毕业设计（论文）-小型高压均质机的设计.doc

本 科 毕 业 设 计 第 37 页 共 37 页1. 绪论据有关文献记载，gaulin的装置第一次使用了 homogenized（均质）这个词。此后，“均质”、“均质机”、“乳化器”等这些词都是与gaulin研制的装置和工艺密不可分的。当今，世界各国生产的林林总总的均质器械，结构上尽管各有差异，究其基本原理，与gaulin应用的原理所差无几，可以说只是同工异曲。1.1 均质机的现状与发展趋势自几年前开始，高压均质机的市场需求不断增加。从食感方面看，在减少使用乳化剂等外加添加剂以后，为获得长时间稳定的乳化效果，进行高压均质处理是十分有效的手段之一。采用高压均质机处理的物料随时间的延长所发生的变化比用低压均质机处理后所发生的变化少。而且由于实现了物料的细微化，提高了细微化食物在人体内的消化吸收率，因此非常适合应用于开发老年人使用的营养食品、病人食品、婴幼儿食品以及流体食品和功能性食品等高附加值制品的开发与生产，市场的潜在需求甚高。近年来，色拉调味汁和人造黄油等生产中也出现利用高压均质机处理的倾向。目前，广泛使用的均质机大多具有二级均质的功能。一级阀与二级阀所选的压力大小也涉及到均质机的加工工艺问题。国外对均质机一级、二级阀加工效果的研究积累了丰富的经验，相比较，我国在这方面的研究还处在起步阶段。一级阀与二级阀是串联使用的，二级阀压力的大小，关系到物料经过一级阀瞬间压力降的大小，从而直接关系到一级阀的加工效果，因此，二级阀压力的选择并不是随意的，实验证明，二级阀工艺上选择的压力应控制在系统总压力的20%30%之间，压力选择过高，反而适得其反。均质机的发展，一是根据实际应用的需求，二是要依托科技的发展。即：需要由新工艺、新设备、新材料等作为保证。我国均质机产业起步较晚，较国外落后了五、六十年。进展慢，60mpa高压均质机的生产，较国外落后了近八十个年头。水平相对比较低，无论是材料选择，加工精度、使用寿命、规格品种、应用领域及能源消耗，都与国际先进水平有着不小的差距，这显示我国均质机产业的发展任重而道远。高压均质机的发展方向，概括的说主要体现在以下两个方面： (1) 超高压性 由于高压均质设备在营养液原浆、生物工程、超微破碎技术及纳米技术中的推广使用，使其产品覆盖范围迅速扩大，所要求使用的压力也越来越高，日前，从上海东华均质机厂了解到，要求使用压力在100mpa以上的客户越来越多。但国内能生产压力在100mpa的工厂并不多，而150mpa的均质机只有某些龙头企业能生产。国外的设备相对比较成熟，最高压力能达到200mpa，但由于在其价格昂贵、易损件提供困难等原因，使国内用户难以接受。 (2) 全自动智能化 随着现代化大工业自动化生产的需要，均质机已经可以独立串联生产线上。大大提高了食品生产的自动化程度。为使食品生产线可以连续稳定、卫生高效的工作，就需要均质机与前后处理设备之间有很好的匹配，并能在动态条件下远程自动调整技术参数、自动检查各部门分运转状态、自动判别故障，并且能在特殊情况下自动停机。由于特大型均质机的能耗少则一、二百千瓦，多则四、五百千瓦，能源消耗矛盾十分突出，瞄准世界先进水平，研制高效节能型均质机，尽量缩小与国外先进水平的差距，对均质机行业显得尤为迫切和重要，这是均质机生产厂家需要化大力气尽快攻克的一个重要课题。生物工程、纳米技术，将是本世纪有着长足发展的新兴产业。大肠杆菌、酶等细胞壁的粉碎，纳米级微粒的粉碎，几十兆帕压力的均质机显然是无能为力的，这就需要我们研制100 mpa50 mpa的超高压力的均质机。在国外，这种机器已经提供生产服务多年，而在我国几乎还是空白，这是我国均质机发展的又一个方向。有以上概述可知设计高压均质机的必要性。1.2 均质机的工作原理介绍通过阅读一些资料和对均质机进行设计的过程使我对均质机的工作原理有了更深一层的认识，下面对均质机的工作原理进行一下概括。高压均质机又名高压匀浆机、高压匀化机、高压乳化泵。它是一种用途广泛的粉碎和乳化设备，属包装和食品机械范畴。高压均质机一般有一个或几个往复运动的柱塞。例如图1为三柱塞往复泵。常见的三柱塞往复泵的柱塞泵是由3个工作室、3个柱塞、3个单向的进料阀和3个单向的出料阀等组成。3个工作室互不相连，但进料管和排料管相通，在设计上曲轴使连杆相位差为120，它们并联在一起，使排出的流量基本平衡。图1 三柱塞往复泵图2 均质阀与均质的原理并且依靠柱塞运动配合各单向阀门把被处理的物料吸入泵腔内进行高压压缩。压强一般要到300 kg/cm2，最高可以达到10000 kg/cm2，这些被压缩的物料经过一个或几个可调节的限制阀口。 以150 m/s甚至最高可达到950 m/s的线速度在阀口喷出。撞在一个特殊材料制成的圆环上。由此产生三种效应：第一是空穴效应 被柱塞压缩着的高压物料的内部积累着很大的能量。在通过阀口狭缝时突然失压物料内部的巨大能量被强烈地释放出来， 引起它的气穴爆炸。因此物料被强烈地粉碎缅化。例如爆炒米花基本上就是这个原理，高压均质机的空穴效应比超声波所产生的空穴效应强烈得多。第二是碰撞效应，通过高压均质机阀口狭缝的物料，有极高的速度，一般可以达到150 m/s200 m/s的线速度，最高达到950 m/s。这些高速喷射的物料被强烈地撞击在一个坚硬的圆环上， 物料因此而破碎。在一定条件下，高压均质机的碰撞效应比普通球磨机更迅速有效。 第三是剪切效应，如图2所示被高压均质机处理的物料在通过泵腔内的狭道和阀口的狭缝时都会产生剪切效应，这种剪切作用犹如摇肉机的工作状态、肉丁从摇肉机的孔板的小孔中压出成了细颗粒的肉浆。另外成混悬状的物料在泵腔内部的通道中高速流动，混悬液各流层之问的流速不等，由于流速不等形成各流层之间的内部剪切，以上二种剪切效应加起来比胶体磨的剪切更好。根据以上三种工作效应，因此高压均质机有以下几种优点：(1) 处理的产品粒度细而均匀，一般达到1m2m以下。(2) 被处理的产品稳定性好，保存期长。例如华东师大有一名教授为了解决蜂乳在保存一段时间就产生分层沉淀的问题，他先用加入表面活性剂的方法，但直到蜂乳变味发苦仍不能解决问题，用高压均质机，一次加工就解决了问题。(3) 被处理的食物和药物可以提高吸收量。食物的粒度越细，就越容易被人体吸收，当它的颗粒度达到0.1m时可以不通过肠胃直接注入静脉为人体所吸收。(4) 被处理的物料可以提高粘度和浓度。豆奶经过处理后浓度提高，冰淇淋经处理后体积扩大，粘度增加，这样不但可以节约用料，而且可以提高产品质量。 通过对高压均质机工作原理的了解从而逐步的对其结构进行展开的设计和计算。以下是设计的要求和设计步骤。2. 均质机设计的技术要求及其方案的确定本次设计的题目是小型高压均质机，其分为两部分进行设计即传动部分设计和均质部分，由两个人分别进行设计，我设计的部分是均质部分。其技术要求如下：(1) 所设计的均质机能够完成对两种流体物料的均质与乳化(2) 额定压力为一级60mpa、二级20mpa(3) 尺寸规格为1446mm1220mm1435mm(4) 额定流量为2000l/h开题报告中阐述了我对高压均质机的初步方案的设想，经过设计计算对初步方案进行了确定和充实。我设计的均质部分结构细说由泵体、泵阀、压力表、一级均质阀组件、二级均质阀组件、泄压装置以及一些管路零件如图3所示。图3 高压均质机均质部分的结构图1.管路零件 2.泄压装置 3.泵体 4.压力表 5.泵阀 6.一级均质组件 7.二级均质组件 柱塞安装在泵体中间偏下处，也就是在吸入泵阀阀芯和排出泵阀阀芯中间，位置关系如图4所示。当柱塞向外运动时，产生真空从而物料通过大气压力进入泵体内，当柱塞向内运动时，对物料进行压缩产生很大的压力，从而通过排出泵阀进入均质部分，均质部分设计在泵体的右侧，以方便多数的人右手操作。物料进入一级均质阀处，由于一级均质阀的阀杆与阀座之间的间隙非常小，从而使排出单向阀处的物料产生很高的压力，高压物料由于通过一级均质阀进行均质，会产生很大的摩擦力和热量，所以一级均图4 柱塞与泵体的位置关系1.泵体 2.柱塞质阀的材料要硬，而且还要有耐磨性，综合考虑这些问题我选择了硬质合金材料。在一级均质阀右端有个压力调节装置，通过转动扳手来调节均质阀杆与阀座之间的间隙，从而调节均质时的压力，均质时的压力越高均质效果相对来说越好，但最高只能达到额定的均质压力，压力过高时会对均质部件造成损坏。为了防止压力过高在泵体端盖上安装了一个耐震压力表，能够显示一级均质时的压力，均质机设计的技术要求中的一级均质压力为60mpa，所以选择的压力表的测量范围为0 mpa 60 mpa。一级均质阀前后有很大的压力差大约为40mpa,从而产生剪切、撞击、空穴效应，从而充分的对物料进行均质。均质后的液体，通过一级均质阀下阀体上的一个直径为16mm的斜孔，进入二级均质阀处。由于第一级均质阀的压力很高，以破碎脂肪球为主；第二级均质阀的压力较低，只要作用是使已破碎的脂肪球迅速分散到脱脂乳中，避免细小的脂肪球重新聚合。所以二级均质阀的阀芯结构与一级均质阀的阀芯结构不同，并且二级均质阀的过流通径比一级的大，由于这两级都是通过调节阀芯与阀座的相对位置来实现调压的，所以二级均质阀的压力调节装置与一级均质阀的压力调节装置一样。当机器停止工作时，可以通过泵体左端的泄压装置进行泄压，这个泄压装置由一个高压球芯截止阀、两个直角管接头和水管管路组成，泄压时只需旋开高压球芯截止阀即可。以上是我对均质部分结构的设计方案和设计思想的介绍，接下来对各部分进行详细的设计。3. 主要的结构设计与尺寸计算3.1 均质机的功率和电动机的选择3.1.1 均质机的有效功率 在单位时间内，均质机排除的液体由均质机所获得的能量成为均质机的有效功率，也就是均质机对排除的液体所做的有效功。均质机的有效功率可以根据全压力和实际流量进行计算。由于高压均质机的全压力和均质压力（即排除压力）基本接近，所以，一般均依照均质压力和实际流量按下式计算：式中 均质机的有效功率，kw； 均质机的均质压力，pa； 均质机的实流量，m3/s。 将 =60103 pa、=2000 l/h 带入上式中得 =33.33 kw 3.1.2 均质机的输入功率均质机的输入功率也就是均质机(高压泵）的轴功率是原动机（如电动机）传给均质机输入轴上的功率。当均质机与原动机直接连接时，均质机输入功率就等于原动机的输出功率。由于存在机械摩擦等损失，均质机的输入功率大于有效功率。输入功率可按下式计算：式中 均质机的输入功率，kw； 均质机的有效功率，kw； 均质机的效率；均质机的效率的计算方法很难确定，只能用试验方法确定。在进行均质机设计时，通常要根据均质机的结构型式和参数以及加工质量等预先选取，一般=0.800.90。流量较大，压力较低，制造质量高，介质含气量较少时，可选较大值。反之则选较小值。根据此次课题的要求选=0.85计算的=39.18kw3.1.3 电动机功率及电动机的选择 上面所述均质机的效率只包括均质机输入轴后面机构的机械损失，并不包括电动机至输入轴之间传动机构的机械损失，所以，电动机的功率应按下式进行计算=式中 电动机功率，kw； 均质机的有效功率，kw； 均质机的效率； 均质机输入轴前传动装置效率。 的取值可根据电动机至均质机输入轴采用的传动装置而定。直联时，=1；采用三角带传动时，=0.900.96；齿轮传动（闭式)时，=0.950.99；蜗轮传动时（闭式），=0.700.94。式中又称为均质的整机效率。对均质机整机效率要求见表1。表1 均质机整机效率均质机压力（mpa）2020323250整机效率0.840.830.80 计算查表机械传动和摩擦的效率概略值，确定各部分效率为：联轴器效率=0.99，滚动轴承传动效率（一对）=0.99，三角带传动效率=0.96，闭式齿轮传动效率=0.97 =2=0.90则： =43.53 kw 考虑到均质机的流量是脉动的，载荷也是脉动的，其瞬时功率和平均功率差别较大，而且不同类型的均质机，差别程度也不同，特别是单柱塞均质机，差别最大。此外，在柱塞密封处的机械摩擦损失等也很难精确确定，为使均质机在世纪运转中不致超载，在选择电动机时，应有一定的裕量，这一裕量称为储备系数,则实际选择的电动机功率为：=式中： 实际选择的电动机功率，kw； 储备系数； 电动机（计算）功率，kw。储备系数可按表2选取。 表2 电动机功率储备系数电动机功率（kw）2610202021.51.251.151.10由于=43.53kw，故选取=1.10则 =1.1043.53=47.88 kw因为载荷平稳，电动机额定功率略大于即可。查手册选用型号为y280s-8的y系列三相异步电动机（见图3）。参数见表3。表3 电动机参数电动机型号额定功率 /kw满载转速/（r/min）同步转速750 r/min，8极y280s-8557401.62.0图5 三相异步电动机y280s-83.2 泵体的结构设计和尺寸计算3.2.1 泵体的结构设计要求泵体又称为液缸体，是泵主要承受液体压力并直接与输送介质接触的部件。泵体的形状比较复杂，壁厚不均匀，内部有十字形、t形交孔，应力集中大，而且要承受内压交变载荷，所以泵体的设计和结构合理性对其寿命有很大的影响。特别是在输送高温，高压及强腐蚀性介质时更是如此。总的来说，泵体在结构上应力求形状简单，壁厚均匀，内部流道要短而直，尽量避免拐弯和断面的急剧变化，此外还必须有足够的机械强度、耐腐蚀性和良好的机械加工工艺性。3.2.2 泵体型式的选择泵体的型式与泵的液力端的结构有关。液力端按照其吸入阀和排出阀的布置型式和液流通道特性，可分为直通式、直角式和阶梯式等不同型式，相应的泵体也就有直通式、直角式和阶梯式等几种型式，如图5所示。(a)(b)(c)图6 柱塞泵液力端型式简图（a）直通式 （b）直角式（c）阶梯式 如上图6所示，直通式液力端的每个缸体的吸入、排出阀中心轴线均为同一轴线；直角式液力端的吸入、排出阀轴线互相垂直；阶梯式液力端的吸入、排出阀轴线互相平行但不是同一轴线。直通式的过流性能好，余隙容积较小，结构紧凑，尺寸小，但通常吸入阀拆装不便。直通式又可分为四通体和三通体两种。四通体的柱塞可以从泵体前盖处装拆，比较方便，但内部为十字交孔，两垂直孔相交处应力集中大，可能导致泵体疲劳开裂；三通体内为t字形交孔，应力集中情况有改善，且柱塞可不必深入到吸、排阀之间，泵体高度尺寸和余隙容积能够得以减小，但柱塞不能从泵体前端拆装、更换，检修不太方便，如上面图4所示。 直角式液力端的吸、排阀可以分别装拆和更换，使用维修方便，阀的余隙容积小，结构紧凑。柱塞可以从吸入阀处装拆。但由于吸入阀呈水平布置，因此对阀板的导向要求较高，否则会引起阀的关闭不良。阶梯式液力端吸、排阀可单独装拆和更换，因此常用于须经常更换泵阀的场合。由于余隙容积较大，当排出压力较高或输送含气量较高的介质时，泵的容积效率较低。通过综合考虑我选择了直通式的泵体结构，由于其过流性能好，余隙容积较小，结构紧凑，尺寸小，但拆装不方便。为了解决拆装不方便的问题，我在箱体底部开了三个直径为42mm的孔，以便能够通过这几个孔解决吸入阀的拆装不方便的问题，如图7所示。图7 解决吸入阀难拆装问题的三个通孔3.2.3 泵体的壁厚的确定泵体可视为是一种特殊的高压容器，因为形状复杂以及应力集中等的影响，难以使用一般的分析方法计算出危险点和最大应力，所以很难进行精确的强度计算。实用上，对一般泵体壁厚确定和强度校核都把它们近似地当成薄壁或厚壁圆筒来计算。假定泵体为一外圆半径为、内圆半径为的等厚圆筒，且/1.5时，则可由薄壁圆筒公式确定壁厚： 式中 壁厚，cm；焊接系数，无焊接时；缸内最大的工作压力，mpa；泵体内径，cm； 考虑铸造偏心及腐蚀所留余量，一般取cm； 许用应力，mpa；钢制泵体许用应力若按抗拉强度取，安全系数应大于4；按屈服强度取，安全系数为23。根据要求取内壁直径为=74 mm，根据单向阀的整体尺寸取得；由于泵体没有焊接的部分则取=1；由于泵体内工作时的最大压力为60mpa，则取p=60mpa；由于考虑铸造偏心及腐蚀所留余量，取=0.4 cm；根据机械设计手册查到所选铸钢的许用应力为=140 mpa；根据以上已知条件可算出： =59.5mm圆整后取=60mm；3.2.4 泵体的壁厚的校核当泵体的结构尺寸已经确定，则按照薄壁圆筒（/1.5）的校核公式对泵体的壁厚进行校核： 式中： 壁厚，cm； 焊接系数，无焊接时； 缸内最大的工作压力，mpa； 泵体内径，cm； 考虑铸造偏心及腐蚀所留余量，一般取cm； 许用应力，mpa；各参数在计算泵体壁厚时已经确定并且其中=140mpa,则代入到公式里面得： =69.643mpa所以泵体壁厚=60mm能够保证泵体的强度要求。最后确定泵体的各尺寸，其结构图如图8所示：图8 泵体的结构图3.2.5 泵体的水压试验泵体的水压试验，一般要根据泵的实际使用条件，泵体破坏后产生的危害大小及泵体所选用的材料、制造工艺和检验方法等综合确定。对于中、低压泵（10mpa）,运转中无明显超载并主要依靠水压试验发现缺陷的.通常按工作压力的1.5倍作为水压试验的规定压力。对于高压泵（10mpa32mpa），一般取工作压力的1.3倍作为水压试验压力。工作压力大于32mpa的高压泵，则主要依靠无损探伤来寻找缺陷，不能单纯以水压试验来探伤，可避免水压试验时未发现问题，而内部缺陷却逐渐扩展，形成隐患。由于我设计的高压均质机工作时泵体内的最大压力达到了60mpa，所以主要依靠无损探伤来寻找缺陷。3.2.6 泵体上端盖螺栓的校核由于泵体上端盖受到的压力为60mpa的压力，并且端盖的受载面为一个直径为74mm的圆形，所以根据公式可求出工作时螺栓受到的工作拉力f：式中 p泵体上端盖受到的压力，mpa； a受力面积，；将已知条件代入公式中求得：f=158294.4n为了保证联接的紧密性，以防止联接受载后接合面间产生缝隙，应使残余预紧力，推荐采用的残余预紧力为：对于有密封要求的联接，；对于一般联接，工作载荷稳定时，；工作载荷不稳定时，；对于地脚螺栓联接，。由于泵体属于高压容器所以有密封要求,则代入数据可求出：237441.6 n则： 395735.997 n因为上端盖与泵体联接的螺栓有六个所以一个螺栓所受的总拉力为：120362.48 n表4 螺栓的、螺钉和螺柱的性能等级性能等级（标记）3.64.64.85.65.86.88.89.8屈服极限（或）/mpa180240320300400480940720硬度90114124147152181238276推荐材料低碳钢低碳钢或中碳钢低碳合金钢，中碳钢，淬火并回火选择的螺栓的标准为gb/t5782-2000，其材料为中碳钢、性能等级为8.8，由表4查得材料的屈服极限 640mpa，由表5查得安全系数s=3，故螺栓的材料的许用应力：。根据螺栓的校核公式对螺栓进行校核：将求得的参数代入到公式求得： mm因为所选的螺栓为m16的螺栓其小径大于13.216 mm所以所选的螺栓的强度足够。表5 预紧螺栓连接的安全系数 s 材料种类静载荷动载荷m6m16m16m30m3060mm6m16m16m30碳钢433221.3106.56.5合金钢5442.52.57.5553.3 柱塞泵结构尺寸的设计3.3.1 柱塞泵的选取通常用泵在一转中的流量和平均流量之比表示流量的不均匀程度，称为不均匀度，以m表示。 =式中： = 3/s对单作用泵： = 3 /s所以： =对于双柱塞泵，柱塞的相位差为时，它的不均匀度为 =对于三柱塞泵，柱塞相位差互成时 =流量的不均匀度越大，其最大流量与平均流量的差越大，流量就越不均匀，泵的操作也就越不稳定。由以上不均匀度的计算表明，三柱塞泵流量最稳定，得到广泛应用。故选用三柱塞往复泵。常见的三柱塞往复泵的柱塞泵是由3个工作室、3个柱塞、3个单向的进料阀和3个单向的出料阀等组成。3个工作室互不相连，但进料管和排料管相通。在设计上曲轴使连杆相位差为120，它们并联在一起，使排出的流量基本平衡。3.3.2 柱塞的设计柱塞的作用是使吸入过程中缸体内形成低压，而在排出过程中形成压力，将液体压出。柱塞在工作中不断地做往复运动，而且要传递产生压力的力，所以柱塞必须具有足够的刚度、强度，表面必须光洁、硬度高，以保证良好的耐磨性。当输送有腐蚀性的介质时，还必须有良好的耐蚀性。柱塞有实心和空心两种。直径在125mm以下时采用实心，直径在大于125mm时，为减轻重量，采用空心。 （1） 柱塞与十字头的连接柱塞与十字头连接一般有平面、球面和螺纹等三种连接形式。一般平面连接是指柱塞一端面与十字头断面平面接触，借助柱塞颈部处的两个半圆环用螺母压紧。这种连接，结构简单，多用于小型柱塞泵，但不能自动对中，若量连接断面任何一个与中心线垂直度不能保证，柱塞安装后就产生偏斜，运转时对密封产生偏磨，影响密封件寿命。球面连接是在柱塞和十字头之间装有垫块和球面垫。球面连接可实现自动对中，有利于改善密封性能，延长密封性能，延长密封使用寿命，但结构复杂，零件数量多，球面加工也困难。螺纹连接结构简单，加工容易，装拆方便。一般不能由螺纹办证对中性，需要另外的配合圆柱面来保证对中，加工时要保证螺纹和圆柱面的同轴度，且圆柱与十字头接触的端面应与中心线垂直。综上所述，选用螺纹连接。 （2）柱塞直径行程的初定 按照图9的运动原理，初定柱塞直径为40mm,曲柄半径为50mm,故柱塞行程初定为100mm。所以在设计柱塞的长度时应大于100mm。柱塞曲柄图9 曲柄连杆示意图 （3） 柱塞稳定性校核校核柱塞稳定性时，计算长度取自与十字头连接的端面至柱塞导向套中点。把柱塞近似看做为等截面细长压杆，根据材料力学，压杆柔度为：=式中： 压杆长度系数，柱塞可取= ； 柱塞计算长度，cm； 截面最小惯性半径，cm，=； j 截面惯性矩，4，对圆截面：j=对圆形截面的柱塞来说： = 即 = mm = 1 cm； = 即 = =12.33 压杆柔度不同时，压杆稳定性校核公式见表6表6 压杆稳定性校核公式压杆柔度范围校核公式大柔度杆 100中柔度压杆 40 100小柔度杆 40=表中符号意义： 安全系数； 最大柱塞力，n； 柱塞截面积，cm2 ； 柱塞计算长度，cm； 柱塞材料弹性模量，mpa； 材料允许抗拉应力，mpa； 压杆柔度； 截面惯性矩，cm4； 长度系数，这里 =； 与材料性能有关的系数，不同强度的钢材 值见表7； 许用安全系数，柱塞可取=58 。表7 柔度计算用系数 材料45钢589038.00熔钼钢1000054.00由于 =12.33 40 ，所以该柱塞杆为小柔度压杆，应按照公式= 进行稳定性校核。选用材料为 45 钢，所以通过查阅手册得出 的范围为：216238 mpa。计算 ： = = cm2 = 12.56 cm2计算 ： = = 60 n = 75360 n所以将以上数据带入校核公式得： = = 故该柱塞稳定。 （4） 柱塞最小截面积压应力校核由于连接的需要，柱塞的界面可能会不等，柱塞的压应力按最小截面进行校核： =式中： 最小截面压应力，mpa； 最大柱塞力，n； 最小截面积，cm2； 许用应力，=； 安全系数，一般取 =；计算： = 75360 n在图8中得柱塞的最小截面的直径=35 mm，所以： = = cm2= 9.6 cm2查阅手册得 = mpa，取=， 所以： =mpa = mpa 故： = mpa 所以柱塞的最小截面满足要求。（5）柱塞密封柱塞密封式往复式柱塞泵中重要的易损见之一。柱塞密封的型式有接触型密封和间隙密封两种，接触型密封又可分为压紧式填料密封和自紧式密封两类。压紧式填料密封使用的填料通常是用玻璃纤维、石棉纤维、植物纤维或碳素纤维等编制而成，再填充或浸渍不同性质的润滑剂后压制成方形或矩形断面的带状品。由于依靠压紧力来防止泄漏，压紧式填料密封有着较大的磨损和机械损失，安装和维护也很麻烦，目前使用范围已日趋缩小。自紧式密封有着良好的密封性能，依靠液体的压力使密封圈唇部张开与柱塞表面和泵缸内壁紧密交界处面密封，当液体压力升高时，密封性能自动加强，压力降低时，密封性能也随着下降。这种自动调节密封性能的特点可以减少摩擦和功率损失，所以在高压泵的均质机上得到了广泛的应用。自紧式密封又可分为v型、u型和y型等不同型式。 v型密封的结构形式v型密封由v型密封圈、顶圈和底圈所组成，在顶圈前有柱塞导向套，在底圈后有压盖及其压紧螺母，v形圈的开口向着液压方向安装。当密封圈较多时，可在密封圈中加设液封环，液封环可储存液体，起润滑密封或冷却作用，又有助于v形圈均匀压紧。有时为了防止空气吸入液缸，也可以布置少量v形圈开口背向液压方向，以起到米鞥空气的作用。v形密封的顶圈和顶圈不一定是单独的，有时可把顶圈和导向套制成一体，把底圈和压盖也制成一体，这样可以减少密封填料箱轴向尺寸。液封环有时也可以兼起顶、底圈的作用。由于设计和结构的不同，有时对密封圈补偿压紧力有困难，可以采用弹簧力自动补偿，弹簧力的大小则应依据v形圈直径大小而不同。v形密封圈大多用合成橡胶或多层涂胶织物（夹布橡胶制v形圈）压制而成。夹布及橡胶应根据输送介质和使用条件选择合适的材料。v形密封圈常把若干个重叠起来使用。压力越高，格式户越多，但摩擦力也于是大。当个数多于4时，摩擦力增加明显，一般应依照压力选择密封圈的个数。当工作压力不超过32mpa时，一般使用a型v形圈（d50mm时）3个即可。 u型和y型密封的结构形式 u型和y型密封在本质上没有多少区别。在形状和性能上也很接近，因此通常可归并成一类，统称u型密封。u型密封圈的唇部内径比柱塞略小，而外径比填料箱内径略大，组装后考唇部接触形成密封。使用于高、中、低压条件下的u形密封圈的背部厚度是不同的。在压力低于30mpa时，一般只要用一个u形或y形密封圈即可，与v形密封相比，u形密封的摩擦力小，密封性能好，装拆也方便。用于往复式柱塞的u形密封。由于压力脉动和柱塞的往复运动，一般需加顶圈（支承环）来固定u形圈并使唇部张开与柱塞和箱体内壁接触。顶圈压入唇部的部分沿圆周开有若干个小孔，可使唇部在液压作用下张开均匀。 间隙密封当泵的排出压力很高，填料或密封圈由于强度和刚度所限制，常采用金属间隙密封。最简单的间隙密封是用柱塞和液缸体经精密配合，使间隙在0.0030.006mm，表面十分光洁，可密封压力达100mpa以上。综上所述，结合各种密封型式的结构特点、性能特点及装配特点，本次设计采用u型密封。（6）柱塞导向套柱塞导向套常常安装在密封圈顶圈前面或和顶圈制成一体。导向套除了导向外，还可以支撑柱塞重量，减小对填料、密封圈的侧压力，以提高密封效果。柱塞和导向套是一对重要的摩擦副，其配合应依材料和输送介质的温度来选择，对于金属金属来说，一般可选择或。导向套的长度一般可取柱塞直径的0.52倍，压力较高，直径较大者可取大值，反之取小值。3.4 泵阀的选择3.4.1 泵阀的结构设计要求泵阀是指柱塞泵液力端上的吸入单向阀和排出单向阀，泵阀的作用是随着柱塞往复运动而周期的开启和关闭，完成吸入和排出过程，实现对物料的输送。泵阀的工作性能，如泵阀对流体的阻力及泵阀的使用寿命等直接影响均质机的整体性能。泵阀应具备以下一些基本要求：(1) 工作干稳，开启及时，关闭速度和关阀滞后角均不应大于允许值以减小关闭冲击和回流损失。(2) 密封可靠，以避免或尽可能减少泄露损失。(3) 水力损失小，否则会影响泵的效率和其他水力特性。(4) 具有足够的强度、刚度，以确保在一定得工作压力下可靠的工作，并具有较长的使用寿命。(5) 结构简单，装拆、维修方便，互换性好。3.4.2 泵阀种类的选择泵阀通常是由阀座、阀芯、上阀体、弹簧和升程限制块等组成。根据泵阀的开闭方式，泵阀可以分为自动阀和强制阀两类。柱塞泵上的泵阀大多为自动开启和自动关闭，同时利用重力或弹簧力来加速关闭动作的完成，以确保泵阀的及时关闭。利用重力的自动阀又称为重量阀，利用弹簧力的自动阀又称为弹簧阀，但是重力阀现在一般仅用于球阀，而弹簧阀由于利用弹簧力来代替重力，阀板的质量就可以减小，就能减少阀板运动时惯性力的影响。从而动作灵敏。即使在高速下工作也能保证及时的开启和关闭，而不致于引起大的冲击，所以弹簧阀现已得到广泛的应用。强制阀是采用机械控制启闭的泵阀，吸入、排出阀的启闭依靠机械控制并与柱塞的前后死点位置相协调，结构比较复杂。只有当输送的介质粘度甚高时，这时自动阀已不适用，才采用强制阀。 因为我设计的均质机输送的主要是牛奶、果汁等低粘度介质，并要求泵阀的动作灵敏，开启和关闭及时，而不致于引起大的冲击从而选择弹簧泵阀。弹簧泵阀按结构又可分成平板泵阀和锥形泵阀。(1)平板泵阀平板泵阀密封接触面为平面，广泛用于清水、低粘度油及类似介质的输送。其结构简单，制造方便，但密封性能不如锥形泵阀，多用于排压较低的泵。这种阀的阀板运动较平稳，落座时偏斜较小，若无导向，阀板落座时就易产生偏斜或密封力不均匀而影响密封效果。(2)锥形泵阀锥形泵阀密封挡触面为锥面，流道比平板阀平滑，水力阻力较小，流量系数大，过流能力强，密封性能好，适用于粘度较高的液体介质的输送。由于阀板刚度较大，常为高压泵和超高压泵所采用。其中一种锥形泵阀是下部有翼形导向的阀，导翼断面的半月形凹槽为液流通道，这种阀板的刚度好，但质量较大，多用于往复次数不高的高压均质机上。由于我设计的均质机是高压均质机，最高工作压力达到60mpa，而且对密封性能要求较高所以选择锥形泵阀。综合以上各种形式阀的使用特点最后确定选择锥形弹簧泵阀。其结构图如图9所示：图10 泵阀的结构组成1. 阀座 2. 阀芯 3. 弹簧 4. 升程限制块 5. 上阀体 3.5 均质阀的设计与计算3.5.1 均质阀结构的的设计均质阀是均质机的关键部件，由高压泵送来的高压液体，在通过均质阀时完成均质。均质阀一般由阀座，阀杆和冲击环组成。阀座是固定不动的，中心开有阀座孔。液体从阀座孔进入均质阀。阀杆也称阀芯，沿轴向相对于阀座进行调节，即可改变阀座与阀杆之间缝隙的大小，从而改变均质的压力，小缝隙相应于高均质压力。均质时，缝隙一般只有0.1mm左右。阀杆上开有两个密封圈槽，通过两个密封圈对阀杆进行密封，以免液体泄漏。冲击环位于缝隙出口外侧，与阀座、阀杆同轴，位置是不可动的，均质时由缝隙流出的高速液体沿径向垂直冲撞在环的内壁上。实际使用的均质阀，阀座与阀杆缺不可，冲击环则可根据需要，也有不用的。由于我们设计要求为60mpa的工作压力，为了得到更好的均质效果，所以我的设计中安装有冲击环。均质时，均质阀缝隙内液体的流速可以高达150300 m/s，在形成空穴时，局部会产生高温，高压，并有液压冲击和振动，液体物料中往往又含有圆形颗粒，所以在阀座、阀杆的工作端面上极易磨蚀而变得粗糙，严重时会影响均质进行。为此，均质阀所选的材料必须十分坚硬，具有极强的耐磨蚀性，而且须有良好的抗锈蚀性能，才能确保均质阀有一定的使用周期和寿命，所以在设计中阀芯、阀座、冲击环的材料选择为硬质合金。由于以上原因均质阀的加工制造比较困难，成本也比较高，所以均质阀座、阀芯等零件的形状必须简单，以利于加工，尤其是使用厂家能加以修正修复以便多次使用。根据以上叙述在设计中我选择结构简单的平面型均质阀，其阀座、阀杆工作面均为平面，形状简单，加工、修复方便，均质效率高，使用最为普遍。如图10所示，这种均质阀的结构最为简单，常作为第一级均质阀用于中小流量的情况。图11 一级均质阀的结构示图1. 均质阀阀座 2. 均质阀阀杆 3. 冲击环而第二级均质阀的压力较低，主要作用是使已破碎的脂肪球迅速分散到脱脂乳中，避免细小的脂肪球重新聚合,所以二级均质阀的过流通径要比一级均质阀的大，两种均质阀阀芯的结构也有很大不同，并且二级均质阀压力的选择并不是随意的，实验证明，二级阀工艺上选择的压力应控制在系统总压力的20%30%之间，压力选择过高，反而适得其反。所以二级均质阀的结构设计成图11这种结构。图12 二级均质阀结构示图1. 均质阀阀座 2. 均质阀阀芯 3.冲击环3.5.2 均质阀阀芯结构的计算一般认为，高压均质过程主要发生在均质阀处如图12所示，被均质物料通过阀座与阀杆间大小可调的间隙h，通过查询一些资料和相关数据得知：均质时阀座与阀杆间的间隙为0.1mm时，其流速在瞬间被加速到150300 m/s，从而产生巨大的压力降，当压力降低到工作温度下液体的饱和蒸汽压时，液体就开始“沸腾”，迅速“汽化”，内部产生大量汽泡。含有大量汽泡的的液体朝缝隙出口流出，流速逐渐降低，压力又随之提高，压力增加到一定值时，液体中的气泡突然破灭而重新凝结，汽泡在瞬时大量生成和破灭就形成了空穴现象。空穴现象似无数的微型炸弹，能量强烈释放产生强烈的湍流产生的强烈的剪切力，液体中的软性、半软性颗粒就在空穴、湍流的剪切力的共同作用下被粉碎成微粒，其中空化效应所起作用被认为较大。被粉碎的微粒接着又高速冲击到冲击环上，被进一步粉碎和分散。图13 均质阀根据连续性方程可知： 式中： h阀座与阀杆的间隙，mm； v液体流过通流截面的平均速度，m/s； q液体流过截面的流量，l/s， 由上面的介绍取工作时阀座与阀杆的间隙为0.1mm，液体流过通流面积的平均速度为150 m/s，在技术要求中给出液体流过截面的流量为2000 l/s，将数据代入连续性方程中可求得：r=5.898 mm 圆整后取r=6 mm。3.5.3 均质压力调节装置均质压力调节装置是为了调节均质压力，其方法就是改变均质阀座、阀杆间缝隙大小。压力调节装置有液压和手动两种调节方法。液压控制必须配备液压系统，密封要求高，结构比较复杂，成本也较高，目前使用不普遍。手动控制结构，工作可靠，不会发生泄漏污染，工作时也无须反复调整，操作较方便。手动压力调节装置一般由扳手、圆柱螺旋弹簧、顶杆、弹簧顶块等零件组成，如图13所示，转动扳手就可调节均质压力。当泵缸内液体压力过高时，通过弹簧的变形，可使均质阀内缝隙增大卸压而起到安全保护作用。所以此设计就是采用手动压力调节装置，并安装在一级均质阀和二级均质阀上。图14 均质压力调节装置结构图1扳手 2. 弹簧顶块 3. 圆柱螺旋弹簧4. 顶杆4. 均质效果的判定均质效果的判定，无论是对于均质机的制造者还是使用者来说都具有十分重要的意义。不同的物料，均质效果会不同，同一种物料，用处不同、也不一定要得到相同的均质效果。影响均质效果的因素主要有温度、压力、均质阀型式和液料的性质，而均质好坏的标准，则完全取决于产品的质量要求。为了确认均质机的均质性能，可以使同一种液料，一般用鲜牛奶作为试液进行试验来确定。均质效果一般由两个参数确定，一是粒度的大小，二是达到某一粒度的微粒所占的比例。对于牛奶而言，根据均质后达到某直径的脂肪球比例，就可以评估出均质机性能的优劣。当脂肪球直径在2m以下的达到98以上时，均质性能为优。脂肪球直径在2m以下的低于98，在2.5m以下的高于95时，均质性能良好。若脂肪球直径在3m以下低于90时，均质不良，均质性能不好。判定均质效果最直观的方法是显微镜法。一般使用光学显微镜，在1000倍或其他适当倍率下，用目镜的微尺，螺旋微尺等在视野内对脂肪球进行直接测定。使用显微照像后再对脂肪球大小进行测定更为可靠，此时常在扩大镜上使用费尔斯图形和其他标尺的方法。为了正确求出脂肪球的粒度分布数值，必须对很多的颗粒进行测定，为节省时间和劳力。可以采用半自动或自动测定装置。半自动测定是由测定者选定待测的全部颗粒，而对颗粒的计测和记录则为自动；自动测定是对显微照片进行光学扫描，由光电管对电信号加以积算，而求出其分布值。上述方法要求镜检所用的试样必须为完全分散状态，否则会产生误差。图15 牛奶脂肪球均质前后对照由于用牛奶作为试样，牛奶中的脂肪颗粒是球形，故可直接测定其粒径。如果采用颗粒形状不规则的物料作为试样，对粒径的测定方法就比较复杂，且颗粒测定值可因测定方法的不同而不同，所以一般不予采用。图14为通过显微镜观察到的牛奶脂肪球在均质前后的变化情况。在乳品工业中，判别均质效果的方法一般用用沉降法。沉降法的根据是斯托克斯公式，与使用显微镜相比，虽不能看清颗粒的形状，但操作和计算较简单。该法使用一个底部带有旋塞的250 ml的容量量筒进行，其步骤是：量取刚均质过的牛奶250 ml作为试液置于量筒中，在5的温度下静置72 h或48 h后，从量筒底部旋塞放出50 ml，并测出其脂肪含量，根据静置前后脂肪含量按下式求出比值：比值90%表示均质良好，否则为均质不良。5. 均质机的操作方法及所需注意的问题5.1 均质机的日常操作方法（1） 开机准备：先打开柱塞冷却水和油冷却器冷却水进水阀，再打开进料阀，然后检查调压手柄（须在放松无压力的状态下），最后启动主电机。（2） 待出料口出料正常后，旋转调压手柄，先调节二级调压手柄，再调节一级调压手柄，缓慢将压力调至使用压力，整个过程视熟练程度约13 min。（3） 关机。先将调压手柄卸压，再关主电动机，最后关冷却水。5.2 均质机操作的注意事项（1） 调压时，当手感觉到已经受力时，须十分缓慢地加压。（2） 均质物料的温度以65左右为宜，不宜超过85。（3） 物料中的空气含量应在2%以下。（4） 严禁带载启动。（5） 工作中严禁断料。（6） 进口物料的颗粒度对软性物料在70目以上，对坚硬颗粒在100目以上。禁止粗硬杂质进入泵体。（7） 设备运转过程中，严禁断冷却水。（8） 停机前须用净水洗去工作腔内残液。结 论通过这次课程设计使我对小型高压均质机有了更深一层的认识，尤其是掌握了进行机器设计的思想和方法，以及设计中需注意的问题。通过分析设计要求，并多次去工厂参观调查，再结合有关资料对小型高压均质进行了初步方案的确定，并对方案进行了可行性计算，最后确定设计机器的最终方案。虽然过程比较艰难，但锻炼了我发现问题、分