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脫水離心機開孔轉鼓設計計算分析

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脫水離心機開孔轉鼓設計計算分析

發布日期:2018-09-26 作者: 點擊:

脫水離心機轉鼓是脫水離心機的關鍵部件之一。一方麵,轉鼓的結構對脫水離心機的用途、操作、生產能力和功率等均有決定性影響。另一方麵,轉鼓自身因高速旋轉(其工作轉速通常在每分鍾幾百轉至每分鍾幾萬轉之間),受到了離心力的作用,在離心力作用下轉鼓體內會產生很大的工作應力,一旦發生強度破壞,必將產生大的危害,尤其是有時由於應力過高發生“崩裂”,常會引起嚴重人身傷害事故。同時,對於高速旋轉的轉鼓而言,轉鼓的剛度同樣非常重要。若轉鼓的剛度不足,工作中轉鼓的幾何形狀將會發生明顯變化,輕則會出現轉鼓與機殼撞擊、摩擦,損壞零部件;多年來,由於轉鼓設計不當、轉鼓製造質量不高等原因導致重大事故的現象頻頻發生。這已引起了脫水離心機設計人員、脫水離心機廠家和使用部門的重視,經常進行三足式離心機事故原因的診斷、分析與研究。因此,對脫水離心機轉鼓設計計算的分析研究也是十分必要的。

1、開孔轉鼓設計計算的依據

轉鼓強度計算的傳統方法,是在以旋轉薄殼無力矩理論為基礎,並認為轉鼓是完全彈性體,計算時能滿足小位移假設和直法線假設,且轉鼓壁厚 與轉鼓半徑尺之比(S/R)小於0.1,轉鼓高度的情況下導出的。在進行轉鼓應力計算時,主要考慮了由轉鼓體自身質量、轉鼓內的篩網質量以及物料質量因高速旋轉所產生的離心力作用下的應力。

1.1 轉鼓旋轉時由自身質量引起的離心力所產生的周向應力

2、對轉鼓設計中存在問題的分析

2.1 轉鼓設計中強度計算的近似性

轉鼓設計中強度訂算的近似性主要表現在以下幾方麵:

(1)強度計算的公式是以無力矩理論為基礎,並按照薄壁壓力容器而推導出來的。這些計算公式的適應範圍隻有在轉鼓體離開擋液板和轉鼓底適當遠的部位才是成立的 。如果用上述計算公式的計算結吳作為轉鼓各部位強度計算的依據,顯然存在著來源於計享公式的近似性。

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

(3)轉鼓體與擋液板、轉鼓底的連接處應力集中現象比較嚴重,而實際的計算方法中。則是在初步結構設計的基礎上經過適當簡化後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,其計算過程與結果本身也存在著近似性。

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

2.2 轉鼓設計中的不全麵性

2.2.1 缺乏基本剛度的要求

2.2 轉鼓設計中的不全麵性

2.2.1 缺乏基本剛度的要求

離心機轉鼓壁厚計算公式來源於薄壁壓力容器設計規範,即將轉鼓視為承受內壓的薄壁殼體,以無力矩理論為依據校核轉鼓強度。但是,現有的離心機轉鼓設計方法沒有考慮鼓壁的厚度,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的。因為曆年來的壓力容器設計規範對容器小壁厚都有所規定,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生畸變(如截麵失圓),因為一旦發生這種情況容器所承受的彎曲應力將大大超過了壁厚設計計算時作為依據的薄膜應力。這就說明轉鼓設計的強度條件是必要的,而不是充分的。離心機轉鼓是一個高速旋轉的薄壁構件,其所受到的空氣動力作用相當於處於狂風中的靜止薄殼,處於隨機湍流流場中的結構件均將發生振動,離心機轉鼓自然也不能例外。一旦激勵頻率與轉鼓固有頻率重合或接近,轉鼓的幾何形狀將發生明顯變化,其後果是可怕的。所以,轉鼓設計時考慮剛度要求是很有必要的。設計時沒有考慮剛度要求也是離心機轉鼓發生事故的原因之一。筆者曾對SD800型三足式離心機轉鼓的壁厚按剛度條件進行過計算,結果表明按剛度條件計算出的壁厚大於按強度條件計算出的壁厚。這就說明了某些轉鼓從強度的角度分析並無不安全因素,而實際工作中卻是常常發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

在轉鼓設計中,為提高轉鼓的強度和剛度,在轉鼓體的外部往往要設置加強箍,但對加強箍的作用不夠重視。在設計計算公式中僅靠引入的加強箍係數Z來體現加強箍的作用, 而對加強箍的結構尺寸、加強箍與轉鼓體之間有無預應力的作用則無明確要求。從現行的轉鼓設計方法來看,並未對轉鼓的具體尺寸和裝配時有無預應力作明確規定,因此,實際設計結構中,出現了一些明顯不合理的現象。如從彎曲的角度考慮,根據材料力學截麵慣性矩的理論,加強箍應設計成扁且寬狀的結構,加強箍截麵尺寸h應大於“(如圖2所示)以求獲得大的截麵慣性矩( ah3/12),從而降低實際的工作應力。但實際結構中卻出現了h=a=2mm的不合理結構,這種結構尺寸沒有起到應有的加強作用,形同虛設,無疑是因設計要求上的不全麵所致。實際中由此引起的破裂事故也較多。加強箍與轉鼓體的接大都采用無預應力作用的焊接連接,這種結構隻有在轉鼓工作中出現了離心變形時才能起到加強作用,屬於被動加強式加強箍。為了提高轉鼓承載能力,加強箍與轉鼓體的連接采用有預應力(有配合過盈量)作用的連接結構,這種結構在轉鼓工作中未出現離心變形時就能起到加強作用,屬於主動加強式加強箍。

3、結論與建議

由上述分析可知. 目前采用的脫水離心機開孔轉鼓設計計算方法確實存在著近似性和不全麵性,這種設計計算中的近似性和不全麵性也是導致脫水離心機開孔轉鼓出現事故的重要原因。為此對脫水離心機開孔轉鼓的設計計算還有待於廣大學者進行深入研究。為探求合理的設計計算方法,我國從20世紀80年代起,已開始將有限元技術用於離心機轉鼓的應力分析,近20多年來我國許多學者和工程技術人員先後開展了有限元技術在轉鼓強度計算上的應用研究,並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,把實驗轉鼓和工業轉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複的比較,發現了二者能很好地吻合。從而進一步驗證了有限元技術在轉鼓強度計算上的可靠性。但如何將研究成果轉化為實用技術,還有待於進一步研究。

脫水離心機開孔轉鼓設計計算分析



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