臥式螺旋卸料離心機(jī)研究的回顧與展望
行業(yè)動(dòng)態(tài)
臥式螺旋卸料離心機(jī)（簡(jiǎn)稱臥螺離心機(jī)），是一種高效的離心分離設(shè)備，廣泛應(yīng)用在石油、化工、冶金、煤炭等工業(yè)部門和污水處理工程等領(lǐng)域。自從第一臺(tái)臥螺離心機(jī)于1954年問世后，由于其單機(jī)處理能力強(qiáng)、分離質(zhì)量高、操作連續(xù)方便、占地面積小以及維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展。臥螺離心機(jī)在結(jié)構(gòu)、性能、參數(shù)上變化很大，分離質(zhì)量和生產(chǎn)能力也大大提高，在離心機(jī)領(lǐng)域內(nèi)一直占有特殊地位。
一、臥螺離心機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理
臥螺離心機(jī)主要由轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器、正副電機(jī)、差速器、機(jī)殼、機(jī)座等部件組成。其中轉(zhuǎn)鼓和螺旋分別作為外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子同心安裝，組成臥螺離心機(jī)的回轉(zhuǎn)部件——轉(zhuǎn)子系。轉(zhuǎn)鼓支承在兩端的主軸承座上，螺旋輸送器則通過其軸頸兩端的中介軸承安裝在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁與螺旋葉片外端留有微小的間隙，以防轉(zhuǎn)鼓與螺旋葉片之間發(fā)生摩擦而磨損和改善物料與轉(zhuǎn)鼓之間的摩擦條件以利于物料的推送。轉(zhuǎn)鼓的一端由主電機(jī)帶動(dòng)，另一端則與差速器相連接，差速器的輸出軸帶動(dòng)螺旋與轉(zhuǎn)鼓作同向轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)速不同，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間的微速差，使得螺旋可以把轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的沉渣排出轉(zhuǎn)鼓。為了防止臥螺離心機(jī)正常操作工況運(yùn)行中發(fā)生意外而損壞，差速器一般裝有過載保護(hù)裝置。過載保護(hù)裝置有機(jī)械式、機(jī)械液壓式、電控機(jī)械式和電器過載保護(hù)裝置等類型。
二、臥螺離心機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
臥螺離心機(jī)在正常操作工況下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子系會(huì)在離心作用下產(chǎn)生很高的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的目的在于如何合理的分布應(yīng)力，減小局部應(yīng)力集中，在滿足強(qiáng)度要求的前提下優(yōu)化結(jié)構(gòu)以節(jié)約材料、改進(jìn)分離質(zhì)量和生產(chǎn)能力。由于轉(zhuǎn)子系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)解析法不僅求解困難，而且結(jié)果偏保守，設(shè)計(jì)尺寸富裕量大，浪費(fèi)材料，而有限元法則能很好的解決這一問題。
在轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度研究方面，譚蔚等在傳統(tǒng)強(qiáng)度分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，將壓力容器應(yīng)力分析評(píng)定的思想和基本原則應(yīng)用到轉(zhuǎn)鼓的有限元強(qiáng)度分析評(píng)定上，探討了轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的評(píng)定準(zhǔn)則；李自光等建立了轉(zhuǎn)鼓的三維有限元模型，分析了轉(zhuǎn)鼓壁厚對(duì)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和徑向變形的影響，結(jié)果表明在轉(zhuǎn)鼓自身離心作用下的應(yīng)力和位移與壁厚無關(guān)；劉天豐等以轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為目標(biāo)函數(shù)，采用有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
在螺旋研究方面，顧威等建立了螺旋的三維有限元模型，考察其正產(chǎn)操作工況下的強(qiáng)度剛度，并采用應(yīng)力分類法進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定；楊釗等對(duì)螺旋正常操作工況下的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，研究了導(dǎo)程、轉(zhuǎn)速和葉片厚度對(duì)螺旋應(yīng)力和變形的影響；王樂勤等在螺旋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了葉片厚度和半錐角等參數(shù)對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，得出減薄螺旋葉片厚度、增大半錐角可提高應(yīng)力強(qiáng)度的結(jié)論。
三、臥螺離心機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性
在機(jī)械設(shè)計(jì)中，如何確保臥螺離心機(jī)在工作轉(zhuǎn)速下正常運(yùn)行，首先就是確定離心機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速，使其工作轉(zhuǎn)速避開共振區(qū)。臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)子系是一個(gè)由轉(zhuǎn)鼓和螺旋同心安裝組成的雙軸耦合系統(tǒng)，張曉軍等建立了雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一維有限元耦合模型，考慮陀螺效應(yīng)的影響，采用QR阻尼法對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，得到了轉(zhuǎn)子系的前二階臨界轉(zhuǎn)速、坎貝爾圖及振型；譚蔚等針對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，建立螺旋的三維實(shí)體模型，進(jìn)行非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，研究了重力和不平衡對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響，結(jié)果表明重力作用是倍頻振動(dòng)的直接原因，一倍頻與二倍頻振動(dòng)間不存在相互作用。應(yīng)超等通過改變轉(zhuǎn)鼓材料密度將螺旋和物料的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)鼓的思路，建立了轉(zhuǎn)鼓的三維實(shí)體模型，采用QR阻尼法得到該簡(jiǎn)化模型的前六階臨界轉(zhuǎn)速、坎貝爾圖及相應(yīng)振型。焦國(guó)旺等采用實(shí)體單元和彈簧單元建立了臥螺離心機(jī)整機(jī)的有限元模型，求出前八階固有頻率及相應(yīng)振型，并在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)整機(jī)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到不同轉(zhuǎn)速下不平衡量激勵(lì)下的頻率響應(yīng)曲線，據(jù)此預(yù)測(cè)臥螺離心機(jī)在空載工況中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
四、臥螺離心機(jī)的減振技術(shù)
高速回轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)，歷來是機(jī)械工程中的重要問題之一，臥螺離心機(jī)也不例外。劉金榮等對(duì)臥螺離心機(jī)的振動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試，得到了離心機(jī)振動(dòng)的加速度有效值與離心機(jī)操作參數(shù)之間的變化關(guān)系；盧雙龍等測(cè)試了臥螺離心機(jī)的軸振和瓦振數(shù)據(jù)，結(jié)果表明臥螺離心機(jī)大小端的不平衡對(duì)各自端的振動(dòng)影響大、對(duì)另一端振動(dòng)影響小，差速器上的不平衡、臺(tái)架的設(shè)計(jì)對(duì)離心機(jī)振動(dòng)影響較大，臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)應(yīng)視為柔性系統(tǒng)。
石年勛討論了WG型離心機(jī)由于自身質(zhì)量偏心以及操作條件下物料分布不均造成轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)問題，并探討了離心機(jī)動(dòng)載荷的常規(guī)確定方法和試驗(yàn)測(cè)量方法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合隔振理論，列舉了無隔振措施、大基礎(chǔ)“吸振”、設(shè)置橡膠減振器、設(shè)置彈簧減振器4種離心機(jī)生產(chǎn)過程的振動(dòng)實(shí)例，對(duì)比各自的優(yōu)缺點(diǎn)；馬澤民分析了離心機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生原因和危害，并給出了采用機(jī)械式防扭振裝置、液壓差速器、電路系統(tǒng)控制和不用任何附加裝置的4種防止扭振措施；賀世正提出了從整機(jī)動(dòng)平衡、動(dòng)力減振和隔振三方面著手的減振方法，并介紹了這3種方法的基本思路和實(shí)際應(yīng)用效果。
臥螺離心機(jī)在正常操作工況下，會(huì)因物料分布不均而產(chǎn)生偏心載荷，該載荷的大小、方向以及作用位置都隨時(shí)間變化。王琪等應(yīng)用有限元軟件對(duì)臥螺離心機(jī)整機(jī)參數(shù)化建模，使用Newmark完全法進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，模擬出離心機(jī)正常操作工況下的機(jī)械振動(dòng)和動(dòng)載荷特性，獲得離心機(jī)對(duì)安裝基礎(chǔ)的動(dòng)載荷極大值。在此基礎(chǔ)上，楊彬等對(duì)減振器排列布局進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種具有更佳減振效果的非對(duì)稱式減振器分布方案。
五、臥螺離心機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡
對(duì)于已經(jīng)投入生產(chǎn)的臥螺離心機(jī)，動(dòng)力減振和隔振不能有效解決振動(dòng)問題時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)整機(jī)動(dòng)平衡是很好的減振手段。臥螺離心機(jī)的振動(dòng)信號(hào)為兩個(gè)相差很小的工頻振動(dòng)合成的“拍振”信號(hào)。因此動(dòng)平衡的關(guān)鍵是準(zhǔn)確找出內(nèi)外轉(zhuǎn)子工頻振動(dòng)下各自的不平衡量大小和位置。
目前針對(duì)臥螺離心機(jī)的動(dòng)平衡方法有兩類：一類是充分利用“拍振”波形特點(diǎn)的不解拍方法；另一類是分離出兩個(gè)工頻振動(dòng)信號(hào)的解拍方法。
當(dāng)采用第一類方法試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)信號(hào)不解拍。張志新等基于拍振的特點(diǎn)，提出此不解拍整機(jī)動(dòng)平衡方法，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出便攜式現(xiàn)場(chǎng)整機(jī)動(dòng)平衡儀。雖然波形的波峰波谷位置可以通過帶通數(shù)字濾波得到，但實(shí)際操作中僅憑波形起伏不易找到真正的拍峰。
第二類方法是采用解拍，從拍振信號(hào)中分離出兩個(gè)工頻振動(dòng)量。曾勝等提出了單點(diǎn)DFT不平衡矢量識(shí)別方法，通過理論分析確定了相關(guān)積分時(shí)間及其可能的誤差。成功解拍的必要條件就是測(cè)量設(shè)備具備足夠小的頻率分辨率能夠把內(nèi)外轉(zhuǎn)子的工頻區(qū)分開。
六、臥螺離心機(jī)的流體動(dòng)力學(xué)
臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體的動(dòng)力學(xué)特性與物料分離過程及效果、整機(jī)正常操作工況下的振動(dòng)情況密切相關(guān)。由于螺旋的存在，臥螺離心機(jī)流體動(dòng)力學(xué)的特性十分復(fù)雜，起初對(duì)臥螺離心機(jī)流場(chǎng)的研究是基于不同的簡(jiǎn)化條件，并沒考慮螺旋的影響。關(guān)于臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)方面流動(dòng)特性的概念主要有：活塞理論；層流理論；表面層理論；流線理論。
在這4個(gè)理論的基礎(chǔ)上，不少學(xué)者做了相關(guān)的理論改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)研究。BATCHELOR建立了臥螺離心機(jī)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方程的同時(shí)提出用匹配漸進(jìn)展開法求解離心機(jī)流場(chǎng)；CATALANO等結(jié)合離心固液分離過程的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出采用無因次拖曳系數(shù)來評(píng)價(jià)臥螺離心機(jī)的生產(chǎn)能力，MADSEN做了一系列實(shí)驗(yàn)得出臥螺離心機(jī)中能量耗散決定其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的結(jié)論，并給出了有效解決能量耗散問題的方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者孫啟才等對(duì)臥螺離心機(jī)周向和軸向的速度分別進(jìn)行了定量和定性分析，擬合出考慮轉(zhuǎn)鼓角速度和液層深度因素影響的滯后系數(shù)計(jì)算公式，并修正了對(duì)臥螺離心機(jī)生產(chǎn)能力Σ理論計(jì)算公式；后來又實(shí)驗(yàn)證明了進(jìn)料前預(yù)旋的方式可以改善周向速度的滯后，并且流量成倍增加。
近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法已成為研究流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的重要技術(shù)手段。采用數(shù)值模擬不受限于實(shí)驗(yàn)研究時(shí)的測(cè)試手段與參數(shù)條件，能夠?qū)碚摲治鲭y以處理的一些特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，而且通過CFD結(jié)合優(yōu)化理論進(jìn)行過流部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。FERNANDEZ等從簡(jiǎn)化的二維模型得到了顆粒分離流動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了評(píng)估；逢翀等、譚蔚等、喬琳等、馬新龍等對(duì)雙級(jí)活塞推料離心流場(chǎng)進(jìn)行了深入研究，探討了推料頻率、物料濃度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對(duì)離心機(jī)生產(chǎn)能力和分離效果的影響以及出口安放角和篩網(wǎng)傾角對(duì)離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，并對(duì)離心機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了較佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其模擬方法及思路可借鑒臥螺離心機(jī)的流體動(dòng)力學(xué)研究上；ZHU等采用CFD方法得到了臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)固體顆粒的濃度分布；BELL等建立了精確的臥螺離心機(jī)運(yùn)輸模型，可以計(jì)算螺旋輸送物料的功率、扭矩和軸向力，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；GLEISS等考慮了沉積物積聚及流動(dòng)模式的影響建立了逆流式臥螺離心機(jī)的分離過程的數(shù)學(xué)模型，該模型能很好與實(shí)驗(yàn)吻合。
黃志新等對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行CFD模擬，探討了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液體周速度滯后系數(shù)的影響，擬合出考慮有液層滯后時(shí)的軸向速率系數(shù)的計(jì)算公式；于萍等則分析了軸向速度、周向速度和徑向速度與結(jié)構(gòu)特性參數(shù)之間的相互關(guān)系；荊寶德等研究了臥螺離心機(jī)不同轉(zhuǎn)鼓錐角條件下的速度場(chǎng)，結(jié)合理論設(shè)計(jì)出高效的雙錐角臥螺離心機(jī)。
隨著研究的深入，不少學(xué)者開始考慮螺旋的影響對(duì)臥螺離心機(jī)進(jìn)行CFD模擬分析。吳蕾等建立了臥螺離心機(jī)螺旋流道內(nèi)流體的湍流模型，研究了不同長(zhǎng)徑比對(duì)臥螺離心機(jī)分離性能的影響；周翠紅等采用RSM模型和DPM模型，分析了臥螺離心機(jī)長(zhǎng)徑比、黏度和顆粒分布對(duì)離心脫水效率的影響，結(jié)果表明增加長(zhǎng)徑比、降低黏度有利于固液分離效果；付雙成等、董連東等、朱明軍等討論了7種典型湍流模型在臥螺離心機(jī)CFD模擬中的適用分析，在此基礎(chǔ)上基于Euler多相流模型，采用RNG k-w湍流模型及多重參考系（MRF）方法，得到了臥螺離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布，模擬分析了臥螺離心機(jī)內(nèi)固液兩相體積分?jǐn)?shù)的分布以及操作參數(shù)（轉(zhuǎn)速、差轉(zhuǎn)速）和物性參數(shù)（固相體積分析、顆粒粒徑）對(duì)流場(chǎng)和分離性能的影響。
七、結(jié)語
國(guó)外對(duì)臥螺離心機(jī)核心技術(shù)保密，因此對(duì)臥螺離心機(jī)的技術(shù)研究鮮有報(bào)道，另一方面國(guó)外基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)達(dá)，所用材料性能優(yōu)異，生產(chǎn)過程中能達(dá)到很高的加工精度及裝配精度，從而使整機(jī)具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。
我國(guó)的臥螺離心機(jī)工業(yè)起步較晚，但在某些性能方面，已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。然而工業(yè)發(fā)展中面臨著降低能耗、資源的有效利用、環(huán)境保護(hù)等諸多問題，這對(duì)臥螺離心機(jī)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。在臥螺離心機(jī)現(xiàn)場(chǎng)整機(jī)動(dòng)平衡方面，硬件設(shè)備的發(fā)展使測(cè)試儀器有足夠小的頻率分辨率以實(shí)現(xiàn)解拍方法，但仍沒有配套的控制分析軟件出現(xiàn)，基于解拍方法的微速差雙轉(zhuǎn)子測(cè)試分析系統(tǒng)有待研發(fā)。此外，現(xiàn)有的動(dòng)平衡研究都是基于空載工況下進(jìn)行的，而實(shí)際生產(chǎn)中臥螺離心機(jī)都是負(fù)載運(yùn)行的，空載與負(fù)載下臥螺離心機(jī)的振動(dòng)差別很大，正常操作工況下臥螺離心機(jī)的動(dòng)平衡技術(shù)也有待研究。隨著數(shù)值模擬的發(fā)展和研究的不斷深入，已可實(shí)現(xiàn)基于雙向流固耦合的臥螺離心機(jī)整機(jī)數(shù)值模擬分析。通過對(duì)整機(jī)三維參數(shù)化建模，結(jié)合流體流動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)化整機(jī)正常操作工況下的振動(dòng)特性，得到整機(jī)的結(jié)構(gòu)較佳參數(shù)，降低制造、運(yùn)行成本，全面提高臥螺離心機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性。
