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JX17-34 【JX17-34】LW355×1460-N卧式螺旋卸料沉降离心机的设计二维+论文

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摘要离心机作为固液分离设备广泛应用于工、农业生产的各部门和国防、环境保护等领域。卧螺离心机是一种广泛应用的高效离心分离设备，它具有连续操作、处理量大、单位产量耗电量较少、适应性强等特点。它主要应用于化工、石化、食品、医药、矿业、机械、环保等部门中需要对固液混合物进行脱水、澄清、浓缩、分级和分离等操作的场合。随着科技进步和国民经济的发展，其应用领域还在进一步扩大。卧螺离心机具有连续操作、处理量大、单位产量耗电量较少、适应性强等特点。本文主要介绍卧式螺旋沉降离心机的工作原理、系统结构和LW3551460螺旋卸料离心机的系统结构。同时详细介绍了LW3551460螺旋卸料离心机转鼓半锥角、液池深度、脱水区长度等转鼓基本结构参数及螺旋头数、螺距、叶片高度、螺旋推料器与转鼓的间隙、叶片与转鼓内壁母线的关系等螺旋推料器的基本结构；对分离因数、生产能力、运行功率等进行了理论推算和数据校核；确定了转鼓，主轴和螺旋部分的技术参数对转鼓和主轴进行了强度校核。关键词：卧式螺旋卸料沉降离心机 分离因数 生产能力 37Abstract Centrifuges are widely used in the fields of industry and agriculture as well as national defense, environmental protection and other fields. Horizontal decanter centrifuge is a widely used centrifugal separation equipment, which has the characteristics of continuous operation, large processing capacity, less power consumption per unit output, strong adaptability and so on. It is mainly used in chemical, petrochemical, food, medicine, mining, machinery, environmental protection and other departments need to solid-liquid mixture dehydration, clarification, concentration, classification and separation of the operation of the occasion. With the development of science and technology and the development of national economy. The horizontal decanter centrifuge has the characteristics of continuous operation, large processing capacity, less power consumption per unit output, strong adaptability and so on.This paper mainly introduces the working principle, system structure and the system structure of LW355 * 1460 spiral discharge centrifuge. At the same time, introduces the basic structure of LW355 * 1460 spiral centrifuge drum half cone angle and depth, the dehydration zone length drum structure parameters and spiral head number, blade height, pitch, spiral conveyor and drum clearance, blade and the inner wall of the drum bus between the screw conveyor; the separation factor production capacity and power of a theoretical calculation and data verification; to determine the technical parameters of the drum, main shaft and the screw part of the strength check of the drum and the spindle.Key Words：Screw Conveyor of Decanter Cenrtiufge， Wet magnetic，materials production目录摘要1Abstract2目录31 绪论51.1 离心机发展概况51.2 国内技术现状51.3 国外技术现状62 卧式螺旋卸料沉降离心机总体结构分析82.1 工作原理82.2 卧螺离心机主要部件92.2.1 转鼓92.2.2 螺旋输送器92.2.3 差速器112.2.4 主轴及支撑132.3 卧螺离心机技术参数及优缺点133 卧螺离心机工艺计算153.1 生产能力计算153.2 功率计算163.1.1 启动转鼓等转动件所需功率173.1.2 启动物料达到操作转速所需功率193.1.3 螺旋输送沉渣所需功率213.2 电机选择224 传动设计244.1 螺旋输送器相关参数确定244.1.1 螺旋推料器的基本参数244.1.2 螺距s244.1.3 推料器与转鼓的间隙244.1.4 叶片与转鼓内壁母线关系244.1.5 叶片选择244.2 进料口直径的确定254.3 差速器选择255 强度校核265.1 转鼓的强度校核265.1.1 离心力场中物料的液体压力265.1.2 转鼓壁厚计算275.1.3 转鼓强度计算295.1.4 转鼓疲劳强度校核315.2 主轴的强度校核31参考文献35致 谢371 绪论1.1 离心机发展概况离心分离是利用离心力对液固、液液固、液液等非均相混合物进行分离的过程。实现离心分离操作的机械称为离心机。离心机基本上属于后处理设备，主要应用于脱水、浓缩、分离、澄清及固体颗粒分级等工艺过程，从离心机的发展史来看，离心机是随着现代工业的不断进步和发展而产生的1。18世纪产业革命后，随着纺织工业的迅速发展，1836年出现了棉布脱水机。1877年为了适应乳酪加工工业的需要，发明了用于分离牛奶的分离机。进入20世纪后，随着石油综合利用的发展，要求把水、固体杂质、焦油状物料等除去，以便使重油当作燃料油使用。50年代研制成功了自动排渣的碟式活塞排渣分离机，到60年代发展成完善的系列产品。随着近代环境保护、三废治理发展的需要，对于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高，因此促使卧螺离心机、碟式分离机和三足式下部卸料离心机的进一步发展。特别是卧式螺旋卸料沉降离心机的发展尤为迅速。随着国民经济各行业的不断发展，各种类型的离心机也在不断地更新换代，而且各种新型离心机也在不断涌现2。1.2 国内技术现状最初的卧式螺旋卸料离心机是由两对开式齿轮传动获得转鼓与螺旋之间的转速差，以输送沉渣的并被用于淀粉工业上。真正具有现代实用价值的第一台螺旋离心机是1954年制造的，该机首次使用了二级行星齿轮差速器。螺旋离心机出现之后，由于它具有突出的优点而得到了迅速发展，它在离心领域内一直占有特殊的地位3。我国螺旋离心机发展较晚，但近年来发展速度较快。目前我国已能生产的卧螺离心机有WL-200、350、380、450、600、1000等规格。我国离心分离行业尚属正在发展中，总体水平不高。随着社会进步，人们对环保、能源以及装备对品质的影响有了新的认识。同时，通过国外技术交流和合作以及成套项目的引进、消化与吸收，促进了我国离心分离技术的迅速发展，主要体现在：1) 已基本形成了一个科研、设计和制造的体系。2) 成立了分离领域的学术组织。3) 在基础理论与应用方面进行了研究。4) 目前已能生产三足、上悬、活塞、螺旋、离心力卸料，振动、进动卸料、刮刀及虹吸刮刀、翻袋及旁滤等离心机；分离机则有碟式、室式及管式。上述产品不仅遍及全国且远销国外，且技术特性有所提高4。5) 为满足特殊工艺要求(防污染、密闭、防爆等)，一些新型离心机亦先后问世。内旋转子过滤离心机的研制，立式密闭螺旋机及复合机等已投产。6) 自控技术与CAD技术的应用。7) 各种相关标准的制订。8) 同国外著名离心机厂商的技术合作。1.3 国外技术现状受新技术推动及相关产业发展的影响，国外离心分离技术的进展主要体现在以下几个方面：1) 加强理论研究，选择最佳设计方案瑞典Alfa-laval公司，在碟片流道研究中发现，碟片间隙横断面上的速度分布取决于一个无量纲数“”，而工业离心机的“”通常在528之间。随着“”值的增加，碟片的转速增加，薄层减少，可提高雷诺数并缓和涡流。通过对碟片间隔件和分布孔的巧妙设计，进料量可增加20%。此外，还对相分离技术进行了研究7。近年来，研究人员为选择最佳方案，采用流场分离法、有限元模拟法、大梯度密度梯级法、反模态分析法等，对离心机的工作性能和关键零件进行研究，为设计优良性能的离心机提供了理论依据。并对带内洗涤的卧螺离心机中堰池深度以及卧螺离心机技术参数之间的关系等进行了最佳化研究。2) 技术参数的提高和新机型的问世为提高产品的纯度，及满足能源和环保的要求，高参数已成为国外机型的发展特点。由于生物工程需要分离极细的颗粒，如细菌、酶及胰岛素等，故最新碟式机已可处理0.1m微粒，且分离因数可达5000。如德国Westfalia公司的CSA160机型和瑞典Alfa-laval公司的BTAX510机型均属此例。随着工艺要求的提高，新机型不断问世。美国Dorr-Oliver公司的BH-46型碟式机，转鼓内径已达1.2 m，转鼓重量为4.5 t，用2个功率为220 kW的电机驱动，最大生产能力为450 m3/h，当量沉降面积已达250，000 m2，为碟式机之最8。瑞典Alfa-laval公司用于生物技术的BTUX510型碟式机，具有自动调节的涡流喷嘴。利用喷嘴进料黏度和浓度的关系，可提供恒定的固相浓度，与进料速度和固体含量的变化无关。而具有10000分离因数的卧螺离心机，可从某种程度上弥补管式分离机的不足。BTNX3560-A机型的特点是先进的旋转动态设计：主轴承改为弹性安装，可延长寿命，降低机器噪音与振动。德国Krauss-Maffei公司最新研制的SZ型活塞机，尺寸虽小，却更能有效进行固相分离。还有德国Flottweg公司用于处理难分离物料的双锥体卧螺离心机等9。3)新材料的应用为了提高分离机械的性能、强度、刚度、耐磨性和抗腐蚀性，一批新型材料不断涌现。如，工程塑料、硬质合金以及性能优良的耐磨耐蚀不锈钢材料10。法国曾研制一种用硬质陶瓷制成的转子，英国也曾研制由合成树脂构成的连续纤维复合材料转子。但在碟式机中，由于需要高强度和一定的耐腐性能，双相组织的不锈钢广泛采用。最近，俄国研制成功一种双相钢，有足够的强度和塑性。德国的Wischnouskii等研制的分离机转鼓新材料，具有强度高、塑性和耐腐蚀性好的特点。为弥补耐蚀和强度之间的矛盾，一些先进的制造商普遍采用了转鼓的自增强技术。2 卧式螺旋卸料沉降离心机总体结构分析2.1 工作原理卧式螺旋卸料离心机的主要构件有转鼓、螺旋推进器、变速器、过载保护装置、卸渣装置(如下图)图1.1卧式螺旋卸料离心机简图 工作原理是这样的，在机壳内，转鼓和螺旋推进器由两个同心轴承相连接，主电动机通过三角皮带轮带动转鼓旋转，转鼓通过左轴承处的空心轴与行星差速器的外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋推进器与转鼓作同向转动，但转速不一样。若以表示转鼓的绝对转速，以表示螺旋推进器的绝对转速，表示二者的差转速，若螺旋推进器超前转鼓即为正差转速，反之为负差转速。工程上常用转差率表示，一般，采用正转差率，物料所获得的离心惯性力为转鼓转速与差转速所产生的离心惯性力之和，有利于沉降分离，而采用负转差率时，有利于沉渣的输送，而且可以减少由减速器传送的功率，本课题的卧螺沉降式离心机是采用的负差转速左旋。悬浮液从右端的中心加料管连续送入机内，经过螺旋推进器内筒加料隔仓的进料孔进到转鼓内。在离心力的作用下转鼓内形成一环形液池，重相固体颗粒离心沉降到转鼓内表面而形成沉渣，由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓的小端，送出液面并从排渣孔甩出。在转鼓的大端盖上开设有若干溢流孔，澄清液便从此处流出。通过调节溢流挡板溢流口位置、机器转速、转鼓与螺旋推进器的差速、进料速度，就可以改变沉渣的含湿量和澄清液的含固量。当过载或螺旋推进器意外卡住时，保护装置能自动断开主电动机的电源停止进料，防止事故发生18。2.2 卧螺离心机主要部件2.2.1 转鼓转鼓是螺旋离心机的关键部件之一，有圆筒形、圆锥形、筒锥结合形。圆筒形有利于固相脱水，圆锥形有利于液相澄清，筒锥结合形兼有两者特点，本课题所研究对象是筒锥结合形，在转鼓内表面为了减少筒壁的磨损和防止沉渣打滑通常焊有筋条或锉上沟槽。转鼓的主要结构参数包括转鼓直径D、转鼓长度L、转鼓锥角、转鼓的溢流口直径D0及转鼓小端的出渣口直径Du。转鼓直径D是转鼓的最大内壁直径。转鼓长度L是沉降区长度L1和脱水区长度L2之和。这些参数直接影响到螺旋卸料离心机的分离能力、处理能力和输渣能力19。 转鼓由转鼓体、大端轴颈和小端轴颈用止口配合螺钉连接而成。转鼓筒体材料可选用碳钢、不锈钢及玻璃钢。如分离因数高又要求耐腐蚀，应选用高强度不锈钢或钛合金材料制造。 转鼓大端轴颈的凸缘上开有溢流口，分离液经此流出转鼓。溢流口直径决定液池深度，直接影响离心机的分离性能和生产能力。为提高离心机对物料的适应性，溢流口径向位置应可调。 转鼓小端的出渣口形式和耐磨性十分重要。出渣口与渣的摩擦强度比任何部分都大，因此易于磨损，为保护出渣口，通常采用喷涂耐磨材料或可拆换的耐磨衬套。2.2.2 螺旋输送器1、6左、右轴颈；2螺旋叶片；3内筒；4加料腔；5加速锥。图1.3柱锥形螺旋卸料器螺旋输送器也是一个主要部件。其结构、材料和参数直接关系到离心机的分离效果、生产能力及使用寿命。螺旋输送器的作用是利用螺旋和转鼓之间的转速差将沉降在转鼓壁上的沉渣输送到转鼓小端的出渣口排出。但是在沉降区和干燥区对其要求又有所不同。在沉降区悬浮液中的固体颗粒逐渐向转鼓壁形成沉渣层，螺旋应有利于移动沉渣而又不致剧烈地将沉渣搅起，造成已分离的沉渣和澄清液再混合。在干燥区螺旋不仅继续移动沉渣而且应为沉渣和水分分离创造有利条件20。螺旋输送器一般由螺旋叶片，内筒和进料室等组成。螺旋叶片是直接与沉渣接触输送沉渣的部件，常见的形式有：a.连续整体螺旋叶片，常用并且容易制造；b. 连续带状螺旋叶片，叶片刚性差，使用不多，主要用于淀粉分离；c. 断开式螺旋叶片；d. 有附加叶片的螺旋叶片。螺旋叶片头数，根据使用要求可以是单头螺旋、双头螺旋、也可以是多头螺旋。螺旋叶片的布置有两种，一种是螺旋叶片垂直于转鼓母线，一种是垂直于回转轴线，由于前者便于焊接和校正，设计时常使用。螺旋一般多采用等螺距，大致范围40-60mm，螺距的选定是一个比较复杂的问题，它涉及到产量，沉渣的含湿量，并与转鼓的直径、转速、螺旋与转鼓的转差率等因素有关。卧螺离心机在工作时，特别当物料中有泥沙甚至砂粒存在时，例如分离矿物料时，螺旋叶片会产生磨损，当物料有腐蚀性时尤甚。螺旋叶片磨损后，通常使螺旋的输渣能力降低。因此，要求螺旋叶片具有一定的耐磨性。螺旋叶片的本体材料一般与转鼓相同，现有三种方法来增加叶片的耐磨性：a.在叶片易磨损部位堆焊硬质合金（如钴铬、钴镍合金、碳化钨等，以碳化钨耐磨性最好）。b.采用表面喷涂技术，即在叶片易磨损部位喷涂耐磨材料如碳化钨等。喷涂的方法有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等。爆炸喷涂形成的涂层结合强度大、表面硬度高（如喷涂碳化钨和钴混合粉末时硬度为1300）、光洁度好、加工温度低（一般在200以下），故螺旋变形小。c.采用可更换的耐磨扇形片，即用可装拆的耐磨扇形片作为螺旋外圈。内筒的主要作用是接受分布和加速悬浮液。内筒为了使悬浮液进入转鼓内的沉降效果更好，可以采用多种设计方案。它的主要方法是让悬浮液在内筒的出口处的径向速度最小，这样就使得悬浮液在径向停留时间加长，有利于悬浮液的沉降分离。目前，有一些国外专利就内筒的设计做了专门的探讨。螺旋与转鼓绕同轴同向旋转，但两者有一个转速差。采用正转差率时，物料所获得的离心惯性力为转鼓与差转速所产生的离心惯性力之和，有利于沉降分离。而采用负转差率时，有利于沉渣输送，而且可以减少由减速器传送的功率，所以现在螺旋沉降离心机多采用负转差速的左螺旋21。2.2.3 差速器差速器是卧式螺旋离心机中最复杂而又极为重要的传动部件，其性能和质量往往决定着整个机器的工作能力和可靠性。要设计出体积小、重量轻、可靠耐用、效率高的差速器，就必须正确选择传动类型，精确合理进行结构设计和强度计算，精密制造齿轮、行星轮轴承和转臂等主要构件，并进行严格的动平衡22。常用的差速器有两类:(1)摆线针轮行星差速器(如下图)图1.4摆线针轮行星差速器1一转鼓2一螺旋a一摆线齿轮b一针轮H一转臂w一输出机构v一输出轴这种差速器是一种行星传动装置，内齿传动轮的针轮，针轮与转鼓相连。行星轮是摆线轮，它通过W机构由V轴与离心机螺旋2相联。这类差速器的体积小，重量轻，结构较简单紧凑，其传动比大，一级传动的传动比可达9.97；传动效率较高，达。主要缺点是输入轴上的转臂轴承在高速重载条件下工作，寿命较短，这类差速器主要用于中小功率的卧式螺旋沉降式离心机。（2）渐开线行星齿轮差速器，如下图:图1.5 2K-H渐开线行星齿轮差速器1一转鼓2一螺旋al一第一级太阳轮a2一第一级内齿圈H1一第一级转臂(一级系杆)H2一第二级转臂(二级系杆)b1一第二级太阳轮b2一第二级内齿圈这类差速器有多种结构形式，其中普遍应用的是双级2K-H结构。差速器外壳内装有两级半联的2K-H行星齿轮传动。两内齿轮b1和b2及差速器外壳与离心机转鼓相联，第二级传动的转臂H2与螺旋相联。渐开线行星齿轮差速器属多分流对称结构的传动装置，充分利用了内齿轮的空间并将功率分为多股传递，另外内啮合本身还具有承载能力大和内齿轮内的空间可以利用，使结构比较紧凑。因此这类差速器的承载能力大、体积小、重量轻、传动比大、噪声小、便于维修等优点，其传动效率达0.99，对大、中、小功率的各种卧式螺旋沉降式离心机均通用。通过以上可以看出，两种差速器都具有一定的优点，从长期的使用情况来看，渐开线行星齿轮差速器更具有优势。其使用更加可靠，而且寿命较长，故障率较低。因此目前国内外螺旋沉降离心机所使用的差速器大都为渐开线行星齿轮差速器。比如LW500型离心机差速器，LWF38O一N型离心机差速器，LW63O型离心机差速器都是渐开线行星齿轮差速器。这种差速器的适用范围很广，适合于大、中、小型各种功率。而摆线针轮行星差速器却不适合于大功率离心机，具有一定的局限性23。2.2.4 主轴及支撑主轴是离心机的重要部件之一，确定其几何尺寸及结构时，不但要考虑强度和刚度的要求，还要考虑震动的要求在强度计算时，还要考虑轴系本身的转动惯性较大，制动时会产生较大的扭矩。离心机转鼓、主轴及轴承的相互位置大致有三种型式：平底转鼓（外伸形式）、转鼓在两轴之间（简支形式）、内凹形鼓底形式24。2.3 卧螺离心机技术参数及优缺点螺旋卸料沉降离心机主要操作参数为:转鼓转速、转鼓与输料螺旋间的差转速，溢流口位置和进料速度；主要结构参数为:转鼓大端内直径D，转鼓长度L和转鼓长径比L/D，转鼓半锥角，以及输料螺旋的螺旋头数和螺距等25。LW3551460-N卧式螺旋卸料沉降离心机参数：转鼓直径：350mm转鼓长度：1460mm转鼓转速：4000r/min分离因数：3132螺旋差转速：1030r/min螺旋推料器型式：单头/左旋最大通过量：14m3/h进料温度：090在选型和设计中需要考虑的影响螺旋卸料沉降离心机性能的结构参数主要有如下方面：（1）转鼓的基本参数a.转鼓半锥角一般地，半锥角大利于降低脱水污泥的含水率，但螺旋推料器的推料功率会相应增大，螺旋叶片的磨损速率也会增加。对愈难输送的沉渣，转鼓的锥角也就愈小，因为这可以避免产生回流现象，以便顺利排渣，但是转鼓的锥角越小卧螺沉降式离心机的沉降面积越小，使用效率也就越低。据有关文献报道，对较难脱水的物质取，容易脱水物质取，本设计取 。b.液池深度h 由于卧螺离心机的溢流口径是可变的，溢流半径小，机内液池深度深，有利于固相粒子的沉降，有利于减少分离液中含固量，但液池深度过大(即溢流口径过小)，沉降区长度明显增加，使干燥区长度减小，沉渣在干燥区的停留时间缩短，沉渣含湿量会增加。一般地，对于工业离心机应取，综合考虑离心机本身调节液位的难易程度，本设计取液池深度h=50mm。c.脱水区长度L 在液池深度h确定的前提下，为了保证沉渣(即脱水污泥)在最大液池深度的情况下，仍有较好的脱水效果，需保证最大液池深度的情况下有一定的干燥区长度。干燥区长度的确定与最大差转速和干燥段的螺距有关，具体根据设计要求确定26。（2）差转速提高差转速将使转鼓的排渣能力增加。随着转速的提高，转鼓排出的沉渣的含液量上升。差转速增加时差速器的负荷下降，但输料螺旋的磨损加快27。（3）输料螺旋的螺旋头数螺旋头数可以是单头、双头和多头，难分离的物料一般采用单头螺旋；需要产量大又易分离的物料，多采用多头，但母液含固量会增加，在污水处理行业，一般采用单头螺旋。与单头螺旋相比，双头螺旋能保证沉渣在转鼓内较均匀地分布，运转平稳，并且双头螺旋有较高的沉渣输送能力。脱液型螺旋卸料沉降离心机一般采用双头螺旋，而澄清型离心机大都采用单头螺旋28。（4）固体和液体在转鼓内的流动方式 对于澄清型螺旋卸料离心机，当条件相同时并流式离心机的生产能力约为逆流式离心机的倍；并流式离心机排出的沉渣含液量也较低。 3 卧螺离心机工艺计算3.1 生产能力计算悬浮液自进料口进入沉降离心机转鼓后，液相沿转鼓轴向流动至溢流口处溢出鼓外，其中的固相粒子随液相作轴向移动外，还在离心力作用下沿径向沉降。较细的粒子由于沉降速度较慢，沉降到鼓壁所需的时间较长。如悬浮液进料量过大，轴向流速过快，使较细粒子在转鼓内的停留时间少于沉降所需时间，则细粒子将随液流溢出鼓外而不能被分离。因此，沉降离心机的生产能力，应理解为能将所需分离的最小固相离子沉降在鼓内，而不致随分离液带出的最大悬浮液流量。这样，分离因数一定的同一离心机，对不同的物料或同一物料在不同的分离要求下，生产能力也是不同的。沉降离心机的生产能力取决于液体的轴向流速和粒子的离心沉降速度25-28。螺旋卸料离心机的生产能力是指在满足分离液澄清度或沉渣含湿量要求前提下的进料流量。 按理论计算生产能力，它是安布勒于1952年提出用以计算离心机的生产能力，所依据的是“活塞式流动特性，由于它的表达式简单，概念明确，所以一直被沿用至今。柱锥形转鼓的螺旋卸料沉降离心机的生产能力为：式中 修正系数，； 固相密度，；液相密度，；固、液相密度差，；临界颗粒直径，； 沉降区长度，；重力沉降速度，；黏度，；当量沉降面积，；转鼓速度，； 柱段转鼓长度，；圆锥段转鼓长度，；转鼓的内半径，；溢流层表面半径，；与有关的函数，将上述各数据代入各式可得：修正系数：重力沉降速度： 当量沉降面积：将上述数据代入即可得离心机的生产能力Q：考虑到其他影响因素，则本项目的离心机实际生产能力为：。3.2 功率计算一般情况下，卧螺离心机所需功率包括下几个方面：（1）启动转鼓等转动件所需功率；（2）启动物料达到操作转速所需功率；（3）螺旋输送沉渣所需功率。3.1.1 启动转鼓等转动件所需功率欲使卧螺离心机转鼓等转动件，由静止状态达到工作转速具有一定的动能，必须由外界作功，该功为= （5）式中 外界所作的功，J；v 转动件线速度，m/s；转动件绕轴旋转的转动惯量，kg.启动转动件的平均功率，为： = （6）式中 启动转动件的平均功率，kW；t启动时间，s；卧螺离心机的角速度，rad/s。而=303.7 rad/s1. 计算转动件绕轴旋转的转动惯量J 圆柱段转鼓的转动惯量J由表1-1-85公式 （7）式中 圆柱段转鼓的转动惯量，kg.；m旋转体的质量，kg； K系数，见表中； 旋转体的飞轮计算直径，m。由表，取K=0.5， =式中 转鼓圆柱段的外径，m； 转鼓圆柱段的内径，m；取=0.42m，=0.40m，m=80kg则 =0.3364=3.5743 kg. 圆锥段转鼓的转动惯量由Soliworks 2006 作出长度为625mm，大小端直径分别为424mm和390mm，拔模角为8，厚为15mm的圆台壳体。再由质量分析得出下列相关参数：零件( Part Configuration - 默认 ) 的质量特性输出坐标系：- 默认 -密度=0.01克/立方毫米质量=83869.57克体积=10752508.36立方毫米表面积=1299409.01平方毫米重心：( 毫米 )X = 0.00Y = 0.00Z = 283.82惯性主轴和惯性力矩 ： ( 克 * 平方毫米 )由重心决定。 Ix = (0.00， 0.00， 1.00) Px = 2301548159.95 Iy = (0.00， -1.00， 0.00) Py = 3811901499.34 Iz = (1.00， 0.00， 0.00) Pz = 3811901499.34惯性张量 ： ( 克 * 平方毫米 )由重心决定，并且对齐输出的坐标系。Lxx = 3811901499.34Lxy = 0.00Lxz = 0.00Lyx = 0.00Lyy = 3811901499.34Lyz = 0.00Lzx = 0.00Lzy = 0.00Lzz = 2301548159.95惯性张量： ( 克 * 平方毫米 )由输出座标系决定。Ixx = 10567760827.14Ixy = 0.00Ixz = 0.00Iyx = 0.00Iyy = 10567760827.14Iyz = 0.00Izx = 0.00Izy = 0.00Izz = 2301548159.95由上分析可得，其转动惯量P=2.3015 kg.考虑到转鼓内设的筋条，取k=1.1，则=.=2.53 kg.转鼓的转动惯量为=+=5.64 kg.考虑到螺旋叶片、螺旋轴、螺旋叶片轴等转动件的转动惯量，=此处取=1.35所有转动件绕轴旋转的转动惯量=7.614 kg.2、启动时间取启动时间t=20s综上，启动转动件的平均功率=16.5567kw3.1.2 启动物料达到操作转速所需功率 对于连续进料卧螺离心机，加入的物料被分离为沉渣和分离液等组分，可分别求出操作中每种组分所需的功率，然后求其和。假设此种分离操作，单位时间内排出分离液（水）和沉渣（氧化铁）2个组分，各组分的质量分别为m、m（kg/s），各组分在转鼓内卸出的位置半径分别为r、r(m)，则使加入物料达到工作转速所需的功率为：= （8）物料每分钟移动的距离S为： S=L式中 L叶片距，m； 转速差，r/min。已知L=0.08m， =20 r/minS=L=1.6m/min排渣能力可按下式计算：/60 （9）式中 G排渣能力，kg/h； 沉渣的厚度，m；其它的参数同上。已知G=1800 kg/h，D=0.38m，=2.4kg/m则代入上式便得：-0.38+0.002488=0从中可解出=0.0067m又 =-式中 液池的平均厚度，m； 液池中水的厚度，m；已知=0.065m，则=-=0.0583m r=D/2-/2=0.1745m r= D/2/2=0.1962m根据排渣能力的定义，可得m=0.5 kg /s 由物料中分离液与沉渣的体积比，可得m=式中 固相单位体积浓度；固相（氧化铁）密度，/分离液（水）的密度，kg/m。其中， =0.15，=2.4kg/m，=1.0kg/m m=1.181kg /s 综上可得，启动物料达到操作转速所需功率= = =1.546kw3.1.3 螺旋输送沉渣所需功率 对于螺旋卸料离心机，螺旋卸料是将沉渣从转鼓上某处推送到卸料口卸出机外，螺旋输送沉渣时所需功率大小与螺旋叶片和转鼓轴线的相对位置有关，本机中螺旋叶片垂直于转鼓回转轴线，故卸料功率应包括：1、 克服沉渣产生的离心力沿转鼓圆锥段母线的分力所消耗的功率： kW （10）2、 克服沉渣与转鼓壁摩擦所消耗的功率： kW （11）3、 克服沉渣与螺旋叶片摩擦所消耗的功率： kW （12）螺旋输送沉渣消耗的总功率为以上三项功率之和，即： = kW （13）式中 转鼓圆锥段的平均内半径，m，=； 出渣口处转鼓内半径，m； 转鼓圆锥大端内半径，m； H转鼓的长度，m； Z螺旋叶片的圈数； 沉渣与转鼓壁的摩擦系数，一般为0.30.85； 沉渣与螺旋叶片的摩擦系数，一般为0.150.4； G按螺旋排渣能力计算的生产能力，kg/s。其中，=0.1142m， =0.20m=0.1571mH=1.20m，Z=14，排渣能力G=1800/3600=0.5 kg/s，取=0.6，=0.3综合以上各参数，得螺旋输送沉渣所需功率： = =4.22kW3.2 电机选择考虑到摩擦与效率，以上，修正为： （14）式中 轴承效率；考虑到克服转鼓物料和空气摩擦的效率；V带传动效率。 式中 各参数同上。式中 摆线针轮减速器的效率；其它参数同上。由表17取=0.98，=0.985，=0.96，=0.92分别计算，：=16.945kW =1.744kW=1.872得该卧旋离心机的计算总功率为： =20.561kW由于离心机是连续工作的，且一般选用满载时较低速的；考虑到以后作业率的提高，要求电机功率要留有一定的余量，则选用电机：电动机型号 额定功率 满载转速Y220M-4， P=22kW， =1470r/min4 传动设计4.1 螺旋输送器相关参数确定4.1.1 螺旋推料器的基本参数螺旋推料器的基本参数包括:螺旋头数、螺距S、叶片的高度、推料器与转鼓的间隙、叶片与转鼓内壁母线的关系等。4.1.2 螺距s一般地，据相关资料介绍，螺距S与出渣口处转鼓半径有经验关系式： S/2Ru=0.30.8，由于mm，代入计算S=76.8204.8mm。本设计取在离心机的柱段采用mm的等螺距形式，在离心机的锥段采用变螺距形式，在锥段螺距从185mm-100mm线性变化。螺旋推料器在锥段采用变螺距的结构形式，主要的目的是增加沉降时间，提高分离效果；另外逐渐减小螺距使物料在锥段受到渐变的挤压作用，可以减小泥饼的含水量30。4.1.3 推料器与转鼓的间隙一般地，螺旋推料器的外圆面与转鼓的内圆面必须同心，两者之间应有0.5mm2.5mm的间隙，间隙越小推料情况就越好。但在间隙太小时，由于加工、装配等原因，可能形成转鼓与螺旋推料器的旋转偏心而造成二者直接摩擦，出现事故31。综合考虑取值1mm。4.1.4 叶片与转鼓内壁母线关系据资料介绍，工业用离心机的螺旋叶片一般选择垂直于转鼓壁内表面设计，它比选择叶片垂直于转鼓轴线要节省20%的功率。本设计中选用叶片垂直于转鼓内壁母线的结构形式。4.1.5 叶片选择叶片选用连续整体螺旋叶片，叶片厚度8mm，单头螺旋，螺旋升角。材料与转鼓材料相同：1Cr18Ni9Ti不锈钢。为了增加叶片的耐磨性，对叶片的推料面进行硬化处理，采用在叶片表面喷涂30%镍基碳化钨硬质合金。4.2 进料口直径的确定由计算可知，本项目的离心机生产能力为：Q=14m3/h则 ， 根据水的流速为：，取物料流速为：圆整后为60mm4.3 差速器选择由于2K-H渐开线行差速器的承载能力大、体积小、重量轻、传动比大、噪声小、便于维修等优点，所以本设计选用2K-H型渐开线行星齿轮差速器。5 强度校核5.1 转鼓的强度校核5.1.1 离心力场中物料的液体压力离心机工作时，处于转鼓中的液体和固体物料层，在离心力场的作用下，将给转鼓内壁以相当大的压力，称为离心液32压。离心液体压力沿半径上的变化是从液环内表面的零值到转鼓壁达最大值，根据化学工程手册可得物料对筒壁的压力计算公式如下：式中 离心液压，；转鼓内被分离物料的重度 ，；转鼓的回转角速度，；转鼓内表面半径，；转鼓内物料环的半径 ，；重力加速度 ，。当转鼓转速很大时，液面近似与转鼓平行的同心圆柱面，此时近似于常数，如下图：图5.1转鼓内液面示意图在本离心机项目中：转鼓内被分离物料的重度， ；转鼓的回转角速度 ，；转鼓内表面半径，； 转鼓内物料环的内径，；转鼓内物料环的半径 。将上述数据代入可得物料对筒壁的离心液压：所以离心机离心压力离心液压不仅作用在转鼓壁上，同时也作用在顶盖和鼓底上。在计算转鼓强度时必须把离心液压考虑进去。5.1.2 转鼓壁厚计算圆筒形转鼓壁厚为: 圆锥形转鼓壁厚为:本设计中，转鼓的圆锥形大口处周向应力最大，故壁厚按大口处计算.因此，按圆锥形转鼓壁厚计算得：式中 转鼓的内半径，m；转鼓中物料的填充系数；焊缝的强度系数；转鼓壁材料的许用应力，Pa；转鼓半锥角。许用应力选取下列两值中的较小者： 式中 设计温度下材料的屈服极限；计温度下材料的强度极限；屈服极限的安全系数，一般为；强度极限的安全系数，一般为。本设计中： 转鼓材料为1Cr18Ni9Ti，密度=7.9103kg/m3； 焊缝的强度系数， =0.95； 钻井液密度，=1150kg/m3； 转鼓的内半径，R=0.3m； 角速度，=157rad/s； 转鼓半锥角，=10。根据圆锥形转鼓壁厚计算公式: 式中 转鼓的许用应力计算如下：由机械手册查得: ， 取 则， 取最小值。将上述各值代入壁厚计算式，则得：根据钢板的标准厚度，考虑到圆筒及圆锥部分的加工制造方便和腐蚀裕量等因素，取=10mm。5.1.3 转鼓强度计算1. 材料的许用应力取其小者，许用应力为2. 转鼓应力1) 转鼓圆筒部分33空转鼓旋转时鼓壁内的环向应力：式中 对不开孔转鼓的开孔系数，q=1； 转鼓材质密度，=7.9g/cm3；转鼓平均半径，R2=175mm。代入各值，得物料载荷离心力产生的鼓壁环向应力：式中 物料的密度，=1.085g/cm3； 转鼓内半径，R1=175mm； 物料环内半径，R3=150mm； 转鼓壁厚，=10mm；加强箍系数，Z=1。代入数据，得： 则圆筒部分应力： 式中 K为焊缝系数，当焊缝的机械性能与转鼓材料的机械性能相当，应引入焊缝系数K来考虑焊缝处强度的削弱。对于按GB 11345规定进行100射线探伤检查或其他等效的探伤方法进行检查的焊缝，其焊缝系数K=0.95。 2) 转鼓锥体部分空转鼓旋转时鼓壁内的环向应力：物料载荷离心力产生的鼓壁环向应力：锥段应力：取其大者t=28.77MPa=105MPa，转鼓强度满足要求。5.1.4 转鼓疲劳强度校核对承受循环载荷次数较高的离心机转鼓，如卧螺离心机、间歇操作的三足式离心机及部分碟式分离机应考虑疲劳强度校核。按我国GB 3705标准规定，建议按转鼓材料测定其承受次以上循环载荷作用下的疲劳强度，并进行疲劳强度校核，即式中 转鼓的环向总应力； 安全系数； 转鼓材料的抗疲劳强度极限。本离心机转鼓的环向应力t=28.77MPa，转鼓的抗疲劳强度极限，故可知其安全。5.2 主轴的强度校核通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。一般的轴用这种方法计算即可34。计算步骤如下：（1）作出轴的计算简图轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮宽度的中点算起。通常把轴当做置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置有关，可按下图来确定。图b中的a值可查滚动轴承样本或手册，图d中的e值与滑动轴承的宽径比B/d有关35。 图5.2轴的支反力作用点由图（c），画出本设计的计算简图：M=1600kg，得式中， 作出剪力图 ： （2）作出弯矩图：（3）作出扭矩图：