2007三足式离心机转鼓设计

[研究・设计]
对各种CAD CA E 工具软件进行封装集成。

目前该集
成系统设计思想已经应用于注塑机开发的CA X 信息集成系统设计中,实施效果良好,下一步要更大限度地实现各种应用工具和软件工具的集成。

参考文献:
[1]　韩同群.CAD CA E 集成技术在内燃机设计中的应用[J ].湖北汽
车工业学院学报,2006,20(1):17-20.
[2]　易际明,吴莉华.注射模CAD CAM CA E 集成技术研究[J ].轻工
机械,2004(2):30-32.
[3]　陈伟文.注塑机可视化虚拟设计平台的开发[J ].轻工机械,2006,
24(4):1-3.
[4]　陈晓兵.基于B S 结构的工程图形管理系统设计与实现[J ].机械
制造与自动化,2006,35(4):54-55,59.
[5]　梁振宇.CORBA 在石油机械PDM 信息集成中的应用[J ].石油机
械,2006,34(9):114-116.
[6]　胡如夫,何　杰,孙庆鸿,等.基于CORBA 的CA X 信息集成系统
设计[J ].计算机工程,2002,28(8):59-60,104.
[7]　汪　芸.CORBA 技术及其应用[M ].南京:东南大学出版社,
1999.
I n tegra ted CAD CAE System for D esign i ng Pla stic I n jection
M ach i ne Ba sed on Concurren t Eng i neer i ng
W EN G Zheng 2guo
(D epartm ent of M echanical and E lectrical Engineering ,Zhejiang Business T echno logy Institute ,N ingbo 315012,Ch ina )
Abstract :B eing independen t each o ther of CAD and CA E Sub 2system ,resu lting in the low efficiency of design 2ing p lastic in jecti on m ach ine .In o rder to eli m inate con tradict and redun tan t betw een in ternal info r m ati on and data in design and developm en t of p lastic in jecti on m ach ine ,the au thor p u t f or w a rd an inf or m a tion in teg ra ted sy ste m f ram e based on CO RB A sof t bus ,thus ach ieved the in terna l inf or m a tion and d a ta trea t m en t w ith ti m ely ,ac 2cu ra te ,consistence and sha ring cha racter as w ell as the p a ra llel eng ineering of p lastics injection m ach ine d evelop 2
m en t ,shorten ing the p rod uct exp loition p eriod and red ucing the cost of p rod uct d evelopm en t .
Key words :Info r m ati on in tegrati on ;CAD CA E ;Comm on O b ject R equest B roker A rch itectu re (CORBA );p lastic in jecti on m ach ine
收稿日期:2007201203作者简介:王俊山(1959-
),男,山西五台人,硕士,山西综合职业技术学院轻工分院副教授,研究方向为机械优化设计及CAD 。

三足式离心机转鼓设计
王俊山
(山西综合职业技术学院轻工分院,山西太原　030013)
摘　要:离心机转鼓是离心机的关键部件之一,因转鼓结构较为复杂,用现行的强度设计计算方法对转鼓各部位的应力往往得不到正确的评价,从而影响了离心机转鼓使用的安全性。

文章以SS 800型三足式离心机转鼓设计为研究对象,使用与Solidedge 软件集成的V isual Nastran 有限元分析软件,对转鼓设计进行了分析研究,找出了既方便快捷,又较为实用的转鼓设计方法,对离心机转鼓的设计有一定的指导性。

关　键　词:离心机;转鼓;有限元;应力;设计
中图分类号:TQ 051.8 文献标志码:A 文章编号:100522895(2007)0420029204
0　引　言
离心机转鼓是离心机的关键部件之一。

一方面,转鼓的结构对离心机的用途、操作、生产能力和功率等均有决定性作用;另一方面,转鼓自身高速旋转(其工作
转速通常在每分钟几百转至每分钟几万转之间),同时受到离心力的作用,该离心力是由转鼓筒体自身质量、转鼓内的筛网质量以及物料质量因高速旋转所产生的。

在离心力作用下转鼓筒体内会产生很大的工作应
第25卷第4期2007年8月
轻工机械
L ight I ndustry M achi nery
V o l .25N o.4
A ug .2007
力。

一旦发生强度破坏必将产生极大的危害,尤其是有时由于应力过高发生“崩裂”,常会引起严重人身伤害事故。

因此,对离心机转鼓设计的研究具有十分重要的意义。

但因转鼓结构较为复杂,用现行的强度设计计算方法[1-2],对转鼓各部位的应力往往得不到正确的估价,从而影响了离心机转鼓使用的安全性。

为此,以SS 800型三足式离心机转鼓设计为研究对象,使用与So lidedge 软件集成的V isual N astran 有限元分析软件,对转鼓设计进行了分析研究,找出了既方便快捷,又较为实用的转鼓设计方法,对离心机转鼓的设计有一定的指导性。

1　转鼓应力的有限元分析
如图1所示是根据现行的转鼓设计计算方法,设计的SS 800型三足式离心机的转鼓结构图。

图1　转鼓结构图
1.1　转鼓的受力
在对转鼓进行有限元应力分析时,为简化建模和受力分析,将开孔转鼓简化为一个无孔的整体转鼓进行考虑。

转鼓的结构尺寸和受力均相对于转鼓转轴对称,其受力如图2所示。

图2　转鼓受力图
在转鼓筒体的内侧,作用有均匀分布的载荷p ,其载荷的来源包括由转鼓自身质量引起的离心压力p 1,由筛网质量引起的离心压力p 2和由物料质量引起的离心压力p 3。

在与物料接触的挡液板、转鼓底上作用有按抛物
线分布的由物料质量的离心力引起的压力q 。

在转鼓底轴孔与主轴配合处,按配合均匀并有微量过盈考虑,配合表面作用有均布载荷p 0。

1.2　原始数据
根据转鼓的结构参数、工作参数和材料性质,其原始数据确定如下
p =p 1+p 2+p 3=1.891M Pa
q =16.638(r 2
-0.0784)M Pa (280≤r ≤400)
p 0=0.001M Pa
弹性模量:E =2.1×105M Pa
泊松比:　Λ=0.29材料密度:Θ0=7.85g c m 31.3　有限元分析
根据转鼓的结构尺寸,用So lidedge 建立三维CAD 模型,并用V isual N astran 4D 2002有限元分析软件进行了应力分析。

其网格划分和应力分布如图3(原图为彩色显示)所示。

图3　网格划分和应力分布图(一)
1.4　结果分析
由上述分析知,最大应力出现在转鼓筒体与挡液板的联接处,其应力值为297M Pa 。

转鼓筒体部分的应力值为108～162M Pa 。

考虑开孔对转鼓强度的削弱,用开孔修正系数Φ=1.25[3]对有限元分析的应力值进行修正。

其最大应力修正值为371M Pa ,转鼓筒体部分的应力修正值为135～202M Pa 。

而用边缘效应区应力计算公式[4-5]
计算的转鼓筒体与挡液板的联接处的应
力为487～502M Pa ,用现行转鼓强度计算方法计算的转鼓筒体应力为151M Pa 。

比较用有限元分析所得应力值和用公式计算所得的应力值可以得出如下结论:
(1)对转鼓筒体部分,用有限元分析所得的应力值和用公式计算所得的应力值是比较吻合的。

(2)对边缘效应区,用有限元分析所得应力值要
・03・ 轻工机械　L igh t Industry M ach inery 2007年第4期　
比用公式计算所得的应力值小,甚至小得很多。

这说明
用边缘效应区公式计算所得的应力值的近似性较大。

(3)局部地方的应力值是不能满足设计要求的(设计要求的许用应力[6]:对薄膜区为[Ρ]ΥH =171×0195=162M Pa ,对边缘效应区为[Ρ]M ΥH =208×0195=197M Pa ),尤其是在转鼓筒体与挡液板的联接处,
应力值达到了最大值371M Pa 。

对此必须采取措施,否则会给使用带来安全隐患。

2　转鼓结构的修正与优化
2.1　用材料堆积法对转鼓结构进行修正
由上述分析知,局部地方的应力值是不能满足设计要求的,主要表现在转鼓筒体与挡液板的联接处及其影响到的区域。

其原因有2个方面:一是在转鼓筒体与挡液板的联接处因过渡突然,应力集中现象严重;二是在转鼓筒体与挡液板的联接处结构刚度较差,受力变形较大,从而产生了较大的应力值。

针对这种情况,对转鼓筒体与挡液板的联接处,以提高结构刚度,减小受力变形,从而降低应力的方法为出发点,用增加材料的方法[6]
对原转鼓结构进行了局部加强,如图4所示。

图4　转鼓局部加强图
按局部加强后的尺寸,对原转鼓的三维实体模型进行修改后,重新进行有限元应力分析,其网格划分和
应力分布如图5(原图为彩色显示)所示。

图5　网格划分和应力分布图(二)
分析结果表明,最大应力主要出现在没有加强箍的转鼓筒体处,其应力值为115M Pa 。

考虑开孔对转鼓强度的削弱,用开孔修正系数Φ=1.25修正后的应力
值为:115×1.25=143.75M Pa ,小于设计要求的许用
应力,满足了设计的要求。

同样,对用有限元分析所得的应力值和用公式计算所得的应力值进行分析比较后,可以得出如下结论:
(1)经过局部加强后,由于增强了边缘效应区的结构刚度,减小了边缘效应区的受力变形,从而降低了边缘效应区的应力。

但局部加强仅对局部区域影响较大,对转鼓筒体部分的宏观影响不大。

因为,用有限元分析所得的转鼓筒体部分的应力修正值(112～143M Pa )和用公式计算所得的应力值(151M Pa )还是比较接近的。

(2)经局部加强后,对边缘效应区(转鼓筒体和转鼓底的连接处),用有限元分析所得应力值仍然是比较大的,这与理论分析的结果(转鼓筒体和转鼓底的连接处过渡突然,应力集中现象相当严重)是一致的。

2.2　用减小应力集中法对转鼓结构进行优化
由前面分析知,在转鼓筒体与挡液板的联接处及其影响到的区域出现应力过大的原因之一,是因为在转鼓筒体与挡液板的联接处过渡突然,导致应力集中现象十分严重。

若将转鼓筒体与挡液板的联接处进行结构优化,即将尖角突然过渡改为圆角逐渐过渡,从而减小应力集中,同样可达到减小应力的目的。

由图1可以看出,转鼓筒体与挡液板的联接方式采用的是搭接焊接。

在转鼓筒体与挡液板的联接处近乎于尖角过渡,故应力集中严重。

现将挡液板的折弯处的过渡圆角加大到r =10mm ,将尖角过渡改为圆角逐渐过渡,同时将转鼓筒体与挡液板的联接方式改为对接焊接,如图6所示。

这样既可减小应力集中,又能节省一部分材料。

图6　转鼓局部优化图
按图6所示的尺寸对转鼓结构进行局部优化后,对原转鼓的三维实体模型进行修改后,重新进行有限元应力分析,其网格划分和应力分布如图7(原图为彩色显示)所示。

分析结果表明:最大应力值为111M Pa 。

考虑开孔
・
13・　[研究・设计] 王俊山　三足式离心机转鼓设计
图7　网格划分和应力分布图(三)
对转鼓强度的削弱,用开孔修正系数Φ=1.25修正后的应力值为:111×1.25=138M Pa ,小于设计要求的许用应力,同样也满足了设计的要求。

再对用有限元分析所得的应力值和用公式计算所得的应力值进行分析比较后,也可以得出如下结论:
(1)经过局部优化后,使边缘效应区的应力大大减小了。

但对转鼓筒体部分的影响并不大。

因为,用有限元分析所得的转鼓筒体部分的应力修正值(108～138M Pa )和用公式计算所得的应力值(151M Pa )还是比较接近的。

这也进一步说明了转鼓筒体部分设计公式的计算结果是比较精确的。

(2)经局部优化后,对边缘效应区(转鼓筒体和挡液板的连接处),用有限元分析所得应力值仍然是比较大的,这与理论分析的结果(转鼓筒体和挡液板的连接处过渡突然,应力集中现象相当严重)是一致的。

3　结　论
通过对转鼓设计进行的分析研究,可得出如下结论:(1)工程实际中,对离心机转鼓设计计算时,仅对薄膜区进行强度计算是不够的,对于边缘效应区的强度核算也是非常必要的,因为边缘效应区的应力有时会远远超过许用应力。

按现行的转鼓设计计算方法设计出的转鼓,从宏观上看,往往偏于保守(如转鼓底),相关尺寸有较大富裕,使得转鼓质量无谓地增加,既增加了转鼓运行的能耗也造成了材料的浪费,存在着不经济性;从
微观上看,局部地方(如边缘效应区)的应力值,往往得
不到正确估价,而直接影响到转鼓运行的安全性。

(2)对于边缘效应区,在进行应力计算时采用经过结构简化所推导出的公式计算出的数值不仅近似性较大,而且计算出的数值也明显偏大,其实用性和可信度较差。

而采用有限元分析技术能较好地计算出边缘效应区的应力,且计算数值也较为接近实际,工程实际中应该很好地去实施。

(3)采用局部加强和局部优化的方法,对减小局部区域的应力值的效果是非常明显的,是解决危险区域强度不足的较好方法。

(4)先用现行的转鼓设计计算方法进行转鼓结构的初步设计,再用有限元技术对转鼓进行应力分析,并对局部尺寸进行修正和优化,应是目前转鼓设计的较好方法之一。

尤其是利用集成有有限元分析软件的CAD CAM 软件对转鼓进行有限元分析,可方便地实
现对转鼓尺寸的修正和优化。

(5)从对离心机转鼓的有限元应力分析知,转鼓底部分的应力水平很低,这说明靠经验设计的转鼓底尺寸的富裕量较大。

若能在考虑刚度的情况下,对转鼓底结构尺寸进行有限元分析优化,这将对转鼓的设计更具实际的指导意义。

参考文献:
[1]　余国琮.化工机械工程手册:中册[M ].北京:化学工业出版社,
2003,2266-2270.
[2]　朱企新,程金凤,赵　扬,等.JB T 8051296　离心机转鼓强度计算
规范[S ].北京:中华人民共和国机械工业部,1996.
[3]　石建明,朱　萍,程金凤.离心机转鼓开孔应力计算方法与比较
[J ].化工机械,1996,23(5):303-306.[4]　孙启才,金鼎五.离心机原理结构与设计计算[M ].北京:机械工
业出版社,1987:174-176.
[5]　彭文利,党新安,秦忠宝,等.皮革真空转鼓的设计研究[J ].轻工
机械,2003(1):52-54.
[6]　王俊山.三足式离心机转鼓设计的研究[D ].太原:太原理工大学,
2005.
[7]　谭　蔚,张秀娟,朱企新.三足离心机转鼓有限元应力分析与加强
箍设计[J ].过滤与分离,2001,11(4):19-20.
D esign of the Three -colu mn Cen tr ifuge D ru m
W AN G Jun 2shan
(B ranch of L igh t Industry ,Shanxi Comp rehensive V ocati onal and T echnical Co llege ,T aiyuan 030013,Ch ina )
Abstract :T he cen trifuge drum is one of critical com ponen ts becau se of the com p lex configu rati on of drum ,the p art stress of drum can no t be calcu lated accu rately by conven ti onal in ten sity com pu ting m ethod ,thu s m ay in 2fluence the safety of the drum .T he th ree 2colum n cen trif ug e d rum of S S 800typ e investig a ted w as d esig ned by V i 2sua l N astran 2f in ite ele m en t S of t w a re in teg ra ted w ith S olid eg e S of t w a re .T he f ound d esig n m ethod is conven ien t and availab le ,w h ich can take as gu iding ru le fo r design of the th ree 2co lum n cen trifuge drum .Key words :cen trifugal m ach ines ;ro tary drum ;fin ite elem en t ;stress ;design
・23・ 轻工机械　L igh t Industry M ach inery 2007年第4期　。