論離心機在國內(nèi)外的研究發(fā)展概況

    在工業(yè)生產(chǎn)中，離心機基本上屬于后處理設(shè)備，主要用于脫水、濃縮、分離、澄清、凈化及固體顆粒分級等工藝過程，它是隨著各工業(yè)部門的發(fā)展而相應(yīng)發(fā)展起來的。例如18世紀產(chǎn)業(yè)革命后，隨著紡織工業(yè)的迅速發(fā)展，1836年出現(xiàn)了棉布脫水機。1877年為適應(yīng)乳酪加工工業(yè)的需要，發(fā)明了用于分離牛奶的分離機。進入20世紀之后，隨著石油綜合利用的發(fā)展，要求把水、固體雜質(zhì)、焦油狀物料等除去，以便使重油當作燃料油使用，50年代研制成功了自動排渣的碟式活塞排渣分離機，到60年代發(fā)展成完善的系列產(chǎn)品。隨著近代環(huán)境保護、三廢治理發(fā)展的需要，對于工業(yè)廢水和污泥脫水處理的要求都很高，因此促使臥式螺旋卸料沉降離心機、碟式分離機和三足式下部卸料沉降離心機有了進一步的發(fā)展，特別是臥式螺旋卸料沉降離心機的發(fā)展尤為迅速。如今，在合成塑料(聚氯乙烯、聚丙烯)及合成纖維(聚對苯二甲酸乙二脂)生產(chǎn)的分離設(shè)備中，螺旋離心機己成為關(guān)鍵設(shè)備之一。

    我國真正具有現(xiàn)代實用價值的第一臺螺旋離心機是1954年制造的，由于它獨具連續(xù)操作、處理量大、單位產(chǎn)量耗電量較少、適應(yīng)性強等特點而得到了迅速發(fā)展，在四十多年的發(fā)展中，結(jié)構(gòu)、性能、參數(shù)變化很大，分離質(zhì)量、生產(chǎn)能力不斷提高，應(yīng)用范圍更加廣泛，在離心機領(lǐng)域中一直占有重要地位。在各種國際展覽會上，各種各樣的螺旋離心機，是所展出的離心機中最吸引人的機型，具有良好的發(fā)展前景。

    我國從七十年代末開始引進螺旋離心機，對國外著名公司生產(chǎn)的多種規(guī)格的臥螺離心機進行了仿制。臥螺離心機是原化工部“七五”科技攻關(guān)項目，1989年南京綠洲機器廠仿制了ALFANx42o型大錐角((20)離心機(即L201)，用于玉米蛋白的分離，并于1992年制成樣機;此后，重慶江北機械廠、解放軍第4819廠和金華鐵路機械廠等研制開發(fā)了一系列的螺旋卸料沉降離心機，并成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。但是就整體水平而言，我國還是遠遠落后于工業(yè)發(fā)達國家的。隨著現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展和人類對環(huán)境以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重視，分離效果好，振動小、噪聲低成為離心機能否被市場接受的重要條件。這就需要離心機具有良好的動態(tài)特性。通常，動態(tài)特性包括臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)和穩(wěn)定性等內(nèi)容。臥螺離心機的參數(shù)選擇及優(yōu)化是提高臥螺離心機動態(tài)特性的首要環(huán)節(jié)。

    為提高螺旋卸料沉降離心機的性能，人們對離心機常見問題進行攻關(guān)，對主要部件進行有限元分析。取得了一定的成果。主要有:北京化工大學(xué)碩士顧威應(yīng)用有限元分析軟件ANSYs，建立了螺旋輸送器的參數(shù)化三維有限元模型，進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，求得螺旋輸送器在各種載荷工況下的應(yīng)力場和位移場，并參照壓力容器的分析設(shè)計法校核了螺旋輸送器的應(yīng)力強度，考察了螺旋葉片的徑向位移。為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

    中國航空工業(yè)高級工程師蔡顯新，提出采用殼單元與環(huán)單元禍合的方法對帶分流葉片整體離心葉輪進行彈塑性分析。葉片采用殼單元模擬，輪體來用軸對稱環(huán)單元模擬，在葉輪和輪體的交界處近似地滿足雙協(xié)調(diào)條件:還推導(dǎo)了有關(guān)計算公式，并對三個算例進行了計算。結(jié)果表明，此方法精度高，省時性好。

    哈爾濱工程大學(xué)機電工程學(xué)院工程師袁夫彩，分析了臥螺離心機內(nèi)物料的受力情況，推導(dǎo)出螺旋推料力矩的計算公式，并以其為目標函數(shù)，以工藝要求為約束條件，運用優(yōu)化設(shè)計理論中的復(fù)形調(diào)優(yōu)法對wL一600臥螺離心機參數(shù)進行了綜合分析和定量選擇，編制出優(yōu)化求解的C程序，使得參數(shù)確定工作簡捷、方便、合理。

中國農(nóng)業(yè)工程研究設(shè)計院沈瑾、都凌漢和上海離心機研究所徐群，對LW一400通用臥式螺旋沉降離心機進行了定向改制:在內(nèi)螺旋上增設(shè)若干縱向葉片，對內(nèi)螺旋工作面噴涂硬質(zhì)合金。改進后分離效果和整機壽命均明顯提高。

    四川省江北機械廠李福明，根據(jù)螺旋卸料離心機的圓錐形螺旋葉片的形體特點，建立了等速螺旋線的極坐標方程式。并通過對wL一200A，wL一350，wL355xl420-N，wL一450及wL一600等型號離心機的生產(chǎn)制造，證明采用展開計算法求解圓錐型螺旋葉片的展開下料圖優(yōu)于圖解展開法，一有效地滿足了螺旋輸送器制造工藝的可靠性及使用性能要求。

    江蘇省石油化工學(xué)院機械系劉友宏，提出用二維立體單元對離心機整個轉(zhuǎn)鼓進行分析，并對某國產(chǎn)臥式刮刀離心機大直徑轉(zhuǎn)鼓進行了有限元計算，結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)鼓底和攔液板中的應(yīng)力水平較低;在轉(zhuǎn)筒體中應(yīng)力水平較高，在開孔周圍存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大虛擬彈性應(yīng)力值遠大于材料的屈服限。

    北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院董俊華，劉忠明，范德順將轉(zhuǎn)鼓的軸對稱模型簡化為二維模型。利用ANSYS有限元軟件建立了大型臥螺離心機雙錐角轉(zhuǎn)鼓的二維有限元模型，對其在正常工作狀態(tài)下的整體結(jié)構(gòu)進行了靜力分析，得到了轉(zhuǎn)鼓的徑向、軸向變形和應(yīng)力分布及最大應(yīng)力點，結(jié)果表明雙錐角轉(zhuǎn)鼓的強度和剛度均滿足要求，驗證了雙錐角結(jié)構(gòu)的安全性。

    南京綠州機器廠臥螺離心機設(shè)計所高級工程師顏春敏，定性地分析了臥螺離心機的沉渣條件與其轉(zhuǎn)鼓的錐角刀、螺旋輸送器葉片的傾角B、葉片的螺距、液池半徑及差轉(zhuǎn)速An之間的關(guān)系，闡述了改善臥螺離心機輸渣條件的設(shè)計思想。

    江蘇省化工機械研究所董水富、楊輝童、林偉青，討論了進料濃度，分離因數(shù)，溢流半徑等參數(shù)的改變對WL一400型離心機高嶺土分級性能的影響。華東理工大學(xué)王彥華、方圖南、王庭楠，介紹了臥式螺旋卸料沉降離心機在化纖用二氧化欽分級中的應(yīng)用，著重介紹了進料濃度、進料速度、轉(zhuǎn)速、擋板尺寸、差速等參數(shù)對分級的影響，分析了各參數(shù)對分級影響的原因。他們的研究為尋找離心機最佳的運行參數(shù)和應(yīng)用提供了參考。

    蘭州石油機械研究所油田設(shè)備研究部劉金榮、勝利石油管理局鉆井工藝研究院王天林，對螺旋沉降離心機的振動性能進行測試，得到了離心機振動的加速度有效值隨離心機的處理量、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速以及懸浮液的粘度、密度之間的變化關(guān)系及試驗用離心機的固有頻率。

    撫順石油化工公司石油三廠董進，針對污泥脫水工藝應(yīng)用了國產(chǎn)LWD一430型臥式螺旋沉降離心機，并輔以高效有機絮凝劑。經(jīng)試運轉(zhuǎn)證明，此項工藝脫水效果顯著，可將含水率9.8%一98.5%的污泥脫水至75%一78%，且分離液對污水處理裝置無明顯沖擊，消除了污泥造成二次污染的嚴重問題。

    可見離心機制的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能有效地提高工作性能，帶來良好的的經(jīng)濟效益。但人們大都是對螺旋輸送器、轉(zhuǎn)鼓等零部件分開進行研究，對螺旋一轉(zhuǎn)鼓組進行整體研究的卻很少。

    離心機螺旋一轉(zhuǎn)鼓組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力與物料有關(guān)，變化大，采用傳統(tǒng)的解析法，建立螺旋一轉(zhuǎn)鼓組多剛體系統(tǒng)，以牛頓一歐拉方程或拉格朗日方程為代表的分析力學(xué)方法的動力學(xué)方程和約束方程，析找出影響動態(tài)特性的參數(shù)應(yīng)結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型。

    建立一定自由度下的振動方程通過數(shù)值分以獲得相來減小振動的研究方法是不理想的。由于螺旋一轉(zhuǎn)鼓組是剛體和柔性組成的多體系統(tǒng)，工作時還受有\(zhòng)由物料進入產(chǎn)生的力，約束也復(fù)雜。建立和求解方程都困難，只能進行理想化處理，所得結(jié)果不能真實反映離心機的工作特性。而且由于影響技術(shù)參數(shù)的因素較多，對影響離心分離效果的復(fù)雜性一一計算有很大困難。因此，在選擇各參數(shù)時，很難滿足分離效果好、低噪聲這一要求;根據(jù)定性分析憑經(jīng)驗選取參數(shù)，然后依賴實驗室的小試或中試結(jié)果進行模擬放大。這種以經(jīng)驗、試湊、靜態(tài)、定性為特點的方法以及“設(shè)計一樣機一試驗一修改”不斷循環(huán)的優(yōu)化過程既麻煩，又浪費成本。

    螺旋一轉(zhuǎn)鼓組動態(tài)特性的研究既要考慮它的剛體運動，還要考慮它的柔體運動。單獨的多體動力學(xué)分析和有限元分析都不易解決此類問題。隨著高性能計算機和大型應(yīng)用軟件的發(fā)展，特別是Pr。/E和MSc.Visual一Nastran的應(yīng)用，將有限元與多體系統(tǒng)仿真結(jié)合在一起用來解決螺旋一轉(zhuǎn)鼓組的動力學(xué)問題，是臥螺離心機研究的創(chuàng)新方法。

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