转鼓是卧式沉降过滤式离心机的核心部件，它对设备的脱水效果、处理能力、差速器选型以及螺旋结构设计均有重要的影响。基于转鼓的重要性以及在工况条件下转鼓作为高速旋转部件这一特点，在设计研究转鼓时，需要对转鼓的力学性能进行分析，同时也要对在一定条件下转鼓的强度和形变进行研究。转鼓强度的研究可以指导转鼓材料的选取，以及转鼓壁厚的优化设计。如果转鼓变形过大，一方面会加速转鼓的损坏，影响设备使用寿命，增加环境噪声，另一方面也会与其他部件如螺旋输送器等，造成干涉，导致整机不能正常运转，脱水效果变差。因此，转鼓力学性能的研究对设备的稳定性及性能的提升有很大的作用。

1 卧式沉降过滤式离心机及转鼓结构

1.1 卧式沉降过滤式离心机

卧式沉降过滤式离心机是一种广泛应用于选煤行业的新型离心脱水机，它与卧螺离心机相比，在结构上多出一段过滤段。从脱水原理而言，卧式沉降过滤式离心机利用了离心沉降和离心过滤两种脱水原理，保证了脱水效果。在选煤行业中，卧式沉降过滤式离心机主要针对浮选精煤、浮选中煤、旋流器底流和煤泥等＜0.5mm的细粒级物料脱水，通过与压滤机和浓缩机组成联合脱水工艺，保证洗煤厂的资源回收和洗水闭路循环。

卧式沉降过滤式离心机由入料系统、主机、润滑系统、排料系统、保护系统、控制系统组成。转鼓由两个主轴承支撑在机座上，两个滑动轴承安装在转鼓和螺旋之间起连接作用，主电动机带动安装在转鼓上的皮带轮，进而带动转鼓高速旋转，左端行星差速器外壳与转鼓连接，其输出轴带动螺旋输送器与转鼓做同向但不同速的转动。具体工作过程分两个阶段：煤泥水从入料管进入设备内部，通过布料孔均匀分布在转鼓与螺旋之间的内腔内，转鼓高速旋转产生极大离心力，煤泥在离心力作用下沉降到转鼓内壁，沉降液通过溢流堰排出，第一阶段沉降脱水完成。煤泥随着螺旋输送器向过滤段运动，在过滤段内煤泥再进行一次过滤脱水，随后由排料口排出，至此第二阶段脱水完成。

1.2 卧式沉降过滤式离心机转鼓

卧式沉降过滤式离心机的转鼓是一个关键部件，转鼓的结构参数是理论分析的重要内容，转鼓对于设备的处理能力、脱水效果、差速器选型以及螺旋输送器的受力和转矩均有重要的影响。转鼓的结构包括三部分，即沉降段、过滤段和锥段。

在实际工况条件下，转鼓是一个高速回转的壳体。同时转鼓内部沉降段部分充满待处理煤泥，锥段的大端部分是待处理煤泥，靠近小端部分是进行沉降脱水后的初步脱水煤泥，而过滤段除了初步脱水煤泥，还有粘贴在过滤段转鼓内壁上的筛网。

2 转鼓的载荷

转鼓高速旋转，形成一个离心力场，离心力场的基本特性可以由离心力，煤泥水、筛网及煤泥对转鼓内壁施加的压力和哥氏力来进行分析说明。

2.1 离心力

离心力计算公式为：Fc=mrw²，式中：m为物体质量，单位kg；r为物体旋转半径，单位m；w为物体回转角速度，单位rad/s。

卧式沉降过滤式离心机转鼓沉降段的直径为1600mm，转鼓转速n=747r/min，转鼓三段的同轴角速度w=747×2π/60=78rad/s，有限元模型分析时将离心力载荷分别施加到转鼓沉降段、转鼓锥段及转鼓过滤段，由于转鼓高速旋转，转鼓自重与受到的离心力相比很小，所以在分析时忽略转鼓自身重力对应力和形变的影响。

2.2 煤泥水及煤泥对各段转鼓内壁施加的离心力

当离心机工作时，转鼓内的煤泥水和煤泥在离心力的作用下紧贴转鼓内壁，对转鼓内壁施加很大的压力，这个压力就是煤泥水及煤泥施加给转鼓内壁的压力（离心液压）。

2.3 哥氏力

在转鼓内，煤泥水及煤泥以螺旋线的方式进行运动，所以需要分析哥氏力Fk，哥氏力来源于哥氏加速度，哥氏加速度的产生，是因为质点除了作径向运动，质点也作圆周运动。哥氏力计算公式如下：Fk=mak=2mwVr，式中：Vr为质点的径向速度；ak为哥氏加速度，方向与Vr垂直。

经过计算，哥氏力较小，由哥氏力产生的这部分载荷忽略不计。

2.4 过滤段内壁筛网对转鼓的压力

筛网质量较小，过滤段转鼓旋转半径小，在同轴旋转条件下，筛网产生的压力相较于煤泥水和煤泥产生的压力要小很多，因此可以忽略不计，对后期合理性的分析不产生影响。

3 分析方法与设计准则

3.1 分析方法

在一定条件下，转鼓在离心力场中受到的是恒定不变的载荷。根据这一特点，可以采用静力学分析方法。精力分析是计算在恒定不变的载荷作用下结构的效应。一般而言，静力分析时考虑的载荷包括外界对结构施加的力，位移（约束），结构本身存在的惯性力和温度载荷。静力分析包括线性分析和非线性分析两种。卧式沉降过滤式离心机转鼓的力学性能分析是在一定静力载荷下对转鼓整体结构应力情况、位移变化情况、强度条件、径向变形、轴向形变的线性静力学的分析。

3.2 设计准则

转鼓为柱-锥-柱结构，受到的载荷沿径向由内向外。因此，可以将转鼓看作是一个特殊的压力容器。所以转鼓力学性能设计准则可参照压力容器的分析设计方法。压力容器应力分析方法将应力分成了一次应力、二次应力、峰值应力。研究与设计时，转鼓材料采用35°钢，此材料的许用应力为230MPa。

卧式沉降过滤式离心机转鼓力学性能分析，主要是分析转鼓鼓壁径向位移、转鼓轴向位移和应力强度，考虑到有危害较小的弯曲应力部分，所以应力强度取其许用值为345MPa。

4 静力分析

转鼓结构参数取自于大型卧式沉降过滤式离心机。根据理论分析，卧式沉降过滤式离心机转鼓的结构参数为：沉降段转鼓内直径为1600mm，沉降段长度为910mm，锥段长度为540mm，锥段半锥角为13°，过滤段长度为1180mm，内直径为1350mm。以转鼓大端（沉降段计算）计算在分离因数Fr=500的条件下，转鼓转速n=747r/min。根据计算得出的结构参数，建立卧式沉降过滤式离心机转鼓的三维模。由于煤泥水和煤泥在转鼓内部分布均匀，且转鼓是一个轴对称结构。所以在对卧式沉降过滤式离心机转鼓进行有限元分析时，可以把转鼓模型简化为一半。

通过有限元分析可知，转鼓在正常工况下，整体向外扩张，即转鼓受到各种载荷，导致径向变形，而且是一种对称的形变。转鼓的轴向形变为0.533mm，发生在溢流堰处。转鼓整体的径向位移（径向扩张）非常小，鼓壁径向形变为0.355mm，对螺旋叶片与转鼓内壁之间间距的影响很小。应力强度为134MPa，主要集中在溢流堰周围以及转鼓大端中心轴处和过滤段开孔部位。

5 结论

利用理论计算的转鼓结构参数建立了转鼓三维实体模型，在工况条件下对转鼓受到的载荷进行分类计算，以静力学分析、压力容器设计以及有限元为基础对转鼓进行了力学性能分析，结论如下：

（1）转鼓应力在合理安全的范围内。其应力强度为134MPa，小于材料的许用应力强度230MPa。

（2）转鼓径向形变为0.355mm，不影响螺旋输送煤泥。转鼓轴向形变为0.533mm，发生在溢流堰处。

（3）由于转鼓对整机功耗影响较大，因此后续的改进可在不影响转鼓强度的条件下，适当减小转鼓壁厚，减轻转鼓的重量，从而降低功耗。

（4）转鼓沉降段溢流堰，过滤段开孔处及中心轴处需要后续改进研究，以增强局部的强度。