压力离心机给料端转子头的强度校核

黄志国

(承德石油高等专科学校 工业技术中心，河北　承德　067000)



压力离心机给料端转子头的强度校核

黄志国

(承德石油高等专科学校 工业技术中心，河北承德067000)

摘要：压力离心机是化工行业主要设备之一，给料端转子头是离心机的重要部件。采用有限元分析法对给料端转子头在几种实际工况载荷下的应力强度进行了校核。校核结果表明该转子头的结构尺寸合理，符合工况要求。

关键词：转子头；强度校核；实际工况；有限元分析

压力离心机是化工行业主要设备之一，它主要通过离心力作用将固液分离。离心机的结构组件主要包括上部壳体、下部壳体、机架、转子和驱动电动机。上部壳体与转子部件相连，下部壳体包括进料管和底部缓冲套，同时连通滤饼下料的收集器。离心机转子由主轴、差速器、螺旋推进器和扭矩臂组成[1]。转子头是离心机整个转子的支撑和驱动的关键部件[2]，其结构形状和技术参数直接影响着离心机的工作效率和使用寿命[3]。本文采用有限元分析的方法对M1-1411压力离心机送料端转子头的结构强度进行计算校核。

1给料端转子头的基本几何参数

文中研究对象的主体部分为直径为1 360 mm、厚度为78 mm的圆盘，上面均布4个椭圆孔，与外转鼓相联接。在圆盘的两侧是转子头主轴。一侧转轴与驱动法兰相联接，另一侧转轴作为螺旋推料器的支撑。结构材料采用S30408(原0Cr18Ni9)不锈钢，分析中所采用的材料参数如表1、表2所示。

表1　S30408在不同温度下的主要力学性质

表2　依据GB150-2011查得S30408(原0Cr18Ni9)在不同温度下的设计应力强度Sm

2给料端转子头的有限元分析模型

2.1分析模型单元的选取

根据要分析的给料端转子头的结构及载荷特点，计算模型选取了SOLID45实体单元进行分析。为使分析做到既精确又不浪费过多的单元数，同时保证结果的收敛性，经过试算，得到了合适的单元网格密度。其有限元模型见图1。

2.2载荷施加与载荷工况

由于给料端转子头的两端分别与左右轴颈连接。因此，根据实际工况，在分析模型中给料端转子头的主轴端部，一端约束全部位移，另一端自由。

根据给料端转子头实际工作的情况分析，对以下6种工况(见表3)进行了分析校核，以确保给料端转子头在安装、调试和操作时都能满足强度和刚度要求。

表3　给料端转子头工况表

通过公式计算得出，开机时间分别为20、30、40、60 s时，转子承受的扭矩分别为9 571 Nm、6 386 Nm、4 786 Nm、3 186 Nm。

另外在正常工作时，给料转子头要承受外伸端和螺旋推料器端轴承反力的作用。其轴承反力的大小由以下计算公式求得：

外伸端的轴承主要支撑整个设备的重量，因此F1=10 000*10/2=50 000 N

同时施加对应的弯矩：M1=F1*(0.365+0.375+0.78/2)=38 950 Nm

螺旋推料器端的轴承主要支撑螺旋推料器的重量，因此

F2=2 000*10/2=10 000 N

同时施加对应的弯矩：M2=F2*(1.46-0.25-0.14/2)=11 400 Nm

如图2所示为工况6下的边界条件和载荷施加情况。

3有限元结果计算和结果校核

3.1给料端转子头的强度计算

通过工况分析可知，压力离心机开机启动时，给料端转子头主要受到扭矩的作用，且在开机20s时扭矩最大。故而对压力离心机启动时间为20 s时的工况进行校核，图3为给料端转子头在压力离心机启动时间为20 s工况下的应力强度云图。

工况5压力离心机正常工作时，由于自身的高速旋转产生很大的离心力。分析中，离心力以角速度的形式施加于给料端转子头的整个有限元模型。图4为给料端转子头在高速旋转工作状态下的应力强度云图。

工况6正常工作时，给料转子头要承受外伸端和螺旋推料器端轴承反力的作用。图5为给料端转子头在承受轴承支反力作用下的应力强度云图。

3.2给料端转子头的强度校核

通过对根据前面的分析结果可知，在开机工况、承受离心力工况、承受两端轴承支反力工况下的最大应力强度值分别为6.91 MPa、67.1 MPa、38.4 MPa，均小于材料在20 ℃时的设计应力强度137 MPa。所以在实际工作的各种载荷工况下，给料端转子头的结构强度都满足设计要求。

4结论

通过有限元分析结果校核得出结论：所研究的压力离心机给料端转子头的结构尺寸合理，在实际工作过程中的6种实际载荷工况下都能完全满足设计所需的强度要求。

参考文献：

[1]殷瑞民.压力离心机稳定轴承改造[J].通用机械，2011(10)：30-33.

[2]翟英明，邓香中，李春光，等.重型离心机组焊式转子头的设计与制造[J]. 机械工程师,2014(11):187-188.

[3]王瑞，高金吉，陈正满.PTA装置中重型压力离心机转子头优化设计[J].机械制造，2007(2)：14-15.

Intensity Check of Rotor Head at Feeding End of Pressure Centrifuges

HUANG Zhi-guo

(Industrial and Technology Center,Chengde Petroleum College,Chengde 067000,Hebei,China)

Abstract:Pressure centrifuge is one of the main equipment in chemical industry. The rotor head at feed end is the important part of the centrifuge. In this paper, the finite element analysis method is used to check the stress intensity of the rotor head under some conditions. The results show that the structure of the rotor head is reasonable, and it is in accordance with the working condition.

Key words:rotor head; intensity check; actual condition; finite element analysis

收稿日期：2015-12-11

作者简介：黄志国(1977-)，男，吉林大安人，承德石油高等专科学校工业技术中心讲师，硕士，主要从事计算机仿真、机械制造及数控加工领域的教学与科研工作。

中图分类号：TQ051

文献标识码：A

文章编号：1008-9446(2016)03-0021-04