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搅拌器
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1 摘 要 本课题主要介绍了搅拌器在化工工业中的应用，研究现状以及发展趋势；通过对罐体设定为筒体式以及搅拌介质确定为丙烯酸和醋酸，夹套介质为水蒸气，来设计并选用推进式搅拌器。其中包括了对搅拌功率的计算；附件的选取；搅拌器的结构设计；搅拌器强度计算及其校核；搅拌轴与搅拌器的连接；电机、机架、联轴器等一系列传动装置的选择；以及计算筒体封头厚度与稳定性校核；筒体开孔及补强。根据所设计的搅拌器绘制出相应的装配图以及零件图。最后，在对自己所设计的进行总结。 关键词： 搅拌器；推进式；设计；校核； 2 of in of of to of of of of a of of to of to in of my 3 目 录 1 引言 9 述 9 究现状及发展趋势 10 文研究的目的、内容和意义 10 课题的设计思路及设计条件 11 计思路 11 计条件 11 2 搅拌轴功率的确定 12 诺准数的计算 12 e 对搅拌功率的影响 12 拌功率 确定 13 3 搅拌器的结构设计以及计算 14 拌器结构设计 14 构形式 14 构尺寸 15 4 搅拌轴的设计与校核 18 拌轴的力学结构 18 的结构设计 18 拌轴 机械计算 18 扭转变形计算搅拌轴的轴径 18 强度计算搅拌轴的轴径 19 据临界转速核算轴径 21 拌器浸入溶液深度的确定 23 5 功率的确定及搅拌器桨叶的校核 23 动机的计算功率和额定功率 23 动机计算功率的确定 23 动机额定功率的确定 24 拌器设计功率 24 进式搅拌器的强度计算 24 叶材料的许用应力 27 叶的校核 28 叶设计的其他要求 28 拌的附件 28 6 搅拌器与搅拌轴的连接 28 拌器轴与轴套的连接 28 连接的强度计算及校核 29 连接的剪切强度计算及校核 29 连接 的挤压强度计算及校核 29 7 传动装置 29 动机的选型 30 4 速机的选型 30 架选型 30 装底盖的选择 31 缘法兰的选择 31 轴器的选取 32 封 32 承的确定 33 8 筒体及封头的强度设计 33 筒体和封头厚度的确定 33 内压时筒体厚度确定 33 内压时封头厚度的确定 34 外压时筒体厚度确定 35 外压时下封头厚度的确定 36 力试验及应力校核 37 套筒体及封头厚度的确定 37 套筒体厚度计算 37 套封头厚度的确定 38 压试验状态下的稳定性校核 38 套试验压力 38 筒体的校核 39 9 开孔和开孔补强 39 断管口是否需要开孔不强 39 口 d 的开孔补强计算 40 口 a 开孔补强计算 40 10 总结 41 谢辞 43 参考文献 44 5 6 7 8 9 搅拌器的设计 1 引 言 述 纵观现在市场的需求，搅拌器在化工工业中起着重要的作用并且得到了广泛的应用，不管是在实验室制备某种水溶液，或者是在工业上搅拌水泥，使之能均匀的混合，搅拌器都起了至关重要的作用。搅拌器的用途很广泛，它主要能使物质间进行搅拌、混合，使物质处于悬浮、分散的状态。尤其是在工业生产中，搅拌器的应用更大大的降低了人员在生产有毒或者对人体皮肤有伤害的化工用品时 10 的危害。同时用电动代替手动不仅提高了生产效率，而且还大大的提高了产品的质量，显然，搅 拌器已然成为化工生产中不可或缺的一部分。 究现状及发展趋势 国外研究现状：美国 合设备公司研发了 列桨；德国 司也相继研发出了德 ；法国 司研发了 ；加拿大公司也研发了 流桨。 1 国内研究现状：北京化工大学和华东理工大学分别开发了 流桨和翼型桨；中国石油化工学院的沈惠平教授等人也研发出了一种新型高效并且容易加工的轴流式搅拌叶轮；燕山石油化工有限公司设计院还设计了一种能配置大功率电机的复合式搅 拌器；大型石化企业也与浙江大学合作开发出了搅拌槽式反应器的智能化辅助选型和设计软件。 发展趋势：随着社会的进步、科技的发展，化工行业等各个领域对于搅拌操作的要求越来越多，而且对于搅拌的物料来说也越来越复杂了，不再是局限于那种低粘度的流体，也会遇到高粘度的。对于现在，搅拌器的研究也成为了一个热点，搅拌器正在向大型化、微型化和集成化、连续化、智能化、节能化以及高粘度化的趋势发展。 2相信在不久之后，搅拌器的发展会越来越快，而且能越来越满足行业的需求。 文研究的目的、内容和意义 研究目的 ： 本次设计搅拌 器的目的是为了借助搅拌器的作用使 丙烯酸和醋酸能够得到充分的混合，以便于能够使他们充分反应。 研究意义 ： 设计这个搅拌器能够避免手动搅拌对人体带来的危害，而且结构简单，使用也方便，能够在化工生产中广泛应用。 研究内容：本课题要求在给定一个容积为 10L 的罐体，设计出能在这个给定的容器中搅拌丙烯酸和醋酸并且使其能均匀混合的搅拌器，而且使用方便，能平稳工作。本设计主要涉及到化工工业中搅拌器的设计，主要进行的设计包括：搅拌功率的设计；搅拌器结构的设计及其直径校核；搅拌器的强度计算及其校核；还有减速机、机架、电机、安装底 盖、联轴器等一系列传动装置的选择；筒体所承受的压应力的校核；然后根据这些设计来画出相应的装配图和零件图。 11 课题的设计思路及设计条件 计思路 此次设计的思路可以分为以下几个步骤： (1) 根据给定的 拌轴转速、介质密度、粘度来确定出搅拌功率以及搅拌器的类型； (2) 结合搅拌器类型及给定设备的情况，来给定搅拌轴的长度以及设计出合理的搅拌轴轴径； (3) 根据计算所得的搅拌轴功率、搅拌轴轴封处的摩擦损耗功率来对电动机进行选型； (4) 根据以上所设计出的在来选定减速机、联轴器、机架、安装底盖等传动装置； (5) 最后再对容器由于搅拌器运作所引起的压应力进行校核，以及容器的开孔和开孔补强。 计条件 此次设计的条件如表 1及表 1示： 表 1口表 符号 规格 法兰标准号 用途或名称 连接面形式 a 料口 - b 蒸汽进口 RF c 孔 - 镜 - e 蒸汽出口 RF f 用口 RF g 用口 RF h 用口 RF j 用口 1作条件 12 流体名称 丙烯酸、醋酸 筒体内径 2400体特点 甲 腐蚀危害 筒体高度 2800度 31050 /Kg m 设计温度 100C 粘度 设计压力 搅拌强度 适中 运行状态 连续操作 材料 316 液体高度 2400拌轴转速 150操作温度 90C 2 搅拌轴功率的确定 诺准数 计算 由文献 3知，雷诺数符号为 计算公式为： 2 (2式中： 拌器直径 ， m； n 搅拌轴转速， r/s ; 搅拌液体密度， 3g / 液体黏度， 。 由条件可以知道： 31 0 5 0 /， n r s ， pa s ， 代入 (2得： 2 20 . 8 2 . 5 1 0 5 00 . 1 9 1000 0 2.2 搅拌功率的影响 根据此次要求，决定采用推进式搅拌器来达到设计目地。因此，我们得考虑 13 到影响搅拌功率的因素，因为 68 1 0，是属于 强湍流的区域，所以我们还得考虑筒体中是否有挡板，挡板的宽度和数量都会对搅拌功率造成很大的影响，本次设计我们讲采用常用的直立式平挡板，通过用挡板系数挡板系数公式定义为： 12( / )b b D n (2中： 板宽度 板的个数 在b 时，挡板系数越大，搅拌功率就会越小。但是当b 时，系数越大大，搅拌功率则会越小。因此我们就把b 的情况，作为是全挡板条件，当 K时，就称其为部分挡板条件。通常认为，在用 4 块挡板的时候，b 11()12 10 就可以认定为是全挡板条件。 此次设计我们采用的就是 4 挡板，因此可以认定为是全挡板的条件。 拌功率 确定 此次设计我们采用常用的三叶式的推进式搅拌器，并且 1根据图 2以看出：当 1000000的时候，0时我们可以认定0。 由上面计算可以知道 68 1 0， 所以查图 2可以得到：0 14 图 2进式搅拌器功率准数0P3 图中纵坐标为搅拌器功率准数0P,横坐标为雷诺准数 搅拌功率 350kP n D (2由文献 3知，当计算搅拌器在标准几何参数关系条件下时，其功率准数校正总系数 1k 。 由条件可得： 350kP n D 351 0 . 3 4 1 0 5 0 2 . 5 ( 0 . 8 ) 因此，搅拌器的搅拌功率就为 也就是搅拌轴的功率为 3 搅拌器的结构设计以及计算 拌器结构设计 构形式 推进式叶轮的形状有点复杂，叶片的加工比其他桨叶更不易加工。本次设计我们采用的是将搅拌器的轴套用止动螺钉和键连接在搅拌轴上，接着用螺母拧在 15 轴端用来支撑住叶片和轴套。此次设计采用的这种结构 是利用盖帽来保护轴端螺纹，非常实用于腐蚀性介质的场合。如图 3构所示： 图 3进式搅拌器桨叶展开图 推进式搅拌器的旋转方向会使桨叶前表面成为螺旋面的一部分，其后表面就会成为常用的二次抛物面或者圆弧面。螺旋面是不可以展开的，因此我们只能够采取近似的办法来将桨叶展开。把垂直于搅拌轴线上的平面当作是桨叶的投影面，然后再把桨叶断面在这上面的投影近似展开，就可以得到推进式搅拌器桨叶的展开面，展开的面上就会得到桨叶的实际宽度。 构尺寸 (1) 图 3的 A 是由桨叶展开面起点到坐标原点 (轴套 中心 )的距离。 10 . 1 6 7 5 0 . 6 6 6 ( ) d m m(3参考文献 4可知，轴套外径一般为1 ( 0 . 1 6 0 . 2 ) 通常取1 0 . 2 0 . 2 0 . 8 0 . 1 6 m 。 (2) 将从叶片前端的地方到轴承的长度分为 10 等分，使其半径分别是0r、1r、10r，对应的叶宽就为0b、1b、10b。用 i 来表示任意的值，因此任意半径是 21k (3 16 式中： 值如下： 表 3 (3) 沿着轴套的桨叶展开的宽度 b 为： 2102 2 2014s i n 4m (3式中： 一桨叶根部（轴套处）断面与搅拌轴轴线的夹角 9 0 ( ) (3式中： 一桨叶根部（轴套处）的螺旋截面升角 (3由上可知： 160id 800jD 代入 (3得： 所以 其中 、 角如图 3示： 17 图 3进式搅拌器的断面示意图 取 3中数据0 ，代入式 (3，可得：0 2 2 7 在把0 2 2 7 ，1 160d 代入 (3得： 。 因此，我们此本设计就取轴套长度为 210。 (4) b 处桨叶宽度的半径 r 计算公式如下： 10- 0 . 5br d m （ ） (3把1 160d 0 2 2 7 代入式 (3得： 1 01 9 9 . 0 90 . 5 ) 1 6 0 ( 0 . 5 ) 6 0 . 0 22 2 7 . 5br d m （ 。 (5) 沿轴套的桨叶根部展开圆弧半径210 . 2 5 ( 0 . 5 )bR b r d m m (3把 ， ，1 160d 入式（ 3得： 2 2 2 210 . 2 5 ( 0 . 5 ) 0 . 2 5 1 9 9 . 0 9 ( 6 0 . 0 2 0 . 5 1 6 0 ) 1 7 1 . 8 0bR b r d m m (6) 查文献 1知，当桨叶直径 1000jD 时候，对钢制的桨叶，其前端的厚度我们可以取 34桨叶根部靠近轴套处的厚度可按 0 0 于我们这次桨叶设计采用的是 316 不锈钢材料，因此，我们就选定前端厚度为 4叶根部靠近轴套的厚度可取 (24 48)次设计 18 就取 28 4 搅拌轴的设计与校核 在对搅拌轴进行设计的时候，我们一般要从四个因素去考虑： 搅拌轴的扭转变形； 从临界转速去核算轴径； 弯扭矩共同作用的强度； 搅拌轴在轴封处的允许径向位移。考虑完这些因素之后所得到的轴径只算是危险截面处的轴径，一般在得出搅拌轴的实际直径的时候，还得考虑到其腐蚀裕量，最后在根据算出来的轴的直径圆整为现有标准的轴径。 拌轴的力学结构 对搅拌轴进行设定： 搅拌器及其轴上的其它零件的各种力都设定为作用在零件轴套的中间； 搅拌轴除了受到扭矩的作用以外，还应该考虑到搅拌器上流体的径向力及搅拌轴跟搅拌器在组合的时候重心的地方质量会骗心所引起的离心力的作用； 此次设计的联轴器连接的可拆的轴可以看成是整体轴。由这些设定我们可以将此次悬臂轴的受力简化成为简支梁来看。 的结构设计 通过已知条件，我们可以知道此次设计筒体内的介质粘度为 ， 由此可以看出粘度系数很小，因此可看出搅拌轴在筒内受到的扭转力不大。所以本次设计搅拌轴上 只要安装一个搅拌器就可以满足条件要求，因此搅拌轴两端可确定为阶梯轴。 拌轴机械计算 扭转变形计算搅拌轴的轴径 由文献 5知，轴的直径为： m a 5 5 . 4m (4式中： 搅拌轴传递的最大扭矩； 19 轴的许用扭转角， m ，对于悬臂轴来说， m ； G 切变模量，由文献 6知，钢材的 G 值约为 80为80000 m a x 19553M n (4式中： 1一 传动装置的转动效率，由文献 1知，选1 因此，m a 8 39 5 5 3 0 . 9 2 1 0 7 . 2 2150 m ， 把m a x 1 0 7 . 2 2 m代入式 (4得到： 41 41 0 7 . 2 21 5 5 . 4 3 8 . 6 60 . 3 5 8 1 0d m m m m。 强度计算搅拌轴的轴径 2d (1) 尺寸的确定 对于此次的设计，我们采用的是悬臂轴，并且还是等直径的，如图 4b）右图所示，在进行计算前， 要先确定出两个尺寸。第一个就是搅拌侧的轴承到传动侧轴承的距离，把它定义为字母 a，第二个就是搅拌器桨叶到搅拌侧轴承的距离，定义为 L， 通过文献 7机架的选定，我们可以确定出 a=388而确定出 L=2500 对于悬臂支撑的搅拌轴的径向力3110 533 (4把m a x 1 0 7 . 2 2 N m， 800md m，代入 (4得： 20 (a) 多层桨叶受力图 3 (b) 搅拌轴轴承外的外伸轴 3 图 4臂搅拌轴典型受力图 1 0 7 . 2 25 3 3 5 3 3 7 1 . 4 4800sp 。 (2) 由径向力引起的轴的弯矩 算 搅拌容器与搅拌轴组合质量偏心所引起的离心力为 (40 . 0 5 7 1 . 4 4 3 . 5 7 2 N 径向力引起的轴的弯矩 ()R p F L (4 21 3( 7 1 . 4 4 3 . 5 7 2 ) 2 5 0 0 1 0 1 8 7 . 5 3 (3) 由轴向力引起的搅拌轴弯矩 计算 由文献 1知，当 2p 或者任一搅拌器 0i的时候，取0 m ，因为本次设计压力为 以可以取 0 。 把 1 8 7 m， 0代入公式 : M(4可得： 1 8 7 . 5 3 0 1 8 7 . 5 3 M N m (4) 弯扭矩共同作用时轴径的计算 把m a x 1 0 7 . 2 2 N m， 1 8 7 M N m ，代入公式 22 M (4得： 221 0 7 . 2 2 1 8 7 . 5 3 2 1 6 . 0 2 m 式中： 因此 ,在共同作用下的搅拌轴的直径2 32 1 7 . 2 0 5 (4式中： 为搅拌轴的许用剪应力 ，根据文献 1定： 16b (4其中， 520b M ，所以 520 3 2 . 516 M P a ，因此轴径2 32 1 7 . 2 0 5 32 1 6 . 0 21 7 . 2 0 5 3 2 . 3 53 2 . 5 因此 ，在弯扭矩共同作用下的轴径2 根据临界转速核算轴径 由 文献 1知，搅拌器桨叶的直径为 800筒体直径为 2400在此我们应该要考虑到在轴上开键槽的直径对强度影响的强弱，所以在这次设计当中我们就选取搅拌轴的直径为 100由上面计算可知道，搅拌轴轴径已经符合扭矩 校核以及弯扭矩共同作用的校核，因此我们就进行以下对临界转速的校核。 (1) 一开始我们可以对搅拌器质量进行估算。搅拌器单个桨叶的长度 (搅拌器 22 的半径 )为 400根据文献 8规定，我们取搅拌器的平均厚度为 18拌器的平均叶宽为 (0 )这次设计当中，我们就选用 来算，因此平均叶宽就为 200此一来就可以把桨叶看成是长方体 ,查得 316 材料的密度为 37930Kg m ，于是就可以知道质量大约为： 3 3 7 9 3 0 0 . 2 0 . 4 0 . 0 1 8 3 4 . 2 6m K g 因此可以大约估算出搅拌器质量为 (2) 其次是算出搅拌侧轴的质量： 24L (42( 0 . 1 2 ) 2 . 5 7 9 3 0 2 2 4 . 2 24 刚性轴的有效质量 ,计算公式如下： 24L e (4式中： s一混合的液体密度， 1050 3Kg m ， 计算可得： 2 5 3 g。 (3) 轴的有效质量在搅拌器末端处的当量质量 W ： 221 4 0 2 3 1 9 9420 (4把 a=388=25002 5 3 g代入 (4得到： 221 4 0 0 . 3 8 8 2 3 1 2 . 5 9 9 2 . 5 2 5 3 . 9 0 1 3 0 . 0 14 2 0 2 . 5 0 . 3 8 8W K g 。 搅拌器的有效质量为： 211 c o k jm m D b (4293 4 . 2 6 0 . 1 7 8 0 0 1 9 9 . 0 9 7 9 3 0 c o s 3 2 . 1 1 0 1 4 8 . 5 44 在末端处所有当量质量的总和为： 1 m(41 3 0 . 0 1 1 4 8 . 5 4 2 7 8 . 5 5 23 (4) 等直径的搅拌器悬臂轴的临界转速为： 2 21 1 4 . 7k L a W (4 2 2 1930001 1 4 . 7 1 0 0 2 2 4 . 7 3 m i 0 0 2 5 0 0 + 3 8 8 2 7 8 . 5 5 r 由文献 1知，对于刚性轴并且是推进式的搅拌器而言，搅拌轴操 作转速 n 和临界转速该满足 0 . 4 5 0 . 5 5 并且 ，本次设计的转速 1 5 0 m ， 当所取搅拌轴轴径为 d=80时候， 150 0 . 6 72 2 4 . 7 3，由此可知，搅拌轴径 d=100足设计要求，所以此次设计的搅拌轴直接就为d=100 拌器浸入溶液深度的确定 由文献 3知： 搅拌器浸入溶液的深度为： 23 (42 2 4 0 0 1 6 0 03 5 功率的确定及搅拌器桨叶的校核 动机的计算功率和额定功率 动机计算功率的确定 电动机计算功率公式如下： 1 W(5式中： 拌轴轴功率， 24 1一传动装置各零部件的传动效率 由文献 1知，本次设计就选用双端面轴向 带内置轴承的机械密封 (2005型 )，所以机械密封处的摩擦损耗功率计算公式为： 1 . 2 - 31 . 8 d 1 0P K W (5式中： 0由上设计可以知道，搅拌轴的轴径为 100因此我们可以取轴封处的直径为 90代入 (5： 1 . 2 - 3m = 1 . 8 9 0 1 0 0 . 4 0P K W 。 考虑到搅拌轴转速、单向旋转以及安装形式等各方面的条件，此次设计我们选用摆线针轮传动，因此我们可以取1 。 由此我们可以求出电动机计算功率为： 1 . 8 3 0 . 4 0 2 . 4 20 . 9 2 W，圆整为 3W 动机额定功率的确定 由于计算功率 2 W，因此我们可以选择额定功率为 3电动机。 拌器设计功率们所用的是三叶、单层式的推进式搅拌器，因此搅拌器的设计功率为： q 1 m= P (5把1 ， 3W，m = 5，得： q = 0 . 9 2 3 0 . 4 0 2 . 3 6P K W ， 因此可算出每个叶片的设计功率为： 2 . 3 6 0 . 7 933 W 进式搅拌器的强度计算 如图 5示，桨叶的危险断面在 ，其受到了与搅拌轴平行的垂直力直力 处；水 25 平力 处。 图 5叶危险截面及受力示意图 3 (1) 1K、2下表 5示 : 表 5用力位置系数1K、2 2) 每个叶片的水平力 35 2 5 2 5 1 0 n (5321 9 1 0 6 1 0 Z n (5式中： 设计功率； 26 S 螺距； 叶片的个数； n 搅拌轴的转速 ； 把q = W， 3， 800s ， 1 5 0 m 分别代入 (5 (5得： 3 2 . 3 65 2 5 2 5 1 0 3 4 4 . 3 38 0 0 3 1 5 0 3 2 . 3 61 9 1 0 6 1 0 2 0 8 . 7 50 . 6 0 0 8 0 0 3 1 5 0H (3) 计算面产生的弯矩 M 、 M 311( ) 1 022 K (5312( ) 1 022 K (5把 3 4 4 2 0 8 1 ，2 ，1 160d 别代入式 (5 (5，得： 38 0 0 1 6
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