卧式螺旋卸料沉降离心机(简称卧螺离心机)是用离心沉降法来分离悬浮液的机器,已被广泛应用于石油、化工、冶金等工业部门和污水处理工程.螺旋输送器是卧螺离心机的关键部件,其性能直接决定着离心机的分离效果、生产能力和使用寿命.随着对卧螺离心机生产能力和分离因数的不断提高,大型、高转速螺旋输送器的固有特性和强度直接关系着输送器的安全与可靠性,已成为设计中的关键问题[1].其中,螺旋输送器的受力分析是强度分析的基础,AW Roborts等人分析了悬浮液的涡旋流动对螺旋输送器受力的影响[2];WallaceW-F Leung等人研究了污泥脱水用卧螺离心机的螺旋输送器所承受扭转力矩的计算方法[3-4].在掌握了输送器受力计算和分析方法的基础之上,瑞典阿尔法-拉法公司的N Corner-Walker又通过试验方法研究了螺旋输送器扭转力对固相离心产物含湿量的影响[5].通过借鉴上述一系列国外的研究方法和成果,我国也开始了对大型高转速螺旋离心机转子的可靠性研究,顾威、钱才富等通过建立螺旋输送器的三维有限元模型,较好地模拟了该部件的结构,并对该模型进行了静力分析和模态分析[6];刘爱军等人应用Nastran软件对某型号卧螺离心机螺旋输送器的结构强度进行了校核[7].为了进一步优化螺旋输送器的结构,文中应用有限元分析软件ANSYS建立了螺旋输送器的三维参数化模型,对影响转子结构强度和固有特性的重要参数进行参数化有限元分析,其结论为螺旋输送器的设计和改进提供了参考依据.


　　1 计算模型与方法


　　1. 1 物理模型


　　文中采用的螺旋输送器模型为柱锥形双头螺旋结构,主要参数如表1所示,结构如图1所示.

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　　1. 2 有限元模型


　　针对不对称的螺旋结构,为实现建模的参数化控制,节省参数化分析过程中的建模时间,采用APDL参数化语言对螺旋输送器进行三维实体建模,用Solid45单元进行网格划分.模型网格结构如图2所示,节点数18 787,有限单元数55 295.


　　1. 3 载荷与边界条件[8]


　　螺旋输送器稳定工作时承受的载荷包括:


　　(1)高速旋转产生的离心力.离心力载荷以角速度的形式施加,可描述为:


　　(2)固相沉渣施加在螺旋叶片上的正压力.由作用力与反作用力原理,叶片的正压力可通过对沉渣的受力分析得到.


　　锥段直径D =370 mm(锥段平均直径)处叶片对沉渣的法向反力为:
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　　式中:μ---物料与螺旋叶片之间的摩擦因数.


　　为便于表述,将离心力载荷记为T1,将正压力和摩擦力载荷记为T2.应用线弹性问题的叠加原理,最后将以上载荷组合施加在模型上进行分析计算,记为T1+T2.


　　由卧螺离心机的设计结构,螺旋输送器的两端分别通过轴承支承于转鼓两侧端盖的内腔中.因此,对实体模型的一端约束全部位移(ALL DOF),另一端约束X和Y方向位移.模型约束施加情况如图1所示.
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