鄭加洲，李 麗，丁曉明，趙奇峰，任苗苗，尹延經(jīng)

（1. 南京中船綠洲機器有限公司，南京 210000；2. 洛陽軸承研究所有限公司，河南洛陽 471000)

0 引言

碟式分離機是應(yīng)用最廣、使用數(shù)量最多的離心機之一，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化工、石油化工、輕工、生物工程、船舶和涂料等領(lǐng)域[1]。世界頂尖的船用碟式分離機企業(yè)都來自歐洲，瑞典ALFA-LAVAL公司和德國GEA Westfalia公司是世界最著名的碟式分離機供應(yīng)商，具有130年的歷史，代表了當(dāng)今世界碟式分離機的最高水平。它們分離機的發(fā)展趨勢是更高的轉(zhuǎn)速、小型化、大處理量發(fā)展。目前，碟式分離機的轉(zhuǎn)速從早期4 000 r/min左右發(fā)展到現(xiàn)在12 000 r/min左右。但是轉(zhuǎn)速的提高，對轉(zhuǎn)鼓材料的選擇和安全設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)碟式分離機轉(zhuǎn)鼓的關(guān)重件零件強度校核主要是采用JB/T 8051—96中的轉(zhuǎn)鼓強度計算方法。這種方法適用于結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)則的轉(zhuǎn)鼓零件，比較保守，對幾何形狀復(fù)雜的離心機轉(zhuǎn)鼓重要零件強度校核，顯然不能滿足現(xiàn)在設(shè)計需要。

隨著有限元分析應(yīng)用越來越廣泛，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強度校核，最適宜的方法是采用有限元法[2]。本文就是通過分析新一代碟式分離機轉(zhuǎn)鼓主要零件轉(zhuǎn)鼓蓋、主鎖環(huán)和轉(zhuǎn)鼓體組合結(jié)構(gòu)之間的接觸關(guān)系和密封工況下的承載情況，應(yīng)用有限元軟件對其進行了結(jié)構(gòu)分析，以此來校核設(shè)計的安全性并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 組合結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)參數(shù)及受力分析

1.1 組合結(jié)構(gòu)特點

對于新一代碟式分離機轉(zhuǎn)鼓來說，安全設(shè)計上非常關(guān)注的是3大件：轉(zhuǎn)鼓蓋、主鎖環(huán)和轉(zhuǎn)鼓體。裝配示意圖見圖1，其中，序號1為轉(zhuǎn)鼓蓋，序號2為主鎖環(huán)，序號3為轉(zhuǎn)鼓體，序號4為密封環(huán)，序號5為活塞。

圖1 組合結(jié)構(gòu)裝配示意圖

1.2 技術(shù)參數(shù)

新一代碟式分離機的設(shè)計額定轉(zhuǎn)速為9 6 0 0 r/m i n；轉(zhuǎn)鼓蓋、主鎖環(huán)和轉(zhuǎn)鼓體材料為高強度、高耐腐蝕性不銹鋼，其材料熱處理后機械性能（圖紙要求）：屈服強度Rp≥630 MPa，抗拉強度Rm≥850 MPa；材料的彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3。

1.3 密封工況受力分析

新一代碟式分離機啟動達到額定轉(zhuǎn)速后，開始進入密封狀態(tài)，這時活塞下部充滿水，水壓推動活塞上移壓緊密封環(huán)，活塞、密封環(huán)和轉(zhuǎn)鼓蓋形成一個密封腔，這個狀態(tài)就稱為密封工況。工作狀態(tài)如圖1所示，此時，活塞下部和轉(zhuǎn)鼓體下部受到密封水的離心液壓力作用，活塞所受到的載荷通過密封環(huán)傳遞到轉(zhuǎn)鼓蓋上，組合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)鼓蓋、主鎖環(huán)和轉(zhuǎn)鼓體此時主要承受活塞傳遞到轉(zhuǎn)鼓蓋上的載荷F、密封水對轉(zhuǎn)鼓體的作用力P和質(zhì)量離心力的作用。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 模型簡化

在保證不影響計算精度的前提下使計算更簡化省時，有必要對模型進行簡化。這里取模型的1/16，同時簡化不影響結(jié)果的孔和倒角等特征。經(jīng)過簡化組合結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2。

圖2 組合結(jié)構(gòu)有限元簡化模型

2.2 網(wǎng)格劃分

為了減少計算時間和計算的準確性，轉(zhuǎn)鼓蓋和主鎖環(huán)采用六面體網(wǎng)格劃分，轉(zhuǎn)鼓體存在較多孔和槽結(jié)構(gòu)，這里采用四面體網(wǎng)格，對主鎖環(huán)和轉(zhuǎn)鼓體螺紋處網(wǎng)格加密，見圖3。

圖3 組合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

2.3 接觸關(guān)系分析

組合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)鼓蓋、主鎖環(huán)和轉(zhuǎn)鼓體的接觸主要3部分：轉(zhuǎn)鼓蓋和轉(zhuǎn)鼓體接觸、轉(zhuǎn)鼓蓋和主鎖環(huán)接觸、主鎖環(huán)和轉(zhuǎn)鼓體接觸[3]。

對于轉(zhuǎn)鼓蓋和轉(zhuǎn)鼓體接觸關(guān)系主要是轉(zhuǎn)鼓蓋與轉(zhuǎn)鼓體的配合定位，這里的平面定位考慮到有分離趨勢，采用無摩擦可分離的接觸；徑向定位有滑移趨勢，采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.2。

對于轉(zhuǎn)鼓蓋和主鎖環(huán)接觸關(guān)系主要是轉(zhuǎn)鼓蓋與主鎖環(huán)的平面配合定位，考慮到有滑移趨勢，采用不分離的接觸。

對于主鎖環(huán)和轉(zhuǎn)鼓體接觸關(guān)系主要是主鎖環(huán)與轉(zhuǎn)鼓體的配合定位和螺紋嚙合，配合定位考慮到有滑移趨勢，采用不分離的接觸；螺紋嚙合有滑移趨勢，采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.2。

2.4 載荷與約束

根據(jù)組合結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系，約束一是按周期對稱的側(cè)面無摩擦約束，二是限制軸向位移的約束，在轉(zhuǎn)鼓體芯部與立軸螺母接觸平面。

剛到七師高級中學(xué)，盛慶余就全身心投入工作，第一學(xué)期主動擔(dān)任了三個班級的化學(xué)教學(xué)工作。他精心備課、上課、批改作業(yè)，深受師生愛戴。針對新疆高考的要求，盛慶余和教研組老師們重新研讀教材，參閱教學(xué)大綱和新疆學(xué)業(yè)測試考試說明，結(jié)合七師高中的學(xué)生特點以及課程結(jié)構(gòu)，對不同層次的班級，提出不同的教學(xué)方案。

載荷：質(zhì)量離心力，在軟件中可以通過直接加載轉(zhuǎn)速實現(xiàn)；液壓離心力。載荷與約束見圖4。

圖4 載荷與約束

2.5 組合結(jié)構(gòu)分析

2.5.1 組合結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形情況

據(jù)分析，組合結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖和變形云圖分別見圖5和圖6。

圖5 組合結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

圖6 組合結(jié)構(gòu)變形云圖

2.5.2 轉(zhuǎn)鼓蓋應(yīng)力與變形情況

據(jù)分析，轉(zhuǎn)鼓蓋等效應(yīng)力云圖和變形云圖分別見圖7和圖8。

圖7 轉(zhuǎn)鼓蓋等效應(yīng)力云圖

圖8 轉(zhuǎn)鼓蓋變形云圖

2.5.3 主鎖環(huán)應(yīng)力與變形情況

圖9 主鎖環(huán)等效應(yīng)力云圖

圖10 主鎖環(huán)變形云圖

2.5.4 轉(zhuǎn)鼓體應(yīng)力與變形情況

據(jù)分析，轉(zhuǎn)鼓體等效應(yīng)力云圖和變形云圖分別見圖11和圖12。

圖11 轉(zhuǎn)鼓體等效應(yīng)力云圖

圖12 轉(zhuǎn)鼓體變形云圖

3 結(jié)果分析

根據(jù)結(jié)果分析從圖5和圖6可知，組合結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平不高，最大值為443.55 MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)鼓蓋環(huán)槽內(nèi)，是應(yīng)力集中部位；整體變形較小，最大值為0.4 mm，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)鼓蓋上部，這是跟約束關(guān)系有關(guān)。組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平和變形可以滿足設(shè)計的要求。

根據(jù)結(jié)果分析如圖7和圖8可知，轉(zhuǎn)鼓蓋最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在下部環(huán)槽內(nèi)，這是因為環(huán)槽受到活塞傳遞過來載荷的作用，環(huán)槽內(nèi)圓角產(chǎn)生應(yīng)力集中，其余部位應(yīng)力在200 MPa左右，根據(jù)選用不銹鋼材料熱處理后機械性能：Rp≥630 MPa，Rm≥850 MPa，應(yīng)力集中部位和其他區(qū)域都有較高的安全系數(shù)，可以滿足設(shè)計要求；變形最大0.4 mm，在設(shè)計范圍內(nèi)。

根據(jù)結(jié)果分析由圖9和圖10可知，主鎖環(huán)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)內(nèi)側(cè)，最大值為159.41 MPa，主鎖環(huán)螺紋處應(yīng)力水平在128 MPa左右，根據(jù)選用不銹鋼材料熱處理后機械性能：Rp≥630 MPa，Rm≥850 MPa，應(yīng)力集中部位和其他區(qū)域都有較高的安全系數(shù)，可以滿足設(shè)計要求；變形最大0.34 mm，在設(shè)計范圍內(nèi)。

根據(jù)結(jié)果分析由圖11和圖12可知，轉(zhuǎn)鼓體最大等效應(yīng)力出現(xiàn)外側(cè)排渣槽內(nèi)，這是應(yīng)力集中的結(jié)果；最大值為395.7 MPa，轉(zhuǎn)鼓體螺紋處應(yīng)力水平在180 MPa左右，根據(jù)選用不銹鋼材料熱處理后機械性能：Rp≥630 MPa，Rm≥850 MPa，應(yīng)力集中部位和其他區(qū)域都有較高的安全系數(shù)，可以滿足設(shè)計要求；變形最大0.34 mm，在設(shè)計范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

根據(jù)結(jié)果分析，可以對一些應(yīng)力集中的地方進行優(yōu)化，比如加圓角和更改圓角尺寸等措施來減小應(yīng)力集中部位應(yīng)力水平?？傮w來說轉(zhuǎn)鼓蓋、主鎖環(huán)和轉(zhuǎn)鼓體應(yīng)力水平和變形程度不高，主要是因為轉(zhuǎn)鼓的直徑規(guī)格較小，整體剛性較好，分析結(jié)果合理，該優(yōu)化分析方法可以用于碟式分離機產(chǎn)品轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)設(shè)計及離心機產(chǎn)品安全設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。