馮美貴，朱迪斯，翁 煒，2，黃玉文

(1．北京探礦工程研究所，北京100083;2．中國地質大學〈北京〉，北京100083)

離心機在地質鉆探過程中用于沖洗液固液相分離，作為一種沖洗液固控設備［1～4］，在地質鉆探作業(yè)中有著非常重要的作用。目前地質鉆探現(xiàn)場廣泛使用的是臥式螺旋離心機，我們在自行研制的350規(guī)格離心機的基礎上，經過多次的優(yōu)化改進設計，在中國地質調查局組織實施的國家地質礦產調查評價項目“柴達木地區(qū)礦產勘查鉆探工藝技術集成研究與示范”資助下，針對柴達木地區(qū)地層特性和鉆探要求，研制出了處理量為0.5～2 m3/h，小型化、輕型化、模塊化并易于搬遷的TGLW220×660型離心機。由于TGLW220×660型離心機的轉鼓、螺旋推進器、箱體、機罩、機架等主要部件遵循小型化、輕型化設計，并且轉速較高，在現(xiàn)場使用過程中，確保離心機的安全可靠性［5］尤其重要。轉鼓是離心機的重要部件，因此有必要對TGLW220×660型離心機的轉鼓進行強度分析，避免過高的應力使旋轉的轉鼓發(fā)生崩裂，引起嚴重的安全事故。本文主要用有限元模擬仿真分析方法和傳統(tǒng)理論強度分析分別校核TGLW220×660型離心機轉鼓設計的合理性和可靠性。

1 TGLW220×660型離心機轉鼓有限元分析

1．1 三維有限元實體模型建立

1．1．1 轉鼓基本參數(shù)

1．1．1．1 轉鼓結構和工作參數(shù)

TGLW220×660型離心機的轉鼓結構和工作參數(shù)為:內徑D=220 mm，壁厚t=6 mm，有效總長度L=660 mm，長徑比 L/D=3，半錐角 α =9°，轉鼓轉速n=3000 r/min，外形為圓柱錐形。

1．1．1．2 轉鼓材料特性

轉鼓材料為0Cr18Ni9，許用應力為205 MPa。

1．1．2 轉鼓三維模型簡化

本文研制的TGLW220×660型離心機的轉鼓三維實體模型見圖1。從圖1可以看出，轉鼓是軸對稱結構，轉鼓承受的負載也對稱于旋轉軸。由于轉鼓焊接部位已達到足夠的剛度，因此對進行TGLW220×660型離心機的轉鼓進行三維有限元模擬仿真分析時可將模型簡化處理為整體結構，將螺釘螺栓等連接處及工藝孔變?yōu)檎w;在一些非應力集中或非重點分析的地方去除圓角和倒角，去除不影響剛度的凸臺結構，簡化后得到圖2所示的三維實體模型。

圖1 TGLW220×660型離心機轉鼓三維實體模型

圖2 TGLW220×660型離心機轉鼓簡化后三維模型

1．1．3 有限元分析的邊界條件

TGLW220×660型離心機的轉鼓是軸對稱結構，它是靠轉鼓圓柱錐兩端的軸承支撐且繞軸承面轉動的，因此在轉鼓圓柱筒端和錐筒端蓋樞軸的軸頸與軸承接觸處施加軸承支撐約束;并且分別在轉鼓柱筒端蓋、錐筒端蓋最外側施加滑桿約束，以約束轉鼓軸向移動。

1．1．4 轉鼓載荷

1．1．4．1 轉鼓自身質量產生的離心力

在分析中，高速回轉下的轉鼓鼓體本身質量所產生的離心力以角速度的形式施加于轉鼓的有限元三維模型上，即:

式中:n——轉鼓轉速，3000 r/min。

1．1．4．2 轉鼓內沖洗液質量產生的離心力

在離心力作用下，沖洗液沿徑向運動對轉鼓壁形成方向垂直于轉鼓內表面的壓力。圓柱筒中的沖洗液在筒壁內表面產生的離心力為:

式中:pc——轉鼓筒中被分離沖洗液的密度，1085 kg/m3;R——轉鼓內半徑，0.11 m;R0——轉鼓回轉時沖洗液環(huán)的自由表面半徑，0.092 m。

轉鼓錐段筒體壁上和轉鼓大端蓋的任意半徑處仍用上式，垂直于轉鼓作用面處內表面以線性載荷施加到有限元模型上。

1．1．5 轉鼓網(wǎng)格劃分

TGLW220×660型離心機的轉鼓網(wǎng)格劃分后的三維有限元模型如圖3所示。模型中，網(wǎng)格單元大小為16 mm，公差為0.80 mm，最終有限元模型節(jié)總數(shù)35806，單元總數(shù)18485。并通過對網(wǎng)格高寬比和雅可比的分析，得到了螺旋輸送器網(wǎng)格質量較好的結論。

圖3 簡化轉鼓網(wǎng)格劃分后的三維有限元模型

1．2 轉鼓有限元模擬仿真結果分析

在正常工況下，對TGLW220×660型離心機的轉鼓離心機進行模擬仿真分析，得到應力－應變、安全系數(shù)、位移仿真云圖分別見圖4～7。

圖4 TGLW220×660型離心機的轉鼓Von－Mises應力云圖

圖5 TGLW220×660型離心機的轉鼓應變云圖

圖6 TGLW220×660型離心機的轉鼓安全系數(shù)云圖

圖7 TGLW220×660型離心機的轉鼓軸向位移云圖

由應力云圖可知，最大應力為21 MPa;由轉鼓安全系數(shù)云圖可知，轉鼓的最小安全系數(shù)為11.41，在靠近大端鼓底的柱形筒體的內壁上，并且整個圓柱體上的應力水平都比錐段筒體、頂蓋和轉鼓底的應力高，最大應力小于材料的許用應力205 MPa。由此可知最大徑向位移和最大軸向位移均在允許變形范圍內，表明轉鼓的工作過程是安全可靠的。由應變云圖可知，圓柱形筒體向外擴張，轉鼓在正常工作狀態(tài)下，最大徑向位移發(fā)生在筒體上，轉鼓變形不明顯，滿足剛度要求。由軸向位移云圖可知，靠近大端蓋的柱形筒體的內壁上值為0.01265 mm。

因此從TGLW220×660型離心機的轉鼓三維有限元模擬仿真分析結果可以得出，在正常工況下轉鼓滿足強度要求，表明在現(xiàn)場使用過程中，離心機的轉鼓是安全可靠的。

2 TGLW220×660型離心機轉鼓的傳統(tǒng)理論強度校核驗算

2．1 轉鼓旋轉時轉鼓內的環(huán)向應力

TGLW220×660型離心機的轉鼓正常旋轉時轉鼓內的環(huán)向應力［6］可分為:空轉鼓旋轉時鼓壁內的環(huán)向應力、圓柱錐形轉鼓內由沖洗液等載荷離心壓力產生的鼓壁環(huán)向應力2種情況。

2．1．1 空轉鼓旋轉時鼓壁內的環(huán)向應力

2．1．2 圓柱錐形轉鼓內由沖洗液等載荷離心壓力產生的鼓壁環(huán)向應力

式中:q——鼓壁開孔引起的表觀密度減小系數(shù)，1;ρ1——轉鼓材料密度，7.85 g/cm3;r2——轉鼓壁平均半徑，113 mm;ω——轉鼓旋轉角速度，314 rad/s;ρ2——沖洗液的密度，1.085 g/m3;r1——轉鼓內半徑，110 mm;r3——沖洗液環(huán)的內半徑，92 mm;δ——轉鼓壁厚度，6 mm;α——半錐角，9°。

2．2 轉鼓強度驗算

圓柱錐形轉鼓的環(huán)向總應力:

式中:K——焊縫系數(shù)，0.95;［σ］——轉鼓材料0Cr18Ni9 的許用應力，取 0.33σb=171.6 MPa，0.50σs=102.5 MPa兩值中的小者，即［σ］=102.5 MPa。

以上傳統(tǒng)理論強度校核驗證了TGLW220×660型離心機在正常工況下，轉鼓的設計是合理、安全可靠的;同時也進一步驗證了利用有限元分析方法進行強度校核的可靠性和直觀性。

3 結論

(1)本文用有限元分析方法對TGLW220×660型離心機的關鍵部件轉鼓建立了三維實體模型，進行了三維有限元分析與模擬仿真;分析結果得出，在正常工況下TGLW220×660型離心機的轉鼓滿足強度要求，表明在現(xiàn)場使用過程中，TGLW220×660型離心機的轉鼓是安全可靠的。

(2)利用傳統(tǒng)理論強度分析方法對TGLW220×660型離心機的關鍵部件轉鼓進行了校核驗算，驗證了轉鼓的安全性，同時也驗證了三維有限元模擬仿真分析方法的可靠性和直觀性。

(3)傳統(tǒng)理論強度分析和三維有限元分析與模擬仿真同時驗證了本文研制的TGLW220×660型離心機轉鼓設計的合理性和安全可靠性，為TGLW220×660型離心機在現(xiàn)場安全使用提供了重要的理論依據(jù)。

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［5］ 孫啟才，金鼎五．離心機原理結構與設計計算［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1987．130 －209．

［6］ JB/T 8051－2008，離心機轉鼓強度計算規(guī)范［S］．