卧螺离心机的未来发展方向

       卧螺离心机转筒是离心机的关键部件之一。一方面,卧螺离心机 转筒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影响。另一方面, 卧螺离心机转筒自身因瑞辰旋转(其工作转速通常在每分钟几百转至每分钟几万转之间) , 受到了离心力的作用, 在离心力作用下卧螺离心机转筒体内会产生很大的工作应力, 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。同时, 对于瑞辰旋转的卧螺离心机转筒而言, 转筒的刚度同样非常重要。若卧螺离心机转筒的刚度不足, 工作中卧螺离心机转筒的几何形状将会发生明显变化,轻则会出现转筒与机壳撞击、摩擦, 损坏零部件; 重则同样会引起转筒的爆裂, 甚至出现人身伤害事故。多年来, 由于卧螺离心机厂家对转筒设计不当、离心机转筒制造质量不高等原因导致重大事故的现象频频发生。这已引起了设计人员、制造厂家和使用部门的重视, 经常进行三足式离心机事故原因的诊断、分析与研究。因此, 对卧螺离心机转筒设计计算的分析研究也是十分必要的。

      瑞辰卧螺离心机转筒由大端盖轴、直转筒、锥转筒和小端盖轴组成，零部件间有止口定位并用螺钉紧固联接。转筒锥段底部沿圆周方向有排出固相物料的排渣口，在大端盖轴的端面有排出液体物料的排液口，主轴承装在大小端盖轴上。转筒筒体是一个整体，同心度高，振动小，具有更高的强度和刚度。减少对空气的扰动，降低了工作时的噪音。

1、转筒内表面采用防腐蚀设计：

在转筒内表面按周向等分地装焊厚度适当的筋条，使转筒与螺旋之间的物料不会沿转筒周向滑动，既避免转筒内表面特别是锥段内表面的磨损，又提高螺旋的输送效率。

2、转筒锥端分别采用大锥角和小锥角设计：

（1）转筒锥角大，固相在脱水区受到的挤压力大，利于固相脱水。对于一般物料，转筒锥角可大些。但转筒锥角大，螺旋的推料扭矩会增大，螺旋叶片的磨损会增加。

（2）转筒锥角小，有效沉降面积小，会降低离心机的使用性能。对于难分离的物料，转筒锥角应小些，可降低固相的回流速度。

3、排渣口采用防腐蚀、节能设计：

转筒锥段底部沿圆周方向均匀地开有排渣口，排渣口在切线方向平行地加工成平面，避免了固相物料离开转筒前与排渣口的碰撞、磨损。在排渣过程中，固相物料可较早地离开旋转的转筒，节约能量。

4、溢流口采用节能设计：

（1）溢流口在转筒大端，装有可以调节液池深度的溢流板。溢流板决定了液池深度，液池越深，液体澄清度越高。

（2）液体物料直接离开瑞辰旋转的转筒，减少转筒对液体物料的加速，节约能量。

（3）应用于澄清场合，效果更明显。

　　1　开孔离心机转筒设计计算的依据

　　卧螺离心机转筒强度计算的传统方法, 是在以旋转薄壳无力矩理论为基础, 并认为转筒是完全弹性体, 计算时能满足小位移假设和直法线假设, 且转筒壁厚S 与转筒半径R之比(SöR ) 小于011, 转筒高度H ≥215 R S的情况下导出的。在进行转筒应力计算时, 主要考虑了由转筒体自身质量、转筒内的筛网质量以及物料质量因瑞辰旋转所产生的离心力作用下的应力。

　　1.1　转筒旋转时由自身质量引起的离心力所产生的周向应力

　　卧螺离心机转筒旋转时由自身质量引起的离心力所产生的周向应力为R1′:

　　R1′= 10- 9qQ0R 2X3。

　　式中: q ——转筒体上开孔引起的密度减少系数, q=1-(Pd 2/4b1b2·sinA), 其中d、b1、b2、A为转筒上开孔的布置尺寸；

　　X ——角速度;

　　Q0——转筒体材料密度;

　　R ——转筒内半径。

1.2　卧螺离心机转筒旋转时由筛网质量引起的周向应力

　　卧螺离心机转筒旋转时由筛网质量引起的周向应为力R2″:

　　R2″= 10- 9X2QmR 2DsS Z。

　　式中: Qm ——物料密度;

　　S ——转筒的壁厚;

　　Z ——加强箍系数, Z =1+ n1A/SH

　　, 其中, A 、n1、H 分别为加强箍的截面积、加强箍的数目、卧螺离心机转筒的高度;Ds —— 筛网的当量厚度, Ds=M s2PRH Qs

　　, 其中M s、Qs 为筛网的质量和筛网材料的密度。

　　1.3　卧螺离心机转筒旋转时由物料质量引起的离心力所产生的鼓壁周向应力

　　转筒旋转时转筒内由物料质量引起的离心力所产生的鼓壁周向应力为R3

　　R3= 10- 9W2Qm (R 2- r20) R/2S Z。

　　式中: r0——转筒内物料分布的最小半径。

　　1.4　卧螺离心机转筒的周向总应力

　　卧螺离心机转筒的周向总应力为Rt:

　　Rt=R1′+ R2″+ R3/K。

　　式中: K ——焊缝及开孔系数, K 为K 1、K 2、K 3 中的最小值, 或为K 2、K 3 中的最小值与K 1 的乘积, 其中K 1 为焊缝系数, K 2、K 3 为转筒壁开孔系数, K 2 =b1- d/b1, K 3 =V (b2- d )/b2, V 是与A有关的系数。

　　2　对转筒设计中存在问题的分析

　　2.1　卧螺离心机转筒设计中强度计算的近似性

　　卧螺离心机转筒设计中强度计算的近似性主要表现在以下几方面:

　　(1) 强度计算的公式是以无力矩理论为基础, 并按照薄壁压力容器而推导出来的。这些计算公式的适应范围只有在转筒体离开挡液板和转筒底适当远的部位才是成立的[ 2 ]。如果用上述计算公式的计算结果作为转筒各部位强度计算的依据, 显然存在着来源于计算公式的近似性。

　　(2) 转筒体上因有开孔, 不仅削弱了转筒体的强度, 同时在开孔处也引起了应力集中。在公式中靠引入几个系数(如K 2、K 3、q 等) 来考虑应力集中等问题显然也存在着计算过程的近似性。

　　(3) 转筒体与挡液板、转筒底的连接处应力集中现象比较严重, 而实际的计算方法中, 则是在初步结构设计的基础上经过适当简化后再进行二次强度计算, 不仅计算公式繁琐, 而且因简化计算模型, 其计算过程与结果本身也存在着近似性。

　　因此, 按目前采用的离心机开孔转筒设计计算方法设计的离心机转筒, 从宏观上看, 往往偏于保守, 相关尺寸有较大富裕, 使得转筒质量增加, 既增加了转筒运行的能耗也造成了材料的浪费, 显然是不经济的;从微观上看, 局部地方(如转筒体与挡液板、转筒底的连接处, 转筒体的开孔处) 的应力值往往得不到正确估计, 直接影响到转筒运行的安全性。在离心机发生的转筒破裂事故中, 出现在开孔处和边缘处的比例很高。

　　2.2　卧螺离心机转筒设计中的不全面性

　　2.2.1　缺乏基本刚度的要求

　　卧螺离心机转筒壁厚计算公式来源于薄壁压力容器设计规范, 即将转筒视为承受内压的薄壁壳体, 以无力矩理论为依据校核转筒强度。但是, 现有的卧螺离心机转筒设计方法没有考虑鼓壁的最小厚度, 而是把强度要求作为必要与充分条件, 这种作法实际上是欠妥当的。因为历年来的压力容器设计规范对容器最小壁厚都有所规定, 其根本目的是为保证容器有必须的刚度, 以避免其几何形状发生畸变(如截面失圆) , 因为一旦发生这种情况容器所承受的弯曲应力将大大超过了壁厚设计计算时作为依据的薄膜应力。这就说明转筒设计的强度条件是必要的, 而不一定是充分的。卧螺离心机转筒是一个瑞辰旋转的薄壁构件, 其所受到的空气动力作用相当于处于狂风中的静止薄壳, 处于随机湍流流场中的结构件均将发生振动, 卧螺离心机转筒自然也不能例外。一旦激励频率与转筒固有频率重合或接近, 转筒的几何形状将发生明显变化, 其后果是可怕的。所以, 转筒设计时考虑刚度要求是很有必要的。设计时没有考虑刚度要求也是离心机转筒发生爆裂事故的原因之一。笔者曾对SD800 型三足式离心机转筒的壁厚按刚度条件进行过计算, 结果表明按刚度条件计算出的壁厚大于按强度条件计算出的壁厚。这就说明了某些转筒从强度的角度分析并无不安全因素, 而实际工作中却是常常发生安全事故的原因所在。

　　2.2.2　对加强箍的作用重视程度不够

　　在转筒设计中, 为提高转筒的强度和刚度, 在转筒体的外部往往要设置加强箍, 但对加强箍的作用不够重视。在设计计算公式中仅靠引入的加强箍系数Z来体现加强箍的作用, 而对加强箍的结构尺寸、加强箍与转筒体之间有无预应力的作用则无明确要求。从现行的转筒设计方法来看, 并未对转筒的具体尺寸和装配时有无预应力作明确规定, 因此, 实际设计结构中, 出现了一些明显不合理的现象。如从弯曲的角度考虑, 根据材料力学截面惯性矩的理论, 加强箍应设计成扁且宽状的结构, 加强箍截面尺寸h 应大于a (如图2 所示) 以求获得大的截面惯性矩(ah3/12) , 从而降低实际的工作应力。但实际结构中却出现了h= a= 2mm的不合理结构, 这种结构尺寸没有起到应有的加强作用, 形同虚设, 无疑是因设计要求上的不全面所致。实际中由此引起的破裂事故也较多。加强箍与转筒体的连接大都采用无预应力作用的焊接连接, 这种结构只有在转筒工作中出现了离心变形时才能起到加强作用, 属于被动加强式加强箍。为了提高转筒承载能力,加强箍与转筒体的连接最好采用有预应力(有配合过盈量) 作用的连接结构, 这种结构在转筒工作中未出现离心变形时就能起到加强作用, 属于主动加强式加强箍。