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.中南大學(xué)研究生院,湖南長(zhǎng)沙410083;2.山東鋁業(yè)股份有限公司,山東淄博255052）
    [摘要]介紹ＬＷ350×1550ＮＹ型離心機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,以及在燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁中的應(yīng)用之測(cè)試結(jié)果及討論。
    [關(guān)鍵詞]離心機(jī);氧化鋁;快速分離
    [中圖分類號(hào)]ＴＨ311　　　[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]Ｂ　　　[文章編號(hào)]1003-8884（2005）04-0006-04
    普通臥螺離心機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)為了保證輸渣,輸渣段全部錐半角應(yīng)在一定的角度范圍內(nèi),而雙錐角臥螺離心機(jī)在液面下靠近液面處有一錐角變化點(diǎn)（如圖1所示）使沉渣輸出液池之后在平緩的坡度上穩(wěn)定移動(dòng),而在液池下采用大錐角是因?yàn)橐撼刂须x心力小,故回流力自然也小,因而沉渣回流現(xiàn)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(jī)總長(zhǎng)不變時(shí),第二錐段相應(yīng)變長(zhǎng)。故可以適當(dāng)增大雙錐角臥螺離心機(jī)液池深度,而不會(huì)使得轉(zhuǎn)鼓的干燥距離變短。同時(shí)液池深度的增大使得轉(zhuǎn)鼓沉降面積增大,根據(jù)生產(chǎn)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(jī)生產(chǎn)能力也增加了。
                
    由于雙錐角結(jié)構(gòu)既能保證沉渣的順利輸送又比單錐角的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有更高的生產(chǎn)能力,故對(duì)國(guó)內(nèi)大型臥螺離心機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。但是,離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓是高速回轉(zhuǎn)部件,對(duì)強(qiáng)度有比較高的要求,并且變形不能太大[2]。所以必須對(duì)改進(jìn)后的雙錐角轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核,以防止出現(xiàn)事故。
   各國(guó)離心機(jī)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)中只給出了轉(zhuǎn)鼓筒體部分的薄膜應(yīng)力[3],而沒(méi)有給出整個(gè)轉(zhuǎn)鼓體的詳細(xì)應(yīng)力,因此,在我國(guó)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)中推薦用有限元法計(jì)算轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力[4]。本文利用ＡＮＳＹＳ有限元軟件對(duì)Φ1200ｍｍ臥螺離心機(jī)雙錐角轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行應(yīng)力和變形的計(jì)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(zhuǎn)鼓在結(jié)構(gòu)上是軸對(duì)稱的,承受的載荷（離心力、物料反力）以及約束也都是軸對(duì)稱的,因此在不降低計(jì)算精度的基礎(chǔ)上,將轉(zhuǎn)鼓的軸對(duì)稱模型簡(jiǎn)化為2Ｄ模型。本分析采用4節(jié)點(diǎn)的軸對(duì)稱單元ｐｌａｎｅ42,具體有限元模型如圖2所示,轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑1 2ｍ,壁厚0 22ｍ,大錐角15°,小錐角8°,單元總數(shù)為1044,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1285。
                   
    1 2　轉(zhuǎn)鼓的載荷和約束
    1）載荷　轉(zhuǎn)鼓在工作過(guò)程中主要受以下兩種載荷[2]
    ①自身質(zhì)量引起的離心力高速回轉(zhuǎn)下的轉(zhuǎn)鼓,鼓體金屬本身質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力在分析中以角速度ω的形式施加于轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)鼓壁形成的壓力,方向垂直于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面。圓筒中的流體物料在高速回轉(zhuǎn)下所產(chǎn)生的離心壓力為
            
    式中,ρｃ為筒體中物料的密度,1085ｋｇ/ｍ3;ｒ?yàn)榱黧w物料層中任意處半徑,ｍ;ｒ0為圓筒體回轉(zhuǎn)時(shí)流體的自由表面半徑,0 525ｍ。由（1）式可見(jiàn),物料層產(chǎn)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z(mì)ui大,即
             
    同樣,錐段筒體壁上和轉(zhuǎn)鼓大端蓋的任意半徑處的物料壓力也用公式（1）進(jìn)行計(jì)算,方向垂直于作用處的內(nèi)表面。
    嚴(yán)格來(lái)講,轉(zhuǎn)鼓還應(yīng)有設(shè)備自重,但因轉(zhuǎn)鼓具有很高的分離因數(shù),即轉(zhuǎn)鼓所受離心力遠(yuǎn)大于自身重力,因此忽略了自重對(duì)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和剛度的影響。
    2）約束　
    轉(zhuǎn)鼓的約束是根據(jù)具體結(jié)構(gòu)確定的。因轉(zhuǎn)鼓有限元模型為軸對(duì)稱模型,所以,在轉(zhuǎn)鼓的大小端蓋中心線上施加對(duì)稱約束,即約束ＵＸ和ＵＺ;再在轉(zhuǎn)鼓大端蓋中心線zui外側(cè)一點(diǎn)約束ＵＹ。
    2　有限元計(jì)算與分析
    雙錐角轉(zhuǎn)鼓的靜力分析主要是考察其強(qiáng)度和剛度問(wèn)題,即在一定的工作載荷下,考察它是否有足夠的強(qiáng)度和較小的徑向和軸向變形。雙錐角轉(zhuǎn)鼓在工作過(guò)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(zhuǎn)鼓的zui大徑向位移為0 118ｍｍ,zui大軸向位移為-0 141ｍｍ。顯然,轉(zhuǎn)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(yīng)力強(qiáng)度ＳＩＮＴ來(lái)描述轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力狀態(tài),并與材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Ｓｍ進(jìn)行比較。轉(zhuǎn)鼓材料為0Ｃｒ19Ｎｉ9,其設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Ｓｍ=137ＭＰａ。校核時(shí),對(duì)于沿壁厚方向的平均應(yīng)力強(qiáng)度,取其許用值為一倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度,即Ｓｍ;對(duì)于沿壁厚方向的zui大應(yīng)力強(qiáng)度,由于包含有危害較小的彎曲應(yīng)力部分,因此取其許用值為1 5倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度,即1 5Ｓｍ[5]。
              
               
      由圖5可知,雙錐角轉(zhuǎn)鼓筒體上應(yīng)力水平較低,其上zui大值僅為72 9ＭＰａ,而轉(zhuǎn)鼓zui大應(yīng)力強(qiáng)度為109ＭＰａ,出現(xiàn)在轉(zhuǎn)鼓大端蓋中心線zui外側(cè)的一點(diǎn)上。這與單錐角轉(zhuǎn)鼓不同,單錐角轉(zhuǎn)鼓的zui大應(yīng)力出現(xiàn)在筒體上,其值僅為39ＭＰａ（見(jiàn)圖6單錐角轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖）?？梢?jiàn),單錐角轉(zhuǎn)鼓的受力狀態(tài)好于雙錐角轉(zhuǎn)鼓的受力狀態(tài)。但是,由于雙錐角轉(zhuǎn)鼓的zui大應(yīng)力強(qiáng)度也小于材料的許用應(yīng)力1 5Ｓｍ,故雙錐角轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度是安全的。雙錐角轉(zhuǎn)鼓的zui危險(xiǎn)點(diǎn)不在筒體上而在大端蓋中心線外側(cè),這是由于大錐角度數(shù)較大,當(dāng)物料反力作用在*錐段時(shí),在轉(zhuǎn)鼓大端中心線處會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩,使得該處應(yīng)力zui大,所以在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮到該處的材料及厚度的選用。
              
             
    為進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)鼓沿壁厚方向兩個(gè)特殊截面的應(yīng)力分布情況,即ＳＩＮＴzui大值截面和轉(zhuǎn)鼓柱錐過(guò)渡截面的應(yīng)力分布情況,再進(jìn)行如下路徑操作。
    路徑一:筒錐過(guò)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(yīng)力強(qiáng)度沿路徑一和路徑二的變化規(guī)律,ｍ表示位移。
             
             
    由圖8,9可知,路徑一的膜應(yīng)力為35 78ＭＰａ,路徑二的膜應(yīng)力為59 85ＭＰａ,均小于材料的許用應(yīng)力Ｓｍ。計(jì)算還發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)鼓只在離心力作用下zui大應(yīng)力強(qiáng)度（ＳＭＸ）出現(xiàn)在直段筒體上,值為30 1ＭＰａ。而只在物料反力作用下該點(diǎn)處的值為11 9ＭＰａ,表明轉(zhuǎn)鼓筒體應(yīng)力主要是由離心力引起的。
    3　結(jié)論
    本文建立了雙錐角轉(zhuǎn)鼓合理的二維有限元模型,對(duì)其正常工作狀態(tài)下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了校核,驗(yàn)證了改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)是安全的。并且發(fā)現(xiàn)雙錐角轉(zhuǎn)鼓的zui危險(xiǎn)位置是大端蓋中心線zui外側(cè),此處有較高的彎曲應(yīng)力,所以在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮到該處的材料及厚度的選用