臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓力學(xué)性能分析
技術(shù)支持
轉(zhuǎn)鼓是臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)的核心部件，它對(duì)設(shè)備的脫水效果、處理能力、差速器選型以及螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均有重要的影響。基于轉(zhuǎn)鼓的重要性以及在工況條件下轉(zhuǎn)鼓作為高速旋轉(zhuǎn)部件這一特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)研究轉(zhuǎn)鼓時(shí)，需要對(duì)轉(zhuǎn)鼓的力學(xué)性能進(jìn)行分析，同時(shí)也要對(duì)在一定條件下轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度和形變進(jìn)行研究。轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的研究可以指導(dǎo)轉(zhuǎn)鼓材料的選取，以及轉(zhuǎn)鼓壁厚的優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果轉(zhuǎn)鼓變形過(guò)大，一方面會(huì)加速轉(zhuǎn)鼓的損壞，影響設(shè)備使用壽命，增加環(huán)境噪聲，另一方面也會(huì)與其他部件如螺旋輸送器等，造成干涉，導(dǎo)致整機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，脫水效果變差。因此，轉(zhuǎn)鼓力學(xué)性能的研究對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性及性能的提升有很大的作用。
1 臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)及轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)
1.1 臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)
臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于選煤行業(yè)的新型離心脫水機(jī)，它與臥螺離心機(jī)相比，在結(jié)構(gòu)上多出一段過(guò)濾段。從脫水原理而言，臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)利用了離心沉降和離心過(guò)濾兩種脫水原理，保證了脫水效果。在選煤行業(yè)中，臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)主要針對(duì)浮選精煤、浮選中煤、旋流器底流和煤泥等＜0.5mm的細(xì)粒級(jí)物料脫水，通過(guò)與壓濾機(jī)和濃縮機(jī)組成聯(lián)合脫水工藝，保證洗煤廠的資源回收和洗水閉路循環(huán)。
臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)由入料系統(tǒng)、主機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、排料系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)鼓由兩個(gè)主軸承支撐在機(jī)座上，兩個(gè)滑動(dòng)軸承安裝在轉(zhuǎn)鼓和螺旋之間起連接作用，主電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)安裝在轉(zhuǎn)鼓上的皮帶輪，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，左端行星差速器外殼與轉(zhuǎn)鼓連接，其輸出軸帶動(dòng)螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓做同向但不同速的轉(zhuǎn)動(dòng)。具體工作過(guò)程分兩個(gè)階段：煤泥水從入料管進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，通過(guò)布料孔均勻分布在轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間的內(nèi)腔內(nèi)，轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生極大離心力，煤泥在離心力作用下沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，沉降液通過(guò)溢流堰排出，第一階段沉降脫水完成。煤泥隨著螺旋輸送器向過(guò)濾段運(yùn)動(dòng)，在過(guò)濾段內(nèi)煤泥再進(jìn)行一次過(guò)濾脫水，隨后由排料口排出，至此第二階段脫水完成。
1.2 臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓
臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓是一個(gè)關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)參數(shù)是理論分析的重要內(nèi)容，轉(zhuǎn)鼓對(duì)于設(shè)備的處理能力、脫水效果、差速器選型以及螺旋輸送器的受力和轉(zhuǎn)矩均有重要的影響。轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)包括三部分，即沉降段、過(guò)濾段和錐段。
在實(shí)際工況條件下，轉(zhuǎn)鼓是一個(gè)高速回轉(zhuǎn)的殼體。同時(shí)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部沉降段部分充滿(mǎn)待處理煤泥，錐段的大端部分是待處理煤泥，靠近小端部分是進(jìn)行沉降脫水后的初步脫水煤泥，而過(guò)濾段除了初步脫水煤泥，還有粘貼在過(guò)濾段轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的篩網(wǎng)。
2 轉(zhuǎn)鼓的載荷
轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)離心力場(chǎng)，離心力場(chǎng)的基本特性可以由離心力，煤泥水、篩網(wǎng)及煤泥對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁施加的壓力和哥氏力來(lái)進(jìn)行分析說(shuō)明。
2.1 離心力
離心力計(jì)算公式為：Fc=mrw2，式中：m為物體質(zhì)量，單位kg；r為物體旋轉(zhuǎn)半徑，單位m；w為物體回轉(zhuǎn)角速度，單位rad/s。
臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓沉降段的直徑為1600mm，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速n=747r/min，轉(zhuǎn)鼓三段的同軸角速度w=747×2π/60=78rad/s，有限元模型分析時(shí)將離心力載荷分別施加到轉(zhuǎn)鼓沉降段、轉(zhuǎn)鼓錐段及轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾段，由于轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓自重與受到的離心力相比很小，所以在分析時(shí)忽略轉(zhuǎn)鼓自身重力對(duì)應(yīng)力和形變的影響。
2.2 煤泥水及煤泥對(duì)各段轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁施加的離心力
當(dāng)離心機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的煤泥水和煤泥在離心力的作用下緊貼轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁施加很大的壓力，這個(gè)壓力就是煤泥水及煤泥施加給轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁的壓力（離心液壓）。
2.3 哥氏力
在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，煤泥水及煤泥以螺旋線(xiàn)的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，所以需要分析哥氏力Fk，哥氏力來(lái)源于哥氏加速度，哥氏加速度的產(chǎn)生，是因?yàn)橘|(zhì)點(diǎn)除了作徑向運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)也作圓周運(yùn)動(dòng)。哥氏力計(jì)算公式如下：Fk=mak=2mwVr，式中：Vr為質(zhì)點(diǎn)的徑向速度；ak為哥氏加速度，方向與Vr垂直。
經(jīng)過(guò)計(jì)算，哥氏力較小，由哥氏力產(chǎn)生的這部分載荷忽略不計(jì)。
2.4 過(guò)濾段內(nèi)壁篩網(wǎng)對(duì)轉(zhuǎn)鼓的壓力
篩網(wǎng)質(zhì)量較小，過(guò)濾段轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)半徑小，在同軸旋轉(zhuǎn)條件下，篩網(wǎng)產(chǎn)生的壓力相較于煤泥水和煤泥產(chǎn)生的壓力要小很多，因此可以忽略不計(jì)，對(duì)后期合理性的分析不產(chǎn)生影響。
3 分析方法與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
3.1 分析方法
在一定條件下，轉(zhuǎn)鼓在離心力場(chǎng)中受到的是恒定不變的載荷。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以采用靜力學(xué)分析方法。精力分析是計(jì)算在恒定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。一般而言，靜力分析時(shí)考慮的載荷包括外界對(duì)結(jié)構(gòu)施加的力，位移（約束），結(jié)構(gòu)本身存在的慣性力和溫度載荷。靜力分析包括線(xiàn)性分析和非線(xiàn)性分析兩種。臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的力學(xué)性能分析是在一定靜力載荷下對(duì)轉(zhuǎn)鼓整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況、位移變化情況、強(qiáng)度條件、徑向變形、軸向形變的線(xiàn)性靜力學(xué)的分析。
3.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
轉(zhuǎn)鼓為柱-錐-柱結(jié)構(gòu)，受到的載荷沿徑向由內(nèi)向外。因此，可以將轉(zhuǎn)鼓看作是一個(gè)特殊的壓力容器。所以轉(zhuǎn)鼓力學(xué)性能設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可參照壓力容器的分析設(shè)計(jì)方法。壓力容器應(yīng)力分析方法將應(yīng)力分成了一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力。研究與設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)鼓材料采用35°鋼，此材料的許用應(yīng)力為230MPa。
臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓力學(xué)性能分析，主要是分析轉(zhuǎn)鼓鼓壁徑向位移、轉(zhuǎn)鼓軸向位移和應(yīng)力強(qiáng)度，考慮到有危害較小的彎曲應(yīng)力部分，所以應(yīng)力強(qiáng)度取其許用值為345MPa。
4 靜力分析
轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)參數(shù)取自于大型臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)。根據(jù)理論分析，臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：沉降段轉(zhuǎn)鼓內(nèi)直徑為1600mm，沉降段長(zhǎng)度為910mm，錐段長(zhǎng)度為540mm，錐段半錐角為13°，過(guò)濾段長(zhǎng)度為1180mm，內(nèi)直徑為1350mm。以轉(zhuǎn)鼓大端（沉降段計(jì)算）計(jì)算在分離因數(shù)Fr=500的條件下，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速n=747r/min。根據(jù)計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的三維模。由于煤泥水和煤泥在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部分布均勻，且轉(zhuǎn)鼓是一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。所以在對(duì)臥式沉降過(guò)濾式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行有限元分析時(shí)，可以把轉(zhuǎn)鼓模型簡(jiǎn)化為一半。
通過(guò)有限元分析可知，轉(zhuǎn)鼓在正常工況下，整體向外擴(kuò)張，即轉(zhuǎn)鼓受到各種載荷，導(dǎo)致徑向變形，而且是一種對(duì)稱(chēng)的形變。轉(zhuǎn)鼓的軸向形變?yōu)?.533mm，發(fā)生在溢流堰處。轉(zhuǎn)鼓整體的徑向位移（徑向擴(kuò)張）非常小，鼓壁徑向形變?yōu)?.355mm，對(duì)螺旋葉片與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁之間間距的影響很小。應(yīng)力強(qiáng)度為134MPa，主要集中在溢流堰周?chē)约稗D(zhuǎn)鼓大端中心軸處和過(guò)濾段開(kāi)孔部位。
5 結(jié)論
利用理論計(jì)算的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了轉(zhuǎn)鼓三維實(shí)體模型，在工況條件下對(duì)轉(zhuǎn)鼓受到的載荷進(jìn)行分類(lèi)計(jì)算，以靜力學(xué)分析、壓力容器設(shè)計(jì)以及有限元為基礎(chǔ)對(duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行了力學(xué)性能分析，結(jié)論如下：
（1）轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力在合理安全的范圍內(nèi)。其應(yīng)力強(qiáng)度為134MPa，小于材料的許用應(yīng)力強(qiáng)度230MPa。
（2）轉(zhuǎn)鼓徑向形變?yōu)?.355mm，不影響螺旋輸送煤泥。轉(zhuǎn)鼓軸向形變?yōu)?.533mm，發(fā)生在溢流堰處。
（3）由于轉(zhuǎn)鼓對(duì)整機(jī)功耗影響較大，因此后續(xù)的改進(jìn)可在不影響轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的條件下，適當(dāng)減小轉(zhuǎn)鼓壁厚，減輕轉(zhuǎn)鼓的重量，從而降低功耗。
（4）轉(zhuǎn)鼓沉降段溢流堰，過(guò)濾段開(kāi)孔處及中心軸處需要后續(xù)改進(jìn)研究，以增強(qiáng)局部的強(qiáng)度。
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