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離心機的國內外研究現狀

發布時間:2018/08/14 點擊量:

自1836年第一台工業用三足式離心機在德國問世,迄今一百多年以來己獲得, 很大的發展[4],各種類型的離心機品種繁多,各有特色,並正在向提高技術參數、 係列化、自動化方向發展,且組合轉鼓結構增多,專用機種越來越多。現在,離 心機已經廣泛用於化工、石油化工、石油煉製、輕工、醫藥、食品、紡織、冶金、 煤炭、選礦、船舶、軍工等各個領域。例如:濕法采煤中粉煤的回收,石油鑽井, 泥漿的回收,放射性元素的濃縮,三廢治理中的汙泥脫水,各種石油化工產品的, 製造,各種抗菌素、澱粉及農藥的製造,牛奶、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、 食用動物油、米糠油等食品的製造,紡織品、纖維脫水及合成纖維的製造,各種 潤滑油、燃料油的提純等都使用離心機。離心機己成為國民經濟各個部門廣泛應 用的一種通用機械。對於石油化工、製藥、食品、冶金、廢水處理等行業來說, 分離處理需要特殊的體係,如:兩相的接觸時間短,且設備內的存留液量要少, 某些密度差較小的體係或粘度較大的體係一直是一個重要的課題,直接全方位地, 影響工作效率和經濟效益。因此,兩相分離的研究具有十分重要的意義。

離心機基本上屬於後處理設備,它是隨著各工業部門的發展而相應發展起來 的[5,例如: 18世紀產業革命後,隨著紡織工業的迅速發展, 1836年出現了棉布 脫水機。1877年為適應乳酪加工工業的需要,發明了用於分離牛奶的離心機。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年代研製成功了自動排渣的碟式活塞排渣, 離心機,到60年代發展成完善的係列產品。隨著近代環境保護、三廢治理發展的, 需要,對於工業廢水和汙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、碟式離心機和三足式下部卸料沉降離心機有了進一步的發展。

目前工業用離心機有間歇和連續操作兩大類,其中連續式發展較快,適合於 大工業生產中固、液相的分離;間歇操作的離心機,由於在操作中引進了現代化 的計量與控製技術,在局部範圍內能與連續式相抗衡。間歇離心機的最大特點是 具有操作彈性,因此有可能在一定程度上進行有效的過程控製;而連續式離心機 用於過濾、洗滌和甩幹的時間,調控餘地很小,在過程控製上受到相當大的限製。 下麵分別介紹和比較幾種常用的離心機16,7, 三足式離心機是最早出現的間歇式離心機,優點是: 1)對物料的適應性強; 2)人工卸料時結構簡單、製造維修安裝方便,容易操作; 3)停機或低速下料, 易於保持產品晶粒形狀。缺點是: 1)間歇式分離,周期循環操作: 2)進料階段 需啟動、增速,卸料則在減速或停機時進行; 3)生產能力低: 4)人工上部卸料 的機型勞動強度大,操作條件差,因而隻適合於中小型的生產。 臥式刮刀卸料離心機有過濾式和沉降式兩種,以前者使用較多。過濾式刮刀 離心機用於處理中等或小顆粒(顆粒直徑不大於5mm)的物料,而且顆粒不怕被 刮刀破壞者,也可以用於短的纖維狀物料(長度小於4mm),對於懸浮液濃度和進 料量的變化也不敏感,過濾時間、洗滌時間以及分離卸料時間均可自由調節,濾 渣比較千,並可得到很好的洗滌,各操作階段可以在全速或不同轉速下進行,操 作周期短,生產能力大。其主要問題是: 1)對固體顆粒的破碎嚴重; 2)電機負 荷不均勻: 3)刮刀無法刮淨轉鼓上的濾渣: 4)加料與卸料時機器振動嚴重。 臥式活塞推料離心機具有效率高、產量高、生產連續化、操作穩定可靠的諸 多優點。但是由於它隻能分離粗的顆粒,對懸浮液的濃度波動比較敏感,容易產 生跑料現象,因而在某些場合的應用上有一定局限性。 離心力卸料離心機是一種無機械卸料裝置的自動連續卸料離心機。濾渣在錐 形轉鼓中,依靠本身所受的離心力克服與篩網的摩擦力,沿篩網表麵向轉鼓大端 移動,最後自行排出。它具有結構簡單、效率高、產量高、製造運轉及維修費用 低等特點。缺點是對物料的性質和溶液濃度的變化非常敏感、適應性差,物料停 留時間不易控製,從而限製了它的應用。 振動卸料離心機是指附加了軸向振動或周向振動的離心力卸料離心機,前者 稱為軸向振動卸料離心機,後者稱為扭轉振動卸料離心機。軸向振動離心機的特 點是:生產能力高,脫水效果好,耗電少,顆粒破碎小等。扭轉振動離心機是一 種新型的離心機,它結構簡單, 自動化程度也比較高,但它目前仍處於試驗階段。 進動離心機是利用進動原理設計的自動連續過濾式離心機,它的生產能力大, 結構簡單,動力消耗少,是一種有前途的離心機。但濾渣不能得到充分的洗滌, 而且濾液和濾渣不容易很好分開,是它的弱點。

翻袋式濾布離心機在已有離心機優點的基礎上,實現了物料在不打開設備的 情況下卸料的過程,並在濾袋上不留下任何殘餘物料。其弱點是軸係的複雜。 上懸式離心機是繼三足式離心機以後出現的另一種間歇式離心機,其結構特 點是轉鼓固定在較長的撓性軸下端,而軸的上端則接軸承而懸掛在絞接支承中。 絞接支承內裝有彈性材料製造的緩衝環,用於限製主軸的徑向位移,以減弱轉子 不平衡時軸承承受的動載荷。這種支承方式使支承點遠高於轉子的質量中心,從 而保證了運行時的穩定性,並使轉子能自動調心。此外這種支承與傳動方式不至 於使濾液或濾渣受到汙染。 離心機的結構、品種及其應用等方麵發展迅速,但理論研究落後於實踐是個 長期存在的問題。目前在理論研究方麵所獲得的知識,主要還是用來說明試驗的 結果,而在預測機器的性能、選型以及設計計算,往往仍要憑借經驗或試驗。因 此,研製和改進分離設備,提高分離效率,一直是工業領域的重要的研究課題。 離心機轉鼓強度的研究工作始於五十年代,蘇聯3.B.Kahtobopobhy開始采 用經典彈性理論計算高速回轉圓盤和圓筒形、圓錐形的回轉殼體及其邊緣區域的 應力,對離心機轉鼓的強度計算進行了詳細的論述。德國的W.Wilsmann於1962. 1963年相繼發表了“底板對離心機轉鼓殼體應力的影響”和“薄底盤離心機轉鼓”, 文中將轉鼓簡化為管子與平板來進行討論,著重研究了圓筒形離心機轉鼓中鼓底, 的厚度對圓筒邊緣部位應力的影響。w. Wilsmann分析認為離心機轉鼓采用薄鼓底, 有利於減少鼓壁的邊緣應力。70年代初蘇聯學者將最優化方法應用於高速回轉容, 器的設計,提出等應力的設計觀點,這對轉鼓的優化設計在理論上具有一定的意, 義1101, 國外一些國家如英國、蘇聯、法國等,從1951年起就相繼製定了一部分離心, 機轉鼓強度計算方麵的規範或標準11,12,13,14],例如,英國的B.S.767-1951標準“脫 水機與離心機”對離心機轉鼓的強度計算、材料、開孔、壁厚、加強箍、製造等, 作了規定:前蘇聯頒布了OTC26-01-1170 “離心機轉鼓強度計算方法和標準”; 1976年法國公布了NFE40-001 “離心機轉鼓強度計算”標準。我國於1979年編著, 的《機械工程手冊》對離心機轉鼓的強度計算提出了指導性意見。 目前在工程和實驗研究方麵,關於轉鼓機械強度的計算方法主要采用兩種: 經典彈性力學解析解法和有限元解法。從文獻檢索來看,由於有限元法的能解決, 複雜的工程問題,且其強大的分析能力越來越受到人們的重視。

國內對轉鼓進行 研究的主要人員有:浙江工業大學顧巧祥15]對碟式離心機的轉鼓零件進行了二維 和三維有限元應力分析。在進行二維分析過程中,針對碟式離心機的實際工作情 況,采用ANSYS軟件中的接觸單元模塊對轉鼓零件作整體分析,避免了因單獨計 算每個零件的應力而帶來的誤差,對轉鼓簡體開孔處進行三維應力分析。文中還 利用蒙特卡羅有限元法研究了轉鼓轉速的隨機性對轉鼓簡體螺紋處和開孔處應力 的影響,並得到相應的可靠度。北京化工大學李煥16]對翻袋式離心機轉鼓進行應力 分析,校核其合理性。翻袋式離心機的軸係結構是一個三套軸結構,用ANSYS有 限元設計軟件中的模態分析方法對它進行設計,算出實際轉速要遠大與軸係的自 身最低臨界頻率,軸係安全。北京化工大學朱繼發[16]對密閉式切屑脫液離心機的, 回轉部件鼠籠形轉鼓和螺旋推料器進行了考慮動力效應的等效靜力學結構分析。 得到了各種工況下回轉部件的應力分布與變形情況,依據應力分析設計法確定了 離心機部件合理的結構參數和操作參數。浙江大學張曉軍17]對轉鼓不平衡對碟式 離心機振動特性的影響進行分析,分析了靜不平衡量、動不平衡量對轉子振型的 影響,驗證了單測點整機動平衡方法的合理性和有效性。此外,還對離心機轉子 係統與機殼耦合振動進行了計算分析,找到了上軸承位置動平衡精度已達到要求 而出現機座底端振動超標的原因,並給出了解決方法。 1869年, Rankine發表了題為“論旋轉軸的離心力”一文,這是一篇有記載 的研究轉子動力學的文獻[18],在這篇著作中,作者研究了一根無阻尼的均勻軸, 在其初始位置受到擾動後的平衡條件。他得出了如下的結論:轉軸在一階臨界轉, 速以下運轉時是穩定的,而在超臨界轉速運轉時是不穩定的。一百多年以前,蘭 金(Rankine)發表了題為"Centrifugal Whirling of Shafts"的論文[19],主要目的 是研究旋轉機械的動力問題。由於工業的日益發展,需要機組在高轉速下運行。

人們得以觀察到很多軸係的失穩現象,並進行了許多基礎研究。50年代,普勞爾 (Prohl)用傳遞矩陣法成功地計算了多跨轉子的臨界轉速。70年代,倫德(Land) 在軸係穩定性領域做出了傑出的貢獻,他沿用經典的傳遞矩陣法,成功地計算了 轉子一軸承係統的穩定性[20], 目前,計算臨界轉速的方法一般有五種:矩陣迭代法、傳遞矩陣法、特征方 程法、特征值法、能量法。每種方法各有其優缺點及適用範圍。采用時須考慮轉 子支承係統的結構形式、所需的精度和經濟性。近期對臨界轉速研究的主要人員 有:北京化工大學王輝斌[21運用有限元的方法對翻袋式離心機的三軸係統進行了 模態分析。獲得各階固有頻率下的振型情況:分析在不同約束條件以及不同模擬 的模擬方法對臨界轉速的影響。浙江大學賀世正122]分析了陀螺效應對式離心機立 軸係統動態特性的影響分析。從理論上分析了轉子轉動狀態下產生的陀螺力矩對 碟式離心機立軸係統動態特性的影響,並通過建立有效的離心機立軸係統計算模 型,采用有限元方法計算分析了轉鼓陀螺效應對其臨界轉速及相應振型的影響。 蘭州理工大學龔俊123]針對碟式分離機振動的問題,分析了離心機工作狀態與動平 衡試驗狀態下支承反力的差異,提出了碟式分離機整機現場平衡的校正方法並證明了該方法的實用性和準確性。

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