卧式螺旋卸料沉降离心机螺旋输送器的三维有限元分析(附件)【字数：13062】
摘 要摘 要卧式螺旋卸料沉降离心机应用范围逐渐增大，应用前景广阔，已较成熟地应用在工业、农业、医学、食品等各个领域，与我们的生活有着越来越密切的关系。螺旋输送器是卧螺离心机的关键构件。螺旋输送器的结构、形状、材料影响了它的性能参数，确定了它的分离性能，决定了它的使用寿命。所以，对卧螺离心机的螺旋输送器进行静力、振动等分析具有重要的实际意义。本文将沉降式离心机与过滤式离心机的优点结合起来，使其在两个不同加工阶段发挥各自优点，用Pro/E对螺旋输送器进行三维建模，利用Ansys workbench对其进行有限元仿真。通过Ansys workbench对螺旋输送器三维整体进行静力分析和模态分析，并且对其进行了参数影响分析。本文通过对螺旋输送器三维在离心力、正压力、摩擦力等4种工况下进行分析，得出了螺旋输送器在各个工况下的应力强度及变形，并且对其强度和变形进行校核。对螺旋输送器三维进行模态分析，得出前6阶固有频率和振动特性，确保其远离临界转速。本文还改变螺旋输送器叶片厚度和导程，研究其与螺旋输送器强度和变形间的关系；改变螺旋输送器内筒壁厚，研究其对固有频率的影响，为螺旋输送器的优化提供依据。关键词有限元；卧螺离心机；静力分析；模态分析
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题来源 1
1.2 选题的目的和意义 1
1.3 卧螺离心机研究近况及其存在的问题 2
1.4 本课题研究的方法与主要内容 3
第二章 有限元模型建立 5
2.1 卧螺离心机的简单原理和基本结构 5
2.1.1过滤离心机的简单原理和基本结构 5
2.1.2 沉降离心机的简单原理和基本结构 6
2.2 螺旋输送器 7
2.2.1 螺旋输送器的结构设计 7
2.2.2 螺旋输送器基本参数 9
2.2.3 螺旋输送器建模 9
2.2.4 螺旋输送器网格划分 10
2.3 边界条件 12
2.4 载荷 12
2.4.1 离心力场的基本特性 12
2.4.2 载荷的种类及计算 13
第三章 螺旋输送器静力分析 14
3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
1 正压力工况下的静力分析 14
3.2 正压力和摩擦力组合工况下的静力分析 16
3.3 离心力工况下的静力分析 17
3.4 正常工况下的静力分析 18
3.5 小结 19
第四章 螺旋输送器模态分析 21
4.1 模态分析简介 21
4.2 临界转速的计算 21
4.2.1 临界转速的计算方法 21
4.2.2 螺旋输送器转子系统模型 22
4.3 模态分析的结果与分析 23
第五章 螺旋输送器参数影响分析 27
5.1 导程对静力分析的影响 27
5.2 叶片厚度对静力分析的影响 29
5.3 螺旋输送器内筒壁厚对模态的影响 31
5.4 小结 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 课题来源
本课题来源于2016年张家港市科技支撑计划：新型涡轮筛网沉降式离心机的流场振动控制及产品的研发。本课题的任务是在两个不同的加工阶段将过滤式和沉降式离心机的优点结合起来，以达到最佳效果。在加工第一阶段，固体物料在锥段沉降脱水。在加工第二阶段，沉渣由螺旋输送器推送到筛网段，在高速旋转下进一步脱水干燥。当沉渣到达排渣口后卸料到输送皮带上，排出机外。本文的主要任务就是确立方案，结合过滤式和沉降式离心机，对离心机主要部件螺旋输送器整体进行有限元分析，考察螺旋输送器在各个工况下的应力、变形以及模态，保证离心机在安全的工作环境下工作。
1.2 选题的目的和意义
卧式螺旋卸料沉降离心机是一种对物料的固液相进行连续分离的设备[1]。主要根据在离心力作用下，互不相容的固液相沉降速度不同，固体颗粒的密度一般大于液相，因此固体颗粒沉降，实现固液分离。它与过滤机相比，具有处理量大、分离效果强、能耗少、使用寿命长、适应性强等特点。因此，卧式螺旋卸料沉降离心机应用范围逐渐增大，应用前景广阔，已较为成熟的应用于工业、农业、医疗、食品等各个领域[25]，与我们的生活有着密不可分的关系。螺旋输送器作为卧螺离心机极为重要的构件，它的结构、材料、形状、参数等不仅对整个离心机的性能参数产生影响，而且还影响离心机的分离效果[6]，对离心机的寿命起到了举足轻重的作用。
离心机的种类、结构、应用范围等变化迅速，技术发展也逐日提高，但是由于对离心机的理论研究不是特别成熟，主要还是依靠半经验公式和实验，离心机经常出现加工精度不高、设计达不到要求，使用寿命短、维修成本高等问题。而且随着离心机性能的提高，对其整体，尤其是螺旋输送器的应力、变形、模态的要求也越来越高[7]。
在科技光速发展的21世纪，对离心机的研究不再需要繁琐的实验，复杂的计算，仿真软件和分析软件能帮助我们完成。通过有限元单元法，能够很好的计算出每一处的应力、变形状态；通过流体力学，离心机正常工作时的状况以及混合液对离心机的力可以更加精确地模拟和分析出来；由于电控和测试技术的发展，离心机的电控系统更加灵敏、稳定。Ansys等大型分析软件和仿真软件，对离心机进行建模、分析，为离心机优化提供理论依据。
因此，本文主要是对卧螺离心机关键构件——螺旋输送器进行建模，对螺旋输送器整体进行结构静力学和模态分析，对卧螺离心机的参数、性能分析具有无法替代的意义。
1.3 卧螺离心机研究近况及其存在的问题
上世纪80年代，我国的煤矿工业就已经开始使用卧式螺旋卸料沉降离心机，该产品主要应用于挑选精煤和提高煤泥干燥率。经过多年的研究，我国卧螺离心机的技术发展十分迅速，已广泛应用于医疗、石油、煤矿等领域，其结构、强度等方面也得到了极大的提高。近些年，我国在离心机理论方面的研究也取得较大的进步。2008年，国家质量检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会发布了《离心机转鼓强度计算规范》，这一规范给出了离心机设计计算公式和理论依据，给出了离心机的校核方法 [8]。我国对离心机的研究主要集中在离心机的结构、形状、静力、振动、流体力学、控制与驱动等方面的研究[911]。近年来，我国对离心机的分离效率、工作过程中的受力分析以及控制系统等取得了重大突破。例如北京化工大学博士黄志新就将转子系统进行简化，对离心机在工作时沉渣对螺旋输送器和转鼓的力进行分析，并通过理论力学、流体力学等知识将力进行投影，列出平衡关系式，获得了离心力、正压力、摩擦力的求解公式，并将正压力和摩擦力进行线性化分布，为后人对螺旋输送器进行静力强度分析提供了理论依据。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题来源 1
1.2 选题的目的和意义 1
1.3 卧螺离心机研究近况及其存在的问题 2
1.4 本课题研究的方法与主要内容 3
第二章 有限元模型建立 5
2.1 卧螺离心机的简单原理和基本结构 5
2.1.1过滤离心机的简单原理和基本结构 5
2.1.2 沉降离心机的简单原理和基本结构 6
2.2 螺旋输送器 7
2.2.1 螺旋输送器的结构设计 7
2.2.2 螺旋输送器基本参数 9
2.2.3 螺旋输送器建模 9
2.2.4 螺旋输送器网格划分 10
2.3 边界条件 12
2.4 载荷 12
2.4.1 离心力场的基本特性 12
2.4.2 载荷的种类及计算 13
第三章 螺旋输送器静力分析 14
3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
1 正压力工况下的静力分析 14
3.2 正压力和摩擦力组合工况下的静力分析 16
3.3 离心力工况下的静力分析 17
3.4 正常工况下的静力分析 18
3.5 小结 19
第四章 螺旋输送器模态分析 21
4.1 模态分析简介 21
4.2 临界转速的计算 21
4.2.1 临界转速的计算方法 21
4.2.2 螺旋输送器转子系统模型 22
4.3 模态分析的结果与分析 23
第五章 螺旋输送器参数影响分析 27
5.1 导程对静力分析的影响 27
5.2 叶片厚度对静力分析的影响 29
5.3 螺旋输送器内筒壁厚对模态的影响 31
5.4 小结 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 课题来源
本课题来源于2016年张家港市科技支撑计划：新型涡轮筛网沉降式离心机的流场振动控制及产品的研发。本课题的任务是在两个不同的加工阶段将过滤式和沉降式离心机的优点结合起来，以达到最佳效果。在加工第一阶段，固体物料在锥段沉降脱水。在加工第二阶段，沉渣由螺旋输送器推送到筛网段，在高速旋转下进一步脱水干燥。当沉渣到达排渣口后卸料到输送皮带上，排出机外。本文的主要任务就是确立方案，结合过滤式和沉降式离心机，对离心机主要部件螺旋输送器整体进行有限元分析，考察螺旋输送器在各个工况下的应力、变形以及模态，保证离心机在安全的工作环境下工作。
1.2 选题的目的和意义
卧式螺旋卸料沉降离心机是一种对物料的固液相进行连续分离的设备[1]。主要根据在离心力作用下，互不相容的固液相沉降速度不同，固体颗粒的密度一般大于液相，因此固体颗粒沉降，实现固液分离。它与过滤机相比，具有处理量大、分离效果强、能耗少、使用寿命长、适应性强等特点。因此，卧式螺旋卸料沉降离心机应用范围逐渐增大，应用前景广阔，已较为成熟的应用于工业、农业、医疗、食品等各个领域[25]，与我们的生活有着密不可分的关系。螺旋输送器作为卧螺离心机极为重要的构件，它的结构、材料、形状、参数等不仅对整个离心机的性能参数产生影响，而且还影响离心机的分离效果[6]，对离心机的寿命起到了举足轻重的作用。
离心机的种类、结构、应用范围等变化迅速，技术发展也逐日提高，但是由于对离心机的理论研究不是特别成熟，主要还是依靠半经验公式和实验，离心机经常出现加工精度不高、设计达不到要求，使用寿命短、维修成本高等问题。而且随着离心机性能的提高，对其整体，尤其是螺旋输送器的应力、变形、模态的要求也越来越高[7]。
在科技光速发展的21世纪，对离心机的研究不再需要繁琐的实验，复杂的计算，仿真软件和分析软件能帮助我们完成。通过有限元单元法，能够很好的计算出每一处的应力、变形状态；通过流体力学，离心机正常工作时的状况以及混合液对离心机的力可以更加精确地模拟和分析出来；由于电控和测试技术的发展，离心机的电控系统更加灵敏、稳定。Ansys等大型分析软件和仿真软件，对离心机进行建模、分析，为离心机优化提供理论依据。
因此，本文主要是对卧螺离心机关键构件——螺旋输送器进行建模，对螺旋输送器整体进行结构静力学和模态分析，对卧螺离心机的参数、性能分析具有无法替代的意义。
1.3 卧螺离心机研究近况及其存在的问题
上世纪80年代，我国的煤矿工业就已经开始使用卧式螺旋卸料沉降离心机，该产品主要应用于挑选精煤和提高煤泥干燥率。经过多年的研究，我国卧螺离心机的技术发展十分迅速，已广泛应用于医疗、石油、煤矿等领域，其结构、强度等方面也得到了极大的提高。近些年，我国在离心机理论方面的研究也取得较大的进步。2008年，国家质量检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会发布了《离心机转鼓强度计算规范》，这一规范给出了离心机设计计算公式和理论依据，给出了离心机的校核方法 [8]。我国对离心机的研究主要集中在离心机的结构、形状、静力、振动、流体力学、控制与驱动等方面的研究[911]。近年来，我国对离心机的分离效率、工作过程中的受力分析以及控制系统等取得了重大突破。例如北京化工大学博士黄志新就将转子系统进行简化，对离心机在工作时沉渣对螺旋输送器和转鼓的力进行分析，并通过理论力学、流体力学等知识将力进行投影，列出平衡关系式，获得了离心力、正压力、摩擦力的求解公式，并将正压力和摩擦力进行线性化分布，为后人对螺旋输送器进行静力强度分析提供了理论依据。
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