冯美贵，朱迪斯，翁 炜，2，黄玉文

(1．北京探矿工程研究所，北京100083;2．中国地质大学〈北京〉，北京100083)

离心机在地质钻探过程中用于冲洗液固液相分离，作为一种冲洗液固控设备［1～4］，在地质钻探作业中有着非常重要的作用。目前地质钻探现场广泛使用的是卧式螺旋离心机，我们在自行研制的350规格离心机的基础上，经过多次的优化改进设计，在中国地质调查局组织实施的国家地质矿产调查评价项目“柴达木地区矿产勘查钻探工艺技术集成研究与示范”资助下，针对柴达木地区地层特性和钻探要求，研制出了处理量为0.5～2 m3/h，小型化、轻型化、模块化并易于搬迁的TGLW220×660型离心机。由于TGLW220×660型离心机的转鼓、螺旋推进器、箱体、机罩、机架等主要部件遵循小型化、轻型化设计，并且转速较高，在现场使用过程中，确保离心机的安全可靠性［5］尤其重要。转鼓是离心机的重要部件，因此有必要对TGLW220×660型离心机的转鼓进行强度分析，避免过高的应力使旋转的转鼓发生崩裂，引起严重的安全事故。本文主要用有限元模拟仿真分析方法和传统理论强度分析分别校核TGLW220×660型离心机转鼓设计的合理性和可靠性。

1 TGLW220×660型离心机转鼓有限元分析

1．1 三维有限元实体模型建立

1．1．1 转鼓基本参数

1．1．1．1 转鼓结构和工作参数

TGLW220×660型离心机的转鼓结构和工作参数为:内径D=220 mm，壁厚t=6 mm，有效总长度L=660 mm，长径比 L/D=3，半锥角 α =9°，转鼓转速n=3000 r/min，外形为圆柱锥形。

1．1．1．2 转鼓材料特性

转鼓材料为0Cr18Ni9，许用应力为205 MPa。

1．1．2 转鼓三维模型简化

本文研制的TGLW220×660型离心机的转鼓三维实体模型见图1。从图1可以看出，转鼓是轴对称结构，转鼓承受的负载也对称于旋转轴。由于转鼓焊接部位已达到足够的刚度，因此对进行TGLW220×660型离心机的转鼓进行三维有限元模拟仿真分析时可将模型简化处理为整体结构，将螺钉螺栓等连接处及工艺孔变为整体;在一些非应力集中或非重点分析的地方去除圆角和倒角，去除不影响刚度的凸台结构，简化后得到图2所示的三维实体模型。

图1 TGLW220×660型离心机转鼓三维实体模型

图2 TGLW220×660型离心机转鼓简化后三维模型

1．1．3 有限元分析的边界条件

TGLW220×660型离心机的转鼓是轴对称结构，它是靠转鼓圆柱锥两端的轴承支撑且绕轴承面转动的，因此在转鼓圆柱筒端和锥筒端盖枢轴的轴颈与轴承接触处施加轴承支撑约束;并且分别在转鼓柱筒端盖、锥筒端盖最外侧施加滑杆约束，以约束转鼓轴向移动。

1．1．4 转鼓载荷

1．1．4．1 转鼓自身质量产生的离心力

在分析中，高速回转下的转鼓鼓体本身质量所产生的离心力以角速度的形式施加于转鼓的有限元三维模型上，即:

式中:n——转鼓转速，3000 r/min。

1．1．4．2 转鼓内冲洗液质量产生的离心力

在离心力作用下，冲洗液沿径向运动对转鼓壁形成方向垂直于转鼓内表面的压力。圆柱筒中的冲洗液在筒壁内表面产生的离心力为:

式中:pc——转鼓筒中被分离冲洗液的密度，1085 kg/m3;R——转鼓内半径，0.11 m;R0——转鼓回转时冲洗液环的自由表面半径，0.092 m。

转鼓锥段筒体壁上和转鼓大端盖的任意半径处仍用上式，垂直于转鼓作用面处内表面以线性载荷施加到有限元模型上。

1．1．5 转鼓网格划分

TGLW220×660型离心机的转鼓网格划分后的三维有限元模型如图3所示。模型中，网格单元大小为16 mm，公差为0.80 mm，最终有限元模型节总数35806，单元总数18485。并通过对网格高宽比和雅可比的分析，得到了螺旋输送器网格质量较好的结论。

图3 简化转鼓网格划分后的三维有限元模型

1．2 转鼓有限元模拟仿真结果分析

在正常工况下，对TGLW220×660型离心机的转鼓离心机进行模拟仿真分析，得到应力－应变、安全系数、位移仿真云图分别见图4～7。

图4 TGLW220×660型离心机的转鼓Von－Mises应力云图

图5 TGLW220×660型离心机的转鼓应变云图

图6 TGLW220×660型离心机的转鼓安全系数云图

图7 TGLW220×660型离心机的转鼓轴向位移云图

由应力云图可知，最大应力为21 MPa;由转鼓安全系数云图可知，转鼓的最小安全系数为11.41，在靠近大端鼓底的柱形筒体的内壁上，并且整个圆柱体上的应力水平都比锥段筒体、顶盖和转鼓底的应力高，最大应力小于材料的许用应力205 MPa。由此可知最大径向位移和最大轴向位移均在允许变形范围内，表明转鼓的工作过程是安全可靠的。由应变云图可知，圆柱形筒体向外扩张，转鼓在正常工作状态下，最大径向位移发生在筒体上，转鼓变形不明显，满足刚度要求。由轴向位移云图可知，靠近大端盖的柱形筒体的内壁上值为0.01265 mm。

因此从TGLW220×660型离心机的转鼓三维有限元模拟仿真分析结果可以得出，在正常工况下转鼓满足强度要求，表明在现场使用过程中，离心机的转鼓是安全可靠的。

2 TGLW220×660型离心机转鼓的传统理论强度校核验算

2．1 转鼓旋转时转鼓内的环向应力

TGLW220×660型离心机的转鼓正常旋转时转鼓内的环向应力［6］可分为:空转鼓旋转时鼓壁内的环向应力、圆柱锥形转鼓内由冲洗液等载荷离心压力产生的鼓壁环向应力2种情况。

2．1．1 空转鼓旋转时鼓壁内的环向应力

2．1．2 圆柱锥形转鼓内由冲洗液等载荷离心压力产生的鼓壁环向应力

式中:q——鼓壁开孔引起的表观密度减小系数，1;ρ1——转鼓材料密度，7.85 g/cm3;r2——转鼓壁平均半径，113 mm;ω——转鼓旋转角速度，314 rad/s;ρ2——冲洗液的密度，1.085 g/m3;r1——转鼓内半径，110 mm;r3——冲洗液环的内半径，92 mm;δ——转鼓壁厚度，6 mm;α——半锥角，9°。

2．2 转鼓强度验算

圆柱锥形转鼓的环向总应力:

式中:K——焊缝系数，0.95;［σ］——转鼓材料0Cr18Ni9 的许用应力，取 0.33σb=171.6 MPa，0.50σs=102.5 MPa两值中的小者，即［σ］=102.5 MPa。

以上传统理论强度校核验证了TGLW220×660型离心机在正常工况下，转鼓的设计是合理、安全可靠的;同时也进一步验证了利用有限元分析方法进行强度校核的可靠性和直观性。

3 结论

(1)本文用有限元分析方法对TGLW220×660型离心机的关键部件转鼓建立了三维实体模型，进行了三维有限元分析与模拟仿真;分析结果得出，在正常工况下TGLW220×660型离心机的转鼓满足强度要求，表明在现场使用过程中，TGLW220×660型离心机的转鼓是安全可靠的。

(2)利用传统理论强度分析方法对TGLW220×660型离心机的关键部件转鼓进行了校核验算，验证了转鼓的安全性，同时也验证了三维有限元模拟仿真分析方法的可靠性和直观性。

(3)传统理论强度分析和三维有限元分析与模拟仿真同时验证了本文研制的TGLW220×660型离心机转鼓设计的合理性和安全可靠性，为TGLW220×660型离心机在现场安全使用提供了重要的理论依据。

［1］ 贾军．中国大陆科学钻探先导孔及扩孔钻井泥浆工艺［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2013，40(3):57 －60．

［2］ 龚伟安．钻井液固相控制技术与设备［M］．北京:石油工业出版社，1995．49 －53，316 －322．

［3］ 韩滨．ZYK－160型钻井液固控系统的研究与设计［D］．黑龙江大庆:大庆石油学院，2007．

［4］ 张金昌，刘凡柏，冉恒谦，等．2000 m地质岩心钻探关键技术与装备［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2012，39(1):3 －6．

［5］ 孙启才，金鼎五．离心机原理结构与设计计算［M］．北京:机械工业出版社，1987．130 －209．

［6］ JB/T 8051－2008，离心机转鼓强度计算规范［S］．