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原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 摘 要 本课题首先对目前国内外螺旋离心机的现状进行分析对比， 得出了带差速器的螺旋 离心机设计方案，螺旋离心机是一种广泛应用于过程工业的分离悬浮液的离心分离机 械。 本课题设计的螺旋离心机转鼓直径为 800mm 的卧式螺旋卸料沉降离心机。本文首 先对带差速器的螺旋离心机工作原理和主要部件结构作了一定的介绍； 对整体进行了的 结构性设计，对一些主要部件进行了重点设计，如转鼓、螺旋等，对关键设备差速器进 行了设计选型；对该离心机的主要部件，包括转鼓，螺旋支承轴的强度进行了校核。 关键词关键词：离心机；差速器；转鼓；转子 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Abstract First, the current status of this project at home and abroad spiral centrifuge analysis and comparison, drawn spiral centrifuge design with differential, spiral centrifuge is a widely used industrial separation processes suspension centrifuge machinery. This paper design spiral centrifuge drum diameter of 800mm horizontal spiral centrifuge. Firstly, the spiral centrifuge works with differential and made some major structural components introduction; conducted on the overall structural design of some of the major components of the focus of the design, such as the drum, screw, etc., on the key equipment design and selection differentials were; main components of the centrifuges, including the strength of the drum, screw support shaft was checked. Keywords: Centrifuge; Differentials; Drum; Rotor 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 目 录 摘 要 . I Abstract II 第一章 绪论 1 1.1 离心机的发展概况 . 1 1.1.1 国内发展现状 1 1.1.2 国外发展现况 2 1.2 离心机的分类 . 3 第二章 总体设计 4 2.1 原理分析 4 2.2 国内外螺旋离心机现状分析 . 5 2.3 方案设计 6 2.3.1 方案选定 6 2.3.2 结构原理 6 第三章 主要参数计算 8 3.1 技术参数的选择 8 3.1.1 转鼓直径 8 3.1.2 转鼓长度 8 3.1.3 转鼓转速 10 3.1.4 转鼓半锥角 10 3.1.5 池深与转鼓半径比 10 3.1.6 螺旋输送器 10 2.3.7 生产能力 10 3.2 分离因数 . 11 3.3 生产能力计算 . 11 3.4 功率计算 . 14 3.4.1 启动转鼓等转动件所需功率 1 N . 14 3.4.2 启动物料达到工作转速所需功率 2 N 15 3.4.3 克服轴与轴承摩擦所需功率 3 N . 16 3.4.4 克服空气摩擦所需功率 4 N 17 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.4.5 卸出物料所需功率 5 N . 17 3.4.6 卧式螺离心机功率确定 19 3.5 电动机的选择 20 第四章 主要部件的设计与选择 21 4.1 转鼓的设计 21 4.2 螺旋输送器的设计 24 4.2.1 螺旋的头数 ns . 24 4.2.2 螺距 S . 24 4.2.3 推料器与转鼓的间隙 h 25 4.2.4 叶片与转鼓内壁母线的关系 25 4.2.5 螺旋输送器叶片的选择 25 4.3 进料管的设计 25 4.4 差速器的选择 26 4.4.1 差速器形式的选择 . 27 4.4.2 差速器的结构原理 . 28 4.4.3 差速器的基本参数 . 28 第五章 强度校核 30 5.1 转鼓强度计算 . 30 5.1.1 圆柱形转鼓强度计算 30 5.1.2 圆锥形转鼓强度计算 32 5.2 轴的强度校核 . 33 第六章 带差速器的离心机的使用与维护 37 6.1 使用 37 6.1.1 使用守则 . 37 6.1.2 使用注意事项 . 37 6.2 日常保养 37 总 结 . 39 参考文献 40 致 谢 41 附一：外文翻译 42 如何延长轴承寿命 . 42 附二：外文翻译原文 45 1 第一章 绪论 1.1 离心机的发展概况 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，因此促使带差速器的螺旋离心机、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。 1.1.1 国内发展现状 最初的卧式带差速器的螺旋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带差 速器的螺旋离心机有 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 2 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。 1.1.2 国外发展现况 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。并对带内洗涤的带差速器的螺旋离心机中堰池 深度以及带差速器的螺旋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 分离因数的带差速器的螺旋离心机，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 分离物料的双锥体带差速器的螺旋离心机等9。 3 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 04X25H5M2(即 04Cr25Ni5Mo2)，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。 1.2 离心机的分类 离心分离根据操作原理可区分为两类不同的过程离心过滤和离心沉降 3 。 而与其相应的机种可区分为过滤式离心机和沉降式离心机,具体分类如图1.1所示。 图1.1 离心机的分类 4 第二章 总体设计 2.1 原理分析 根据设计要求本次设计的带差速器的螺旋离心机属于沉降式离心机。离心沉降 由三个物理过程组成 4 ，即：固体的沉降，按照介质对其中物体运动阻力的流体离 心进行；沉渣压实，按照分散系得离心规律进行；从沉渣中排出部分由分子力所保 持的液体。离心沉降理论，是由安布勒(Ambler)于 1952 年首次提出，其后又进行了 更深的探讨。 离心沉降在离心力作用下使分散在悬浮液中的固相粒子或乳浊液中的液相粒子 沉降的过程。沉降速度与粒子的密度、颗粒直径以及液体的密度和黏度有关，并随 离心力亦即离心加速度的增大而加快。 离心加速度值 2 n ar可随回转角速度和回 转半径 r 的增大而迅速增加。因此，离心沉降操作适用于两相密度差小和粒子速度 小的悬浮液或乳浊液的分离。 图 2.1 离心沉降分离原理图 离心沉降离心沉降它是利用混合物各组分的质量不同，采用离心旋转产生离心 力大小的差别，使颗粒下沉而液体上升，达到清洁、分离目的的方法。 组成悬浮系的流体与悬浮物因密度不同，在离心力场中发生相对运动，因而使 悬浮系得到分离的沉降操作。当悬浮系作回转运动时，密度大的悬浮物（固体颗粒 或液滴）在惯性离心力的作用下，沿回转半径方向向外运动。此时，颗粒或液滴受 三个径向作用力：惯性离心力 2 c Fmr，式中m为颗粒质量；为回转角速度； r为旋转半径。浮力(方向与惯性离心力相反)。流体对颗粒作绕流运动所产生的 曳力。颗粒在此三力的共同作用下,沿径向向外加速运动。对于符合斯托克斯定律的 微小颗粒，径向运动的加速度很小，上述三力基本平衡。 离心沉降同一颗粒在相同介质中分别作离心沉降和重力沉降时,推动颗粒运动的 惯性离心力 c F与重力之比称为离心分离因数，它是反映离心沉降设备性能的重要参 数。 5 2.2 国内外螺旋离心机现状分析 带差速器的螺旋离心机是高速运转，连续进料、分离分级、螺旋推进器卸料的 离心机，带差速器的螺旋离心机分立式带差速器的螺旋离心机和卧式带差速器的螺 旋离心机，现该离心机己广泛用于石油、化工、冶金、煤炭、医药、轻工、食品等 工业部门和污水处理工程。利用离心沉降法来分离悬浮液，能连续操作、处理量大、 无滤布和滤网、单位产量的耗电量较少、适应性强、维修方便、能长期运转。伴随 着我国经济的迅速发展，带差速器的螺旋离心机有着广阔的市场。 1954年国际上出现了真正具有现代实用价值的第一台带差速器的螺旋离心机。 根据不同的分离物料，设计者根据物料特点进行专门的设计。现就不同的应用领域， 已有相应的带差速器的螺旋离心机出现，在国际上，该技术已相当成熟。处理气一 液-固三相混合物的带差速器的螺旋离心机、处理固相密度比液相密度比小的带差速 器的螺旋离心机、粒子分级用带差速器的螺旋离心机、逆流洗涤带差速器的螺旋离 心机、并流式螺旋卸辩沉降式离心机、污泥脱水用带差速器的螺旋离心机。在国际 上的发达国家，污泥用的带差速器的螺旋离心机已标准化、系列化。近几年还在其 结构上根据应用的实践进行了许多改进，出现了一些新的结构设计方面的专利。 例如最近推出了一种叫“NOXON”的带差速器的螺旋离心机，它的适应性非常 强，能处理多种不同尺寸和形状大小的材料，操作方便，用计算机控制。瑞典阿尔 法公司新开发的NX型带差速器的螺旋离心机，其结构尺寸根据不同尺寸、形状的颗 粒而调整其型号，还可以根据新的材料要求，设计新的带差速器的螺旋离心机。它 的动平衡和静平衡处理非常好，能在负载下高速运转，其输入和输出口的设计有效 地防止物料阻塞。该带差速器的螺旋离心机与固体物料有摩擦的部位涂以合金有效 防止了磨损，旋转部位用不锈钢材料，使整个运转过程处在一个封闭的系统里，其 自动装置充分保障了工作安全。该带差速器的螺旋离心机能有效分离纤维、粒子等， 其处理颗粒的尺寸范围可从1微米到5毫米，而且处理量大，能达到每小时200立方米 流量。 我国在带差速器的螺旋离心机的理论研究方面也取得了相当不错的进展。80年 代，我国开始重视带差速器的螺旋离心机的发展，一些科研工作者开始研究国外带 差速器的螺旋离心机的发展动态，机械工业部通用机械研究所翻译了大量英文和俄 文资料，为我国卧式螺旋沉降离心机的设计提供了理论基础。我国在九十年代已能 自己研制生产带差速器的螺旋离心机，国家在1979年便在工厂进行带差速器的螺旋 离心机的生产，成功的生产出WL200，WLl000，LWB500，LWG500等型号的产品。 重庆江北机械厂是国家最早投入带差速器的螺旋离心机生产厂家之一，为我国 第一批带差速器的螺旋离心机生产作出了较大贡献，为我国离心机理论提供了不少 6 数据和实验。金华铁路机械厂通过二十多年的研制生产，也拥有比较雄厚的技术力 量，该厂设计制造的带差速器的螺旋离心机是在引进、消化、吸收国外先进分离机 械的基础上，结合我国石油、地质勘探的需要而研制开发的系列产品，近来己推出 最新机型LW355x1460，LW400x860，LW500xl250，LWG500x1250。1958年成立的 上海离心机研究所，近些年来通过与国际著名离心机制造公司的密切合作，己生产 出大长径比的带差速器的螺旋离心机系列产品，使转鼓的沉降区域物料分离时间延 长，从而显著提高固液分离效果，并在此基础上成功的研制了国内第一套污泥脱水 成套设备和首辆污泥脱水成套设备工程车。 2.3 方案设计 2.3.1 方案选定 带差速器的螺旋离心机是高速运转，连续进料、分离分级、螺旋推进器卸料的 离心机，带差速器的螺旋离心机分立式带差速器的螺旋离心机和卧式带差速器的螺 旋离心机，根据上述分析对比本次设计选用带差速器的卧式带差速器的螺旋离心机。 该离心机已广泛用于石油、化工、冶金、煤炭、医药、轻工、食品等工业部门和污 水处理工程。它利用离心沉降法来分离悬浮液，能连续操作、处理量大、无滤布和 滤网、单位产量的耗电量较少、适应性强、维修方便、能长期运转。 最初的卧式带差速器的螺旋离心机是由两对开式齿轮传动获得转鼓与螺旋之间 的差转速，以输送沉渣并被应用于淀粉工业上。真正现代的有实用价值的第一台螺 旋离心机首次使用了二级行星齿轮差速器。带差速器的螺旋离心机出现后，由于具 有突出的优点而得到了迅速的发展。 2.3.2 结构原理 带差速器的螺旋离心机的工作原理如图1.1、图1.2所示，电机通过大、小端带轮 分别带动转鼓、差速器旋转，高速旋转的转鼓内有同心安装的具有螺旋叶片的推进 器，转鼓由轴承座支撑。转鼓通过右轴承座处的空心轴与差速器的外壳相连接，差 速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓同向转动，但转速不同，其转差率一般为转鼓 转速的0.23%。需分离的物料从进料管进入机内，经过螺旋输送器进到转鼓内。在 离心力的作用下，转鼓内形成一个环形液池，重相固体粒子离心沉降到转鼓内表面 上而形成沉渣，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。沉渣从小端排渣孔排出。在转鼓的大端盖上开设有若干个溢流孔，处理后的液 体从此处排出。大端溢流孔位置可以安装可调节的溢流挡板，通过调节溢流口位置、 机器转速、转鼓与螺旋输送器的转速差、进料速度就可以改变沉渣的含湿量和澄清 液的含固量。 7 图 2.2 带差速器的螺旋离心机简图 图2.3 带差速器的螺旋离心机转鼓简图 8 第三章 主要参数计算 3.1 技术参数的选择 一般而言，离心机的技术参数是根据分离过程的要求和经济性原则，综合平衡 各种因素而进行选择的。 螺旋沉降离心机的技术参数包括 (1) 结构方面的参数：转鼓内直径 D、转鼓总长度 L、转鼓半锥角、转鼓溢流 口处直径 1 D、螺旋的螺距 S 或升角； (2)操作方面的参数：转鼓的转速 n 或角速度、转鼓与螺旋的转速差n。 选择和确定合理的技术参数是设计螺旋沉降离心机的首要任务。选择这些技术 参数的依据是：悬浮液的特征、处理量、分离效率的要求、沉渣产量、渣含湿量、 输渣功率等。在诸多参数和因素中，必须首先解决主要参数的确定。 3.1.1 转鼓直径 转鼓直径 D 的确定要考虑离心机系列型号的标准尺寸，单机生产能力的物料性 质。转鼓直径是系列型号的主要尺寸数据。系列中转鼓直径的数值是从优先数系中， 选取几何级数公比 3 21.26i 来确定的。 在 L/D 一定情况下， 生产能力大致与 3 D 成 正比。 本设计中转鼓直径：D=800mm 转鼓形状：柱锥形 材料：0Crl8Ni9 不锈钢 3.1.2 转鼓长度 转鼓长度L 按长径比/L D值来确定。转鼓体的全长同最大直径的比(称为长径 比)也是很关键的参数。对于易分离的物料，长径比为12，一般在1.5左右；对于难 分离的物料，长径比为2.54，一般在3左右；长径比超过4时，在制造上有困难，但 它是未来发展的方向。 现取长径比/L D=3.2，则转鼓长度 L=800 3.2=2560 mm 当转鼓直径 D、总长度L、锥段小端出渣口直径 D3 一定时，沉降区长度受液层 深度 h 和半锥角变化的影响。如图 2-3 所示当 L、 2 r、 3 r不变，将实线所示的、h 改为虚线所示尺寸时，可以看出沉降区长度的变化是很大的。因而 h 值和角值的 选择对悬浮液处理能力有影响。 9 图 3.1 ，h 值对沉降区长度的影响示意图 L柱锥段总长度：2560Lmm 1 L柱筒段沉降区长度 2 L锥段长度 3 L锥筒段沉降区长度 1 r物料环内径 2 r转鼓内径： 2 400rmm 3 r锥段小端出渣口半径 h液层深度： 21 hrr 圆锥段半锥角 从图 2.5 可知 柱筒段沉降区长度： 233 12 1 (2) tantan rrkL LLr D 式中 332 /krr，一般常用值 3 k=0.60.7，取 3 k=0.7 将上述各数据代入可得： 锥段小端出渣口半径： 323 0.7 400280rr kmm 柱筒段沉降区长度（即转鼓柱筒段长度） ： 233 12 1400280 (2)25601582 tantantan7 rrkL LLrmm D 则转鼓锥段长度 ： 2560 1582978LLLmm 21 10 液层深度 h=50mm 则物料环内径： 1 40050350rmm 锥筒段沉降区长度： 3 50 407 tantan7 h Lmm 则沉降区长度： 13LLmm 沉降 3.1.3 转鼓转速 参考工业 LW-800 型离心机，转速范围 12502000 r /min 又因转鼓材料为1Crl8Ni9Ti不锈钢， 这种材料的各种转鼓直径的最大允许转速和 分离因数如下表3-1所示。 表3-1 最大允许转速和最大分离因数 D(mm) 350 450 600 800 1000 max n（r/min） 4100 3200 2400 1800 1400 maxr F 3300 2350 1900 1400 1150 现选取转速 n=1500 r /min 3.1.4 转鼓半锥角 一般取取值范围 5 18 ； 8 为推送较难输送的沉渣。 本设计选取半锥角： =7 3.1.5 池深与转鼓半径比 规定范围为 0.050.2，现取 0.1。 3.1.6 螺旋输送器 选择连续整体螺旋输送器，左旋，双头螺旋。 2.3.7 生产能力 表 3-2 螺旋沉降离心机的生产能力范围 Q值是按/L D3 考虑的，当/L D =4 时，Q值可以提高 20-30% 参考上表，生产能力范围 3 3050/mh 系 列 LW-200 LW-350 LW-450 LW-600 LW-800 LW-1000 生产 能力 Q （ 3 /mh） G （/ t h） 0.5-1.5 0.1-0.3 1.5-4 0.3-1 4-10 0.75-2 10-30 1.5-4 2-6 5-10 11 设计参数汇总： 表表 2-3 基本参数及主要计算数据基本参数及主要计算数据 基本参数 单位 内容 转鼓转速 r/min 1500 差转速 r/min 30 转鼓大段内径 mm 800 转鼓长度 mm 2560 长径比 3.2 半锥角 7 沉降区长度 mm 1989 转鼓直段长度 mm 1582 转鼓锥段长度 mm 978 物料粘度 cp 0.81 物料固相密度 kg/m 1600 物料液相密度 kg/m 1360 物料颗粒度 m 15300 螺旋螺距 mm 200 3.2 分离因数 被分离的物料在离心力场中所受的离心力和它所受的重力的比值，称为分 离因数 r F，即： 22 c r Fmrr F Gmgg 式中 m离心力场中物料的质量（kg） 转鼓角速度：=157 rad/s r转鼓内半径： r=400mm 将上述各数据代入可得分离因数： 1 .1005 81. 9 4 . 01572 2 g r Fr 3.3 生产能力计算 离心沉降过程涉及液体在转鼓内的流动过程、悬浮液中的固相粒子在转鼓内的 沉降过程、沉渣的输送和脱水过程，这些过程对沉降离心机的生产能力和技术参数 12 的选择有重要的影响 12 - 13 。 虽然对这些问题都进行过许多实验性和理论性的研究， 但由于悬浮液物料的多样性及悬浮液固相粒子分布的多变性，因此至今还没有找到 能够精确计算沉降离心机生产能力和沉渣最终含湿量的可靠公式。在生产实践中广 泛采用小型实验离心机试验，取得实验数据后，再进行模拟放大。 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，前者由 于不同的流动理论而有不同的计算方法，因而得出不同的生产能力计算方法。 (1)按理论计算生产能力； (2)按层流理论计算生产能力； (3)按线性理论计算生产能力。 本设计以理论计算卧螺沉降离心机的生产能力。 理论是由安布勒(Alnblor)于1952年提出的，由于其表达式简单，概念明确，一 直沿用至今 14 - 15 。 在保证具有一定澄清度条件下的生产能力Q( 3 /mh)， 按照理论， 对于具有圆锥形转鼓的螺旋型离心机，实际生产能力的计算公式可表达为： 3 (/ ) g Qvmh （3-1） 图图 3.1 螺旋型离心机转鼓剖面示意图螺旋型离心机转鼓剖面示意图 式中 修正系数： 0.3359 0.3674 L 16.44 de L ； 当量沉降面积，对于带差速器的螺旋离心机，可近似表达为 17 ： 222 22 11 112 3231 ()() 226 rRRr LRrL g g v给定液体中作沉降式的极限沉降速度： 2 /18 (/ ) ge vdgm s s 固相密度： s =1600 3 /kg m 13 L 液相密度： L =1360 3 /kg m 两相密度差 L沉降区的有效长度：L=1989mm； e d临界粒径： e d=15 m； 液相粘度：=0.81 3 10/skg m 1 L圆柱段转鼓长： 1 L=1582mm 2 L圆锥段转鼓长： 2 L=978mm 转鼓角速度：=157rad/s 则，将上述各数据代入各式可得： 修正系数： 0.3674 0.3359 6 1600 136015 10 16.440.122 13601.989 重力沉降速度： 52 5 3 240 9.8110 3.6 10/ 18 0.81 10 g vm s (1.5） 带有修正因子的计算公式： 1 2 k k理 实 考虑到叶片所占空间会降低沉降固相所需时间，故修正因子 1 k=0.94。再考虑到 转鼓由螺旋推进器输送的沉渣也要排开体积与其相等的液体，故第二修正因子被取 成： 2 k=0.67(柱-锥形) 因而，对柱锥形螺旋，实际当量沉降面积公式为： 22 22 11 1 2112 3231 /()() 226 rRRr k kg LRrL 实 222 2 0.94 0.67 3.14 1573 0.350.42 0.4 0.35 1.582 (1.5 0.40.5 0.35)0.978 () 9.86 2 3 9 2 0 . 3m 将上述各值代入式（3-1）即可得离心机的生产能力Q： 533 0.122 3.6 103920.30.0172/42/Qmsmh 则可知本项目的离心机生产能力为：Q=40 3 /mh 14 3.4 功率计算 带差速器的螺旋离心机的功率计算及电机选择是带差速器的螺旋离心机设计中 的重要组成部分。根 据带差速器的螺旋离心机的工作要求进行功率计算，可以合理地确定主、辅电 动机的功率，选择电机及差速器。带差速器的螺旋离心机的功率消耗与带差速器的 螺旋离心机的类型，操作方式和带差速器的螺旋离心机的结构有关，一般情况下， 带差速器的螺旋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 1 N； (2)启动物料达到操作转速所需功率 2 N； (3)克服轴与轴承摩擦所需功率 3 N； (4)克服转鼓，物料与空气摩擦所需功率 4 N； (5)卸出物料所需功率 5 N。 3.4.1 启动转鼓等转动件所需功率 1 N 欲使带差速器的螺旋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 2 2222 11 222 pp Av dmrdmJ (5.1) 式中 v转动件线速度，m/s； p J转动件绕轴旋转的转动惯量， 2 kg m； 启动转动件的平均功率 1 N，为： 2 1 11 2000 pp AJ N TT (5.2) 式中 1 T启动时间，s； 转鼓角速度：=157 rad/s 转动惯量计算：转动件的转动惯量 p J，主要考虑转鼓、推进器、差速器皮带轮 等质量较大、半径较大的转动件的转动惯量。此外还有一些较小的转动件，启动时 也需要功率，可不逐一计算，只要将上述计算的功率增加10-20%即可。 15 2 p Jmr 式中 m转鼓总质量，估算kg3000m r旋转件平均旋转半径，0.2rm 代入数值估算，转动件的转动惯量： p J= 22 3000 0.2120kg m 代入式(5.2)可得： 2 2 1 1111 120 1571478.9 20002000 pp AJ N TTTT (kW) 由公式(5.2)可以看出， 选择不同的 1 T值可计算出不同的启动功率。 按启动时间计 算所需启动功率如表5-1所列： 表表5-1 启动转动部件所需功率启动转动部件所需功率 1 N列表列表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1/( ) Ts 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1/( )NkW 74 49 37 30 25 21 19 115 15 3.4.2 启动物料达到工作转速所需功率 2 N 对于连续进料带差速器的螺旋离心机，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。 假设某种分离操作，单位时间内排出的z个组分中，各组分的质量为 i m (kg/s)， 各组分在转鼓内卸出的位置半径为 i r， 则使加入物料达到工作转速所需的功率 2 N为： 22 2 1 2000 z i i i mr N (kW) (5.3) 式中 i m单位时间被分离各组分处理量, 固相： 1 4.4/mkg s，液相： 2 8.3/mkg s i r转鼓内各组分旋转半径： 固相： 1 0.33rm，液相： 2 0.4rm 16 z物料被分离的组分数 代入式（5.3）得： 2222 1 12 2 2 20002000 mrm r N 22 1572(4.4 0.338.3 0.4 ) 2000 22.3kW 3.4.3 克服轴与轴承摩擦所需功率 3 N 克服支撑轴承摩擦所需的功率可以认为是加载支撑轴承上的摩擦力与摩擦表面 间的相对速度之积。支撑轴承上的摩擦力可以由摩擦力公式求得，其为作用在支撑 轴承上的支反力与摩擦系数的乘积，相对速度则可由轴承接触处轴径和轴旋转的角 速度求得，所以，克服支撑轴承摩擦所需的功率就可以由如下公式来表达： 1 12 21122 3 10002000 f FvF vfFdF d N (5.4) 式中 f轴与轴承间摩擦系数； 1 v、 2 v分别为轴颈表面的线速度，m/s； F1、 2 F分别为两轴承处的支反力，N； 1 d、 2 d别为两轴承处的轴颈直径，m； 关于轴承支反力F1、 2 F，应考虑在转子的静载荷与动载荷作用下轴承的支反力。 静载荷为转鼓及其它转动件总质量 0 m， 动载荷为由于转动件偏心产生的离心惯性力。 一般按偏心距e=D/1000(D为转鼓直径)计算。所以轴上的总载荷可按如下公式计算： 232 00 2 10()FmgemgRN 总 (5.5) 转动件总质量： 0 3000mkg 则作用在轴上的总载荷为： 3232 0 2 103000 (9.82 100.4 157 )88558FmgRN 总 作用在两轴承上的支反力为： 12 88558 44279 22 F FFN 17 由设计图纸可知，左右支撑轴承处轴径为： 12 0.14ddm 则将上述各数据代入式（5.4）可得克服支撑轴承摩擦所需的功率： 1 12 2 3 1000 f FvF v N 0.002 15744279 0.1444279 0.14 2000 1.95kW 3.4.4 克服空气摩擦所需功率 4 N 卧螺沉降式离心机工作时，转鼓外表面、物料层内表面都会因克服空气摩擦阻 力而消耗一定的功率，由于影响空气摩擦阻力的因素很复杂，想要精确的计算不容 易达到，因此一般工程计算中根据经验，都习惯采用一些近似的计算方法，在这里 克服空气摩擦所需的功率可以由如下公式来计算： 6344 4001 11.3 10()NLRR (5.6) 式中 0 空气密度：常压下取 0 =1.29kg/m ； L转鼓的长度：L=2.56m； 转鼓角速度：=157 rad/s； 0 R转鼓外半径： 0 R=0.408m 1 R转鼓中物料层的内半径: 1 R=0.35m。 将上述各值带入式（5.6）可得克服空气摩擦所需功率 6344 4001 11.3 10()NLRR 6344 11.3 101.29 2.56 157(0.4080.35 ) 6.17kW 3.4.5 卸出物料所需功率 5 N 对于带差速器的螺旋离心机，螺旋卸料是将沉渣从转鼓上某处推送到卸料口卸 出机外，故卸料功率应包括： (1) 克服沉渣的离心惯性力沿转鼓母线的分力消耗功率； (2) 克服沉渣与转鼓壁摩擦所消耗功率； 18 (3) 克服沉渣与螺旋叶片摩擦消耗功率。 计算时将卸料功率分为锥段和柱段两部分， 分别计算圆锥段消耗功率 5 N和圆柱 段消耗功率 5 N，则总的卸料功率可以表达为： 555 NNN (5.7) （1）圆锥形转鼓段推料功率计算 对于双螺旋叶片的带差速器的螺旋离心机，由圆锥段的推料公式可计算出 圆锥段转鼓的推料功率，其计算公式如下： 22 22 332222 3 5333 2 2 2 1 2 0.5 (1) ()1 100032 s f L L mfRr NRrfRrffRr LRr (5.8) 式中 s m每秒获得的湿沉渣质量： 10 1600 4.4/ 3600 s mkg s ； 2 f沉渣与转鼓壁间的摩擦系数： 2 0.12f ； 3 f沉渣与螺旋叶片间摩擦系数： 3 0.10f ； 2 L圆锥段转鼓长度： 2 0.978Lm； R圆锥转鼓大端半径，0.4Rm； r圆锥转鼓小端半径，0.26rm； 螺旋导程，0.2m； g重力加速度， 2 9.8m/sg 。 将上述各值代入式（5.8）可得圆锥段转鼓的推料功率： 2 33 5 2 2 0.12 0.978 0.9781 4.4 15720.10.40.26 0.40.26 10003 0.2 0.9780.40.26 N 2222 0.2 0.5 (0.11) (0.40.26 )0.10.11 0.40.26 2 1 8 . 9 kW （2）圆柱段转鼓推料消耗功率计算 2222 123 52 2 (4) 10002 s mRLf fR Nf Rf (5.9) 19 式中 1 L全部圆柱段长度： 1 1.582Lm； R圆柱段转鼓内半径：0.4Rm； 2 f沉渣与转鼓壁间的摩擦系数，对圆柱段 2 0.06f ； 3 f沉渣与螺旋叶片间的摩擦系数，对圆柱段 3 0.05f 。 则将上述数值代入式（5.9）可得圆柱段转鼓的推料功率： 2222 5 4.4 1570.4 1.5820.06 0.05 (0.240.4 ) 0.06 100020.40.06 0.2 N 4.6kW 所以将上述计算结果代入式（5.7）可得总的卸料功率： 5 N= 5 N+ 5 N18.94.623.5kW 3.4.6 卧式螺离心机功率确定 离心机的功率可以分为两种状态，一种是离心机启动状态下消耗的功率，另一 种是离心机运转过程中消耗的功率。 在启动阶段消耗的总功率为： 134 11 1478.91478.9 1.956.178.12 o NNNN TT 则由上式可知启动时间不一样启动功率也不一样，启动时间越短，消耗的功率 就越大，启动时间越长，消耗的功率越小。在实际生产中要根据现场情况确定启动 时间和启动功率以符合现场装置的要求，启动时间不能太长，否则会影响现场各装 置的运转效率；而启动时间也不能太短，启动时间太短会导致启动功率偏大，会导 致装置电器线路负荷过重，而且从经济型来讲启动功率偏大也不符合节能的要气， 因此对启动时间和启动功率应根据实际情况确定一个合适的范围，以满足装置各方 面的要求。 在实际的启动时间选择时，选择启动时间 1 T为25秒较合适，故在启动阶段消耗 的总功率为： 134 1478.9 8.1267.28 25 o NNNNkW 在运转阶段消耗的总功率为： 2345 22.3 1.956.1723.553.9 r NNNNNkW 由上述计算可以看出，离心机在启动阶段所消耗的功率大于在操作转速下运转 消耗的功率，因此，离心机的额定功率主要还是参照启动功率来确定。 20 以上几节介绍的公式是理论功率计算公式，但其计算结果与实际情况会有一定 出入。如5.5节讨论：克服沉渣的离心惯性力沿转鼓母线的分力消耗功率、克服沉渣 与转鼓壁摩擦所消耗功率、克服沉渣与螺旋叶片摩擦消耗功率等等，要得到考虑较 全面、实用的公式是比较困难的，一般都采用理论计算并参考生产实际数据来合理 的确定电机功率。 带差速器的螺旋离心机工作时的启动顺序为：启动辅助电机一运转平稳后一启 动主电机一空载带差速器的螺旋离心机达到额定转速一启动进料电机供料一正常运 转。考虑到带差速器的螺旋离心机正常运转后，只需较小的功率即可维持其正常运 转，以上介绍的功率计算方法得出的带差速器的螺旋离心机功率较实际所需功率大， 不利于节约能源。 在本项设计中，离心机的额定功率为：70N kW。 3.5 电动机的选择 根据查阅机械设计课程设计手册 Y 系列三相异步电动机技术数据最终选择 Y225M-2 型电动机。 21 第四章 主要部件的设计与选择 4.1 转鼓的设计 转鼓部件是带差速器的螺旋离心机的主要部件。转鼓的结构、形状和参数在很 大程度上决定了离心机的特点和工艺效果，带差速器的螺旋离心机可以按转鼓的形 状分为圆柱形、圆锥形、圆柱-圆锥形和双锥形等类型 5 - 6 。转鼓的参数一般包括 最大内直径、总长度、锥形部分的锥角和溢流环的直径等。 图4.1 转鼓结构图 转鼓部件主要包括：转鼓筒体2和大小端盖4、1(包括液位调节装置5) 7 。其结 构见图4.1。 转鼓简体转鼓简体初期的形状为锥形，以后出现柱-锥形。后者与锥形转鼓相比 较，柱-锥形转鼓能大大增加液池的容量，从而提高澄清效果。但是有的螺旋离心机 仍然采用圆锥形转鼓，因为它适用于在脱水的同时还需按粒度大小将物料分类的情 况。 转鼓简体锥形部分的筒壁磨损比较大。为了减少转鼓的磨损，在其表面沿母线 方向塞焊若干筋条，这不仅能促使在转鼓上形成由沉渣构成的密实保护层，而且可 以改善螺旋对沉渣的输送作用，防止沉渣在转鼓圆周上打滑。 转鼓圆锥部分的小端，对称地布置有沉渣卸出孔。出渣孔一般有三种形式：径 向的、轴向的，半轴向半径向的。径向出渣孔结构简单；轴向出渣孔可增加转鼓的 有效工作长度，不积渣；后者介于前二者之间。为了保护卸渣孔免于磨损，卸渣孔 内可安装硬质合金保护衬套。 带差速器的螺旋离心机转鼓的参数一般包括最大内直径、长度、锥形部分的锥 角和溢流直径带差速器的螺旋离心机转鼓最重要的、而且有代表性的参数是最大 内直径，这一参数通常列入离心机的型号。离心机的系列化也是以转鼓最大内直径 作为主要参数来制定的。转鼓的最大内直径和转鼓的转速决定了离心机分离因数的 大小。转鼓体的全长同最大直径的比(称为长径比)也是很关键的参数。对于易分离的 22 物料，长径比为 12，一般在 1.5 左右；对于难分离的物料，长径比为 2.54，一 般在 3 左右；长径比超过 4 时，在制造上有困难，但它是未来发展的方向。 根据前述选择的设计参数转鼓的参数汇总如下： 表表 2-3 基本参数及主要计算数据基本参数及主要计算数据 基本参数 单位 内容 转鼓大段内径 mm 800 转鼓长度 mm 2560 长径比 3.2 半锥角 7 沉降区长度 mm 1989 转鼓直段长度 mm 1582 转鼓锥段长度 mm 978 圆筒形转鼓壁厚为: 0 0 2 H RK 圆锥形转鼓壁厚为: )(cos2 0 0 H RK 本设计中，转鼓的圆锥形大口处周向应力