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.中南大學研究生院,湖南長沙410083;2.山東鋁業股份有限公司,山東淄博255052）
    [摘要]介紹ＬＷ350×1550ＮＹ型離心機的結構和工作原理,以及在燒結法生產氧化鋁中的應用之測試結果及討論。
    [關鍵詞]離心機;氧化鋁;快速分離
    [中圖分類號]ＴＨ311　　　[文獻標識碼]Ｂ　　　[文章編號]1003-8884（2005）04-0006-04
    普通臥螺離心機設計時為了保證輸渣,輸渣段全部錐半角應在一定的角度范圍內,而雙錐角臥螺離心機在液面下靠近液面處有一錐角變化點（如圖1所示）使沉渣輸出液池之后在平緩的坡度上穩定移動,而在液池下采用大錐角是因為液池中離心力小,故回流力自然也小,因而沉渣回流現象也很小[1]。由于*錐段錐角大,使得*錐段軸向距離變短,在離心機總長不變時,第二錐段相應變長。故可以適當增大雙錐角臥螺離心機液池深度,而不會使得轉鼓的干燥距離變短。同時液池深度的增大使得轉鼓沉降面積增大,根據生產能力與沉降速度及沉降面積成正比,重力沉降速度不變,所以雙錐角臥螺離心機生產能力也增加了。
                
    由于雙錐角結構既能保證沉渣的順利輸送又比單錐角的傳統結構有更高的生產能力,故對國內大型臥螺離心機進行結構改進。但是,離心機轉鼓是高速回轉部件,對強度有比較高的要求,并且變形不能太大[2]。所以必須對改進后的雙錐角轉鼓進行強度和剛度的校核,以防止出現事故。
   各國離心機強度標準中只給出了轉鼓筒體部分的薄膜應力[3],而沒有給出整個轉鼓體的詳細應力,因此,在我國離心機轉鼓強度標準中推薦用有限元法計算轉鼓的應力[4]。本文利用ＡＮＳＹＳ有限元軟件對Φ1200ｍｍ臥螺離心機雙錐角轉鼓進行應力和變形的計算與分析。
    1　有限元模型的建立
    1 1　有限元幾何模型
    由于轉鼓在結構上是軸對稱的,承受的載荷（離心力、物料反力）以及約束也都是軸對稱的,因此在不降低計算精度的基礎上,將轉鼓的軸對稱模型簡化為2Ｄ模型。本分析采用4節點的軸對稱單元ｐｌａｎｅ42,具體有限元模型如圖2所示,轉鼓內徑1 2ｍ,壁厚0 22ｍ,大錐角15°,小錐角8°,單元總數為1044,節點總數為1285。
                   
    1 2　轉鼓的載荷和約束
    1）載荷　轉鼓在工作過程中主要受以下兩種載荷[2]
    ①自身質量引起的離心力高速回轉下的轉鼓,鼓體金屬本身質量所產生的離心力在分析中以角速度ω的形式施加于轉鼓的有限元模型上。
             
    ②物料的離心壓力
    該力是物料在離心力作用下沿徑向運動對轉鼓壁形成的壓力,方向垂直于轉鼓內表面。圓筒中的流體物料在高速回轉下所產生的離心壓力為
            
    式中,ρｃ為筒體中物料的密度,1085ｋｇ/ｍ3;ｒ為流體物料層中任意處半徑,ｍ;ｒ0為圓筒體回轉時流體的自由表面半徑,0 525ｍ。由（1）式可見,物料層產生的離心壓力隨半徑的變化而變化,在同一半徑上其值相等,在圓筒筒壁上其值zui大,即
             
    同樣,錐段筒體壁上和轉鼓大端蓋的任意半徑處的物料壓力也用公式（1）進行計算,方向垂直于作用處的內表面。
    嚴格來講,轉鼓還應有設備自重,但因轉鼓具有很高的分離因數,即轉鼓所受離心力遠大于自身重力,因此忽略了自重對轉鼓強度和剛度的影響。
    2）約束　
    轉鼓的約束是根據具體結構確定的。因轉鼓有限元模型為軸對稱模型,所以,在轉鼓的大小端蓋中心線上施加對稱約束,即約束ＵＸ和ＵＺ;再在轉鼓大端蓋中心線zui外側一點約束ＵＹ。
    2　有限元計算與分析
    雙錐角轉鼓的靜力分析主要是考察其強度和剛度問題,即在一定的工作載荷下,考察它是否有足夠的強度和較小的徑向和軸向變形。雙錐角轉鼓在工作過程中的徑向和軸向變形如圖3和4所示。
    由圖3和圖4可知,雙錐角轉鼓的zui大徑向位移為0 118ｍｍ,zui大軸向位移為-0 141ｍｍ。顯然,轉鼓的zui大軸向位移和zui大徑向位移都很小,滿足剛度要求。
    本分析采用應力強度ＳＩＮＴ來描述轉鼓的應力狀態,并與材料的設計應力強度Ｓｍ進行比較。轉鼓材料為0Ｃｒ19Ｎｉ9,其設計應力強度Ｓｍ=137ＭＰａ。校核時,對于沿壁厚方向的平均應力強度,取其許用值為一倍的設計應力強度,即Ｓｍ;對于沿壁厚方向的zui大應力強度,由于包含有危害較小的彎曲應力部分,因此取其許用值為1 5倍的設計應力強度,即1 5Ｓｍ[5]。
              
               
      由圖5可知,雙錐角轉鼓筒體上應力水平較低,其上zui大值僅為72 9ＭＰａ,而轉鼓zui大應力強度為109ＭＰａ,出現在轉鼓大端蓋中心線zui外側的一點上。這與單錐角轉鼓不同,單錐角轉鼓的zui大應力出現在筒體上,其值僅為39ＭＰａ（見圖6單錐角轉鼓應力強度分布云圖）。可見,單錐角轉鼓的受力狀態好于雙錐角轉鼓的受力狀態。但是,由于雙錐角轉鼓的zui大應力強度也小于材料的許用應力1 5Ｓｍ,故雙錐角轉鼓強度是安全的。雙錐角轉鼓的zui危險點不在筒體上而在大端蓋中心線外側,這是由于大錐角度數較大,當物料反力作用在*錐段時,在轉鼓大端中心線處會產生較大的彎矩,使得該處應力zui大,所以在設計時需充分考慮到該處的材料及厚度的選用。
              
             
    為進一步研究轉鼓沿壁厚方向兩個特殊截面的應力分布情況,即ＳＩＮＴzui大值截面和轉鼓柱錐過渡截面的應力分布情況,再進行如下路徑操作。
    路徑一:筒錐過渡截面,ｎｏｄｅ491→ｎｏｄｅ591;
    路徑二:zui值截面,ｎｏｄｅ1→ｎｏｄｅ70,路徑操作位置如圖7所示。
             
    圖8和圖9給出了ＭＥＭＢＲＡＮＥ,ＭＥＭ+ＢＥＮＤ,ＴＯＴＡＬ應力強度沿路徑一和路徑二的變化規律,ｍ表示位移。
             
             
    由圖8,9可知,路徑一的膜應力為35 78ＭＰａ,路徑二的膜應力為59 85ＭＰａ,均小于材料的許用應力Ｓｍ。計算還發現,轉鼓只在離心力作用下zui大應力強度（ＳＭＸ）出現在直段筒體上,值為30 1ＭＰａ。而只在物料反力作用下該點處的值為11 9ＭＰａ,表明轉鼓筒體應力主要是由離心力引起的。
    3　結論
    本文建立了雙錐角轉鼓合理的二維有限元模型,對其正常工作狀態下的強度和剛度進行了校核,驗證了改進后的結構是安全的。并且發現雙錐角轉鼓的zui危險位置是大端蓋中心線zui外側,此處有較高的彎曲應力,所以在設計時需充分考慮到該處的材料及厚度的選用