碟式分离机转鼓强度研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.12MB 69 页 15积分
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摘 要
碟式分离机是一种应用很广泛的通用机械，物料的分离和提纯均是在高转速
下进行，转速高达每分钟几千转，甚至上万转，在这样的转速下运转时，碟式分
离机的转鼓实际上是一台高速旋转的压力容器，由于离心载荷的作用，转鼓的强
度要求比一般的压力容器安全性要求更高。为了确保碟式分离机的安全运行，提
高经济效益，有必要对转鼓强度进行系统研究。
本文利用有限单元法，对人工排渣碟式分离机转鼓设计进行了综合研究：在
强度计算的基础上进行了刚度、模态的分析以及对转鼓体的优化设计。静强度分
析中，考虑了离心力和液体离心液压两大主要载荷对转鼓组件应力的影响，用分
析设计法对强度进行了评定，对影响转鼓强度的因素进行了研究。而疲劳分析，
利用离心力等作为载荷事件，研究对疲劳破坏的影响程度。进一步引入模态分析
理论，分析了转鼓体的前五阶固有频率和振型。在强度、刚度、模态分析的基础
上进行的对转鼓体的优化设计，最终实现了对转鼓体参数化优化设计，并通过计
算验证了优化设计的结果。本文所进行的研究工作可有效地降低成本，提高碟式
分离机的机械效率和使用寿命，使得整个碟式分离机的设计更具精确性和可靠性，
为碟式分离机的设计开发和实际应用提供了理论依据和设计方法。
关键词：碟式分离机 分离机转鼓 有限元分析 机械强度 疲劳强度
优化设计
ABSTRACT
The dish centrifuge as a sort of general machine is applied in many fields. Because
separation and purification of material need to be operated at very high rotate speed
whose extent is from several thousand revolutions per minute to exceed ten thousand
revolutions per minute, in this situation the drum of centrifuge is actually a pressure
vessel having high rotate speed, which needs higher safety than ordinary immobile
pressure vessel. The centrifuge should be researched systematically and completely, to
ensure the machine’s safety and improve its economic benefit.
The FEA is applied to analyze the strength of manual discharging residue dish
centrifuge drum. On the basis of the mechanical strength calculation, research rigidity,
modal, optimization etc. The static analysis caused by the centrifugal force and
centrifugal hydraulic pressure is analyzed by means of stress calculation; static strength
was assessed by analytical design method; the factors of influencing static strength are
studied. Fatigue considering the load of centrifugal force studies the fatigue failure on
the drum. Modal Part introduces modal theory and calculates front five ranks natural
frequency and vibration’s mode of drum. Optimization for drum based on former
researches—strength, rigidity, modal. Finally parameter optimization for drum is
carried out; testify the effect of optimization by calculation. Research of this paper can
reduce cost availably; enhance machine efficiency and life of centrifuge, and make
entire design of centrifuge accurate and reliable. The conclusion mentioned above
provides academic foundation and design method for development and practical
application of dish centrifuges.
Key words: Dish centrifuge, Drum of centrifuge, Finite Element
Analysis, Mechanical strength, Fatigue strength, Optimization
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 前言 ....................................................... 1
§1.2 碟式分离机及其应用 ......................................... 1
§1.2.1 离心分离机的发展现状及分类 .............................1
§1.2.2 碟式分离机简介 .........................................1
§1.3 课题研究来源与意义 ......................................... 2
§1.4 本文的计算方法与软件 ....................................... 3
§1.4.1 有限元法简介 ........................................... 3
§1.4.2 商用 CAE 软件的发展及 COSMOSWorks 介绍 ................... 4
§1.5 论文研究内容 ............................................... 6
第二章 碟式分离机转鼓组件强度分析 .................................... 7
§2.1 机械强度有限元分析理论基础 ................................. 7
§2.2 碟式分离机转鼓结构及分离原理 ............................... 9
§2.2.1 转鼓结构及工作情况 ..................................... 9
§2.2.2 碟式分离机分离原理 .................................... 10
§2.3 离心力场的基本特性 ........................................ 10
§2.4 转鼓组件受力分析 .......................................... 12
§2.4.1 转鼓体受力分析 ........................................ 12
§2.4.2 转鼓盖受力分析 ........................................ 13
§2.4.3 颈盖受力分析 .......................................... 14
§2.4.4 大锁环受力分析 ........................................ 14
§2.5 基于有限元方法的转鼓组件强度计算 .......................... 14
§2.5.1 有限元模型的建立 ...................................... 15
§2.5.2 有限元网格的划分 ...................................... 15
§2.5.3 载荷与约束处理 ........................................ 16
§2.5.4 材料特性的设定 ........................................ 17
§2.5.5 有限元求解及结果输出 .................................. 17
§2.5.6 分析设计法 ............................................ 21
§2.5.7 强度评定 .............................................. 23
§2.6 影响转鼓体强度的因素 ...................................... 26
§2.6.1 转速的影响 ............................................ 26
§2.6.2 壁厚的影响 ............................................ 29
§2.7 本章小结 .................................................. 30
第三章 碟式分离机转鼓疲劳强度分析 ................................... 31
§3.1 疲劳强度破坏 .............................................. 31
§3.2 影响疲劳强度的主要因素 .................................... 31
§3.3 转鼓寿命的概念 ............................................ 32
§3.4 转鼓寿命的有限元分析 ...................................... 32
§3.5 本章小结 .................................................. 38
第四章 碟式分离机转鼓模态分析 ....................................... 39
§4.1 模态分析理论 .............................................. 39
§4.2 多自由度系统的固有频率与主振型 ............................ 39
§4.3 转鼓体模态分析的必要性 .................................... 42
§4.4 临界转速简介 .............................................. 43
§4.4.1 临界转速的基本概念 .................................... 43
§4.4.2 临界转速的计算 ........................................ 43
§4.5 模态分析过程 .............................................. 45
§4.6 结果分析 .................................................. 48
§4.7 本章小结 .................................................. 49
第五章 碟式分离机转鼓优化设计 ....................................... 50
§5.1 优化设计的基本原理 ........................................ 50
§5.2 最优化设计的求解方法 ...................................... 51
§5.2.1 解析法——间接最优化方法 .............................. 51
§5.2.2 库恩-塔克(Kuhn-Tucker)条件 ............................ 51
§5.2.3 数值计算法——直接最优化方法 .......................... 53
§5.3 转鼓体优化数学模型的建立 .................................. 55
§5.3.1 设计变量 .............................................. 55
§5.3.2 目标函数 .............................................. 56
§5.3.3 约束条件 ..............................................57
§5.4 优化计算结果及分析 ........................................ 57
§5.5 本章小结 .................................................. 60
第六章 全文总结 ..................................................... 61
§6.1 主要研究内容及结果 ........................................ 61
§6.2 进一步的研究工作 .......................................... 61
参考文献 ............................................................ 63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 66
致 谢 .............................................................. 67
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 前言
离心分离机是利用高速旋转所产生的离心力来实现悬浮液、乳浊液及其它物
料的分离或浓缩的机械。离心分离机和其它分离机械相比，不仅能得到含湿量低
的固相和高纯度的液相，而且具有节省劳力、减轻劳动强度、改善劳动条件，具
有连续运转、自动控制、操作安全可靠和占地面积小等优点。因此现在离心分离
机己广泛应用于化工、轻工、医药、食品、纺织、冶金、煤炭、船舶、军工等各
个领域。并正在向提高技术参数、系列化、自动化方向发展，且组合转鼓结构增
多，专用机种越来越多。离心分离机己成为国民经济各个部门广泛应用的一种通
用机械[1 ~5]。
§1.2 碟式分离机及其应用
§1.2.1 离心分离机的发展现状及分类
离心分离机的分类方法很多，可按分离原理、结构型式等分类。按分离原理
可分为过滤式分离机和沉降式分离机；按结构型式可分为卧螺式分离机、碟式分
离机、三足式分离机等等，而碟式分离机又有喷嘴排渣、活塞排渣和人工排渣之
分。
离心分离机的生产制造有近百年的历史，主要的生产制造厂有法国ALFA
LAVAL公司，西德WESTFALIA公司，美国SHARPLES公司，BIRD公司及日本的
石川岛播磨株式会社，巴工业株式会社，三菱重工株式会社等十几家大公司。这
些公司都有完整的系列产品，同时又着力发展专用机型，产品规格系列化使得这
些大公司的产品广泛应用于化工、食品、煤炭、医药等领域，在市场上有很强的
竞争力。
我国在建国后开始发展离心分离机械制造业，科研上由机械部合肥通用机械
研究所牵头，以北京化工学院，成都科大，天津大学为主负责信息交流、课题研
究、技术方案的论证工作。并逐步涌现出了一批离心分离机制造企业，如四川江
北机械厂、南京绿洲机器厂、无锡分离机械厂、上海航发等等。
§1.2.2 碟式分离机简介
碟式分离机，可进行两种比重不同且互不相溶的液体，或液体中的少量固体
微粒的分离。主要用于船上或陆上清除润滑油、透平油、冷冻机油、变压器油和
碟式分离机转鼓强度研究
2
机油中的水分和机械杂质,以减少机器磨损和延长润滑油使用时间；也可用于清除
轻柴油或重柴油中的水分和机械杂质，减少柴油机、活塞及缸套的磨损，避免高
压油泵咬死等故障，或以重柴油代替轻柴油使用以降低成本。下图为碟式分离机
外观图。
图1-1 碟式分离机
碟式分离机由机座、电动机、水平轴、立轴、转鼓等部分组成，而转鼓由转
鼓体、锁环、颈盖、转鼓盖等部分组成。
碟式分离机工作时，电动机通过水平轴和立轴之间的一对螺旋齿轮带动立轴
上端的转鼓高速旋转，进行物料的分离。
§1.3 课题研究来源与意义
本课题以人工排渣碟式分离机为研究对象，对其重要部件——转鼓进行了强
度方面的研究和模态分析，并在此基础上对转鼓体进行优化设计。
离心分离机的分离和提纯均是在较高转速下进行，转速高达每分钟几千转，
第一章 绪论
3
甚至几万转以上，在这样的转速下运转时分离机的转鼓实际上是一台高速旋转的
压力容器，比通常静止的压力容器安全性要求更高。另外分离机械分离的产品大
多数是有腐蚀性的介质(酸、碱、盐)或是有毒、易燃、易爆的介质容易产生应力
腐蚀。因此，设计中必须进行可靠的强度计算以确保分离机的安全，尤其是近几
年来碟式分离机向大直径、高转速方向发展，就更要求对转鼓应力分析作深入系
统的探讨，作符合实际情况的精确计算[6,7]。然后可在应力分析的基础上对其结构
进行优化设计。这样，在保证分离机安全性的基础上，可有效降低成本，提高分
离机的机械效率和使用寿命。
分离机转鼓强度的研究工作，于50年代苏联学者开始采用经典弹性理论计算高
速回转圆盘和圆筒形、圆锥形的回转壳体及其边缘区域的应力，对离心机转鼓的
强度计算进行了详细的论述。德国的W.Wilsmann于1962, 1963年相继发表了“底
板对离心机转鼓壳体应力的影响”和“薄底盘离心机转鼓”，文中将转鼓简化为
管子与平板来进行讨论，着重研究了圆筒形离心机转鼓中鼓底的厚度对圆筒边缘
部位应力的影响。W.Wilsmann分析认为离心机转鼓采用薄鼓底有利于减少鼓壁的
边缘应力。七十年代初苏联学者将最优化方法应用于高速回转容器的设计，提出
等应力的设计观点，这对转鼓的优化设计在理论上具有一定的意义[8]。近几十年来
我国的科研人员也对转鼓的强度分析做了许多探讨，其中南京化工学院的顾海明、
王德润[9，10]在对锁环受力分析的基础上，通过对锁环截面的适当简化、分割、利用
变形协调条件，给出了锁环应力计算的近似分析解；沈阳化工学院的张建伟应用
经典弹性力学的解析法对离心机转鼓进行了强度计算，得出了 “对形状较规则的
转鼓，采用经典弹性力学进行其应力计算，可以达到相当高的精确度，但同时可
以看出，计算较为繁琐”的结论[11]。
目前在工程和实验研究方面，关于转鼓机械强度的计算方法主要采用两种:经
典弹性力学解析解法、有限元解法[12~15]。
§1.4 本文的计算方法与软件
采用有限元法计算转鼓强度，可以直接对转鼓整体的各部分进行详细计算，
使设计者可以了解到整个转鼓各部分的应力状态，为设计出合理的结构提供可靠
的依据[16]。在我国离心机转鼓强度标准中也推荐采用有限元法计算转鼓的应力[33]。
因此本文采用有限元法对转鼓强度进行研究,采用的分析软件是COSMOSWorks。
§1.4.1 有限元法简介
有限元法[17~19]是一种离散化的数值方法。离散后的单元与单元间只通过节点相
摘要：

摘要碟式分离机是一种应用很广泛的通用机械，物料的分离和提纯均是在高转速下进行，转速高达每分钟几千转，甚至上万转，在这样的转速下运转时，碟式分离机的转鼓实际上是一台高速旋转的压力容器，由于离心载荷的作用，转鼓的强度要求比一般的压力容器安全性要求更高。为了确保碟式分离机的安全运行，提高经济效益，有必要对转鼓强度进行系统研究。本文利用有限单元法，对人工排渣碟式分离机转鼓设计进行了综合研究：在强度计算的基础上进行了刚度、模态的分析以及对转鼓体的优化设计。静强度分析中，考虑了离心力和液体离心液压两大主要载荷对转鼓组件应力的影响，用分析设计法对强度进行了评定，对影响转鼓强度的因素进行了研究。而疲劳分析，利...

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