碟式分離機(jī)具有分離效率高、結(jié)構(gòu)緊湊及處理量大等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于生物工程、石油、化工、乳品加工、食品、飲料、制藥、天然橡膠濃縮及油脂等行業(yè)，是應(yīng)用較廣的離心分離機(jī)械之一。研究者通過轉(zhuǎn)鼓關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)不同物性參數(shù)物料、特別是難分離流體物料的高效分離。
轉(zhuǎn)鼓體是轉(zhuǎn)鼓總成中的關(guān)鍵零件之一，在高速旋轉(zhuǎn)離心力作用下，轉(zhuǎn)鼓體不僅受到自身質(zhì)量離心力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力和分離物料產(chǎn)生離心液體壓力，而且還必須考慮與其接觸的其他零部件對其施加的載荷。為保障碟式分離機(jī)在高速工況下的強(qiáng)度及運(yùn)行安全，開展轉(zhuǎn)鼓體應(yīng)力研究十分必要。
學(xué)者們對碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓的力學(xué)特性進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。曲淑艷等分析了碟式分離機(jī)工作轉(zhuǎn)速升高后轉(zhuǎn)鼓內(nèi)固體物料積渣對分離機(jī)振動的影響，得到轉(zhuǎn)速升高后轉(zhuǎn)鼓體底部較先出現(xiàn)損傷的結(jié)論。季梅蓮等研究表明轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速提升后密封腔受到劇烈的離心循環(huán)載荷易產(chǎn)生疲勞破壞。因此，準(zhǔn)確預(yù)測轉(zhuǎn)鼓體的環(huán)向應(yīng)力分布情況是評估碟式分離機(jī)承載能力的重要指標(biāo)。在碟式分離機(jī)的轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力研究方面，近年薛曉寧帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)做了較系統(tǒng)的研究，綜合考慮了流體液壓力、內(nèi)裝件質(zhì)量離心力及裝配接觸行為并進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)際裂紋、變形產(chǎn)生部位與有限元分析結(jié)果相吻合。趙志國等針對油水分離機(jī)進(jìn)行三維模型的有限元計(jì)算，分析了轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)鼓體應(yīng)力與應(yīng)變的分布情況。張?jiān)榈葘⒎抡娣治鼋Y(jié)果與JB/T8051-2008標(biāo)準(zhǔn)對比，發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度偏于保守。
王森哲等利用無線動態(tài)信號測量系統(tǒng)測取膠乳分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變值并進(jìn)行了仿真分析。由于膠乳分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部裝有碟片架、碟片和碟片壓蓋等110多個(gè)零部件組成的內(nèi)裝件，無線遙測的數(shù)據(jù)采集發(fā)射及電源模塊在不拆除內(nèi)裝件的情況下根本無法安裝，故王森哲的實(shí)測數(shù)據(jù)是在拆除所有內(nèi)裝件和低速的情況下進(jìn)行的。由于無線遙測從工作原理上只適合開放空間中信號的傳輸，而敷設(shè)在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁的應(yīng)變片測得的應(yīng)變信號是靠采集模塊從高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓蓋頂直徑約50mm的孔口“鉆出去”以通信方式傳輸信號。因此信號在傳輸過程中受到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻擋和高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲及氣流擾動等干擾。這2個(gè)因素影響了信號的精度、穩(wěn)定性和可靠性。另外，膠乳分離機(jī)工作轉(zhuǎn)速一般為7200r/min，而測試時(shí)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速取到2500r/min，即便在2500r/min的轉(zhuǎn)速下元器件受到的離心應(yīng)力負(fù)荷對測試數(shù)據(jù)可靠性的影響也不容忽視。因此需要尋找其他方法來完成轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁的應(yīng)變測試。
DIC技術(shù)具有非接觸、高精度和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以課題組采用了一種非接觸式的光學(xué)測量方法+數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（digital image correlation，DIC）。DIC精密測量應(yīng)變時(shí)，通過高速相機(jī)系統(tǒng)捕捉采集運(yùn)動過程中結(jié)構(gòu)表面的特征散斑圖，分析變形前后的灰度值，與雙目立體視覺技術(shù)相結(jié)合，能夠測量物體三維結(jié)構(gòu)的運(yùn)動狀況和變形情況。潘濟(jì)宇等使用3D-DIC技術(shù)對船用螺旋機(jī)系統(tǒng)外部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，消除了由于槳轂偏移引起的剛體位移，獲得了螺旋槳葉根部在旋轉(zhuǎn)下的變形點(diǎn)云相。
課題組采用ANSYS Workbench分析某型號碟式分離機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)鼓體應(yīng)力-應(yīng)變場，并利用美國CSI公司VIC-3D測量系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)，與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。
1 分析用分離機(jī)及測試
1.1 轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)及參數(shù)
碟式分離機(jī)為外懸外重心立式結(jié)構(gòu)，傳動系統(tǒng)通過立軸帶動轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，測試臺架通過變頻器實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。測試臺架用的碟式分離機(jī)是經(jīng)過仔細(xì)測試挑選，整機(jī)制造、裝配及動平衡精度指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)等品要求，機(jī)器運(yùn)行非常平穩(wěn)，工作轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)身靠近上軸承處徑向振動烈度小于1.6mm/s。轉(zhuǎn)鼓由轉(zhuǎn)鼓體、碟片架、碟片組、碟片壓蓋、轉(zhuǎn)鼓蓋和鎖緊環(huán)等部件組成。轉(zhuǎn)鼓體和轉(zhuǎn)鼓蓋為2507不銹鋼，碟片架、碟片壓蓋和碟片為316不銹鋼，鎖緊環(huán)為14Cr17Ni2。
1.2 測試原理
DIC技術(shù)源自20世紀(jì)80年代日本和美國的科學(xué)家相繼獨(dú)立提出的數(shù)字散斑相關(guān)方法，通過2臺不同方位相機(jī)同時(shí)對一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，比較試件變形前后散斑圖像的灰度值，再采用抗干擾能力強(qiáng)的零均值歸一化較小平方距離函數(shù)對變形前后的散點(diǎn)位置進(jìn)行相關(guān)匹配計(jì)算，獲得材料瞬態(tài)變形過程的光學(xué) 信息。
由于獲得可靠的DIC分析結(jié)果與合適的散斑分布及大小密切相關(guān)，采用DIC散斑設(shè)計(jì)軟件“光繪”來設(shè)計(jì)數(shù)字散斑圖像。
1.3 測試方案
拆除臺架分離機(jī)的進(jìn)出料系統(tǒng)、上機(jī)身，讓轉(zhuǎn)鼓完全暴露以方便拍照，在安裝平臺上調(diào)試確保立軸呈垂直狀態(tài)，將2臺高速攝像機(jī)放置在兩臺大功率無影照明燈前方。
2 轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力有限元分析
2.1 網(wǎng)格劃分
考慮到轉(zhuǎn)鼓和螺紋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了在保證精度的前提下計(jì)算能夠收斂，轉(zhuǎn)鼓鎖緊環(huán)與筒體之間的螺紋副建模時(shí)需通過忽略非重要的圓角及倒角特征加以簡化。采用Solid187非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元對轉(zhuǎn)鼓體、碟片、碟片架和碟片壓蓋進(jìn)行網(wǎng)格劃分，轉(zhuǎn)鼓蓋與鎖緊環(huán)采用Solid95結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元劃分。
Solid87作為一種高階三維10節(jié)點(diǎn)的單元，且該單元上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有3個(gè)空間方向的自由度，具有塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力加勁、大撓度和大應(yīng)變能力等特點(diǎn)，比較適用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的建模。Solid95單元可容忍不規(guī)則的形狀，不會造成很大的精度損失，而且具有相容的位移形狀，更適合模擬彎曲邊界。由于碟片、碟片架以及碟片壓蓋上都有6條均布的筋條，每張碟片上都有6個(gè)均布的中性孔，都沿中心線呈現(xiàn)周期性對稱，因此轉(zhuǎn)鼓可用1/6模型進(jìn)行簡化分析，該模型的單元總數(shù)為26928808，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為42742960。
2.2 載荷分析及邊界條件
轉(zhuǎn)鼓組件主要承受以下載荷：
（1）高速旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)件的自身質(zhì)量離心力。
（2）鎖緊環(huán)與轉(zhuǎn)鼓體之間螺紋連接處的預(yù)緊力。
（3）碟片壓蓋筋條對轉(zhuǎn)鼓蓋的壓力。
（4）自身質(zhì)量所產(chǎn)生的重力（可忽略）。
（5）立軸對轉(zhuǎn)鼓的軸向支撐力。
根據(jù)轉(zhuǎn)鼓中各零部件之間的接觸關(guān)系，將轉(zhuǎn)鼓體與鎖緊環(huán)螺紋之間的接觸類型設(shè)置為摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.25；接觸幾何修正設(shè)置為螺栓接觸，螺距為6mm，牙型角為60°的單頭左旋螺紋；其余零部件的接觸關(guān)系均為摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2。固定的立軸（全約束）與活動的轉(zhuǎn)鼓體（僅有軸向移動與軸向轉(zhuǎn)動）之間采用不可分離接觸關(guān)系。
3 仿真結(jié)果及分析
3.1 轉(zhuǎn)鼓體仿真分析
為了探究碟片厚度對額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力分布規(guī)律，對2種不同厚度的碟片進(jìn)行分析。
（1）方案1：碟片厚度0.39mm、筋條厚度0.60mm，碟片數(shù)為57。
（2）方案2：碟片厚度0.60mm、筋條厚度0.60mm，碟片數(shù)為47。
已知碟片316不銹鋼材質(zhì)，計(jì)算出方案1和方案2碟片組的質(zhì)量分別為3.038kg和3.832kg。
經(jīng)計(jì)算得知：方案1薄碟片組應(yīng)力145.05MPa，位移為0.155mm；方案2厚碟片應(yīng)力146.48MPa，位移為0.097mm。
對比方案1和方案2，在轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)側(cè)與外側(cè)壁面上，方案1薄碟片組位移值都要比方案2高0.05～0.06mm，且2種方案的應(yīng)力值都相差不大。
造成上述情況的原因有待在后續(xù)的研究中加以進(jìn)一步考察，值得注意的是，厚碟片組轉(zhuǎn)鼓軸z軸的慣性阻力矩pz要比薄碟片組的大1971.66kg·mm2，似是造成厚碟片組轉(zhuǎn)鼓在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力值、位移值比薄碟片轉(zhuǎn)鼓更小一些的原因。為此，實(shí)測時(shí)采用薄碟片轉(zhuǎn)鼓，以便獲得更為敏感的位移的測量數(shù)據(jù)。
3.2 位移實(shí)測及分析
高速攝像機(jī)采集大量樣本數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件分析出轉(zhuǎn)鼓（含內(nèi)裝件）在6000r/min下的位移場云圖，從所選云圖中5個(gè)采樣點(diǎn)看，實(shí)測應(yīng)變分布規(guī)律與仿真結(jié)果相近。
測試時(shí)在6000r/min的轉(zhuǎn)速下測得的垂直方向上的位移值為0.316mm，計(jì)算機(jī)仿真額定轉(zhuǎn)速11600r/min下的位移值為0.152mm，只有將轉(zhuǎn)速升至18908r/min時(shí)才能與試驗(yàn)結(jié)果0.316mm匹配。有限元仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測應(yīng)變、位移的數(shù)值變化規(guī)律趨勢相近，但仿真數(shù)據(jù)尚與實(shí)測值有差距，說明在一定程度上分析模型建模、邊界條件、載荷施加對轉(zhuǎn)鼓的實(shí)際裝配情況有反映，但還需要依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，繼續(xù)對分析模型等做進(jìn)一步研究與優(yōu)化。
4 結(jié)語
（1）課題組對某型碟式分離機(jī)含有內(nèi)裝件轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)鼓體進(jìn)行了應(yīng)力分析，考察了不同厚度碟片對轉(zhuǎn)鼓體應(yīng)力變化規(guī)律的影響，分析計(jì)算結(jié)果表明：在額定工況下轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)側(cè)與外側(cè)的底部應(yīng)力負(fù)荷偏高，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)側(cè)壁面底部斜面、轉(zhuǎn)鼓體螺紋處應(yīng)力負(fù)荷較大。
（2）薄碟片組、厚碟片組轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)鼓體的應(yīng)力分別為146.48和145.05MPa，位移分別為0.155和0.097mm。
（3）利用VIC-3D測量系統(tǒng)對高速碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓位移/應(yīng)變進(jìn)行了測量，測試結(jié)果表明該測量技術(shù)是解決高速轉(zhuǎn)子應(yīng)變測量的有效精密測量手段之一，得到的數(shù)據(jù)對完善分析模型具有直接指導(dǎo)意義。
（4）轉(zhuǎn)鼓由60多個(gè)零部件組裝而成，其分析模型的構(gòu)建、邊界條件的設(shè)置及載荷的施加均存在相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性和難度，這是導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)測值存在一定差異的原因，對此將依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對模型等繼續(xù)做進(jìn)一步深入的研究。
