大連理工大學 碩士學位論文 立式螺旋卸料沉降離心機的研制 姓名 張臘明 申請學位級別 碩士 專業 機械電子工程 指導教師 佟宇 20071201 大連理工大學碩士學位論文 摘要 離心機是分離行業不可缺少的重要設備之一 本課題針對進口立式離心機中的轉子 受軸力和扭矩較大等常見問題 結合金剛砂固相顆粒的提取之需要 展開了對立式螺旋 卸料沉降離心機的設計研究工作 具有重要的工程應用實際意義 首先 在充分了解離心機基本工作原理及其動力學理論的基礎上 以臥式螺旋離心 機中的經驗和試驗數據為參考依據 初步選擇了設計樣機的技術參數值 同時 通過對 比分析確定了密封件 減震器等外購件 對轉鼓 推料器等零部件進行了P r o E 建模 并制定了整體結構方案 完成了離心機的虛擬裝配工作 其次 找出了離心機中影響轉子軸向力和力矩的因素 以軸向力最小 推料力矩最 小 效率最大為目標函數 建立了多目標優化數學模型 在編程環境下完成了離心機技 術參數的優化求解工作 并對優化結果與參數取特定值的計算結果做了比較分析 理論 上驗證了優化后的離心機軸向力和力矩有顯著降低 然后 對離心機中的關鍵零部件做了有限元分析 針對推料器的偏心距較大引起的 畸變現象 采取調整螺旋葉片位置的方式加以改進 轉鼓壁厚采用試算法加以確定 對 應力分布不合理的零件做進一步的結構修改 三維模型設計完成后 對樣機的生產能力 進行了計算和校核 完成了離心機啟動和運轉功率的計算 并在此基礎上選擇了驅動電 機 最后 針對實驗室環境下的轉速差可調要求 采取了上位機 P C 機 和下位機 P L c 共同調速方案 上位機提供人機界面 完成速度的設定及顯示等工作 下位機負責具體 的控制和調節工作 上下位機采用R S 2 3 2 串行通訊方式 并對每幀數據進行校核 以 確保數據的正確性 另外 在上位機通訊協議棧的編寫中 引入了狀態機技術 通過將 通訊協議棧抽象為有序的不同狀態和行為 可模擬狀態機實現通訊處理功能 測試表明 狀態機在P C 機軟件中運行可靠 穩定性好 并且其狀態行為具有可繼承性 關鍵詞 立式螺旋卸料沉降離心機 多目標優化 有限元分析 控制 狀態機 立式螺旋卸料沉降離心機的研制 R e s e a r c ho nV e r t i c a lS e t t l i n gC e n t r i f u g ew i t hS c r e wP r e c i p i t a t eD i s c h a r g e A b s t r a c t C e n t r i f u g ei so n eo ft h ee s s e n t i a le q u i p m e n ti ns e p a r a t i o ni n d u s t r y F o rt h er e q u i r e m e n t o fr e c o v e r i n gc a r b o r u n d u mp a r t i c l e sf z o mt h es o l i d l i q u i dm i x l l l r e a n ds o l v i n gt h e p r o b l e m s s u c ha sl a r g ea x i a lf o r c ea n df o r c em o m e n te x i s t e di nv e r t i c a lc e n t r i f u g e s o m e r e s e a r c ho nt h ev e r t i c a ls e t t l i n gc e n t r i f u g ew i t hs c r I 漸p r e c i p i t a t ed i s c h a r g ei sd o n ei nt h i s p a p e r w h i c hh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nf i e l d F i r s t l y t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec e n t r i f u g ei sf o u n do u La n dt h ei m p o r t a n t t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ef i x e do np r i m a r yb a s e do ne x t 把r i e n c e a n dt h e n t h er o t o rb o w l s c r e wc o n v e y o ra n do t h e rp a r t sa r ed e s i g n e do nP r o Ep l a t f o r ma n da s s e m b l e dt oi n t e g e r a c c o r d i n gt oo v e r a l la r r a n g e m e n ta n ds c h e m e S e c o n d l y i no r d e rt om i n i m i z et h ea x i a lf o r c ea n df o r c em o m e n to ft h eS C r e Wc o n v e y o r am a t h e m a t i c a lm o d a lf o rt h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o ni se s t a b l i s h 舐w h i c hc o n s i d e r s m m u n m m g t h ef o r c em o m e n ta n da x i a lf o r c ea sw e l la sm a x i m i z i n gt h ee f f i c i e n c yo f p r e c i p i t a t ed i s c h a r g e t h e ni ti ss o l v e do nM a t h e m a t i e aa n dM A T L A Bp l a t f o r m A f t e rt h a t t h e w o r ko fc o m p a r i n gt h er e s u l t sf r o mo p t i m i z a t i o na n do t h e rc a l c u l a t i o n sO Bs p e c i a lp o i n t sa r e f i n i s h e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e t h e o r e t i c a x i a l f o r c ea n df o r c em o m e n ta r er e d u c e d r e m a r k a b l y T h i r d l y t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to f t h ei m p o r t a n tp a r t sa r ea n a l y s i s e du s i n gs o i t w a l e A N S Y Si nt h i sp a p e r B e c a u s eo ft h ee c c e n t r i c i t yc o n s i s t e di nS C r 倒Vc o n v e y o re n t i t y a b e r r a t i o na p p e a r si ni t sF i n i t eE l e m e n t F E m o d e l as t r a t e g yo fr e s e t t i n gt h ep l a c eo ft h e S C r f f t Vv a n et or e d u c et h ei m b a l a n c ei sp r e s e n ti nt h ep a p e r F u r t h e r m o r e f o rt h es a k eo f f i n d i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a x i m a ls t r e s s S 玳T a n dt h et h i c k n e s so fr o t o rb o w l a s e r i e so f b o w lF Em o d e li sb u i l ta n ds o l v e d A i t c rF Ea n a l y z i n g c h e c k i n gu pt h et h r o u g h p u t o ft h es a m p l ea n dc a l c u l a t i n gt h ep o w e rw h i c hp r o v i d ed a t af o rc h o o s i n gt h em o t o ra l e f i n i s h e d F i n a l l y t h ec o n t r o ls y s t e mt h a ti sc o m p o s e do fP Ca n dP L Ci sd e s c r i b e di nt h el a s t s 茗t i o no f t h ep a p e r P Cs o R w a r ep r o v i d e sm a n m a c h i n ei n t 髓 f a c e a n dp e r f o r m ss p e e ds e t t i n g a n dd i s p l a y i n g P L Ct a k e sc h a r g eo fc o n t r o l l i n ga n d 刪u s t i n gs p e e d T h ec o m m u n i a t i o n b e t w e e nP Ca n dP L CU S eR S 一2 3 2i n t e r f a c e a n de v e r yf i a m co f d a t ai sv e r i f i e dw i t hF C Sc o d e t ol l l a k es l l r t h ec o r r e c t n e s so ft h em a s s a g e I na d d i t i o n f i n i t es t a t em a c h i n e F S M m e t h o d o l o g yi si n t r o d u c e di nt h es t a c kp r o g r a m m e C o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a c ki sd i v i d e d I I 大連理工大學碩士學位論文 i n t oal o to fs t a t e sa n da c t i o n s s ot h a t i tc a ns i m u l a t eF S M T h et e s ts h o wt h a tF S Mm a k e s t h es o f t w a r ew o r kr e l i a b l ya n ds t a b i l i t y K e yW o r d s V e r t i c a ls e t t l i n gc e n t r i f u g ew i t hs c r e wp r e c i p i t a t ed i s c h a r g e M u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n F i n i t eE l e m e n ta n a l y s i s C o n t r o l F i n i t eS t a t eM a c h i n e F S M 獨創性說明 作者鄭重聲明 本碩士學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工 作及取得研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經發表或撰寫的研究成果 也不包含為獲得大連理 工大學或者其他單位的學位或證書所使用過的材料 與我一同工作的同志 對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意 作者簽名 緩勻噬絲日期 出墮 蘭 大連理工大學碩士研究生學位論文 大連理工大學學位論文版權使用授權書 本學位論文作者及指導教師完全了解 大連理工大學碩士 博士學位 論文版權使用規定 同意大連理工大學保留并向國家有關部門或機構送 交學位論文的復印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權大連理 工大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索 也 可采用影印 縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論文 作者簽名 弛作者簽名 擎纜c 6 1 絲趁 導師簽名 乏壹經 大連理工大學碩士學位論文 1緒論 1 1 研究背景及意義 1 1 1 課題的研究背景 實現離心分離操作的機械稱為離心機 離心分離的機理在于不同物質在離心力作 用下的受力不同 離心機主要用來處理液 固 液 液 液 液 固等兩相物或三相物的分 離 離心機與其他分離機械相比 不僅能夠得到含濕量較低的固體和較高純度的液相 而且能夠節省勞動力 降級勞動強度 同時使勞動條件和勞動環境得到很好的改善 離 心機還具有處理量大 可連續運轉 操作簡單 自動化程度高 占地少等優點 因此 離心機已廣泛用于化工 石油化工 石油煉制 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 石油鉆井泥漿的回收 放 射性元素的濃縮 三廢治理中的污泥脫水 各種石油化工產品的制造 各種抗菌素 淀 粉及農藥的制造 牛奶 酵母 啤酒 果汁 砂糖 桔油 食用動物油 米糠油等食品 的制造 織品 纖維脫水及合成纖維的制造 各種潤滑油 燃料油的提純等都使用離心 機 目前 離心機的品種繁多 各有特色 并正在向提高技術參數 系列化 自動化方 向發展 專用機種也越來越多 離心機已成為國民經濟各個部門廣泛應用的一種通用機 械口j J 捌 我國對螺旋離心機的研究與國外相比 起步比較晚 7 0 年代才開始從國外引進 8 0 年代 開始重視螺旋卸料沉降式離心機的發展 些科研工作者開始研究國外臥式螺旋 卸料沉降離心機 以下簡稱臥螺離心機 的發展動態并進行測繪 測得德國F I O T T W E 公司 美國S H A P L E S S 公司 法國G U I N A R D 公司 瑞典A L F A 公司等國外著名公司 生產的各種規格的臥螺離心機 并進行了仿 l t 6 j 九十年代已能自己研制生產臥螺離心 機 出現了W L 2 0 0 W L l 0 0 0 L W B 5 0 0 L W G 5 0 0 等型號的產品 而在立式螺旋卸料 沉降離心機 以下簡稱立螺離心機 的研究方面 投入并不多 相關資料也少見 公司 投入使用的立螺離心機基本上都從國外進口 自主研發的很少 究其原因 筆者認為主 要有如下兩個 一是工業廢水的處理和石油化工行業的迅猛發展 對臥螺離心機的需求 量較大 單位和高校投入的資金和人力也多 二是立螺離心機中現今普遍存在零部件壽 命相對較短 效率不高等問題 國外進1 2 1 的立螺離心機也經常在運轉過程中出現故障 7 這些因素使得立螺離心機發展進程緩慢 但在某些場合 如可用地面積小 實驗室環境 下難分離物的提取等 立螺離心機顯得非常有優勢 立螺離心機不僅具備臥螺離心機的 立式螺旋卸料沉降離心機的研制 特點 而且占用空間小 因此 在現有條件下 針對上述問題 進一步研究新型結構的 立螺離心機迫在眉睫 1 1 2 課題的研究目的和意義 目前 我國投入使用的立螺離心機基本上都是從國外引進 國產立螺離心機尚在工 業性試驗階段 進口設備價格高 而且配件依賴進口的周期長 如果配件準備不充分 將會影響生產 并且 在進口設備中也經常出現各種故障 造成檢修頻繁 直接影響生 產的正常運行 據相關參考文獻分析 進口立螺離心機中的常見問題有 1 離心機下部組件磨損厲害 下部組件主要指軸承組件 止推墊等 參考文獻 7 中指出 由日本進口的巴工業株式會社生產的立式離心機 止推墊的使用時間僅為2 3 個月 軸承組件的實際使用壽命最長僅為半年 2 轉子內部受力過大 扭矩桿振動較強烈 甚至出現卡死現象 主要原因在于轉 子內物料堆積 造成推力加大 引起扭矩增加 振動增強 3 轉子底部腐蝕嚴重 容易出現點蝕現象 針對上述立螺離心機中存在的實際問題 結合大連理工大學材料學院實驗室對金剛 砂固體顆粒提取之需要 本文開展了立螺離心機的設計研究工作 具有工程應用實際意 義 同時 立螺離心機的研究涉及到流體動力學 材料科學 數學優化 有限元分析 自動化控制等多方面內容 具有廣泛的理論和學術意義 目前 國內在臥螺離心機的設計和研究方面取得了豐富的理論研究成果和良好的實 際應用價值 本文在參考了多種臥式離心機設計思想的基礎上 在滿足金剛砂特殊材料 的分離要求及實驗室環境下轉速差可調的前提下 擬在離心機整體結構設計 技術參數 優化 及無級調速方面做嘗試 最終目標的是要解決離心機的堵渣問題 盡可能最小化 離心機的內部受力 建立方便的調速系統 本文研制的立螺離心機的技術指標為 1 最高轉速 4 5 0 0 r m i m 2 轉鼓與推料器轉速差可調 最小調節范圍 5 l O r m i m 3 轉鼓內徑 0 3 2 m 4 轉鼓長度 0 7 m 4 8 m 5 離心機處理能力 0 5 m 3 h 3 m 3 h 與同類離心機相比 本樣機的分離因數高 可分離小尺寸固相物 對較難分離物亦 適應 出渣口徑大 直接將沉渣甩出轉鼓 一般不會出現堵渣現象 對技術參數進行了 多目標優化 推料力矩和軸力相對較小 出渣效率也有保障 轉鼓與推料器轉速差可調 可視化軟件編寫上位機軟件 調速簡單 方便 大連理工大學碩士學位論文 1 2 螺旋卸料沉降離心機的研究現狀 1 2 1 國內研究現狀 國內對螺旋卸料離心機的研究起步比較晚 8 0 年代才開始仿制國外技術 9 0 年代 才有了自己的產品 但隨著工業和國民經濟的發展 近些年來 對臥螺離心機的研究與 日俱增 研究機構和生產單位也層出不窮 重慶江北機械廠引進了法國堅納公司技術 取得了不錯的成績 金華鐵路機械廠研制了系列離心機產品 上海離心機研究所已經生 產出大長徑比的螺旋卸科沉降式離心機系列產品 顯著提高了固液分離效果 同時 很 多高校也相繼投入到螺旋卸料離心機的研究當中 其中以北京化工大學做的工作最多 取得了不少的成果 總結前人工作 對螺旋卸料沉降離心機的研究主要在如下幾個方面 展開 1 離心機結構的有限元分析 浙江大學劉天豐 童水光等對臥螺離心機的轉鼓進行參數化建模 以這些參數為設 計變量 以幾何 強度和剛度要求為約束條件 以轉鼓的轉動慣量為耳標函數 基于有 限元分析計算 對轉鼓結構的幾何尺寸進行優化設計 取得了良好的效果 8 長沙理工大學汽車與機械工程學院李白光 毛文貴等人應用V 缸l f t lN a s t r a n 有限元仿 真軟件對臥螺離心機轉鼓虛擬樣機模型在三種工況下進行應力應變仿真分析 得到了轉 鼓的最大應力和徑向位移的分布情況 并在此基礎上優化轉鼓壁厚 減輕離心機質量 對離心機結構優化具有理論的指導意義 9 北京化工大學化工過程機械專業的董俊華等研究工作者對臥式螺旋離心機的轉鼓 與螺旋輸送器做了有限元分析 并轉寫了相關碩士學位論文 2 離心機的振動特性研究 離心機中的振動歷來是遏制高速離心機發展的主要因素 不少研究人員也在這方面 做了大量的研究工作 上海交通大學黃文偉等在充分分析離心機轉子 支撐系統振動特性的基礎上 研究 有了一種轉子系統振動故障診斷的特征分析方法 1 0 浙江大學賀世正在對臥式離心機產生振動的原因進行分析研究的基礎上 提出了從 整機平衡 動力減振和隔振三方面著手的減振方法 并介紹了這些方法的基本思路和實際 使用效果 H o 3 1 離心機的強度分析 離心機強度方面所從事的工作主要是轉鼓和推料器的強度計算方法的研究 不少研 究人員在這方面也做了大量工作 取得了不少成果 如 北京化工大學黃志新等人采用 立式螺旋卸料沉降離心機的研制 五因素四水平的正交試驗法 找出了影響螺旋推進器強度的主要因素 經多變量擬合 得 到了離心力作用下螺旋推進器的強度計算公式 1 4 動力學理論研究 動力學理論研究主要包括轉鼓參數對模態的影響 固相顆粒的動力學特性研究 離 心機參數對分離效果的影響等 南京綠州機器廠臥螺離心機設計所的顏春敏 黎長山定性地分析了臥螺離心機的沉 渣輸送與其轉鼓的錐角 螺旋推料器葉片的傾角口 葉片的螺距 液池半徑r 及差轉 速A 甩之間的關系 闡述了改善臥螺離心機輸渣條件的設計思想 1 3 沈陽化工學院湯慧華 楊德武等人根據轉鼓形為柱狀的臥式螺旋卸料過濾離心機的 結構特點 通過對其濾渣進行動力學分析 從而推導出了按螺旋排渣能力計的生產能力 公式 為設計工業用螺旋卸料過濾離心機提供理論依據 1 4 國內對立螺離心機的研究不多 目前研究較多的立式離心機是立式刮刀卸料離心機 和立式振動離心機 并且大多數是在仿造國外技術 不過在不斷消化吸收引進技術的過 程中 我國的立式離心機也在逐漸發展 山東泰安煤礦機械廠和煤炭設計院都取得了不 錯的成效 但立螺離心機的國產化 還有待進一步的研究 1 2 2 國外研究現狀 國外對離心機的研究起步比較早 研究和生產單位也很多 主要的生產制造廠有法 國 西德 美國和日本的十幾家大公司 這些公司都有完整的系列產品 同時又著力發 展專用機型 產品規格系列化 使得這些公司的產品在市場上有很強的競爭力 國外 較著名的離心機生產商有 德國R O T T W E 公司 美國S H A P L E S S 公司 法國G U I N A R D 公司 瑞典A L F A 公司等 國外對離心機的研究主要體現在自動化 動力學理論研究 離心機的結構優化等方 面 自動化方面的研究主要有轉鼓與推料器的轉速差的自動化控制 如J i mB e a t t e y 在 傳統的雙電機驅動離心機的基礎上 研究設計出來了單電機驅動 并且可以自動卸料的 螺旋離心機 該離心機利用離合器 通過P L C 來控制轉鼓和推料器的轉速 可以實現 多種分離物的分離 1 6 自動化程度高 而且分離效果也比傳統離心機顯著提高 離心機中動力學理論方面的研究主要體現在通過實驗手段驗證生產能力計算方法 的可行性 如N C o m e r W a l k e r 等通過實驗方法驗證了腭論在離心機中運用的可行性 并且指出了在離心機的設計中如何計算生產能力及步驟 1 也有對推料器扭力大小的研 一4 一 大連理工大學碩士學位論文 究 如W a l l a c eW F L e u n g 對推料器所受扭矩進行了深入研究 并且通過實驗數據得 出扭矩與摩擦系數 生產能力之間的關系式 1 8 其他方面的研究 當轉鼓尺寸較大 工作轉速較高時 電動的負載較大 針對這種 情況 國外采用了雙重電極驅動 雙重電機驅動是由兩個電機協同工作 至少是在啟動 時由兩電機配合 提供啟動所需能量 在達到操作轉速后 一個電機繼續驅動 另一電 機可能閑型1 9 1 同時 也有研究人員在離心機性能優化及運行效率方面做了很多工作 1 2 0 2 1 0 2 1 另外 有研究者對液壓馬達進行改進 改進后的裝置不但可加速和控制轉鼓的轉動 同時還給差速器液壓馬達提供液壓介質 避免了多余的供液裝置的使用 J 除此以外 國外還研制出了可控制扭矩的感應電磁式差速器 硼 立式離心機的研究工作與臥式離心機研究工作相比少了很多 技術資料更是少見 生產立螺離心機的主要有美國 日本等 如日本的P 6 1 0 0 P 6 0 0 0 和P 4 0 0 0 型等產品 但實際產品的正常運轉周期并不長 參考文獻 7 中指出 由日本進口的立螺離心機也 經常在運轉過程中出現故障 1 3 本文的主要工作 本課題針對進口立螺離心機中存在的常見問題 著眼于滿足金剛砂固相顆粒提取的 實際需要 展開了對立式螺旋卸料沉降離心機的設計研究 具體工作包括如下幾個方面 1 針對螺旋卸料沉降離心機的堵渣等問題 并結合實際的設計要求 完成了離心 機的參數化建模 虛擬裝配及運動仿真工作 2 分析了立螺離心機中推料力矩和軸向力的影響因素 以軸力最小 力矩最小 效率最大為目標函數 建立了基于多目標的數學優化模型 并完成優化求解工作 3 對離心機中關鍵零部件進行了有限元分析 并分別探討了轉鼓壁厚和推料器偏 心距與離心機受力變形的關系 從而合理確定鼓壁厚度及螺旋葉片在推料器上的位置 4 對設計樣機的生產能力進行了計算和校驗 確保其滿足設計要求 對啟動功率 和運轉功率進行了計算 并在此基礎上選擇了驅動電機 5 設計了由P C 機和P L C 共同調速的控制系統 完成了上位機軟件和P L C 軟件設 計工作 并在V i s u a lc 抖6 0 平臺上編寫了基于狀態機技術的數據通訊協議棧程序 立式螺旋卸料沉降離心機的研制 2 立螺離 b 機的基本理論及結構設計 2 1 立螺離心機的基本工作原理 立式螺旋卸料沉降離心機 下文中 若無特殊說明 離心機均指立式螺旋卸料沉降 離心機 和臥式螺旋卸料沉降離心機的結構和工作原理基本相同 主要由機架 轉鼓 螺旋推料器 差速器 驅動電機 進料組件 控制系統等組成 其工作原理如圖2 1 所 示 1 推料囂 2 溢箍口 3 螺旋葉 片 4 轉鼓 5 分離液 6 出盜口 圖2 1 立式螺旋卸料沉降離心機工作原理圖 F i g 2 1W o r k i n g p r i n c i p l e d i a g r a m o f v e r t i c a ls e t t l i n g c e n t r i f u g e w i t hs c r e w p r e c i p i t a t e d i s c h a r g e 離心機工作時 轉鼓和螺旋推料器同向高速旋轉 由主 輔電機復合驅動 離心機 轉鼓直接由主電機驅動 推料器由輔助電機通過差速器與主電機共同驅動 由于差速器 的作用 使得推料器和轉鼓之間形成轉速差 待分離物進入轉鼓內后 在離心機離心場 的作用下進行沉降分離 由于轉鼓與推料器之間存在轉速差 推料器便將固體物緩緩推 出 同時在轉鼓錐段可進一步干燥脫水 最后從出渣口排出 液體則從離心機另一端的 溢流口排出 2 5 1 2 2 沉降離心機中流體動力學基本理論 1 沉降離心機轉鼓內的流體流動狀態模型 參考文獻 1 中指出 依據 活塞式 理論 認為轉鼓內液體象 活塞式 地整體向 前流動 鼓內液體在整個截面上的流速是均勻的 新進入轉鼓的液體將原有液體進行置 換 在這種流動狀態下 軸向流速按式 2 1 進行計算 6 一 大連理工大學碩士學位論文 卜鼎2 粕 l k o 二L L 2 式中 p 一離心機的容積生產能力 m 3 s 2 r l 一分別為轉鼓內半徑和自由液面半徑 n 1 2 離心場中固體粒子在液相介質中的自由沉降速度計算 固體粒子在離心力場中所受的作用力為慣性離心力與浮力之差 忽略重力 C 石 d 3 2 其所受阻力為 只 e 島V 2 d 2 因此 粒子的沉降運動方程為 M塵 三d3 腫2r C 島v2d2dt6 4 1 式中 肘一粒子的質量o 曲 v 一粒子的沉降速度 m s d 粒子的直徑 XP 一固 液密度差 p p J k g m 3 p p 分別為固相和液相的密度 k g m 3 腳一液相的回轉角速度 刪s 一粒子所在處的回轉半徑 臼一阻力系數 是雷諾準數R e 的函數 求得層流區的速度為 v d 2 A p r 0 2 r 1 8 1 J 式中 z 一液相的動力黏度 P a s 其他參數定義同上 2 3 離心機基本設計要求 最高轉速 4 5 0 0 r r a i n 轉鼓與推料器轉速差可調 最小調節范圍 5 l O r m i n 轉鼓內徑 0 3 2 m 轉鼓長度 O 7 m 加 8 m 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 立式螺旋卸料沉降離心機的研制 離心機處理能力 0 5 m 3 m m 3 m 2 4 離心機主要參數的初步選擇 立螺離心機技術參數包括結構參數和操作參數 其中操作參數指轉鼓的轉速 及轉 鼓與推料器的轉速差A n 在本離心機的設計中 給定了轉鼓的最大轉速為4 5 0 0r m A n 轉速差可調 因此只需確定其結構參數 主要指 轉鼓的最大內直徑D 轉鼓的總長度 上 轉鼓半錐角口 轉鼓溢流1 2 1 處半徑r 轉鼓出渣口處的半徑r j 以及推料器的相關 參數 2 4 1 轉鼓主要參數的選擇 根據設計要求 離心機處理能力為O 5 m 3 h 3 I n 3 h 最大轉速為4 5 0 0 r m i n 選擇轉 鼓內徑為3 2 0 m m 即B 3 2 0 m m 轉鼓長度按 口值來確定 依參考文獻 1 對于易分 離物 L D I 2 對于難分離物料 廬3 0 本文中的金剛砂混合物屬于較難分離物 依設計要求 選擇轉鼓長度L 7 5 0 m m 轉鼓的其他參數做如下選擇 1 半錐角a 一般情況下 半錐角的增大有利于降低沉渣的含水量 但同時也使 推料器的推料功率增加 通常a 5 1 5 本研制樣機初步定a 7 2 液池深度h 溢流C I 半徑r 2 液池越深則越有利于粒子的沉降 從而分離的 固體越多 效率越高 但隨著液池深度的增加 沉降區增長 干燥區長度就相應的減小 沉渣含濕量增加 通常情況下 肛 O 0 5 0 2 D 通過計算 本離心機中初步定h 3 2 m m 3 轉鼓出渣口半徑n 轉鼓出渣口半徑與沉渣的停留時間密切相關 在螺旋卸料 沉降離心機中 沉渣的停留時間為5 s 8 s 比較合適 根據這個范圍的停留時間 初步估 算出渣口半徑r 3 1 2 5 m m 2 4 2 推料器主要參數的選擇 1 螺旋頭數竹 通常情況下 螺旋頭數的增加能使輸渣效率相應的增加 但同時 也會使沉降區內的擾動增大 從而使分離液中的含固量增加 降低沉降效果 本機轉速 較高一應盡量限制擾動 因此選擇單頭螺旋 即n l 2 螺距 依參考文獻 1 介紹 螺距S 與出渣1 3 處轉鼓半徑勺有經驗關系式 S 2 r f O 3 加 8 由于r y 1 2 5 m m 代入計算得 S 7 5 m m 2 0 0 m m 初步選擇螺距為7 5 m m 在錐段采用變螺距的結構形式 可以增加沉降時間 提高分離效果 同時也可使錐段的 物料受到漸變的擠壓作用 從而減小沉渣含水量 大連理工大學碩士學位論文 3 螺旋葉片的高度脅葉片高度的選擇主要考慮兩個條件 其一是液面的最大高 度 其二是保證順利排渣 從液面的最大高度考慮 要求螺旋葉片的高度日大于3 2 r a m 從而使葉片不被完全淹沒 從排渣能力考慮 借鑒臥式沉降離心機的相關求解公式 做 如下計算 G 壘1 2 1 1 1 塹 2 6 I 3 6 0 0 P 0 8 0 門 H 一 二皇 一 2 7 石 d S A n 6 0 式中 岔一排渣量 m 3 s 口 進料量 取口 3 m 3 h p 物料密度 取p 1 0 2 0 k g m 3 P 口 沉渣密度 取p 口 1 1 0 0 k g m a S 一螺距 取S 0 0 7 5 m A n 一轉速差 取A n 5r m i r a 根據式 2 6 和 2 7 計算得H 一 1 5 3 7 m m 實際中 柱段葉片高度取為6 0 m m 對離心機技術參數的計算 以及后續章節中的轉鼓壁厚 推料力矩等復雜公式的計 算 考慮到計算量大 反復修改參數值的次數較多 本論文中 在V i s u a lc 6 0 平臺 上編寫了相關的計算軟件 一方面可以提高工作效率 另一方面也能減少運算錯誤的出 現 詳見附錄A 綜上所述 離心機各技術參數初步選擇如表2 1 所示 表2 1 技術參數初步選擇 T a b 2 1P r i m a lc h o o s eo f t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r s 2 5 離心機整體結構設計 1 轉鼓形狀確定 轉鼓的結構通常為柱狀 錐狀或者柱 錐狀 柱狀轉鼓處理能力強 澄清效果好 但 是排渣非常不方便 錐狀轉鼓雖然排渣方便 但生產能力較小 因此 本設計中采用柱 立式螺旋卸料沉降離心機的研制 錐結構 柱 錐結構的轉鼓既能順利排渣 又能兼顧處理能力要求 其結構示意圖如圖 2 2 所示 轉鼓主要由轉鼓錐段 轉鼓柱段 端蓋 上下軸承座等組成 其中轉鼓錐段 和柱段是離心機的主要工作區 工作過程中所受離心機較大 其強度應有充分保障 上 端蓋上開有溢流孔 分離后的液體由此孔流出 下端采用排渣盤結構 不但排渣量大 而且不會輕易出現堵渣的問題 圖2 2 轉鼓結構示意圖 F i g 2 2S c h e m a t i cd i a g r a mf o r t h es n u c t I l f eo f t h eb o w l 蓋 為了保障轉鼓強度 合理確定轉鼓壁厚是很關鍵的 轉鼓在運行過程中 主要受到 自身重量及轉鼓內物料在高速回轉時所產生的離心力作用 因此 轉鼓壁厚取決于自重 和物料離心力所引起的應力總和 本論文在后續章節中運用A N S Y S 軟件對轉鼓做了應 力求解分析 保證了壁厚的強度要求 在A N S Y S 軟件中施加載荷時 轉鼓自身質量所 產生的離心力以角速度的形式輸入數據 角速度的與轉速的轉換按式 2 8 進行計算 物 料離心力以離心液壓的形式作用于轉鼓內壁 其大小按式 2 9 進行計算 國 嬰 2 8 6 0 式中 u 一離心機角加速度 t a d s 7 一離心機轉速 r m i n p 當胛 2 r j 2 c 9 式中 p 一離心液壓 P a p 物料密度 1 噌 m 3 f i 一離心機角加速度 r a d s n 一轉鼓內壁半徑 大連理工大學碩士學位論文 幻 物料液面半徑 m 轉鼓錐段部分筒壁要不斷受到沉渣的摩擦作用 磨損比較大 為了減小轉鼓的磨損 在其內表面沿母線方向焊若干筋條 這不僅可以在錐段轉鼓內形成一層由沉渣構成的嚴 實保護層 而且可以防止沉渣在轉鼓上打滑 提高螺旋的輸渣性能 轉鼓是高速回轉件 除了強度有比較高的要求外 在加工組裝完畢后 需要進行動 平衡檢驗和調整 保證其運轉的平穩性和受力分布的均勻性 2 推料器的確定 推料器的主要作用是將沉渣從轉鼓小端出渣口排送出去 它主要由內鼓 螺旋葉片 排料斗及上下軸頸組成 其結構如圖2 3 所示 柱錐段螺旋葉片做成整體 焊接在內鼓上 整體式葉片不但有利順利出渣 而且可 以減小推料器的偏心量 排料斗采用斗狀結構 一方面是為了在物料進入沉降區之前先 進行預加速 當物料進入沉降區以后能較快地進入高速運轉狀態 從而加快物相的分離 同時還能減小迸料對已沉降物料攪動帶來的負面影響 另一方面斗狀結構也有利于物料 排出推料器腔體 推料器在輸渣過程中 要受到較大的軸向力和扭矩 其求解公式及計算結果將在第 四章中有詳細的論述 作用 因此 螺旋葉片的厚度應當在盡量小的情況下充分滿足強 度條件 本論文中采用試算的方法 借助A N S Y S 軟件求解推料器應力大小和分布結果 通過與許用應力值的比較分析來調整螺旋葉片的厚度 內鼓壁厚的確定主要從扭轉強度條件和剛度條件兩方面來考慮 扭轉強度按式 2 1 0 和式 2 1 1 進行計算 f 等 2 1 0 胛n 既 z D 礦4 d 4 2 1 1 式中 M 一額定最大轉矩 本文中取差速裝置的額定輸出扭矩2 6 0 0N m 嘲一材料的許用剪切應力 材料為1 C r l 8 N i 9 T i l 2 6 1 取其為4 5 M P a D 一內鼓最小外徑 取D 0 1 2 4 m 代入數據計算得 d i 1 9 m 則壁厚占 5 m m 6 D d 其剛度按式 2 1 2 和式 2 1 3 進行計算 眵 2 等爭 立式螺旋卸料沉降離心機的研制 l p 掣 2 1 3 式中 一額定最大轉矩 本文中2 6 0 0 N m 妒 一材料的許用扭轉角度 取 妒 l o m e 一材料的剪切彈性模量 材料為1 C r l 8 N i 9 T i 取其為8 1 1 0 m P a D 一內鼓最小外徑 取D 0 1 2 4 m 代入數據計算得 內徑d 一 1 2 1 m m 則壁厚J 3 m m 綜合考慮強度和剛度要求 推料器內鼓壁厚要求大于5 m m 本離心機設計中實際 取值為 l O m m 圖2 3 推料器結構示意圖 F i g 2 3 S c h e m a t i cd i a g r a mf o r t h eS t r u c t t t r eo f t h es c r wc o n v e y o r 頸 3 密封裝置的選擇 密封可分為靜密封和動密封兩大類 靜密封主要有墊密封 膠密封和直接接觸密封 三大類 根據工作壓力 靜密封又可分為中低壓靜密封和高壓靜密封 動密封可以分為 旋轉密封和往復密封兩種基本類型 按密封件與其作相對運動的零部件是否接觸 可以 分為接觸式密封和非接觸式密封 按密封件和接觸位置又可分為圓周密封和端面密封 端面密封又稱為機械密封 根據密封結構的類型 密封機理 密封件形狀和材料等 密 封可按圖2 4 進行分類 非接觸式密封的優點是沒有動 靜件間的摩擦 無磨損 運行可靠 維修方便 尤 其是阻塞型的非接觸式密封設計結構簡單 耐用 幾乎可以不用檢修 缺點是這類密封 還允許存在一定的最小泄漏量 本離心機中 下端軸承工作環境比較惡劣 對密封的要 求比較高 不宜采用非接觸式密封裝置 大連理工大學碩士學位論文 接觸式密封中 成型密封 0 型圈等 一般不用于高速情況下 而離心機最高運轉 速度達4 5 0 0 r r a i n 因此不宣選用成型密封 填料密封存在散熱及冷卻能力不夠 自動 密封 f 1 靜密封動密封 廠 廣 廠 廠 墊膠填 波 接非 密密料 紋 觸接 封封 密 管型 觸 f r 1 非 非金 金 金屬 屬屬密 密和封 封 金墊 墊屬 組 墊 防 成 軟硬機漲油 塵 型 填填械圈 密 密 辯料密密 封 封 封密密 封封 封封 圖2 4 工業密封分類圖 F i g 2 4C l a s s i f ys e a li ni n d u s t r y 補償能力差等缺點 離心機連續運轉 磨損較快 要求密封裝置具有自動補償能力 漲圈密封工作速度較低 使用壽命較短 油封密封通常只作為軸承潤滑油的密封 綜合 比較 本論文選用機械密封裝置作為高速旋轉軸承的密封裝置 機械密封具有如下優點 密封可靠 在長期運轉中密封狀態很穩定 泄露量很小 擦功率消耗小 其摩擦功率僅為軟填料密封的1 0 5 0 軸或軸套基本上不磨損 維修周期長 端面磨損后可自動補償 一般情況下不需經常性維修 抗振性好 對旋轉軸的振動以及軸對密封腔的偏斜不敏感 適用范圍廣 機械密封能用于高溫 低溫 高壓 真空 不同旋轉頻率 以及 各種腐蝕介質和含磨粒介質的密封 本論文中選用上海博格密封件有限公司的B G M H l 0 系列機械密封 該密封裝置軸 向尺寸很短 在高速設備上應用廣泛 其運行參數為 最大壓力可達2 5 M P a 線速度 可達到3 5 m s 軸向竄動量為O 5 m m 上端機械密封型號為 B G M H l 0 3 5 下端機械密 封型號為 B G M H l O 4 5 其密封裝置如圖2 5 所示 i壘刳窿密割 磁液體密封 型1 霖翥Tf6迷宮密封 Tf6螺旋密封廠0離心密封 立式螺旋卸料沉降離心機的研制 圖2 5 機械密封裝置 F i g 2 5 T h em e c h a n i c a ls e a l 圖2 6 防震橡膠座 F i g 2 6 T h es h o c ka b s o r b e r 4 減震裝置的布局 離心機中常見的故障之一就是振動過大 振動問題在很大程度上限制了離心機的轉 速提高 通常螺旋卸料沉降離心機的轉速控制在3 0 0 0 r m i n 內使用 因此在離心機整體 結構設計時 考慮添加減震裝置及如何布局減震裝置是很必要的 螺旋沉降離心機產生振動的原因較多 離心機的振動隨懸浮液動力黏度 密度及離 心機處理量的變化關系不明顯 可以不考慮上述參數對離心機振動的影響 而轉鼓轉速 對離心機振動的影響是很大的 轉速越高 振動越大 這主要是由離心機轉鼓和螺旋推 料器本身的不平衡造成的 2 7 1 本設計的離心機的最高轉速為4 5 0 0 r m i n 在螺旋沉降離 心機中屬于高速水平 因此 除了要對離心機的轉鼓和螺旋推料器做嚴格的動平衡測試 和調整外 還要合理選擇好減振裝置 本論文中 選擇上海三住B G O M A 4 0 2 5 0 P 1 0 1 3 型號的防震橡膠座做為減震裝 置 如圖2 6 所示 該防震座尺寸較小 安裝方便 容許負載較大 安裝于離心機上端 軸承座的支架上 四個防震橡膠座沿圓周方向均布安裝 5 排渣口結構設計 沉渣從轉鼓的下端隨推料器的轉動而緩緩排出轉鼓體內 排渣量的大小隨生產能力 而定 通常 排渣1 3 開設在轉鼓下端的法蘭上 如圖2 7 a 所示 這種排渣結構比較緊 湊 與下軸承座連接方便 在臥式離心機中常被采用 但是這種結構排渣口小 排渣量 少 容易出現堵塞沉渣的現象 在生產能力較大的情況下更是如此 甚至有可能將出渣 口堵死 另外 沉渣在出口處的淤積會導致推料力增大 導致離心機運轉不穩定 因此 本論文中設計了如圖2 7 b 所示支架式結構 這種結構由排料盤來過度到下軸承底座 沉渣直接由排料盤甩出轉鼓體內 可以避免出渣口堵塞的情況發生 排渣量大 排渣速 度快 大連理工大學碩士學位論文 a b 圖2 7 排渣1 3 結構方案比較 F i g 2 7C o m p a r i s o no f n l ed i f f e r e n ts t r u c t u r ef o rp r i p i t a t ed i s c h a r g e 6 整體結構方案 本樣機的整體結構設計主要從如下幾個方面著手分析 排渣 排水 進料 以及電 機的布置 排渣安排在離心機下端 并且沉渣只能由轉鼓的錐段排渣口排出 這是由離 圖2 8 離心機整體結構示意圖 F i g 2 8 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec e n t r i f u g e 立式螺旋卸料沉降離心機的研制 心機的工作原理決定的 排水口在螺旋卸料沉降離心機中