某卧式螺旋离心机输送器的静力有限元分析
1.刘爱军 2.傅彩明
（1.湖南科技大学 机电工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南工程学 院机械工程系，湖南 湘潭 41200）
摘要：利用有限元分析软件 VisualNastran 对卧式离心机的主要部件螺旋输送器进行静力模态分析，得到其应力云图与径向应变云图，获得其在组合工况下的最大应力值为152.5 MPa，最大径向变形为 0.092 mm。并通过仿真结果分析，与实际情况进行对比研究，结果表明输送器相关参数满足刚度要求。
关键词：卧式离心机；模态分析；固有频率；振型
中图分类号：TH237 文献标识码：A 文章编号：1006－0316（2007）03－0026－03
螺旋输送器是卧螺沉降式离心机另一个主要部件，它能连续地把沉渣送至排渣口排出机外。它的结构、材料和参数不仅关系到离心机的生产能力、工作寿命，而且还关系到分离效果的好坏，所以螺旋输送器的设计是卧螺离心机设计中重要的环节。螺旋输送器的筒体与转鼓同心地装在轴承上，螺旋输送器边缘所形成的回转外廓通常同转鼓的形状相同，即有柱形、单锥形、柱锥形，而常用的也是本分析采用的是柱锥形。静力分析计算在固定不变的载荷作用下转鼓的响应，它不考虑速度和阻尼的影响，也不考虑结构受时间变化载荷的影响。一般情况下静力分析所施加的载荷包括：外部施加的作用力和压力；稳态的惯性力（如重力和离心力）；位移载荷(约束)；温度载荷。静力分析包括线性和非线性分析。线性分析是静力分析中最为简单的一种。非线性分析涉及塑性、应力刚化、大变形、大应变、超弹性、接触和蠕变等。
本分析将对输送器进行线性静力学分析，求解静力载荷作用下输送器整体结构的应力和位移分布情况，并考察输送器是否有足够的强度和较小的径向和轴向变形。
把沉渣输送到小端的排渣口的条件，见表 1。
表 1 螺旋输送器的输渣条件
1 螺旋输送器的结构
螺旋输送器一般由螺旋叶片、内筒、加料隔仓、左右轴颈等组成（图 1）。在 visualNastran 有限元分析中，应用最多的是四面体单元。在螺旋输送器的有限元仿真中选用四面体单对模型进行网格划分。
螺旋输送器的结构模型如图 1 所示。
2 螺旋输送器的有限元模型
根据设计图纸，本分析研究的卧螺离心机的螺旋输送器外形为筒锥形，由连续整体螺旋叶片和柱锥内筒组成。由于螺旋输送器的结构和载荷既不是轴对称，也不是周期对称，模型不易简化，因此，本分析对螺旋输送器进行整体三维有限元建模。为了较好地模拟螺旋输送器的复杂结构，并有效地控制单元的质量和数量，本分析采用了直接生成节点、单元的方法来建立螺旋输送器的三维有限元集合模型，如图 2 所示，模型中单元总数 29260，节点总数 57629。网格误差控制在 20%以内。
在输送器的柱锥过渡段，要保证叶片与柱锥外形轮廓的母线都垂直，这是建模的一个难点。利用最先进的三维参数化设计软件之一 Pro/Engineer 强大的建模功能可做到这一点：通过精确控制叶片的外径曲线（Graph 曲线），再进行变截面扫描。重要的是为便于下面的有限元分析，对需要改变的结构参数进行参数化编程，可系列生成所有需要用于有限元分析的不同参数的模型（本分析共用到 15 个有限元分析模型）。
2.3 静力分析
对螺旋输送器的强度校核仍参照压力容器的分析设计法进行。螺旋输送器的材料和转鼓相同，基本许用应力Sm 仍为 205 MPa。由于螺旋输送器和转鼓的最小间隙为 4 mm（双边），因此将 2 mm 作为考察螺旋输送器径向变形的依据。
螺旋输送器不再象转鼓的有限元分析那样分别考虑各种工况条件下的静力分析并进行叠加，而是进行正常工况下的静力分析，即正压力工况、摩擦力工况、离心力工况的线性组合。这是所有工况分析中最值得关心的问题。
图3、图4分别为正常工况下螺旋输送器的应力和径向变形云图。在正常工况下螺旋输送器的应力 SINT 最大值为 152.5 MPa，最大径向变形为0.092mm。
3 结论
输送器在组合工况下的最大应力为 152.5 MPa，最大径向变形值为 0.092 mm。小于输送器材料的基本许用应力Sm =205 MPa 以及螺旋输送器径向变形2 mm 的值。显然，本设计输送器满足刚度要求。
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