卧式螺旋卸料离心机（简称卧螺离心机），是一种高效的离心分离设备，广泛应用在石油、化工、冶金、煤炭等工业部门和污水处理工程等领域。自从第一台卧螺离心机于1954年问世后，由于其单机处理能力强、分离质量高、操作连续方便、占地面积小以及维护费用低等优点，得到了迅速发展。卧螺离心机在结构、性能、参数上变化很大，分离质量和生产能力也大大提高，在离心机领域内一直占有特殊地位。

一、卧螺离心机的结构和原理

卧螺离心机主要由转鼓、螺旋输送器、正副电机、差速器、机壳、机座等部件组成。其中转鼓和螺旋分别作为外转子和内转子同心安装，组成卧螺离心机的回转部件——转子系。转鼓支承在两端的主轴承座上，螺旋输送器则通过其轴颈两端的中介轴承安装在转鼓内，转鼓内壁与螺旋叶片外端留有微小的间隙，以防转鼓与螺旋叶片之间发生摩擦而磨损和改善物料与转鼓之间的摩擦条件以利于物料的推送。转鼓的一端由主电机带动，另一端则与差速器相连接，差速器的输出轴带动螺旋与转鼓作同向转动，但转速不同，从而实现转鼓与螺旋之间的微速差，使得螺旋可以把转鼓内的沉渣排出转鼓。为了防止卧螺离心机正常操作工况运行中发生意外而损坏，差速器一般装有过载保护装置。过载保护装置有机械式、机械液压式、电控机械式和电器过载保护装置等类型。

二、卧螺离心机的结构强度

卧螺离心机在正常操作工况下运行时，转子系会在离心作用下产生很高的应力，结构强度研究的目的在于如何合理的分布应力，减小局部应力集中，在满足强度要求的前提下优化结构以节约材料、改进分离质量和生产能力。由于转子系结构的复杂性，采用传统解析法不仅求解困难，而且结果偏保守，设计尺寸富裕量大，浪费材料，而有限元法则能很好的解决这一问题。

在转鼓强度研究方面，谭蔚等在传统强度分析计算的基础上，将压力容器应力分析评定的思想和基本原则应用到转鼓的有限元强度分析评定上，探讨了转鼓强度的评定准则；李自光等建立了转鼓的三维有限元模型，分析了转鼓壁厚对转鼓强度和径向变形的影响，结果表明在转鼓自身离心作用下的应力和位移与壁厚无关；刘天丰等以转鼓的转动惯量为目标函数，采用有限元方法对转鼓结构进行优化设计。

在螺旋研究方面，顾威等建立了螺旋的三维有限元模型，考察其正产操作工况下的强度刚度，并采用应力分类法进行应力强度评定；杨钊等对螺旋正常操作工况下的整体结构进行静力学分析，研究了导程、转速和叶片厚度对螺旋应力和变形的影响；王乐勤等在螺旋结构强度分析的基础上，进一步分析了叶片厚度和半锥角等参数对螺旋结构强度的影响，得出减薄螺旋叶片厚度、增大半锥角可提高应力强度的结论。

三、卧螺离心机的动力学特性

在机械设计中，如何确保卧螺离心机在工作转速下正常运行，首先就是确定离心机的临界转速，使其工作转速避开共振区。卧螺离心机转子系是一个由转鼓和螺旋同心安装组成的双轴耦合系统，张晓军等建立了双转子结构系统的一维有限元耦合模型，考虑陀螺效应的影响，采用QR阻尼法对其进行转子动力学分析，得到了转子系的前二阶临界转速、坎贝尔图及振型；谭蔚等针对螺旋结构的非对称性，建立螺旋的三维实体模型，进行非线性瞬态动力学分析，研究了重力和不平衡对系统振动的影响，结果表明重力作用是倍频振动的直接原因，一倍频与二倍频振动间不存在相互作用。应超等通过改变转鼓材料密度将螺旋和物料的转动惯量等效转换到转鼓的思路，建立了转鼓的三维实体模型，采用QR阻尼法得到该简化模型的前六阶临界转速、坎贝尔图及相应振型。焦国旺等采用实体单元和弹簧单元建立了卧螺离心机整机的有限元模型，求出前八阶固有频率及相应振型，并在模态分析的基础上进一步对整机进行谐响应分析，得到不同转速下不平衡量激励下的频率响应曲线，据此预测卧螺离心机在空载工况中的动态响应特性。

四、卧螺离心机的减振技术

高速回转机械的振动，历来是机械工程中的重要问题之一，卧螺离心机也不例外。刘金荣等对卧螺离心机的振动性能进行测试，得到了离心机振动的加速度有效值与离心机操作参数之间的变化关系；卢双龙等测试了卧螺离心机的轴振和瓦振数据，结果表明卧螺离心机大小端的不平衡对各自端的振动影响大、对另一端振动影响小，差速器上的不平衡、台架的设计对离心机振动影响较大，卧螺离心机转子支撑系统应视为柔性系统。

石年勋讨论了WG型离心机由于自身质量偏心以及操作条件下物料分布不均造成转子不平衡引起的振动问题，并探讨了离心机动载荷的常规确定方法和试验测量方法。在此基础上，结合隔振理论，列举了无隔振措施、大基础“吸振”、设置橡胶减振器、设置弹簧减振器4种离心机生产过程的振动实例，对比各自的优缺点；马泽民分析了离心机的扭转振动产生原因和危害，并给出了采用机械式防扭振装置、液压差速器、电路系统控制和不用任何附加装置的4种防止扭振措施；贺世正提出了从整机动平衡、动力减振和隔振三方面着手的减振方法，并介绍了这3种方法的基本思路和实际应用效果。

卧螺离心机在正常操作工况下，会因物料分布不均而产生偏心载荷，该载荷的大小、方向以及作用位置都随时间变化。王琪等应用有限元软件对卧螺离心机整机参数化建模，使用Newmark完全法进行瞬态动力学分析，模拟出离心机正常操作工况下的机械振动和动载荷特性，获得离心机对安装基础的动载荷极大值。在此基础上，杨彬等对减振器排列布局进行了优化，设计出一种具有更佳减振效果的非对称式减振器分布方案。

五、卧螺离心机的现场动平衡

对于已经投入生产的卧螺离心机，动力减振和隔振不能有效解决振动问题时，现场整机动平衡是很好的减振手段。卧螺离心机的振动信号为两个相差很小的工频振动合成的“拍振”信号。因此动平衡的关键是准确找出内外转子工频振动下各自的不平衡量大小和位置。

目前针对卧螺离心机的动平衡方法有两类：一类是充分利用“拍振”波形特点的不解拍方法；另一类是分离出两个工频振动信号的解拍方法。

当采用第一类方法试验时振动信号不解拍。张志新等基于拍振的特点，提出此不解拍整机动平衡方法，在此基础上开发出便携式现场整机动平衡仪。虽然波形的波峰波谷位置可以通过带通数字滤波得到，但实际操作中仅凭波形起伏不易找到真正的拍峰。

第二类方法是采用解拍，从拍振信号中分离出两个工频振动量。曾胜等提出了单点DFT不平衡矢量识别方法，通过理论分析确定了相关积分时间及其可能的误差。成功解拍的必要条件就是测量设备具备足够小的频率分辨率能够把内外转子的工频区分开。

六、卧螺离心机的流体动力学

卧螺离心机转鼓内流体的动力学特性与物料分离过程及效果、整机正常操作工况下的振动情况密切相关。由于螺旋的存在，卧螺离心机流体动力学的特性十分复杂，起初对卧螺离心机流场的研究是基于不同的简化条件，并没考虑螺旋的影响。关于卧螺离心机转鼓内流体动力学方面流动特性的概念主要有：活塞理论；层流理论；表面层理论；流线理论。

在这4个理论的基础上，不少学者做了相关的理论改进及实验研究。BATCHELOR建立了卧螺离心机流场运动方程的同时提出用匹配渐进展开法求解离心机流场；CATALANO等结合离心固液分离过程的理论分析和实验研究，提出采用无因次拖曳系数来评价卧螺离心机的生产能力，MADSEN做了一系列实验得出卧螺离心机中能量耗散决定其内部流动状态的结论，并给出了有效解决能量耗散问题的方法。国内学者孙启才等对卧螺离心机周向和轴向的速度分别进行了定量和定性分析，拟合出考虑转鼓角速度和液层深度因素影响的滞后系数计算公式，并修正了对卧螺离心机生产能力Σ理论计算公式；后来又实验证明了进料前预旋的方式可以改善周向速度的滞后，并且流量成倍增加。

近年来，计算机技术快速发展，计算流体动力学（CFD）方法已成为研究流体机械内部流场的重要技术手段。采用数值模拟不受限于实验研究时的测试手段与参数条件，能够对理论分析难以处理的一些特殊内部结构进行模拟，而且通过CFD结合优化理论进行过流部件的优化设计，指导结构的改进。FERNANDEZ等从简化的二维模型得到了颗粒分离流动状态，并对固体颗粒运动轨迹进行了评估；逢翀等、谭蔚等、乔琳等、马新龙等对双级活塞推料离心流场进行了深入研究，探讨了推料频率、物料浓度、转鼓转速对离心机生产能力和分离效果的影响以及出口安放角和筛网倾角对离心机内部流场的影响，并对离心机进行优化设计得到了较佳的结构参数，其模拟方法及思路可借鉴卧螺离心机的流体动力学研究上；ZHU等采用CFD方法得到了卧螺离心机转鼓内固体颗粒的浓度分布；BELL等建立了精确的卧螺离心机运输模型，可以计算螺旋输送物料的功率、扭矩和轴向力，并用实验验证了模型的准确性；GLEISS等考虑了沉积物积聚及流动模式的影响建立了逆流式卧螺离心机的分离过程的数学模型，该模型能很好与实验吻合。

黄志新等对转鼓内流场进行CFD模拟，探讨了不同结构参数和操作条件对转鼓内液体周速度滞后系数的影响，拟合出考虑有液层滞后时的轴向速率系数的计算公式；于萍等则分析了轴向速度、周向速度和径向速度与结构特性参数之间的相互关系；荆宝德等研究了卧螺离心机不同转鼓锥角条件下的速度场，结合理论设计出高效的双锥角卧螺离心机。

随着研究的深入，不少学者开始考虑螺旋的影响对卧螺离心机进行CFD模拟分析。吴蕾等建立了卧螺离心机螺旋流道内流体的湍流模型，研究了不同长径比对卧螺离心机分离性能的影响；周翠红等采用RSM模型和DPM模型，分析了卧螺离心机长径比、黏度和颗粒分布对离心脱水效率的影响，结果表明增加长径比、降低黏度有利于固液分离效果；付双成等、董连东等、朱明军等讨论了7种典型湍流模型在卧螺离心机CFD模拟中的适用分析，在此基础上基于Euler多相流模型，采用RNG k-w湍流模型及多重参考系（MRF）方法，得到了卧螺离心机内部流场的压力分布，模拟分析了卧螺离心机内固液两相体积分数的分布以及操作参数（转速、差转速）和物性参数（固相体积分析、颗粒粒径）对流场和分离性能的影响。

七、结语

国外对卧螺离心机核心技术保密，因此对卧螺离心机的技术研究鲜有报道，另一方面国外基础工业发达，所用材料性能优异，生产过程中能达到很高的加工精度及装配精度，从而使整机具有很高的稳定性和可靠性。

我国的卧螺离心机工业起步较晚，但在某些性能方面，已达到国际先进水平。然而工业发展中面临着降低能耗、资源的有效利用、环境保护等诸多问题，这对卧螺离心机的发展提出了新的挑战。在卧螺离心机现场整机动平衡方面，硬件设备的发展使测试仪器有足够小的频率分辨率以实现解拍方法，但仍没有配套的控制分析软件出现，基于解拍方法的微速差双转子测试分析系统有待研发。此外，现有的动平衡研究都是基于空载工况下进行的，而实际生产中卧螺离心机都是负载运行的，空载与负载下卧螺离心机的振动差别很大，正常操作工况下卧螺离心机的动平衡技术也有待研究。随着数值模拟的发展和研究的不断深入，已可实现基于双向流固耦合的卧螺离心机整机数值模拟分析。通过对整机三维参数化建模，结合流体流动状态，优化整机正常操作工况下的振动特性，得到整机的结构较佳参数，降低制造、运行成本，全面提高卧螺离心机的经济性、可靠性。