本科生畢業論文（設計）題目LW450F-N臥螺離心機結構設計學院化學工程學院專業過程裝備與控制工程學生姓名學號年級指導教師教務處制表二Ο一二年月日LW450F-N臥螺離心機結構設計專業:過程裝備與控制工程學生:指導教師:摘要：臥式螺旋卸料沉降離心機是一種廣泛應用于過程工業的分離懸浮液的離心分離機械。具有自動、連續操作、應用范圍廣、結構緊湊、單機生產能力大等優點。現在已廣泛應用于化工、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。本課題的任務為設計一臺臥式螺旋推料離心機，用于甲醇凈化。首先概述課題選擇的意義及國內外臥螺離心機的研究現狀。然后對其主要部件轉鼓和螺旋輸送器進行設計與計算，并對離心機的生產能力和各功率作了研究；對輔助部件，如差速器、電機、軸承等，進行選型，并完成傳動設計和密封裝置的設計。再者，對轉鼓大端蓋進行強度校核。最后對當今國內外臥式螺旋離心機的研究發展狀況進行了總結和展望。關鍵詞：臥式螺旋卸料沉降離心機；結構設計；傳動設計；強度校核StructuraldesignofLW450F-NhorizontalscrolldecantercentrifugeMajor:processequipmentandcontrolengineeringStudent:Teacher:Abstract：Horizontalscrolldecantercentrifugeisacentrifugemachinewhichiswidelyusedinprocessingindustrialseparationofslurry.It

hasautomation,a

continuousoperation,wideapplicationrange,compactstructure,largesinglecapacityofproduction

andothercharacteristics.Nowitalsohasbeenwidelyusedinchemical,petrochemicalindustry,oilrefining,lightindustry,medicine,food,textile,metallurgy,coal,mineral,marine,environmentalprotection,militaryandotherfieldsofsolid-liquidseparation.Thetopicforthetaskistodesignahorizontalscrolldecantercentrifugewhichdrumdiameteris450mmformethanolpurification.Firstly,sketchoutthemeaningofthetaskandtheresearchstatusofhorizontalscrolldecantercentrifugeinChinaandothercountriesintheWorld.Thendesignandcalculatethemainpartsofthecentrifuge,likethebowlandthehelicalconveyor,alsostudytheproductioncapacityandthepower.Forotherassistparts,suchasdifferential,electricalmachine,Bearingsandsoon,selectthemodel;accomplishtransmissiondesignandsealingequipment.Moreovercheckthestrengthofthebigend.Finally,thesituationofcurrentdomesticandforeigncentrifugeresearchanddevelopmentissummedupandexpected.KeyWords:horizontalscrolldecanter;structuraldesign;transmissiondesign;strengthcheck目錄0概述 1選題意義 1研究路線及方法 11甲醇簡介 31.1甲醇的性質 31.2甲醇的一些物性參數 3純甲醇的一些物性參數 3工業用甲醇的物性參數 3甲醇的用途 4甲醇生產工藝 4國外甲醇生產技術 5國內甲醇生產技術 5甲醇的需求 5甲醇凈化的意義 62離心機概述 7離心機發展歷程 7離心機的分類 7臥螺離心機 8臥螺離心機簡介 8臥螺離心機主要性能和技術參數 8臥螺離心機工作原理 8臥螺離心機優缺點 9臥螺離心機國內外研究情況 10國內研究 10國外研究 10國內外技術的比較 11密閉防爆臥螺離心機 113臥螺離心機參數選擇 13給定的設計條件 13主要參數 13有關沉降區參數的選擇 13液池深度的選擇 14轉鼓半錐角的選擇 14轉速差的選擇 14沉降區長度 15有關脫水區參數的選擇 15螺旋角的選擇 15螺距的選擇 15脫水區長度 15轉鼓材料的選擇 154工藝計算 17轉鼓壁的厚度計算 17生產能力的計算 17進料管設計 19離心機主要部件的質量及轉動慣量的計算 19轉鼓 19螺旋輸送器 20物料的質量 20臥螺離心機物料輸送的功率計算 20啟動轉鼓等轉動件所需功率 21啟動物料達到操作轉速所需功率 21克服軸與軸承摩擦所需功率 22克服空氣摩擦所需功率 23卸出物料所需功率 24臥螺離心機功率確定 255主要輔助部件 26電機的選型 26主電機的選型 26輔電機的選型 26差速器的選型 26皮帶輪設計 27小端皮帶輪設計 27轉鼓大端皮帶輪設計 28密封裝置 306強度計算 31轉鼓應力分析 31圓柱段應力分析 31圓錐段應力分析 31轉鼓大端蓋的強度計算 32螺旋所受軸向力的計算 35軸承選取及校核 36轉鼓小端軸承的選取及校核 36轉鼓小端軸承的選取及校核 377結論與展望 39參考文獻 40致謝 410概述選題意義甲醇是重要的化工原料，也是潔凈燃料，其用途廣泛，不僅如此，還可以作為原料生產甲醛、對二甲苯、二甲醚等多種下游產品。近年來新興的甲醇汽油，因其環保高效，得到了大力推廣。因此，我國每年需要生產大量的甲醇，才能滿足各個領域的需求。甲醇生產原料采用天然氣和煤的較多，我國又是煤豐富的國家，目前產量幾乎各占一半。此課題針對煤制甲醇工藝中，由于煤灰等顆粒物的存在，夾雜在甲醇中，致使甲醇純度不高，影響質量，所以提出用離心機分離固液混合物的方法，來對最終產物甲醇進行凈化，分離出甲醇。又因臥式螺旋離心機具有自動，連續操作，無濾網和濾布，能長期運轉，維修方便，應用范圍廣，對物料的適應性較強，結構緊湊，易于密封，單機生產能力大等優點，更使其成為凈化甲醇的首選。甲醇是易揮發、易燃、有很強毒性的物質，在用臥螺離心機進行甲醇凈化的時候，還要考慮到防爆設計，以確保生產過程的安全性。研究路線及方法查相關資料，得到分離液的物料參數，固相和液相成分，及其在室溫下的相關物性參數，為后續計算做準備。并由已知條件推得離心機的角速度和分離因數；根據標準，進行轉鼓參數設計，合理選取轉鼓的半錐角、溢流口內徑、液池深度，從而得到轉鼓筒體的結構。并按照相關要求設計出轉鼓大小端蓋、液位調節裝置；螺旋推進器的設計，合理選取螺旋頭數、螺旋角和螺距，并根據相關參數完成螺旋葉片、內筒、加料隔倉、左右軸頸的設計計算；選取轉鼓材料，查取相關參數，按照國家標準進行轉鼓圓柱段和圓錐段的強度設計，得到轉鼓的厚度；按照懸浮液生產能力公式計算臥螺離心機的生產能力，并計算啟動轉鼓等傳動件所需功率、啟動物料達到操作轉速所需功率、克服軸與軸承摩擦所需功率、克服轉鼓、物料、與空氣摩擦所需功率及卸出物料所需功率；根據計算出來的離心機總功率值，確定主電機的型號，根據卸出物料功率，確定輔電機的型號；差速器的選擇，比較各種差速器的優缺點，合理選取差速器的類型，確定傳動比，然后根據傳動特點完成設計；傳動設計，按照《機械設計》書中相關設計標準，完成主皮帶輪和輔皮帶輪的設計；根據轉鼓大小端處軸的直徑和轉速，選擇軸承的樣式和型號，然后進行校核；確定密封裝置；轉鼓錐段和柱段的應力分析；轉鼓大端蓋的強度校核；完成離心機的總結構設計。1甲醇簡介1.1甲醇的性質甲醇是最簡單的飽和醇，化學式是CH3OH，相對分子質量，常壓沸點℃，常溫常壓下是無色透明、略帶乙醇香味的揮發性液體。甲醇與水能夠互溶，在汽油中也有較大溶解度。甲醇劇毒，易燃燒，其蒸汽與空氣的混合物在一定范圍內會發生爆炸，爆炸極限為6.0%~36.5%（體積分數）。甲醇的一些物性參數純甲醇的一些物性參數條件下，純甲醇的密度，粘度。工業用甲醇的物性參數工業用甲醇的技術要求見下圖：圖1工業用甲醇的技術要求由于工業生產的甲醇大都是一等品，所以此處取甲醇懸浮液的密度為，也即是要凈化的固液混合液的密度。甲醇的用途甲醇是重要的化工原料，主要用于生產甲醚，此項生產所需用甲醇量約占甲醇消耗總量的30%~40%；其次作為甲基化劑，用于生產甲胺、甲烷氯化物、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、對苯二甲酸二甲酯等。再者甲醇羰基化可生產醋酸、酸酐、甲酸甲酯、碳酸二甲酯等。隨著碳一化工的發展，由甲醇出發合成乙二醇、乙醚、乙醇等工藝正在日益受到重視。甲醇作為重要原料在敵百蟲、甲基對硫磷、多菌靈等農藥生產中，在醫藥、染料、塑料、合成纖維等工業中有著重要的地位。甲醇還可經生物發酵生成甲醇蛋白，用作飼料添加劑。其用途細分如下：碳一化工的支柱有機化工的主要原料精細化工與高分子化工的重要原料染料工業中的應用合成樹脂與塑料工業中的應用橡膠工業中的應用化纖工業中的應用農藥工業中的應用醫藥工業中的應用生物化工制單細胞蛋白新一代燃料甲醇摻燒汽油純甲醇用于汽車燃料甲醇制汽油甲醇制甲基叔丁基醚甲醇生產工藝合成甲醇的原料路線在過去幾十年中經歷了很大的變化。20世紀50年代以前，甲醇生產多以煤和焦炭為原料，采用固定床氣化方法生產的水煤氣作為甲醇原料氣。20世紀50年代以來，天然氣和石油資源大量開采，由于天然氣便于輸送，適合于加壓操作，可降低甲醇裝置的投資和成本，在蒸汽轉化技術發展的基礎上，以天然氣為原料的甲醇生產流程被廣泛采用，至今仍為甲醇生產的最主要原料。20世紀60年代后，重油部分氧化技術有了長足進步，以重油為原料的甲醇裝置有所發展。估計今后在相當長的一段時間內，國外甲醇生產仍以烴類原料為主。從發展趨勢來看，今后煤炭為原料生產甲醇的比例會上升，煤制甲醇作液體燃料將成為其主要用途之一，也滿足綠色環保的要求。液體原料石腦油和渣油、固體原料煤炭、氣體原料天然氣和油田氣等經部分氧化法或蒸汽轉化法可制得合成氣CO和H2。在不同的催化劑存在下，選用不同的工藝條件，可以合成甲醇，將合成后的粗甲醇經預精餾脫除甲醚等副產物，精餾而制得成品甲醇。由于我國是煤炭儲量大國，因此以煤炭為原料生產甲醇的比例幾乎達到了一半。目前煤制甲醇的方法有單產甲醇法和合成氨聯產甲醇法（聯醇法），其中單產甲醇法又包括高壓法、低壓法和中壓法。國外甲醇生產技術國外甲醇多以天然氣為原料，采用低壓法工藝，主要有ICI、Lurgi、等方法，前兩種被認為是當今較為先進的甲醇生產技術，約80%的甲醇采用這兩種方法生產。近十多年來，國外甲醇生產技術發展很快，除了普遍采用低壓法操作以外，在生產規模、節能降耗、催化劑開發、過程控制等領域都有新的突破。1.4.2國內甲醇生產技術我國甲醇工業發展較晚，同發達國家相比，在生產技術和下游產品的開發利用方面都存在著較大的差距，但在生產工藝技術和產品利用開發上也都有了許多新的進步。改革開放后，甲醇工業發展也較迅速。目前，國內甲醇裝置規模普遍較小，且多采用煤頭路線；單位產能投資高，約為國外大型甲醇裝置投資的2倍，成本較高。據了解，我國有近200家甲醇生產企業，但其中10萬t/a以上的裝置只占20%，最大的甲醇生產裝置產能也只有60萬t/a，其余80%都是10萬t/a以下的小規模裝置。國內甲醇生產大致可分為3種生產工藝：高壓法工藝、低壓法工藝、中壓聯醇工藝。甲醇的需求近年來，隨著甲醇應用領域的拓展，各國對甲醇工業的發展都非常重視。如此眾多的領域需要甲醇，而且需求量很大，所以看得出生產大量甲醇的必要性。甲醇燃料的興起，更是增大了甲醇的需求量。發展大型煤制甲醇，并加工為烯烴和替代燃料，以煤代替石油，是國家能源安全的需要，也是化學工業高速發展的需要。如此大的需求，隨著煤氣化技術，甲醇合成技術和設備、機械加工技術的進步，甲醇的裝置規模均在2000t/d~3000t/d，最大已達7000t/d。甲醇凈化的意義在甲醇生產中，煤制甲醇工藝仍然占主要地位，但是煤制甲醇法中，不可避免的會產生煤灰等微小顆粒，會夾雜在甲醇中，致使甲醇純度不高，影響質量，也影響其使用效果。因此提出運用分離機分離固液混合物的原理，從甲醇中分離出固相顆粒，以凈化甲醇，從而得到高濃度的甲醇，用于各方面的需求。而臥式螺旋卸料離心機作為分離機械，因其諸多優點，而成為甲醇凈化的首選。2離心機概述離心機發展歷程在現代工業中，固—液系統（包括懸浮液和乳濁液）分離的目的是：（1）回收有價值的固相，排掉液相；（2）回收液相，排掉固相；（3）固、液兩相都回收；（4）固、液兩相都排掉（如污泥脫水）。達到上述分離效果的主要操作方法有重力沉降、過濾和離心分離。利用離心力達到固—液、液—液、液—液—固分離的方法通稱為離心分離。實現離心分離操作的機械稱為離心機。自1836年第一臺工業用三足式離心機在德國問世，迄今一百多年以來已獲得很大的發展。現在離心機已廣泛應用于化工、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。例如濕法采煤中煤炭的回收，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。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。離心機基本上屬于后處理設備，主要用于脫水、濃縮、分離、澄清、凈化及固體顆粒分級等工藝過程，它是隨著各工業部門的發展而相應發展起來的。例如18世紀產業革命后，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，發明了用于分離牛奶的分離機，進入20世紀之后，隨著石油綜合利用的發展，需要把水、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年代研制成功了自動排渣的碟式活塞排渣分離機，到60年代發展成完善的系列產品。隨著近代環境保護、三廢治理發展的需要，對于工業廢水和污泥脫水處理的要求都很高，因此促使螺旋卸料沉降離心機、碟式分離機和三足式下部卸料沉降離心機的進一步發展，特別是臥式螺旋卸料沉降離心機的發展尤為迅速。離心機的分類離心機按分離原理可以分為兩大類，即過濾式離心機和沉降式離心機。過濾式離心機包括三足式、上懸式、臥式刮片卸料、臥式活塞推料、離心力卸料、振動卸料、進動卸料、螺旋卸料、螺旋卸料沉降——過濾組合式等。沉降式離心機包括撇液管式、螺旋卸料、管式、室式、碟式等。離心機的分類方法還有很多，除了上述按分離原理的分類外，也可按分類原理、操作目的、操作方法、結構型式、分離因數、卸料方式等分類。臥螺離心機臥螺離心機簡介最初的臥式螺旋卸料沉降離心機（簡稱臥螺離心機）是由兩對開式齒輪傳動獲得轉鼓與螺旋之間的轉速差，以輸送沉渣的并用于淀粉工業。真正具有現代實用價值的第一臺臥螺離心機是1954年制造的，并且該機首次使用了二級行星齒輪差速器。螺旋卸料離心機也有沉降和過濾兩種形式，它是連續運轉、進料和卸料的離心機，目前應用較多的是沉降式，由于其卸渣過程中經過一段干燥區，所以排出的沉渣含濕量較其他一些沉降離心機為小，一般螺旋卸料離心機的分離因數都較前幾種離心機為高，所以它能分離含更細顆粒的懸浮液。中國的螺旋離心機發展比較晚，但近年來發展速度較快。目前國內已能生產的臥螺離心機有200、350、380、450、600、800、1000等規格。臥螺離心機主要性能和技術參數固相濃度~2毫米懸浮液容積濃度1~50%生產能力最大可達190米3/時（懸浮液）轉鼓直徑160~1600毫米轉鼓長徑比1~轉鼓半錐角5°~13°液池深度與直徑的比~轉鼓與螺旋的轉差轉鼓轉速的~3%2.3.3臥螺離心機工作原理在機殼內，轉鼓和螺旋輸送器由兩個同心軸承相連接，主電機通過皮帶輪帶動轉鼓旋轉，轉鼓通過左軸承處的空心軸與行星差速器的外殼相連接，行星差速器的輸出軸帶動螺旋輸送器與轉鼓作同向轉動，但轉速不一樣，從而產生轉速差。懸浮液從右端的中心進料管連續進入轉鼓內，在離心力的作用下轉鼓內形成一環形液池，重相固體粒子離心沉降到轉鼓內表面而形成沉渣，由于螺旋葉片與轉鼓的相對運動，沉渣被螺旋葉片推送到轉鼓的小端的干燥區，送出液面并從排渣孔甩出。在轉鼓的大端蓋上開設有若干溢流孔，液相便從此處流出，從而完成固液分離。如下圖所示：圖2臥式螺旋離心機工作原理示意圖2.3.4臥螺離心機優缺點優點：自動、連續操作，無濾網和濾布，能長期運轉，維修方便。對物料的適應性很大，能分離的固相粒度范圍較廣，并且在顆粒大小不均勻的條件下，能照常分離的很好。能適應各種濃度懸浮液的分離，濃度的波動不影響分離效果。應用范圍廣，能完成固相脫水、液相澄清、可分離固相重度比液相輕的懸浮液、液—液—固分離、粒度分級過程。單機生產能力大（當量沉降面積可達10000米2，生產能力可達190米3/時），分離質量比較高，操作費用低，占地面積小。結構緊湊、易于密封，某些機型能在加壓和低溫條件下操作。缺點：結構比較復雜，造價較高。沉渣的含濕量一般比過濾離心機稍高，大致與真空過濾機相等。沉渣的洗滌效果不好。2.4臥螺離心機國內外研究情況2國內研究七十年代，我國開始引進，國產化一些機型成為原化工部七五科技攻關項目。八十年代我國就開始測繪，已測繪德國FIOTTWE公司、美國SHAPLESS公司、法國GUINARD公司、瑞典ALFA-Laval公司等國外著名公司生產的多種規格的離心機，并進行仿制，國家當時在全國組織6個生產廠家進行仿制生產。九十年代我國在已能自己研制生產螺旋卸料沉降式離心機。國家在1979年便在工廠進行螺旋卸料沉降式離心機的生產，成功的生產出WL200，WLl000，LWB500，LWG500等型號的產品。現在國內己能生產的螺旋卸料沉降式離心機有WL200，WL350，WL450，WL600，LW800，DLW430，LW350，LW400，LW500，LW620等。現列舉國內幾家企業的研究成就如下：成都天保公司與美國圣騎士合作研發的大長徑比臥螺離心機技術參數國內領先，并達到了國際同類產品的先進水平。目前天保公司臥螺心機最大轉鼓直徑可達1000mm，最大長徑比達。重慶江北機械廠引進法國堅納公司技術，并嚴格按法國堅納公司技術標準生產具有國際水準的新產品D（LW）系列產品。金華鐵路機械廠近來已推出最新機型LW355x1460，LW400x860，LW500x1250，LWG500x1250。它們的主要特點是能去除泥漿中的有害粗顆粒，調整泥漿比重，降低粘度，其LW500x1250，LW500x1250的最大處理量能達到50立方米。2國外研究為了讓臥螺離心機有更高的分離能力，國外學者對臥螺離心機的結構進行了研究和改進。下面就結構改進方面舉例如下：1988年日本SourokuSuzuki研制了雙錐角臥螺離心機。1997年Woon-FongLeung等在轉鼓錐段排出口附近的內筒上安裝流動控制結構。2004年日本TetsuoOhinata等開發了直筒壓榨式臥螺離心機。德國Westfalia公司的DiscDecanter，它首次在臥螺離心機中融合了蝶式分離機技術。英國Euroby公司推出的CentriDry離心機，它將離心脫水和熱烘干技術集合在一臺機器上。瑞典阿爾法公司新開發的NX型螺旋卸料沉降式離心機，其結構尺寸根據不同尺寸、形狀的顆粒而調整其型號，還可以根據新的材料要求，設計新的螺旋卸料沉降式離心機。2國內外技術的比較（1）材料方面：此方面國內與國外技術基本相同，主要部件都采用不銹鋼制造，只有在處理特殊介質時，才采用其他適合材質。（2）差速器方面：此方面基本相同，一般多為雙級2K-H，3K，K-H-V等形式行星漸開線齒輪差速器或采用行星擺線針輪及漸開線齒輪差速器的組合形式。（3）螺旋的密封方式：此方面也比較相像，螺旋的密封方式大多采用機械密封或迷宮式密封。（4）分離因數方面：近年來，隨著科技的進步，國內外臥螺離心機的分離因數也在不斷提高，一些離心機分離因數可達到4000~5000，部分國外小機型甚至超過10000。（5）制造方面：因為技術或成本問題，國內廠家多數采用鍛、鑄件車削加工或不銹鋼板卷繞焊接方式，這樣使得結構材料的均勻度、強度、耐腐蝕性、抗荷載能力等不是很好。而國外大多數廠家采用離心澆鑄的方式，有效地保證了結構的強度和抗載荷能力等要求。（6）驅動方式：國內離心機驅動方式通常較為單一，采用最多的驅動方式是雙電機結構，即一臺電機通過皮帶直接驅動轉鼓產生轉動，另一臺電機通過減速器驅動螺旋。而進口設備中往往可提供除常用的雙電機系統驅動方式外的多種驅動方式，如單電機驅動形式，另外一種常見驅動方式是采用液壓驅動。（7）磨損保護：國內外主要廠家的離心機在與污泥接觸的螺旋葉片外緣采用了燒結耐磨合金片或陶瓷片鑲嵌工藝，可方便更換，但整體更換成本較高。部分廠家對螺旋葉片外緣進行碳化鎢熱噴涂處理，成本較低，但壽命較鑲嵌工藝短。（8）自控方式：日前國內外的主流控制方式是PLC(可編程邏輯控制器)控制。國外離心機的控制技術比國內領先數年，部分廠家早在10年前就己開始使用工業計算機或DCS控制系統。雖然我國臥螺離心機工業起步較晚，但在某些性能方而，已經達到了國際先進水平，目前已有部分廠家的離心機在某些專項技術上達到甚至超過了國外離心機。但不可否認的是，我國離心機制造行業的整體水平與國外的離心機還存在一定的差距，尤其體現在整機可靠性、穩定性、使用壽命、裝配精度、操作的靈活性、人性化以及某些新技術的應用等方面。因此還是需要努力不斷縮小差距。密閉防爆臥螺離心機對于具體分離對象來說，有的有毒性，有的有腐蝕性，這樣就需要設計出不同類型的離心機用于不同性質的物料。在密閉防爆或者加壓操作的工藝條件下，就要求離心機工作空間與外界環境隔離，對離心機的密封性有特殊要求。例如聚丙烯的分離，考慮物料的特性，若易揮發組分——己烷泄漏出來，會增加消耗定額，更重要的是容易引起爆炸，這樣就要求整個操作在密閉條件下進行，就需要密閉防爆離心機。臥螺離心機有三處泄露點，即轉鼓兩端的轉軸與不動的機殼之間，以及在回轉的螺旋輸送器內筒和不動的加料管之間，這三處需要進行密封處理，安裝三個高速密封裝置即可。目前普遍采用的離心機的氮氣保護，在機殼上設置了一個氮氣進氣管，一個氮氣出氣管，離心機在工作時，對內腔中充入氮氣，并設置在線氧氣檢測裝置和壓力變送傳感器，對運行過程中的離心機內腔的氧氣濃度進行檢測，控制其含量在安全范圍以內，也即保證機內的氧氣濃度在易燃易爆介質的爆炸極限之外。這樣既方便簡單，可靠性又高。3臥螺離心機參數選擇3.1給定的設計條件轉鼓直徑為450mm轉鼓長徑比為4轉速為3500rmp操作溫度為室溫操作壓力為微正壓3.2主要參數臥螺離心機的主要參數包含有轉鼓直徑、轉鼓長度、轉鼓回轉速度和分離因數。由設計任務所給出的數據知，轉鼓的直徑，長徑比，則轉鼓長度。轉鼓轉速，則角速度分離因數。3.3有關沉降區參數的選擇沉降區參數包括沉降區長度、液池深度、半錐角、轉速差。圖3轉鼓尺寸簡圖液池深度的選擇，，一般常用值，選取轉鼓圓錐小端出渣口的半徑，即；，一般工業用沉降離心機的，選取轉鼓圓柱段大端溢流口的半徑，即；可得液池深度。轉鼓半錐角的選擇澄清用螺旋沉降離心機，脫水用螺旋沉降離心機，前者用于高分散低濃度和難分離懸浮液，后者用于中粗粒子和高濃度較易分離的懸浮液。由于本課題所設計的離心機是用于甲醇凈化，屬于澄清用螺旋沉降離心機，所以選取轉鼓半錐角。轉速差的選擇當轉鼓轉速大于螺旋輸送器的轉速時，為正差，有利于沉降分離；當轉鼓轉速低于螺旋輸送器的轉速時，為負差，有利于沉渣的輸送，且能降低差速器的功率，綜合考慮，選取轉速差。沉降區長度柱段沉降區長度：錐段沉降區長度：3.4有關脫水區參數的選擇脫水區參數包括半錐角α、螺旋角β、θ、脫水區長度LG和轉速差?n。螺旋角的選擇對處理較易分離的中粗粒子而磨蝕性又不嚴重的材料時，現在工業脫水用離心機所用或者；對于輸送條件較差的物料，一般均取小值，即。一般工業用螺旋沉降離心機，除特殊情況外，絕大多數機型均選用螺旋葉片母線垂直于轉鼓母線，即的結構。本設計中，選用的結構，所以。螺距的選擇由于甲醇中所含的固體顆粒量比較小，所以可取小一點的值，選取，即，則螺距。脫水區長度脫水區長度。3.5轉鼓材料的選擇轉鼓的最高許用轉速，受轉鼓材料機械強度的限制。鼓壁應力與轉速或者圓周線速的二次方成正比。對于一定材料而言，其允許的最大圓周線速度有一定的限度。不同材料制成的各種直徑轉鼓的最大允許轉速和分離因數都有定值。選取00Cr17Ni14Mo2不銹鋼材料，即316L不銹鋼，查表得，。為轉鼓材料的許用應力，在按無力矩理論計算轉鼓時，其指選取下面兩個值中較小值，。式中：、——設計溫度下材料的屈服限和強度限，；——屈服限的安全系數，一般；——強度限的安全系數，一般；由JB/T8051《離心機轉鼓強度計算規范》行業標準的規范知，則，，則。，得到。此離心機的轉速和分離因數均滿足要求，所以選取00Cr17Ni14Mo2即316L不銹鋼為轉鼓材料。4工藝計算4.1轉鼓壁的厚度計算圓筒形轉鼓鼓壁厚為：圓錐形轉鼓鼓壁厚為：圓錐形轉鼓，其徑向應力和周向應力均在大口端最大，因此強度校核只需校核圓錐大口段的鼓壁應力，即——轉鼓填充系數，，其中為轉鼓內物料層內半徑。為焊縫強度系數，此處焊縫100%探傷，取則根據鋼板的標準厚度，考慮到圓筒及圓錐部分的加工制造方便和腐蝕裕量等，取。生產能力的計算顆粒的沉降速度為式中：——臨界粒徑，即小于它的顆粒隨溢流排走；——兩相密度差（kg/m3）；——液相粘度（kg/m.s）；25oC時，甲醇的粘度為，密度；25oC時，煤灰的密度為，臨界粒徑取為。則其中，一般工業用離心機的。則從以上各式可以看出：沉降離心機的生產能力取決于物料性質和離心機的技術參數。上述計算是以單個粒子離心沉降進行計算的。實際離心機沉降過程中，固相粒子間相互影響，流體流動的影響及卸料方式等因素的影響都使生產能力有所降低，實際生產能力為：為修正系數，它于機器的結構、操作及物料有關。進料管設計則式中為物料流速，取值為m/s則根據管子的標準，選取管子規格為4.4離心機主要部件的質量及轉動慣量的計算4.4.1轉鼓轉鼓的質量左樞軸：左端蓋：左端法蘭：錐形筒體：柱形筒體：右端法蘭：右端蓋：右樞軸：轉鼓的總質量為：轉鼓繞軸的極轉動慣量轉鼓繞軸的極轉動慣量：轉鼓的重心距左軸承的距離4.4.2螺旋輸送器螺旋輸送器的總質量螺旋葉片的質量：內筒的質量：左軸頸的質量：右軸頸的質量：螺旋輸送器的總質量為。4螺旋輸送器繞軸的極轉動慣量螺旋輸送器繞軸的極轉動慣量。4.4.3物料的質量圓柱段物料的質量：圓錐段物料的質量：物料總質量為臥螺離心機物料輸送的功率計算臥螺離心機的功率計算及電機選擇是臥螺離心機設計中的重要組成部分。根據臥螺離心機的工作要求進行功率計算，并根據算出來的各功率，可以合理地確定主、輔電動機的功率，進而確定電機及差速器的型號。臥螺離心機的功率消耗與臥螺離心機的類型，操作方式和臥螺離心機的結構有關，一般情況下，臥螺離心機所需功率包括下幾個方面：（1）啟動轉鼓等轉動件所需功率；（2）啟動物料達到操作轉速所需功率；（3）克服軸與軸承摩擦所需功率；；（4）克服轉鼓，物料與空氣摩擦所需功率；；（5）卸出物料所需功率；。.1啟動轉鼓等轉動件所需功率欲使離心機轉鼓等轉動件，由靜止狀態達到工作轉速具有一定的功能，必須由外界作功，該功為：式中：——轉動件線速度，m/s；——轉動件繞軸旋轉的轉動慣量，kg·m2，此處的轉動件主要包括轉鼓、螺旋、傳動軸和減速器，因此估取極轉動慣量為啟動轉動件的平均功率為：式中：——啟動時間，s，一般在30秒到120秒之間，此處取；——轉鼓角速度，；.2啟動物料達到操作轉速所需功率對于連續進料臥螺離心機，加入的物料被分離為沉渣和分離液等組分，可分別求出操作中每種組分所需的功率，然后求其和。假設某種分離操作，單位時間內排出的個組分中，各組分的質量為，各組分在轉鼓內卸出的位置半徑為，則使加入物料達到工作轉速所需的功率為：式中：——單位時間被分離各組分處理量；已知液相密度，固相密度，混合液密度，設為固相所占體積分數，則，得到。單位時間處理固相的質量：單位時間處理液相的質量：——轉鼓內各組分旋轉半徑；固相：液相：——物料分離的組分數；克服軸與軸承摩擦所需功率克服支撐軸承摩擦所需的功率可以認為是加載支撐軸承上的摩擦力與摩擦表面間的相對速度之積。支撐軸承上的摩擦力可以由摩擦力公式求得，其為作用在支撐軸承上的支反力與摩擦系數的乘積，相對速度則可由軸承接觸處軸徑和軸旋轉的角速度求得，所以，克服支撐軸承摩擦所需的功率就可以由如下公式來表達：式中：——軸與軸承間摩擦系數，對于滾動軸承取~，此處取；、——分別為軸頸表面的線速度，m/s；、——分別為兩軸承處的支反力，N；、——別為兩軸承處的軸頸直徑，m；關于軸承支反力、，應考慮在轉子的靜載荷與動載荷作用下軸承的支反力。靜載荷為轉鼓及其它轉動件總質量，動載荷為由于轉動件偏心產生的離心慣性力。估算由于加料轉鼓的不平衡產生的動載荷時,通常假設轉動件的重心對其回轉中心線有一個偏移量。對于連續運行的沉降式離心機式中為轉鼓半徑（米）。所以軸上的總載荷可按如下公式計算：轉動件總質量估取則作用在軸上的總載荷為：左軸承側懸臂梁受力，簡化為皮帶輪和差速器的重力作用于一點，皮帶輪質量取2kg，則總質量為。其受力簡圖如下：圖4離心機受力簡圖作用在兩軸承上的支反力為：兩式聯立解得，由設計圖紙可知，左右支撐軸承處軸徑為：則將上述各數據代入式（5.4）可得克服支撐軸承摩擦所需的功率：.4克服空氣摩擦所需功率臥螺沉降式離心機工作時，轉鼓外表面、物料層內表面都會因克服空氣摩擦阻力而消耗一定的功率，由于影響空氣摩擦阻力的因素很復雜，想要精確的計算不容易達到，因此一般工程計算中根據經驗，都習慣采用一些近似的計算方法，在這里克服空氣摩擦所需的功率可以由如下公式來計算：式中：——氮氣密度：常壓下取；——轉鼓的長度：；——轉鼓角速度：；——轉鼓外半徑：——轉鼓中物料層的內半徑:。將上述各值帶入，可得克服空氣摩擦所需功率：.5卸出物料所需功率對于螺旋卸料離心機，螺旋卸料是將沉渣從轉鼓上某處推送到卸料口卸出機外，故卸料功率應包括：(1)克服沉渣的離心慣性力沿轉鼓母線的分力消耗功率；(2)克服沉渣與轉鼓壁摩擦所消耗功率；(3)克服沉渣與螺旋葉片摩擦消耗功率。因為此離心機的螺旋葉片垂直于轉鼓母線，則克服沉渣的離心慣性力沿轉鼓母線的分力消耗功率為：kw克服沉渣與轉鼓壁摩擦所消耗功率為：克服沉渣與螺旋葉片摩擦消耗功率為：式中：——每秒獲得沉渣質量，；——轉鼓平均內半徑，；——沉渣與轉鼓壁間的摩擦系數，取；——沉渣與螺旋葉片間的摩擦系數，取；——螺旋葉片圈數，。則由于離心機的螺旋采用的是垂直于轉鼓壁的形式，故螺旋輸送器推卸沉渣所消耗的總功率為：臥螺離心機功率確定離心機的功率可以分為兩種狀態，一種是離心機啟動狀態下消耗的功率，另一種是離心機運轉過程中消耗的功率。在啟動階段消耗的總功率為：在運轉階段消耗的總功率為：由上述計算可以看出，離心機在啟動階段所消耗的功率大于在操作轉速下運轉消耗的功率，因此，離心機的額定功率主要還是參照啟動功率來確定。在本設計中，離心機的功率為：。5主要輔助部件5.1電機的選型5.1.1主電機的選型根據離心機的總功率，并由JB/T5271-1991、JB/T5272-1991，選擇主電機型號為Y180L-2，額定功率為37kw，轉速為2939r/min。5.1.2輔電機的選型根據卸出物料所需功率選擇輔電機型號為Y2-801-2，額定功率為0.75kw，轉速為2840r/min。5.2差速器的選型在臥螺卸料離心機中，由于轉鼓與螺旋輸送器之間的轉速差，導致二者相對運動，進而推動物料沿轉鼓內表面運動，直至到出渣口被卸出。為了保證轉鼓和螺旋以不同的角速度同向回轉，并得到最佳的轉差值，因此臥螺離心機從電動機到工作機之間都需要一個傳動裝置。轉鼓跟差速器的外殼相連，帶動差速器以相同的速度旋轉，差速器的輸出軸與螺旋輸送器相連，從而帶動螺旋輸送器旋轉，因而得到轉鼓和螺旋輸送器之間的轉速差。由于差速器高速回轉，需傳遞的轉矩大，潤滑條件又差，當轉矩達到一定值時，對差速器壽命影響很大，故對各零件在組裝過程中的間隙調整要求特別高，公差要求非常精密，間隙太大或太小均不利于差速器的運行。差速器的種類很多，一般差速器采用周轉輪系結構，目前臥式螺旋離心機常用的差速器為擺線針齒行星差速器。這種差速器具有體積小、重量輕、結構緊湊的特點。因為此差速器中凡是有相對運動的地方，均采用了滾動摩擦，對主要傳動零件進行了精磨，具有高精度和高的表面光潔度，所以效率高，可達。本設計中的臥螺離心機根據卸出物料所需功率，選擇差速器型號為XW8125型。其功率為0.75Kw，傳動比為29。其相關參數如下：輸出端輸出端5.3皮帶輪設計5小端皮帶輪設計與差速器輸入端聯接的皮帶輪轉速為與輔助電機所聯的皮帶輪為小帶輪，轉速為傳動比5.3選擇V帶型號由《機械設計》書中工作情況系數表，取工作情況系數根據和，由《機械設計》書中普通V帶選型圖，選帶型號為Y型。Y型帶參數：頂寬節寬高度帶質量輪緣尺寸：5.3確定帶輪基準直徑取小帶輪直徑，其中取，則，取。5.3驗算帶速一般情況下，帶速在5~25m/s之間為宜，取值合適。5.3確定中心距及帶的基準長度對于V帶傳動，中心距一般可取為，即，估取。則帶的基準長度選取標準基準長度值。則5.3驗算小帶輪包角5.3確定V帶根數其中：——單根V帶所傳遞的功率——功率增量——包角修正系數——帶長修正系數查相關對應的表知，，，。代入數值，得到，取整為。帶輪的寬度。5.3確定帶的初拉力5.3計算帶輪軸上所受壓力5.3.2轉鼓大端皮帶輪設計與轉鼓聯接的皮帶輪轉速為與電機所聯的皮帶輪為小帶輪，轉速為傳動比5.1選擇V帶型號由《機械設計》書中工作情況系數表，取工作情況系數根據和，由《機械設計》書中普通V帶選型圖，選帶型號為SPA型。SPA型帶參數：頂寬節寬高度帶質量輪緣尺寸：5.2確定帶輪基準直徑取小帶輪直徑，其中取，則，取。5.3驗算帶速5.4確定中心距及帶的基準長度對于V帶傳動，中心距一般可取為，即估取則帶的基準長度選取標準基準長度值。則5.5驗算小帶輪包角5.6確定V帶根數其中：——單根V帶所傳遞的功率——功率增量——包角修正系數——帶長修正系數查相關對應的表知，，，代入數值，得到，取整為帶輪的寬度5.7確定帶的初拉力5.8計算帶輪軸上所受壓力密封裝置用于甲醇凈化的臥式螺旋卸料離心機，在設計過程中需要考慮介質的特性，由于甲醇是易燃、易爆物質，在凈化過程中，要避免其泄露到空氣中，以防發生安全事故。并且從課題中的F就可以看出，此課題設計的離心機是防爆離心機。在密閉、防爆工藝條件時，要求離心機工作空間與外界環境隔離，根據其要求程度，隔離效果可以有所不同，有的要完全隔離，不能有一點的泄露，有的則可以允許小范圍的溢出。要達到密閉，必須在三個泄露點，即轉鼓兩端的轉軸與不動的機殼之間，以及在回轉的螺旋輸送器內筒和不動的加料管之間，安裝三個高速密封裝置。可以使用迷宮式密封，并充以惰性氣體來達到密封的目的，但因為其充氣的消耗量大，所以大多數情況下采用機械密封。一般都采用雙端面機械密封結構加沖洗封液，這樣有助于改善潤滑、冷卻條件和提高密封性能。對于材料的選擇，摩擦副的材料一般選用硬質合金與浸漬石墨組對，高速旋轉的動環采用硬質合金，靜環采用浸漬石墨。為了盡量縮短機械密封的軸向尺寸，彈性元件一般采用小螺旋彈簧或波形圈彈簧。典型工況下機械密封材料選取截取部分內容如下：名稱醇濃度/%95溫度沸點以下靜環石墨浸漬樹脂、酚醛塑料、填充聚四氟乙烯動環碳化鎢、45剛、鑄鋼、碳化硅、氮化硅輔助密封圈丁晴、氯丁、聚硫橡膠、乙丙、丁苯、氟橡膠、聚四氟乙烯彈簧3Cr13、4Cr13根據上述因素，選取機械密封的靜環材料為浸漬石墨，動環材料為碳化硅，彈簧為3Cr13。6強度計算轉鼓應力分析圓柱段應力分析鼓壁自身質量引起鼓壁的應力由于轉鼓壁自身質量產生的離心力的方向和轉鼓軸線相垂直，因此它在鼓壁上不會產生經向應力，即；鼓壁上產生的周向應力。式中：——轉鼓材料的密度，kg/m3——轉鼓的內半徑——轉鼓的角速度物料質量引起鼓壁的應力鼓壁的經向應力式中：——轉鼓內物料的密度，kg/m3——轉鼓填充系數，——轉鼓的壁厚鼓壁的周向應力。圓錐段應力分析鼓壁自身質量引起鼓壁的應力由于鼓壁質量離心慣性力的方向始終沿著半徑向外垂直于軸線，無軸向分力，故不會產生經向應力；鼓壁上產生的周向應力式中：——圓錐形轉鼓壁上任取的半徑由此可知，在圓錐段不同位置處所受的周向應力不同。6.1.2.2.物料質量引起鼓壁的應力鼓壁的經向應力鼓壁的周向應力在圓錐形轉鼓的小口上，，則，；在圓錐形轉鼓的大口上，，則，。6.2轉鼓大端蓋的強度計算轉鼓大端蓋受物料離心壓力的作用，簡化成沿外周邊鉸支在板面上作用有按拋物線分布的載荷的環板。其力學模型如下：圖4轉鼓大端蓋受力簡圖其中環板單位面積上的載荷用下式表示：將有壓力作用和無壓力作用部分分為兩個區域進行計算。為區域I，為區域II。在區域I中徑向應力：周向應力：在區域I中徑向應力：周向應力：式中：其中：則在端蓋的內周邊時，，則徑向應力為周向應力為在端蓋的外周邊時，，則徑向應力為周向應力為由此可見，轉鼓大端蓋在外周邊所受的周向應力最大則經過計算，取大端蓋的厚度為。6.3螺旋所受軸向力的計算螺旋在輸渣過程中，所受的軸向力，是計算軸承時所需的載荷數據。螺旋所受軸向力為設沉渣沿鼓壁滑動方向與垂直于轉鼓軸線的徑向平面間的夾角可得時，式中知道螺旋也片的升角；脫水區軸向長度離心機的濕渣生產能力沉渣與轉鼓壁之間的摩擦系數沉渣與螺旋葉面之間的摩擦系數脫水區平均半徑轉鼓與螺旋的角度差沉渣在葉面上的滑動方向與切線方間的夾角的求解公式如下：代入各已知參數的值，得到，又兩式聯立，解得沉渣與轉鼓之間的相對角速度脫水區的平均分離因數則6.4軸承選取及校核6.4.1轉鼓小端軸承的選取及校核6.4小端軸承的選取根據轉鼓小端軸直徑為，轉速為，初選軸承為深溝球軸承，型號為SKF6026，其參數如下：內徑外徑厚度基本額定動載荷基本額定靜載荷為6.4小端軸承的校核當量動載荷的計算公式是式中：——徑向載荷，——軸向載荷，——徑向動載荷系數——軸向動載荷系數，由《機械設計》書中滾動軸承當量動載荷計算的、值表中查得查得則，滾動軸承的基本額定壽命計算公式如下：式中：——軸承的轉速，——軸承的額定壽命（小時）——軸承的額定動負荷，——軸承的當量動載荷——壽命指數，球軸承，滾子軸承，則6.4.2轉鼓小端軸承的選取及校核6.4大端軸承的選取根據轉鼓小端軸直徑為，轉速為，初選軸承為圓柱滾子軸承，型號為SKFNU1026，其參數如下：內徑外徑厚度基本額定動載荷基本額定靜載荷為6.4小端軸承的校核的圓柱滾子軸承只承受徑向力，當量動載荷滾動軸承的基本額定壽命計算公式如下：式中——軸承的轉速，——軸承的額定壽命（小時）——軸承的額定動負荷，——軸承的當量動載荷——壽命指數，球軸承，滾子軸承，則7結論與展望本課題的任務是設計臥螺離心機，并用于甲醇凈化。結合給定的已知條件，首先進行工藝設計，設計出轉鼓和螺旋輸送器的結構，包括半錐角、液池深度、轉鼓小端直徑、轉鼓的厚度、轉速差、螺旋葉片的螺距、所用材料等，進而計算出離心機