卧螺离心机转鼓的三维有限元分析
卧式螺旋卸料沉降离心机，简称卧螺离心机，是国际上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。
1 有限元模型的建立
1.1 有限元几何模型
根据设计图纸，本分析研究的卧螺离心机转鼓材料为1Cr18Ni9Ti，外形为筒椎形，柱筒段内径0.520m，厚度0.015m，长度0.710m，椎筒段长度 0.473m，半椎角α=9.6°。分别采用 plane42、solid45 划分网格。单元总数7580， 节点总数 7680。在保证计算精度要求的前提下， 划分网格如图所示：
1.2 载荷
①自身质量引起的离心力
高速回转下的转鼓， 鼓体金属本身质量所 产生的离心力在分析中以角速度的形式施加于转鼓的有限元模型上。
②物料的离心压力
该力是 物料在离 心力 作 用下沿 径 向 运 动 对 转 鼓 壁 形成的压力.方向垂直于转鼓内表面。圆筒中的流体物料在高速回转下所产生的离心压力为
式中ρ为筒中物料的密度，1.085kg/m3; r为流体物料c层 中任意处半径 ，r0为圆筒体回转时流体的自由表面半径，0.275m。可以看出离心压力随而变化 ，本分析通过构建载荷函数， 调用函数加载， 实现了加载。
1.3 边界条件
转鼓的约束是根据具体结构确定的。在转鼓柱筒端施加全约束，在椎筒端施加径向和周向约束，即约束UY和 UZ。
2 有限元计算和分析
2.1 静力分析
应力0.11362E+09 zui大转鼓的静力分析主要是考察其强度问 题，即在一定的工作载荷下， 转鼓是否有足够的 强度。由图 2 所示， 转
鼓所受zui大应力 113.62MPa。 本 分 析 采 用 应 力 强 度 SIMT来描述转鼓的应力状态，并与材料的设计应力强度Sm进行比较 。转鼓材料为1Cr18Ni9Ti，其设计应力强度Sm=137MPa。校核时， 对于沿壁厚方向的平均应力强度， 取其许用值为一倍的设计应力强度， 即 Sm。对于沿壁厚方向的zui大应力强度， 由于包含有危害较小的弯曲应力部分，因此取其许用值为 1.5倍的设计应力强度，即1.5 Sm。由于转鼓所受zui大应力强度小于材料许用应力强度，故转鼓强度是安全的。
2.2 模态分析
模态分析用于确定结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，使结构设计避免共振或按特定频率 进行振动。它也是其它更详细的动力学分析的起 点，例如瞬态动力学分析 、谐响应分析、谱分析等。
本分析应用 Lanczos 法计算出的螺旋输送器前5阶固有频率如表 2 所示。由下表可知， 螺旋输送器*阶固有频率为 165.61 赫兹， 对应的临界转速为 9936.6r/minx 螺旋输送器的设计转速为3000r/minx，远小于该临界转速，因此，螺旋输送器在正常的转速范围内不会发生共振现象。
阶数 1 2 3 4 5
频率(HZ) 165.61 187.90 253.59 279.45 301.45
3 结论
①采 用 Plane42、Solid45实体单元成功地建立了卧式
螺旋卸料沉降离心机转鼓的3维有限元模型，模型不但较好地模拟了转鼓的真实结构，而且可以用来对转鼓进行结构优化;
②对转鼓进行了额定工况下的静力分析，结果表明转鼓的强度和刚度均能满足要求;
③应用 Lanczos 法对转鼓进行了模态分析，得到前5阶固有频率，结果表明转鼓在正常的转速范围内不会发生共振现象。
