过滤器壳体的优化设计

耿晓平

（青岛科技大学，山东 青岛 266042）

设备与自控

过滤器壳体的优化设计

耿晓平

（青岛科技大学，山东 青岛 266042）

摘 要：根据过滤器壳体的工作原理，运用力学理论，通过建立模型，对过滤器壳体进行受力分析，并用SolidWorks软件进行模拟分析, 解决如何在保证壳体强度的前提下，减少壳体的质量和流阻，可为过滤器壳体的设计提供一定的理论依据。

关键词：过滤器；壳体；力学分析

过滤器广泛用于冶金、化工、石油、造纸、医药、食品、采矿、电力、城市给水领域。过滤器的初始压降是评判过滤器优劣的一个重要指标。过滤器的初始压降由滤芯和过滤器壳体两部分组成。过滤器壳体的压降计算公式为：

式中，ΔPk为过滤器空壳压降，Pa；λi为空壳沿程阻力系数；Li为每段沿程长度，m；Ai为空壳沿程通油面积，m2；Aj为某局部变化后的面积，m2；λi为某局部阻力系数；di为每段沿程的水力直径，m。

由公式（1）可知，壳体的压降与沿程的通油面积、某局部变化后的面积、某局部阻力系数等因素有关。在图1中，根据液体的流动方向可知，B处的阻力比较大。

图1 改进前过滤器壳体结构图

1 下壳体强度受力分析

过滤器一般由上下壳体构成，而承受压力则主要是下壳体。下壳体的受力简图如图2所示。

图2 改进前下壳体的受力

1）下壳体的底部厚度［1］：

式中，Pe为额定工作压力，15MPa；t1为下壳体底厚，5mm；D为下壳体底部内径，20mm；nb为安全系数，一般取1.8；δb为材料的强度极限，70MPa。

2）切点A处的边缘力：

式中，F0为A处边缘力，MPa；r1为下壳体内圆半径，mm。

3）切点A产生的应力：

式中，σ1为A处表面的轴向应力，MPa；σ2为A处表面的周向应力，MPa；t2为底厚A处壁厚，6mm；μ1为泊松比。

边缘力在A处产生的最大轴向应力为：

式中，σ2max为最大圆周应力，MPa；R3为底部壁厚的中径半径，25mm；β0为修正系数，1/mm。

可按下式计算：

4）内部压力产生的主应力：

式中，σ′1为轴向应力，MPa；σ′2为周向应力，MPa；σ′3为径向应力，MPa；Kb为外半径与内半径之比。

5）内部压力产生的切应力：

式中，τmax为最大切应力，MPa。

合成应力：

式中，σx为周向合成应力，MPa；σy为轴向合成应力，MPa；τxy为合成切应力，MPa。

式中，［nb］为许用安全系数，一般取1.8。

2 下壳体强度受力仿真

根据液压过滤器壳体、安装位置和工作环境，为提高其可靠性，运用SolidWorks软件对其结构强度进行力学仿真分析。从仿真结果可以知道，最小安全系数为1.3，与计算结果有差别。通过分析发现，最大应力点在O型圈的安装槽处，也就是图2中t3处。此处壁厚较薄，应力比较大。

图3 改进前的仿真结果

3 下壳体结构改进和受力仿真

根据出现的问题做如下改进：1）改变密封圈的位置，避开薄弱点。2）增大上下壳体的间隙和对下壳体倒角，减少流阻。由仿真结果可以发现，下壳体的安全系数为2，满足设计要求。

图4 改进后的过滤器壳体

图5 改进后的仿真结果

4 流阻的实验校验

对流阻进行实验校验，所用的实验介质为15号液压油，室温20℃。得到的实验结果如表1所示。壳体的设

计流量17L·min-1，流阻小于50kPa。由实验数据可以看出，该壳体的流阻完全可以满足实验要求。

表1 流阻实验结果

图6 流阻的实验原理图

3 结语

该过滤器壳体的优化设计，从某种意义上说，能够改变人们的传统思维方式，使产品能够快速响应市场，缩短产品开发周期。再者，合理设计壳体的结构，能够降低产品成本，为企业创造出更大的价值。

参考文献：

［1]戴天翼.过滤器设计、制造、使用 ［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［2]成大先.机械设计手册 ［M］.北京：化学工业出版社，2001.

［3]李华.机械制造技术 ［M］.北京：机械工业出版社，1997.

中图分类号：TQ 051.8+5

文献标识码：A

文章编号：1671-9905（2016）01-0037-03

作者简介：耿晓平（1987-），女，工程硕士，主要从事化学工程与工艺研究。E-mail：geng_xiaoping@126.com，电话：18310079078

收稿日期：2015-10-27

Optimization Design of Filter Housing

GENG Xiao-ping
（Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266042， China）

Abstract：Based on the working principle of the filter housing， by use of the mechanical theory and modeling， analyzed the filter shell of stress and the simulation analysis by using SolidWorks software， in order to reduce the quality of the shell and flow resistance under the premise that ensure the strength of shell， which could provide a theoretical basis for the design of the shell of the filter.

Key words：filter； shell； mechanical analysis