事故的原因之一。筆者曾對SD800型三足式離心機轉(zhuǎn)鼓的壁厚按剛度條件進行過計算，結(jié)果表明按剛度條件計算出的壁厚大于按強度條件計算出的壁厚。這就說明了某些轉(zhuǎn)鼓從強度的角度分析并無不安全因素，而實際工作中卻是常常發(fā)生安全事故的原因所在。

2．2．2 對加強箍的作用重視程度不夠

   在轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中，為提高轉(zhuǎn)鼓的強度和剛度，在轉(zhuǎn)鼓體的外部往往要設(shè)置加強箍，但對加強箍的作用不夠重視。在設(shè)計計算公式中僅靠引入的加強箍系數(shù)Z來體現(xiàn)加強箍的作用， 而對加強箍的結(jié)構(gòu)尺寸、加強箍與轉(zhuǎn)鼓體之間有無預(yù)應(yīng)力的作用則無明確要求。從現(xiàn)行的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計方法來看，并未對轉(zhuǎn)鼓的具體尺寸和裝配時有無預(yù)應(yīng)力作明確規(guī)定，因此，實際設(shè)計結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)了一些明顯不合理的現(xiàn)象。如從彎曲的角度考慮，根據(jù)材料力學(xué)截面慣性矩的理論，加強箍應(yīng)設(shè)計成扁且寬狀的結(jié)構(gòu)，加強箍截面尺寸h應(yīng)大于“(如圖2所示)以求獲得大的截面慣性矩( ah3/12)，從而降低實際的工作應(yīng)力。但實際結(jié)構(gòu)中卻出現(xiàn)了h=a=2mm的不合理結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)尺寸沒有起到應(yīng)有的加強

   作用，形同虛設(shè)，無疑是因設(shè)計要求上的不全面所致。實際中由此引起的破裂事故也較多。加強箍與轉(zhuǎn)鼓體的接大都采用無預(yù)應(yīng)力作用的焊接連接，這種結(jié)構(gòu)只有在轉(zhuǎn)鼓工作中出現(xiàn)了離心變形時才能起到加強作用，屬于被動加強式加強箍。為了提高轉(zhuǎn)鼓承載能力，加強箍與轉(zhuǎn)鼓體的連接最好采用有預(yù)應(yīng)力(有配合過盈量)作用的連接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)鼓工作中未出現(xiàn)離心變形時就能起到加強作用，屬于主動加強式加強箍。

3、結(jié)論與建議

   由上述分析可知． 目前采用的離心機開孔轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算方法確實存在著一定的近似性和不全面性，這種設(shè)計計算中的近似性和不全面性也是導(dǎo)致離心機開孔轉(zhuǎn)鼓出現(xiàn)事故的重要原因。為此對離心機開孔轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計計算還有待于廣大學(xué)者進行深入研究。為探求合理的設(shè)計計算方法，我國從20世紀(jì)80年代起，已開始將有限元技術(shù)用于離心機轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力分析，近20多年來我國許多學(xué)者和工程技術(shù)人員先后開展了有限元技術(shù)在轉(zhuǎn)鼓強度計算上的應(yīng)用研究，并取得了極有價值的成果。他們通過實驗測試和有限元法計算，把實驗轉(zhuǎn)鼓和工業(yè)轉(zhuǎn)鼓在不同工作情況下的實測值與有限元法計算值進行了反復(fù)的比較，發(fā)現(xiàn)了二者能很好地吻合。從而進一步驗證了有限元技術(shù)在管式分離機轉(zhuǎn)鼓強度計算上的可靠性。但如何將研究成果轉(zhuǎn)化為實用技術(shù)，還有待于進一步研究。

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