引言
離心機轉(zhuǎn)鼓是離心機的關(guān)鍵部件之一。一方面, 轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)對離心機的用途、操作、生產(chǎn)能力和功率等均有決定性影響。另一方面, 轉(zhuǎn)鼓自身因高速旋轉(zhuǎn)(其工作轉(zhuǎn)速通常在每分鐘幾百轉(zhuǎn)至每分鐘幾萬轉(zhuǎn)之間) , 受到了離心力的作用, 在離心力作用下轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)會產(chǎn)生很大的工作應(yīng)力, 一旦發(fā)生強度破壞, 必將產(chǎn)生極大的危害, 尤其是有時由于應(yīng)力過高發(fā)生?#23849;裂? 常會引起嚴(yán)重人身傷害事故。同時, 對于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓而言, 轉(zhuǎn)鼓的剛度同樣非常重要。若轉(zhuǎn)鼓的剛度不足, 工作中轉(zhuǎn)鼓的幾何形狀將會發(fā)生明顯變化,輕則會出現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓與機殼撞擊、摩擦, 損壞零部件; 重則同樣會引起轉(zhuǎn)鼓的爆裂, 甚至出現(xiàn)人身傷害事故。多年來, 由于轉(zhuǎn)鼓設(shè)計不當(dāng)、轉(zhuǎn)鼓制造質(zhì)量不高等原因?qū)е轮卮笫鹿实默F(xiàn)象頻頻發(fā)生。這已引起了設(shè)計人員、制造廠家和使用部門的重視, 經(jīng)常進(jìn)行三足式離心機事故原因的診斷、分析與研究。因此, 對離心機轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算的分析研究也是十分必要的。
1 開孔轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算的依據(jù)[ 1 ]
轉(zhuǎn)鼓強度計算的傳統(tǒng)方法, 是在以旋轉(zhuǎn)薄殼無力矩理論為基礎(chǔ), 并認(rèn)為轉(zhuǎn)鼓是完全彈性體, 計算時能滿足小位移假設(shè)和直法線假設(shè), 且轉(zhuǎn)鼓壁厚S 與轉(zhuǎn)鼓半徑R之比(S鯮 ) 小于011, 轉(zhuǎn)鼓高度H ≥215 R S的情況下導(dǎo)出的。在進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力計算時, 主要考慮了由轉(zhuǎn)鼓體自身質(zhì)量、轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的篩網(wǎng)質(zhì)量以及物料質(zhì)量因高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力作用下的應(yīng)力。
1.1 轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時由自身質(zhì)量引起的離心力所產(chǎn)生的周向應(yīng)力
轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時由自身質(zhì)量引起的離心力所產(chǎn)生的周向應(yīng)力為R1′:
R1′= 10- 9qQ0R 2X3。
式中: q 棗轉(zhuǎn)鼓體上開孔引起的密度減少系數(shù), q=1-(Pd 2/4b1b2穝inA), 其中d、b1、b2、A為轉(zhuǎn)鼓上開孔的布置尺寸, 見圖1;
X 棗角速度;
Q0棗轉(zhuǎn)鼓體材料密度;
R 棗轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑。
1.2 轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時由篩網(wǎng)質(zhì)量引起的周向應(yīng)力
轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時由篩網(wǎng)質(zhì)量引起的周向應(yīng)為力R2″:
R2″= 10- 9X2QmR 2DsS Z。
式中: Qm 棗物料密度;
S 棗轉(zhuǎn)鼓的壁厚;
Z 棗加強箍系數(shù), Z =1+ n1A/SH
, 其中, A 、n1、H 分別為加強箍的截面積、加強箍的數(shù)目、轉(zhuǎn)鼓的高度;Ds 棗 篩網(wǎng)的當(dāng)量厚度, Ds=M s2PRH Qs
, 其中M s、Qs 為篩網(wǎng)的質(zhì)量和篩網(wǎng)材料的密度。
1.3 轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時由物料質(zhì)量引起的離心力所產(chǎn)生的鼓壁周向應(yīng)力
轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)鼓內(nèi)由物料質(zhì)量引起的離心力所產(chǎn)生的鼓壁周向應(yīng)力為R3
R3= 10- 9W2Qm (R 2- r20) R/2S Z。
式中: r0棗轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料分布的最小半徑。
1.4 轉(zhuǎn)鼓的周向總應(yīng)力
轉(zhuǎn)鼓的周向總應(yīng)力為Rt:
Rt=R1′+ R2″+ R3/K。
式中: K 棗焊縫及開孔系數(shù), K 為K 1、K 2、K 3 中的最小值, 或為K 2、K 3 中的最小值與K 1 的乘積, 其中K 1 為焊縫系數(shù), K 2、K 3 為轉(zhuǎn)鼓壁開孔系數(shù), K 2 =b1- d/b1, K 3 =V (b2- d )/b2, V 是與A有關(guān)的系數(shù)。
2 對轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中存在問題的分析
2.1 轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中強度計算的近似性
轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中強度計算的近似性主要表現(xiàn)在以下幾方面:
(1) 強度計算的公式是以無力矩理論為基礎(chǔ), 并按照薄壁壓力容器而推導(dǎo)出來的。這些計算公式的適應(yīng)范圍只有在轉(zhuǎn)鼓體離開擋液板和轉(zhuǎn)鼓底適當(dāng)遠(yuǎn)的部位才是成立的[ 2 ]。如果用上述計算公式的計算結(jié)果作為轉(zhuǎn)鼓各部位強度計算的依據(jù), 顯然存在著來源于計算公式的近似性。
(2) 轉(zhuǎn)鼓體上因有開孔, 不僅削弱了轉(zhuǎn)鼓體的強度, 同時在開孔處也引起了應(yīng)力集中。在公式中靠引入幾個系數(shù)(如K 2、K 3、q 等) 來考慮應(yīng)力集中等問題顯然也存在著計算過程的近似性。
(3) 轉(zhuǎn)鼓體與擋液板、轉(zhuǎn)鼓底的連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象比較嚴(yán)重, 而實際的計算方法中, 則是在初步結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上經(jīng)過適當(dāng)簡化后再進(jìn)行二次強度計算, 不僅計算公式繁瑣, 而且因簡化計算模型, 其計算過程與結(jié)果本身也存在著近似性。
因此, 按目前采用的離心機開孔轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算方法設(shè)計的離心機轉(zhuǎn)鼓, 從宏觀上看, 往往偏于保守, 相關(guān)尺寸有較大富裕, 使得轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量增加, 既增加了轉(zhuǎn)鼓運行的能耗也造成了材料的浪費, 顯然是不經(jīng)濟(jì)的;從微觀上看, 局部地方(如轉(zhuǎn)鼓體與擋液板、轉(zhuǎn)鼓底的連接處, 轉(zhuǎn)鼓體的開孔處) 的應(yīng)力值往往得不到正確估計, 直接影響到轉(zhuǎn)鼓運行的安全性。在離心機發(fā)生的轉(zhuǎn)鼓破裂事故中, 出現(xiàn)在開孔處和邊緣處的比例很高。
2.2 轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中的不全面性
2.2.1 缺乏基本剛度的要求[ 3 ]
離心機轉(zhuǎn)鼓壁厚計算公式來源于薄壁壓力容器設(shè)計規(guī)范, 即將轉(zhuǎn)鼓視為承受內(nèi)壓的薄壁殼體, 以無力矩理論為依據(jù)校核轉(zhuǎn)鼓強度。但是, 現(xiàn)有的離心機轉(zhuǎn)鼓設(shè)計方法沒有考慮鼓壁的最小厚度, 而是把強度要求作為必要與充分條件, 這種作法實際上是欠妥當(dāng)?shù)?。因為歷年來的壓力容器設(shè)計規(guī)范對容器最小壁厚都有所規(guī)定, 其根本目的是為保證容器有必須的剛度, 以避免其幾何形狀發(fā)生畸變(如截面失圓) , 因為一旦發(fā)生這種情況容器所承受的彎曲應(yīng)力將大大超過了壁厚設(shè)計計算時作為依據(jù)的薄膜應(yīng)力。這就說明轉(zhuǎn)鼓設(shè)計的強度條件是必要的, 而不一定是充分的。離心機轉(zhuǎn)鼓是一個高速旋轉(zhuǎn)的薄壁構(gòu)件, 其所受到的空氣動力作用相當(dāng)于處于狂風(fēng)中的靜止薄殼, 處于隨機湍流流場中的結(jié)構(gòu)件均將發(fā)生振動, 離心機轉(zhuǎn)鼓自然也不能例外。一旦激勵頻率與轉(zhuǎn)鼓固有頻率重合或接近, 轉(zhuǎn)鼓的幾何形狀將發(fā)生明顯變化, 其后果是可怕的。所以, 轉(zhuǎn)鼓設(shè)計時考慮剛度要求是很有必要的。設(shè)計時沒有考慮剛度要求也是離心機轉(zhuǎn)鼓發(fā)生爆裂事故的原因之一。筆者曾對SD800 型三足式離心機轉(zhuǎn)鼓的壁厚按剛度條件進(jìn)行過計算, 結(jié)果表明按剛度條件計算出的壁厚大于按強度條件計算出的壁厚。這就說明了某些轉(zhuǎn)鼓從強度的角度分析并無不安全因素, 而實際工作中卻是常常發(fā)生安全事故的原因所在。
2.2.2 對加強箍的作用重視程度不夠
在轉(zhuǎn)鼓設(shè)計中, 為提高轉(zhuǎn)鼓的強度和剛度, 在轉(zhuǎn)鼓體的外部往往要設(shè)置加強箍, 但對加強箍的作用不夠重視。在設(shè)計計算公式中僅靠引入的加強箍系數(shù)Z來體現(xiàn)加強箍的作用, 而對加強箍的結(jié)構(gòu)尺寸、加強箍與轉(zhuǎn)鼓體之間有無預(yù)應(yīng)力的作用則無明確要求。從現(xiàn)行的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計方法來看, 并未對轉(zhuǎn)鼓的具體尺寸和裝配時有無預(yù)應(yīng)力作明確規(guī)定, 因此, 實際設(shè)計結(jié)構(gòu)中, 出現(xiàn)了一些明顯不合理的現(xiàn)象。如從彎曲的角度考慮, 根據(jù)材料力學(xué)截面慣性矩的理論, 加強箍應(yīng)設(shè)計成扁且寬狀的結(jié)構(gòu), 加強箍截面尺寸h 應(yīng)大于a (如圖2 所示) 以求獲得大的截面慣性矩(ah3/12) , 從而降低實際的工作應(yīng)力。但實際結(jié)構(gòu)中卻出現(xiàn)了h= a= 2mm的不合理結(jié)構(gòu)[ 4 ] , 這種結(jié)構(gòu)尺寸沒有起到應(yīng)有的加強作用, 形同虛設(shè), 無疑是因設(shè)計要求上的不全面所致。實際中由此引起的破裂事故也較多。加強箍與轉(zhuǎn)鼓體的連接大都采用無預(yù)應(yīng)力作用的焊接連接, 這種結(jié)構(gòu)只有在轉(zhuǎn)鼓工作中出現(xiàn)了離心變形時才能起到加強作用, 屬于被動加強式加強箍。為了提高轉(zhuǎn)鼓承載能力,加強箍與轉(zhuǎn)鼓體的連接最好采用有預(yù)應(yīng)力(有配合過盈量) 作用的連接結(jié)構(gòu), 這種結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)鼓工作中未出現(xiàn)離心變形時就能起到加強作用, 屬于主動加強式加強箍。
3 結(jié)論與建議
由上述分析可知, 目前采用的離心機開孔轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算方法確實存在著一定的近似性和不全面性, 這種設(shè)計計算中的近似性和不全面性也是導(dǎo)致離心機開孔轉(zhuǎn)鼓出現(xiàn)事故的重要原因。為此對離心機開孔轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計計算還有待于廣大學(xué)者進(jìn)行深入研究。為探求合理的設(shè)計計算方法, 我國從20 世紀(jì)80 年代起, 已開始將有限元技術(shù)用于離心機轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力分析, 近20多年來我國許多學(xué)者和工程技術(shù)人員先后開展了有限元技術(shù)在轉(zhuǎn)鼓強度計算上的應(yīng)用研究, 并取得了極有價值的成果[ 5 ]。他們通過實驗測試和有限元法計算, 把實驗轉(zhuǎn)鼓和工業(yè)轉(zhuǎn)鼓在不同工作情況下的實測值與有限元法計算值進(jìn)行了反復(fù)的比較, 發(fā)現(xiàn)了二者能很好地吻合。從而進(jìn)一步驗證了有限元技術(shù)在轉(zhuǎn)鼓強度計算上的可靠性。但如何將研究成果轉(zhuǎn)化為實用技術(shù), 還有待于進(jìn)一步研究。
