卧螺离心机转鼓参数对模态的影响研究

大型卧式螺旋卸料沉降离心机转子动力学分析应超;孙恒;王东琪;梁毅;何飘;樊俊;肖泽仪【摘要】利用有限元软件ANSYS对卧式螺旋离心机转子系统进行动力学分析,通过改变外转子的材料密度将内转子和物料的转动惯量等效转换到外转子的思路建立三维模型,进行高质量的网格划分.利用模态分析得到该模型前六阶固有频率以及其所对应的振型进行讨论,并进一步计算在陀螺效应下的临界转速.此分析方法可为同类离心机转子系统刚度分析提供参考.【期刊名称】《化工设备与管道》【年(卷),期】2014(051)002【总页数】5页(P38-42)【关键词】卧式离心机;转子系统;临界转速;有限元分析【作者】应超;孙恒;王东琪;梁毅;何飘;樊俊;肖泽仪【作者单位】四川大学化学工程学院,成都610065;中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林机械制造分公司,吉林省吉林市132021;中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林机械制造分公司,吉林省吉林市132021;四川大学化学工程学院,成都610065;四川大学化学工程学院,成都610065;四川大学化学工程学院,成都610065;四川大学化学工程学院,成都610065【正文语种】中文【中图分类】TQ051.8;TH123卧式螺旋沉降离心机（卧螺离心机），是一种高效的离心分离设备，广泛应用于化工、轻工、制药、食品、环保等行业[1]。

卧螺离心机为双转子结构，内转子（螺旋输送器）以及外转子（锥转鼓及柱转鼓）通过轴承耦合在一起，当其工作转速与临界转速接近时，转子将发生剧烈的共振现象，使离心机工作不稳定甚至严重故障。

为了避免共振，必须在离心机设计过程中进行转子系的动力学分析，计算出转子系的固有频率或称临界转速，作为离心机工作转速的设计依据。

传统的转子固有频率计算方法有能量法、邓克莱法、传递矩阵法等。

但这些方法存在一定局限性，比如，在遇到复杂模型时（如模型中存在锥度、不规则台阶状），通常不得不忽略模型连续性等因素的影响，而只考虑质量的影响，使整体的计算精度不高。

卧式螺旋离心机调速系统的改进2007-09-04文字选择：卧式螺旋离心机通常由两部分组成：一部分是转鼓，另一部分是螺旋输送器。

螺旋在转鼓里面，且两者同轴，转鼓与螺旋之间有２ｍｍ的间隙。

当浆液由供料端进入转鼓中，泥浆液随同转鼓旋转，这时固体颗粒在离心力的作用下便沉降到转鼓壁上，在螺旋输送器的作用下，将沉降到转鼓壁上的固体颗粒排出。

这样就实现了固—液相的分离。

螺旋输送器、转鼓的转速差与转鼓转速之比称为转差率，该转差率很小，并且在实际应用中根据泥浆情况，应能调节转差率，以便达到更好的分离效果。

调节转鼓和螺旋输送器的转差率，从目前来看国内采用行星差速器。

将转鼓与螺旋输送器轴连接起来，这样转差率没有办法调整。

若要调整只能更换不同齿数的齿轮，因此，调节转差率麻烦，且为有级调速。

从国外来看，将转鼓与螺旋输送器由液压马达连接起来，通过改变液压马达的转速连续调节转差率。

而采用液压马达还要配备储油箱、油泵及驱动油泵电机，结构复杂，成本高，密封不好，容易漏油，两种方法都存在不足。

我们对离心机的传动装置进行改进，将复杂的差速器去掉，转鼓和螺旋输送器分别用两个电动机通过同步带进行传动。

而电动机由变频器进行控制，可实现无级调速，ＰＬＣ集成具体的控制功能，能够实现自动控制。

该设计方法目前在国内尚属首次，是一次新的尝试，若能研制成功将具有推广价值。

１卧式螺旋卸料沉降离心机工作原理卧式螺旋卸料沉降离心机的主要构件有转鼓、螺旋推进器、差速器、过载保护装置、卸载装置。

卧螺离心机的工作原理如图１所示，在机壳５内有两个同心装在主轴承３和７上的回转部件，外面是无孔转鼓６，里面是螺旋叶片输送器４。

主电动机通过三角皮带轮２带动转鼓旋转。

转鼓通过左轴承处的空心轴与行星差速器８的外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓作同向转动，但转速不同，其转差率一般为转鼓转速的０．２％￣３％。

泥浆从右端的中心加料管１连续送入机内，经过螺旋输送器的内筒加料隔仓的进料孔进到转鼓内。

过滤与分离Filtration &Separation 2002Vo1.12No.1离心机转鼓壁厚的影响因素及参数关系图濮伟（南京化工学校,江苏南京210048）摘要：离心机转鼓壁厚的计算中，通过影响壁厚各因素大小变化的分析，找出各影响因素变化，对转鼓壁厚影响的程度和关系，并用图线对这些关系进行表述，即参数关系当量图表示，从而通过图线清楚地了解各因素对壁厚的影响情况，以确定适当的转鼓壁厚。

关键词：离心机；壁厚；影响；因素；参数关系图中图分类号：TG051.8+4文献标识码：B文章编号：1005-8265（2002）01-0018-03收稿日期：2001-04-12作者简介：濮伟（1962-），男，工程师，南京化工学校化工机械系讲师，联系电话：025-*******.离心机的转鼓是一个从低速到高速快速回转的容器，其转速从静止上升至每分钟数百上千转，甚至每分钟几万转，因此必定会在离心力的作用下产生很大的应力，而过高的应力会使回转件发生“飞裂”引起严重的事故。

所以正确计算离心机回转园筒的壁厚，使其能承受高速下离心力所产生的应力，是保证离心机安全的重要前提。

1离心机转鼓壁厚的计算离心机的转鼓在装有物料运行时，由于转鼓自身存在质量引起离心力，而转鼓内的物料在旋转中也将引起离心力，同时转鼓内的附件也因旋转的原因产生离心力。

它们都将对转鼓的壁产生应力并且所产生的应力总和应小于转鼓材料的许用应力。

而真正对壁厚产生影响的参数是转鼓自身材料的密度p O 、滤网密度p S 、滤网厚度SS 、转鼓的半径R 2、转鼓的角速度c 、物料密度p M 、许用应力[O ]t 、转鼓开孔削弱系数$、物料层的内半径R 1。

下面就壁厚问题进行分析。

1.圆筒形转鼓的计算分析（1）利用拉普拉斯方程，写出转鼓自身质量产生的应力为：O '2I p O c 2R 22I p O U2<2)利用离心压强理论，得到物料引起的转鼓应力为：O !2=p M c22SR 2<R 22-R 21)<3)同样得用离心压强理论，得到附件引起的转鼓应力为：O 2"=p s S S c 2R2S从强度条件出发有：O 2=O '2+O !2+O 2"则O 2=p O c 2R 2+p M c 22S R 2<R 22-R 21)+p S S S c 2R 22S"[O ]t 得S "p M R 2c 2<R 22-R 21)+2p S S S R 22c22<[O ]t$-p O R 22c 2）由于S S 很小，则可将2p S S S R 22c 2忽略不计，得S "p M R 2c 2<R 22-R 21)2<[O ]t$-p 0R 22c 2）（1-1）2锥形转鼓的计算分析（1）利用拉普拉斯方程，写出转鼓自身质量产生的应力为：O '2=p O c 2R 22=p O U2（2）利用离心压强理论，得到物料引起的转鼓应力为：O !2=p M c22S cos u R 2<R 22-R 21)（3）同样得用离心压强理论，得到附件引起的转鼓应力为：O "2=p s S Sc 2R2S从强度条件出发有：O 2=O '2+O 2!+O "2O 2=p O c 2R 22+p M c 22S cos u R 2<R 22-R 21)+p S S S c Z RZS"[O ]t同理，可得壁厚表达式如下：S "p M c 2R 2<R 22-R 21)2<[O ]t$-p O c 2R 22）cos u<1-2)由上式可见，锥形转鼓与园筒形转鼓之间差一个18··2OO2Vol.l2No.l过滤与分离Filtration&Separation余弦的倒数，即锥角越大，计算壁厚越大，锥角为零时，壁厚最小，并与园筒形转鼓相同。

离心机和离带式压滤机相比过去，国内城市污水处理厂的污泥（浓缩）脱水，绝大部分都采用带式压滤机（以下简称带机），离心机因其噪音大、能耗高、处理能力低而很少采用，然而，最近几年来，卧螺式离心机（以下简称离心机）的应用大有超过带式压滤机之势。

在国外，卧螺离心（浓缩）脱水机的应用很普遍，而在国内，卧螺式离心机的推广主要得益于离心机厂家成功的市场营销。

国外采用离心机的主要原因是其脱水后含固率高，可达30％以上，而国内由于污泥处置费用不高，对含固率要求也不高，一般只要求超过20％，这样国外供给国内的离心机的材质和加工精度降低一个档次仍能满足要求。

由于国内部分设计人员对采用离心机的认识模糊，选用离心机而对其处理后含固率仍与带机要求相同，这样离心机就失去了其竞争优势。

国内许多设计院或用户常常忽视了这一点。

下面笔者根据带机和离心机的使用调查情况，结合设计经验，就污泥浓缩脱水设备的选型问题作以下探讨。

1 带机与离心机的理论比较由于带机为污水处理厂污泥脱水的主流，因此离心机的优点主要建立在与带机的比较上，离心机厂商认为，离心机对带机来说，具有如下优点：①卧螺离心机利用离心沉降原理，使固液分离，由于役有滤网，不会引起堵塞，而带机利用滤带使固液分离，为防止滤带堵塞，需高压水不断冲刷；②离心机适用各类污泥的浓缩和脱水，带机也适用各类污泥，但对剩余活性污泥需投药量大且脱水困难；③离心机在脱水过程中当进料浓度变化时，转鼓和螺旋的转差和扭矩会自动跟踪调整，所以可不设专人操作，而带滤机在脱水过程中当进料浓度变化时，带速、带的张紧度、加药量、冲洗水压力均需调整，操作要求较高；④在离心机内，细小的污泥也能与水分离，所以絮凝剂的投加量较少，一般混合污泥脱水时的加药量为：1.2kg／t[干泥]，污泥回收率为95％以上，脱水后泥饼的含水率为65％－75％左右，而带滤机由于滤带不能织得太密，为防止细小的污泥漏网，需投加较多的絮凝剂以使污泥形成较大絮团，一般混合污泥脱水时的加药量大于3kg/L［干泥］，污泥回收率为90％左右，脱水后泥饼含水率80％左右；⑤离心机每立方米污泥脱水耗电为1.2kw／m3，运行时噪音为76－80db，全天24h连续运行滁停机外，运行中不需清洗水；而带机每立方米污泥脱水耗电为0.8kw／m3，运行时噪音为70－75db，滤布需松驰保养，一般每天只安排二班操作，运行过程中需不断用高压水冲洗滤布；⑥离心机占用空间小，安装调试简单，配套设备仅有加药和进出料输送机，整机全密封操作，车间环境好；而带机占地面积大，配套设备除加药和进出料输送机外，还需冲洗泵，空压机，污泥调理器等等，整机密封性差，高压清洗水雾和臭味污染环境，如管理不好，会造成泥浆四溢；⑦离心机易损件为轴承和密封件，卸料螺旋的维修周期一般在3a以上；而带机易损件除轴承、密封件外，滤带也需更换，价格昂贵；⑧运行费用的计算。

卧式螺旋离心机有限元结构动力学分析焦国旺张建润王彬(东南大学机械工程学院,江苏南京211189)摘要：采用实体单元和弹簧单元建立了卧式螺旋离心机整机的有限元模型,应用赫兹理论导出的轴承在径向力作用下的刚度计算公式,计算模拟轴承刚度的弹簧单元常数。

模型很好的模拟了卧式螺旋离心机的真实结构,通过模态分析可以获得整机的前8阶固有频率,分析结果表明在正常的工作转速范围内不会发生结构共振。

关键词：卧螺离心机;赫兹理论;有限元;模态分析卧式螺旋卸料沉降离心机,简称卧螺离心机,是国际上20世纪50年代出现的分离机械。

由于具有连续操作、处理量大、单位产量耗电量低、适应性强等特点,现已广泛应用于石油、化工、冶金、医药、食品、轻工等领域,并随着石油化学工业的迅猛发展和城市污水治理的迫切需要,卧螺离心机必将会有更广阔的发展前景。

随着离心机单机生产能力和分离因数的提高,这类结构的强度、变形和振动等问题尤为突出。

因此,对离心机的整机进行有限元分析,具有重要的工程实际意义。

1结构动力学分析1.1结构动力学方程有限元求解动力学问题的基本方程式:式中:M———单元总的质量矩阵;K———单元总的刚度矩阵;C———单元总的阻尼矩阵;δ———节点位移矢量;F———总外加激振力矩阵。

1.2结构自由振动的固有频率及相应振型对于自由振动,没有外加激振力,即F=0,可得:计算经验表明,阻尼对结构频率和振型影响不大,常用无阻尼自由振动方程来求解结构的固有频率及相应的振型。

求解广义特征方程即可得系统固有频率,将求得的固有频率代入方程,即可以求解相应的振型。

2轴承刚度的计算2.1基于Hertz理论的轴承刚度计算公式深沟球轴承的径向变形:式中:δr———径向变形,mm;Q0———滚动体与套圈间的接触负载,N;Db———滚动体直径,mm。

对于深沟球轴承,考虑径向游隙时,外加负载与受载最大的滚动体负载之间关系式为:3整机有限元模型的建立在ANSYS,NASTRAN等有限元软件中建立结构的有限元模型一般有两种方法:直接使用软件提供的建模模块采用自顶向下或自底向上的方法建模;或者通过这些分析软件提供的接口,把专业CAD软件生成的三维实体模型转换为结构有限元模型。

卧式沉降过滤式离心机转鼓力学性能分析刘泓【摘要】为了加强沉降过滤式离心机的稳定性,提升设备性能,对转鼓强度和形变进行了研究.在理论分析转鼓结构参数的基础上,建立了卧式沉降过滤式离心机转鼓的三维模型,并对转鼓受到的载荷进行分类和计算,以线性静力学分析为研究方法,以压力容器设计准则为依据,借助有限元对转鼓进行相关力学性能分析.研究结果表明,转鼓的最大应力出现在过滤段转鼓开孔处、溢流堰处及中心轴处,大小为134 MPa,转鼓轴向最大形变位移0.533 mm发生在溢流堰处,径向最大形变位移0.355 mm,位移变形均较小.【期刊名称】《选煤技术》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】5页(P1-4,9)【关键词】卧式沉降过滤式离心机;转鼓;载荷;静力分析;力学性能分析【作者】刘泓【作者单位】中煤科工集团唐山研究院有限公司,河北唐山063000;河北省煤炭洗选工程技术研究中心,河北唐山063000【正文语种】中文【中图分类】TD462+.1;TD94转鼓是卧式沉降过滤式离心机的核心部件，它对设备的脱水效果、处理能力、差速器选型以及螺旋结构设计均有重要的影响。

基于转鼓的重要性以及在工况条件下转鼓作为高速旋转部件这一特点，在设计研究转鼓时，需要对转鼓的力学性能进行分析，同时也要对在一定条件下转鼓的强度和形变进行研究。

转鼓强度的研究可以指导转鼓材料的选取，以及转鼓壁厚的优化设计。

如果转鼓变形过大，一方面会加速转鼓的损坏，影响设备使用寿命，增加环境噪声，另一方面也会与其他部件如螺旋输送器等，造成干涉，导致整机不能正常运转，脱水效果变差。

因此，转鼓力学性能的研究对设备的稳定性及性能的提升有很大的作用。

卧式沉降过滤式离心机是一种广泛应用于选煤行业的新型离心脱水机，它与卧螺离心机相比，在结构上多出一段过滤段。

从脱水原理而言，卧式沉降过滤式离心机利用了离心沉降和离心过滤两种脱水原理[1]，保证了脱水效果。

在选煤行业中，卧式沉降过滤式离心机主要针对浮选精煤、浮选中煤、旋流器底流和煤泥等<0.5 mm的细粒级物料脱水[2]，通过与压滤机和浓缩机组成联合脱水工艺[3-4]，保证洗煤厂的资源回收和洗水闭路循环。

摘要高速卧螺离心机的转速从几千到几万转不等，因此螺旋推料器会对流体产生较大的扰动作用使流动具有强旋流性，造成转鼓内部流体流动复杂。

试验中测得的数据非常有限同时不能实现数据的动态实时传输，对于卧螺离心机的仿真模型也都是基于稳态进行计算。

本文基于瞬态计算方法建立了卧螺离心机内部流场的仿真模型，同时，利用已有的实验结果验证了仿真模型的可靠性，主要研究了转速差和螺旋叶片的螺距两个因素分别对卧螺离心机分离效率的影响。

本文经过合理的简化和假设，通过SolidWorks和icem完成了卧螺离心机流体域三维模型的建立和网格的划分。

在fluent计算中选取了Eulerian多相流模型，RNG K-ε湍流模型和MRF模型相结合对卧螺离心机内部流场进行了瞬态计算。

通过对仿真和实验结果归一化处理进行验证了仿真模型的可靠性。

研究转速差对分离效率的影响时，以试验和仿真相对比的方法来进行研究。

试验结果和仿真结果均表明：1.虽然在离心场中粒子所受离心力远大于重力，但重力的影响不可忽略2.固相沉积厚度值随时间呈周期性变化；3.沿转鼓轴向固相沉积厚度值出现了逐渐增大并伴有局部降低的现象；4.转鼓锥段的沉积厚度值均远大于转鼓柱段。

固相沉积厚度越大经过实验与仿真结果的对比得出本文工况下最优转速差为10r/min。

同时得出了转速差关于输送量的函数关系，从中可以得到随着转速差的增大输送量先增大后减小而后逐渐趋于一定值。

分析仿真结果时提出输送量的概念来反映分离效率，转速差越大固相沉积厚越小，输送量越小，分离效率越低，但转速差越大输送速度越大，分离效率越大，最优转速差就是能够兼顾沉积厚度和输送速度这两个矛盾因素的平衡点。

在研究螺旋推料器的螺距对分离效率的影响时发现：1.转鼓柱段的回流速度大于转鼓锥段的回流速度；2.转鼓柱段的颗粒推移速度大于转鼓锥段的输送速度；螺距越大输送能力越强，回流速度越大，颗粒推移速度也越大；3.螺距过大会造成输送沉渣阻力变大，同时回流程度变大；螺距过小会形成稳定的旋流状态，但输渣速度慢，因此会造成固相较大程度分散在转鼓柱段，所以研究螺距对分离效率的影响也是寻找这两个因素的平衡点。