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離心機在國內外的研究發展概況

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【摘要】:
在工業生産中,離心機基本上屬于後處理設備,主要用于脫水、濃縮、分離、澄清、淨化及固體顆粒分級等工藝過程,它是隨著各工業部門的發展而相應發展起來的。例如18世紀産業革命後,隨著紡織工業的迅速發展,1836年出現了棉布脫水機。1877年爲適應乳酪加工工業的需要,發明了用于分離牛奶的分離機。進入20世紀之後,隨著石油綜合利用的發展,要求把水、固體雜質、焦油狀物料等除去,以便使重油當作燃料油使用,50年代
在工業生産中,離心機基本上屬于後處理設備,主要用于脫水、濃縮、分離、澄清、淨化及固體顆粒分級等工藝過程,它是隨著各工業部門的發展而相應發展起來的。例如18世紀産業革命後,隨著紡織工業的迅速發展,1836年出現了棉布脫水機。1877年爲適應乳酪加工工業的需要,發明了用于分離牛奶的分離機。進入20世紀之後,隨著石油綜合利用的發展,要求把水、固體雜質、焦油狀物料等除去,以便使重油當作燃料油使用,50年代研制成功了自动排渣的碟式活塞排渣分离机,到60年代发展成完善的系列产品。随着近代环境保护、三废治理发展的需要,对于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高,因此促使卧式螺旋卸料沉降离心机、碟式分离机和三足式下部卸料沉降离心机有了进一步的发展,特别是卧式螺旋卸料沉降离心机的发展尤为迅速。如今,在合成塑料(聚氯乙烯、聚丙烯)及合成纤维(聚对苯二甲酸乙二脂)生产的分离设备中,螺旋离心机己成为关键设备之一。
  我國真正具有現代實用價值的第一台螺旋離心機是1954年制造的,由于它獨具連續操作、處理量大、單位産量耗電量較少、適應性強等特點而得到了迅速發展,在四十多年的發展中,結構、性能、參數變化很大,分離質量、生産能力不斷提高,應用範圍更加廣泛,在離心機領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,對國外著名公司生産的多種規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,並于1992年制成樣機;此後,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了一系列的螺旋卸料沈降離心機,並成功地應用于生産實踐。但是就整體水平而言,我國還是遠遠落後于工業發達國家的。隨著現代工業文明的發展和人類對環境以及可持續發展戰略的重視,分離效果好,振動小、噪聲低成爲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特性。通常,動態特性包括臨界轉速、不平衡響應和穩定性等內容。臥螺離心機的參數選擇及優化是提高臥螺離心機動態特性的首要環節。
  爲提高螺旋卸料沈降離心機的性能,人們對離心機常見問題進行攻關,對主要部件進行有限元分析。取得了一定的成果。主要有:北京化工大學碩士顧威應用有限元分析軟件ANSYs,建立了螺旋輸送器的參數化三維有限元模型,進行結構靜力學分析,求得螺旋輸送器在各種載荷工況下的應力場和位移場,並參照壓力容器的分析設計法校核了螺旋輸送器的應力強度,考察了螺旋葉片的徑向位移。爲結構優化設計奠定了基礎。
中國航空工業高級工程師蔡顯新,提出采用殼單元與環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,輪體來用軸對稱環單元模擬,在葉輪和輪體的交界處近似地滿足雙協調條件:還推導了有關計算公式,並對三個算例進行了計算。結果表明,此方法精度高,省時性好。
  哈爾濱工程大學機電工程學院工程師袁夫彩,分析了臥螺離心機內物料的受力情況,推導出螺旋推料力矩的計算公式,並以其爲目標函數,以工藝要求爲約束條件,運用優化設計理論中的複形調優法對wL一600臥螺離心機參數進行了綜合分析和定量選擇,編制出優化求解的C程序,使得參數確定工作簡捷、方便、合理。
  中國農業工程研究設計院沈瑾、都淩漢和上海離心機研究所徐群,對LW一400通用臥式螺旋沈降離心機進行了定向改制:在內螺旋上增設若幹縱向葉片,對內螺旋工作面噴塗硬質合金。改進後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。並通過對wL一200A,wL一350,wL355xl420-N,wL一450及wL一600等型號離心機的生産制造,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。
  江蘇省石油化工學院機械系劉友宏,提出用二維立體單元對離心機整個轉鼓進行分析,並對某國産臥式刮刀離心機大直徑轉鼓進行了有限元計算,結果表明,在轉鼓底和攔液板中的應力水平較低;在轉筒體中應力水平較高,在開孔周圍存在著應力集中現象,最大虛擬彈性應力值遠大于材料的屈服限。
  北京化工大學機電工程學院董俊華,劉忠明,範德順將轉鼓的軸對稱模型簡化爲二維模型。利用ANSYS有限元軟件建立了大型臥螺離心機雙錐角轉鼓的二維有限元模型,對其在正常工作狀態下的整體結構進行了靜力分析,得到了轉鼓的徑向、軸向變形和應力分布及最大應力點,結果表明雙錐角轉鼓的強度和剛度均滿足要求,驗證了雙錐角結構的安全性。
  南京綠州機器廠臥螺離心機設計所高級工程師顔春敏,定性地分析了臥螺離心機的沈渣條件與其轉鼓的錐角刀、螺旋輸送器葉片的傾角B、葉片的螺距、液池半徑及差轉速An之間的關系,闡述了改善臥螺離心機輸渣條件的設計思想。
  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,溢流半徑等參數的改變對WL一400型離心機高嶺土分級性能的影響。華東理工大學王彥華、方圖南、王庭楠,介紹了臥式螺旋卸料沈降離心機在化纖用二氧化欽分級中的應用,著重介紹了進料濃度、進料速度、轉速、擋板尺寸、差速等參數對分級的影響,分析了各參數對分級影響的原因。他們的研究爲尋找離心機最佳的運行參數和應用提供了參考。
 
 蘭州石油機械研究所油田設備研究部劉金榮、勝利石油管理局鑽井工藝研究院王天林,對螺旋沈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、轉鼓轉速以及懸浮液的粘度、密度之間的變化關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,針對汙泥脫水工藝應用了國産LWD一430型臥式螺旋沈降離心機,並輔以高效有機絮凝劑。經試運轉證明,此項工藝脫水效果顯著,可將含水率9.8%一98.5%的汙泥脫水至75%一78%,且分離液對汙水處理裝置無明顯沖擊,消除了汙泥造成二次汙染的嚴重問題。
  可見離心機制的結構優化能有效地提高工作性能,帶來良好的的經濟效益。但人們大都是對螺旋輸送器、轉鼓等零部件分開進行研究,對螺旋一轉鼓組進行整體研究的卻很少。
  離心機螺旋一轉鼓組結構複雜,受力與物料有關,變化大,采用傳統的解析法,建立螺旋一轉鼓組多剛體系統,以牛頓一歐拉方程或拉格朗日方程爲代表的分析力學方法的動力學方程和約束方程,析找出影響動態特性的參數應結構的固有頻率與振型。
  建立一定自由度下的振動方程通過數值分以獲得相來減小振動的研究方法是不理想的。由于螺旋一轉鼓組是剛體和柔性組成的多體系統,工作時還受有\由物料進入産生的力,約束也複雜。建立和求解方程都困難,只能進行理想化處理,所得結果不能真實反映離心機的工作特性。而且由于影響技術參數的因素較多,對影響離心分離效果的複雜性一一計算有很大困難。因此,在選擇各參數時,很難滿足分離效果好、低噪聲這一要求;根據定性分析憑經驗選取參數,然後依賴實驗室的小試或中試結果進行模擬放大。這種以經驗、試湊、靜態、定性爲特點的方法以及“設計一樣機一試驗一修改”不斷循環的優化過程既麻煩,又浪費成本。
 
  螺旋一轉鼓組動態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用軟件的發展,特別是Pr。/E和MSc.Visual一Nastran的應用,將有限元與多體系統仿真結合在一起用來解決螺旋一轉鼓組的動力學問題,是臥螺離心機研究的創新方法。