臥式螺旋卸料離心機研究的回顧與展望
行業(yè)動態(tài)
臥式螺旋卸料離心機（簡稱臥螺離心機），是一種高效的離心分離設(shè)備，廣泛應(yīng)用在石油、化工、冶金、煤炭等工業(yè)部門和污水處理工程等領(lǐng)域。自從第一臺臥螺離心機于1954年問世后，由于其單機處理能力強、分離質(zhì)量高、操作連續(xù)方便、占地面積小以及維護費用低等優(yōu)點，得到了迅速發(fā)展。臥螺離心機在結(jié)構(gòu)、性能、參數(shù)上變化很大，分離質(zhì)量和生產(chǎn)能力也大大提高，在離心機領(lǐng)域內(nèi)一直占有特殊地位。
一、臥螺離心機的結(jié)構(gòu)和原理
臥螺離心機主要由轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器、正副電機、差速器、機殼、機座等部件組成。其中轉(zhuǎn)鼓和螺旋分別作為外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子同心安裝，組成臥螺離心機的回轉(zhuǎn)部件——轉(zhuǎn)子系。轉(zhuǎn)鼓支承在兩端的主軸承座上，螺旋輸送器則通過其軸頸兩端的中介軸承安裝在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁與螺旋葉片外端留有微小的間隙，以防轉(zhuǎn)鼓與螺旋葉片之間發(fā)生摩擦而磨損和改善物料與轉(zhuǎn)鼓之間的摩擦條件以利于物料的推送。轉(zhuǎn)鼓的一端由主電機帶動，另一端則與差速器相連接，差速器的輸出軸帶動螺旋與轉(zhuǎn)鼓作同向轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)速不同，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間的微速差，使得螺旋可以把轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的沉渣排出轉(zhuǎn)鼓。為了防止臥螺離心機正常操作工況運行中發(fā)生意外而損壞，差速器一般裝有過載保護裝置。過載保護裝置有機械式、機械液壓式、電控機械式和電器過載保護裝置等類型。
二、臥螺離心機的結(jié)構(gòu)強度
臥螺離心機在正常操作工況下運行時，轉(zhuǎn)子系會在離心作用下產(chǎn)生很高的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強度研究的目的在于如何合理的分布應(yīng)力，減小局部應(yīng)力集中，在滿足強度要求的前提下優(yōu)化結(jié)構(gòu)以節(jié)約材料、改進分離質(zhì)量和生產(chǎn)能力。由于轉(zhuǎn)子系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)解析法不僅求解困難，而且結(jié)果偏保守，設(shè)計尺寸富裕量大，浪費材料，而有限元法則能很好的解決這一問題。
在轉(zhuǎn)鼓強度研究方面，譚蔚等在傳統(tǒng)強度分析計算的基礎(chǔ)上，將壓力容器應(yīng)力分析評定的思想和基本原則應(yīng)用到轉(zhuǎn)鼓的有限元強度分析評定上，探討了轉(zhuǎn)鼓強度的評定準則；李自光等建立了轉(zhuǎn)鼓的三維有限元模型，分析了轉(zhuǎn)鼓壁厚對轉(zhuǎn)鼓強度和徑向變形的影響，結(jié)果表明在轉(zhuǎn)鼓自身離心作用下的應(yīng)力和位移與壁厚無關(guān)；劉天豐等以轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動慣量為目標函數(shù)，采用有限元方法對轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。
在螺旋研究方面，顧威等建立了螺旋的三維有限元模型，考察其正產(chǎn)操作工況下的強度剛度，并采用應(yīng)力分類法進行應(yīng)力強度評定；楊釗等對螺旋正常操作工況下的整體結(jié)構(gòu)進行靜力學分析，研究了導程、轉(zhuǎn)速和葉片厚度對螺旋應(yīng)力和變形的影響；王樂勤等在螺旋結(jié)構(gòu)強度分析的基礎(chǔ)上，進一步分析了葉片厚度和半錐角等參數(shù)對螺旋結(jié)構(gòu)強度的影響，得出減薄螺旋葉片厚度、增大半錐角可提高應(yīng)力強度的結(jié)論。
三、臥螺離心機的動力學特性
在機械設(shè)計中，如何確保臥螺離心機在工作轉(zhuǎn)速下正常運行，首先就是確定離心機的臨界轉(zhuǎn)速，使其工作轉(zhuǎn)速避開共振區(qū)。臥螺離心機轉(zhuǎn)子系是一個由轉(zhuǎn)鼓和螺旋同心安裝組成的雙軸耦合系統(tǒng)，張曉軍等建立了雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一維有限元耦合模型，考慮陀螺效應(yīng)的影響，采用QR阻尼法對其進行轉(zhuǎn)子動力學分析，得到了轉(zhuǎn)子系的前二階臨界轉(zhuǎn)速、坎貝爾圖及振型；譚蔚等針對螺旋結(jié)構(gòu)的非對稱性，建立螺旋的三維實體模型，進行非線性瞬態(tài)動力學分析，研究了重力和不平衡對系統(tǒng)振動的影響，結(jié)果表明重力作用是倍頻振動的直接原因，一倍頻與二倍頻振動間不存在相互作用。應(yīng)超等通過改變轉(zhuǎn)鼓材料密度將螺旋和物料的轉(zhuǎn)動慣量等效轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)鼓的思路，建立了轉(zhuǎn)鼓的三維實體模型，采用QR阻尼法得到該簡化模型的前六階臨界轉(zhuǎn)速、坎貝爾圖及相應(yīng)振型。焦國旺等采用實體單元和彈簧單元建立了臥螺離心機整機的有限元模型，求出前八階固有頻率及相應(yīng)振型，并在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進一步對整機進行諧響應(yīng)分析，得到不同轉(zhuǎn)速下不平衡量激勵下的頻率響應(yīng)曲線，據(jù)此預(yù)測臥螺離心機在空載工況中的動態(tài)響應(yīng)特性。
四、臥螺離心機的減振技術(shù)
高速回轉(zhuǎn)機械的振動，歷來是機械工程中的重要問題之一，臥螺離心機也不例外。劉金榮等對臥螺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與離心機操作參數(shù)之間的變化關(guān)系；盧雙龍等測試了臥螺離心機的軸振和瓦振數(shù)據(jù)，結(jié)果表明臥螺離心機大小端的不平衡對各自端的振動影響大、對另一端振動影響小，差速器上的不平衡、臺架的設(shè)計對離心機振動影響較大，臥螺離心機轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)應(yīng)視為柔性系統(tǒng)。
石年勛討論了WG型離心機由于自身質(zhì)量偏心以及操作條件下物料分布不均造成轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動問題，并探討了離心機動載荷的常規(guī)確定方法和試驗測量方法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合隔振理論，列舉了無隔振措施、大基礎(chǔ)“吸振”、設(shè)置橡膠減振器、設(shè)置彈簧減振器4種離心機生產(chǎn)過程的振動實例，對比各自的優(yōu)缺點；馬澤民分析了離心機的扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生原因和危害，并給出了采用機械式防扭振裝置、液壓差速器、電路系統(tǒng)控制和不用任何附加裝置的4種防止扭振措施；賀世正提出了從整機動平衡、動力減振和隔振三方面著手的減振方法，并介紹了這3種方法的基本思路和實際應(yīng)用效果。
臥螺離心機在正常操作工況下，會因物料分布不均而產(chǎn)生偏心載荷，該載荷的大小、方向以及作用位置都隨時間變化。王琪等應(yīng)用有限元軟件對臥螺離心機整機參數(shù)化建模，使用Newmark完全法進行瞬態(tài)動力學分析，模擬出離心機正常操作工況下的機械振動和動載荷特性，獲得離心機對安裝基礎(chǔ)的動載荷極大值。在此基礎(chǔ)上，楊彬等對減振器排列布局進行了優(yōu)化，設(shè)計出一種具有更佳減振效果的非對稱式減振器分布方案。
五、臥螺離心機的現(xiàn)場動平衡
對于已經(jīng)投入生產(chǎn)的臥螺離心機，動力減振和隔振不能有效解決振動問題時，現(xiàn)場整機動平衡是很好的減振手段。臥螺離心機的振動信號為兩個相差很小的工頻振動合成的“拍振”信號。因此動平衡的關(guān)鍵是準確找出內(nèi)外轉(zhuǎn)子工頻振動下各自的不平衡量大小和位置。
目前針對臥螺離心機的動平衡方法有兩類：一類是充分利用“拍振”波形特點的不解拍方法；另一類是分離出兩個工頻振動信號的解拍方法。
當采用第一類方法試驗時振動信號不解拍。張志新等基于拍振的特點，提出此不解拍整機動平衡方法，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出便攜式現(xiàn)場整機動平衡儀。雖然波形的波峰波谷位置可以通過帶通數(shù)字濾波得到，但實際操作中僅憑波形起伏不易找到真正的拍峰。
第二類方法是采用解拍，從拍振信號中分離出兩個工頻振動量。曾勝等提出了單點DFT不平衡矢量識別方法，通過理論分析確定了相關(guān)積分時間及其可能的誤差。成功解拍的必要條件就是測量設(shè)備具備足夠小的頻率分辨率能夠把內(nèi)外轉(zhuǎn)子的工頻區(qū)分開。
六、臥螺離心機的流體動力學
臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體的動力學特性與物料分離過程及效果、整機正常操作工況下的振動情況密切相關(guān)。由于螺旋的存在，臥螺離心機流體動力學的特性十分復(fù)雜，起初對臥螺離心機流場的研究是基于不同的簡化條件，并沒考慮螺旋的影響。關(guān)于臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體動力學方面流動特性的概念主要有：活塞理論；層流理論；表面層理論；流線理論。
在這4個理論的基礎(chǔ)上，不少學者做了相關(guān)的理論改進及實驗研究。BATCHELOR建立了臥螺離心機流場運動方程的同時提出用匹配漸進展開法求解離心機流場；CATALANO等結(jié)合離心固液分離過程的理論分析和實驗研究，提出采用無因次拖曳系數(shù)來評價臥螺離心機的生產(chǎn)能力，MADSEN做了一系列實驗得出臥螺離心機中能量耗散決定其內(nèi)部流動狀態(tài)的結(jié)論，并給出了有效解決能量耗散問題的方法。國內(nèi)學者孫啟才等對臥螺離心機周向和軸向的速度分別進行了定量和定性分析，擬合出考慮轉(zhuǎn)鼓角速度和液層深度因素影響的滯后系數(shù)計算公式，并修正了對臥螺離心機生產(chǎn)能力Σ理論計算公式；后來又實驗證明了進料前預(yù)旋的方式可以改善周向速度的滯后，并且流量成倍增加。
近年來，計算機技術(shù)快速發(fā)展，計算流體動力學（CFD）方法已成為研究流體機械內(nèi)部流場的重要技術(shù)手段。采用數(shù)值模擬不受限于實驗研究時的測試手段與參數(shù)條件，能夠?qū)碚摲治鲭y以處理的一些特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行模擬，而且通過CFD結(jié)合優(yōu)化理論進行過流部件的優(yōu)化設(shè)計，指導結(jié)構(gòu)的改進。FERNANDEZ等從簡化的二維模型得到了顆粒分離流動狀態(tài)，并對固體顆粒運動軌跡進行了評估；逢翀等、譚蔚等、喬琳等、馬新龍等對雙級活塞推料離心流場進行了深入研究，探討了推料頻率、物料濃度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對離心機生產(chǎn)能力和分離效果的影響以及出口安放角和篩網(wǎng)傾角對離心機內(nèi)部流場的影響，并對離心機進行優(yōu)化設(shè)計得到了較佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其模擬方法及思路可借鑒臥螺離心機的流體動力學研究上；ZHU等采用CFD方法得到了臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)固體顆粒的濃度分布；BELL等建立了精確的臥螺離心機運輸模型，可以計算螺旋輸送物料的功率、扭矩和軸向力，并用實驗驗證了模型的準確性；GLEISS等考慮了沉積物積聚及流動模式的影響建立了逆流式臥螺離心機的分離過程的數(shù)學模型，該模型能很好與實驗吻合。
黃志新等對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場進行CFD模擬，探討了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液體周速度滯后系數(shù)的影響，擬合出考慮有液層滯后時的軸向速率系數(shù)的計算公式；于萍等則分析了軸向速度、周向速度和徑向速度與結(jié)構(gòu)特性參數(shù)之間的相互關(guān)系；荊寶德等研究了臥螺離心機不同轉(zhuǎn)鼓錐角條件下的速度場，結(jié)合理論設(shè)計出高效的雙錐角臥螺離心機。
隨著研究的深入，不少學者開始考慮螺旋的影響對臥螺離心機進行CFD模擬分析。吳蕾等建立了臥螺離心機螺旋流道內(nèi)流體的湍流模型，研究了不同長徑比對臥螺離心機分離性能的影響；周翠紅等采用RSM模型和DPM模型，分析了臥螺離心機長徑比、黏度和顆粒分布對離心脫水效率的影響，結(jié)果表明增加長徑比、降低黏度有利于固液分離效果；付雙成等、董連東等、朱明軍等討論了7種典型湍流模型在臥螺離心機CFD模擬中的適用分析，在此基礎(chǔ)上基于Euler多相流模型，采用RNG k-w湍流模型及多重參考系（MRF）方法，得到了臥螺離心機內(nèi)部流場的壓力分布，模擬分析了臥螺離心機內(nèi)固液兩相體積分數(shù)的分布以及操作參數(shù)（轉(zhuǎn)速、差轉(zhuǎn)速）和物性參數(shù)（固相體積分析、顆粒粒徑）對流場和分離性能的影響。
七、結(jié)語
國外對臥螺離心機核心技術(shù)保密，因此對臥螺離心機的技術(shù)研究鮮有報道，另一方面國外基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)達，所用材料性能優(yōu)異，生產(chǎn)過程中能達到很高的加工精度及裝配精度，從而使整機具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。
我國的臥螺離心機工業(yè)起步較晚，但在某些性能方面，已達到國際先進水平。然而工業(yè)發(fā)展中面臨著降低能耗、資源的有效利用、環(huán)境保護等諸多問題，這對臥螺離心機的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。在臥螺離心機現(xiàn)場整機動平衡方面，硬件設(shè)備的發(fā)展使測試儀器有足夠小的頻率分辨率以實現(xiàn)解拍方法，但仍沒有配套的控制分析軟件出現(xiàn)，基于解拍方法的微速差雙轉(zhuǎn)子測試分析系統(tǒng)有待研發(fā)。此外，現(xiàn)有的動平衡研究都是基于空載工況下進行的，而實際生產(chǎn)中臥螺離心機都是負載運行的，空載與負載下臥螺離心機的振動差別很大，正常操作工況下臥螺離心機的動平衡技術(shù)也有待研究。隨著數(shù)值模擬的發(fā)展和研究的不斷深入，已可實現(xiàn)基于雙向流固耦合的臥螺離心機整機數(shù)值模擬分析。通過對整機三維參數(shù)化建模，結(jié)合流體流動狀態(tài)，優(yōu)化整機正常操作工況下的振動特性，得到整機的結(jié)構(gòu)較佳參數(shù)，降低制造、運行成本，全面提高臥螺離心機的經(jīng)濟性、可靠性。
