机械毕业设计（论文）-卧式双螺带混合机设计（全套图纸）.pdf

卧式双螺旋混合机设计卧式双螺旋混合机设计 学生姓名 学 号 8031212215 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 农业机械化及其自动化 班 级 16-2 指导老师 日 期 2016.05 塔里木大学机械电气化工程学院 16 届毕业设计 前前 言言 搅拌设备使用历史悠久，大量应用于化工、石化、轻工、医药、食品、采矿、冶金等行业中。 搅拌设备可以从各种不同角度进行分类，如按照搅拌装置的安装形式简单的可分为立式和卧式，其 中卧式是指搅拌容器轴线与混合机回转轴线都处于水平位置。 本课题在国内外混合机的研究与发展的基础上， 设计了一种新的带有搅拌功能的卧式混合机结 构设计方案，以用于食品工业的面粉搅拌操作。该卧式混合机具有的传动系统，采用 V 带和齿轮传 动实现搅拌任务。 本文对卧式混合机的基本结构、基本尺寸进行了详细设计，并利用 SOLIDWORKS 对混合机结构 进行三维建模，以便更直观地展现设计思想和进行结构分析；并对设计零件进行了分析校核，保证 混合机的可靠运行。 关键词：关键词：卧式；混合机；混合；食品工业 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 目目 录录 1 绪论绪论 . 1 1.1 课题研究意义 . 1 1.2 混合机国内外发展现状 . 1 1.3 卧式混合机发展趋势 . 3 1.4 论文主要完成的工作 . 3 2 卧式混合机总体方案设计卧式混合机总体方案设计 . 4 2.1 卧式混合机总体结构方案 . 4 2.2 混合机性能指标的设定 . 5 3 卧式混合机结构设计卧式混合机结构设计 . 6 3.1 驱动元件的选择与计算 . 6 3.2 传动系统的结构设计 . 8 3.3 搅拌部分结构设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4 安全性计算与校核安全性计算与校核 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1 轴承的校核 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2 轴的校核 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 总总 结结 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致致 谢谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 塔里木大学毕业设计 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究意义课题研究意义 理论上把任何状态（固态、液态、气态和半液态）下物料均匀掺和在一起的操作称为混合，但 习惯上常把固态物料之间掺和或者固态物料加湿的操作称为混合；而把固态、液态或气态物料与液 态物料混合的操作称为搅拌 1。 搅拌与混合操作是应用最广的过程操作之一，大量应用于化工、石化、轻工、医药、食品、采 矿、造纸、农药、涂料、冶金、废水处理等行业中。近年来，搅拌与混合技术发展很快、搅拌与混 合设备向着大型化、标准化、高效节能化、机电一体化、智能化和特殊化方向发展。在这种形式下， 技术人员如何借鉴已有经验，掌握新的变化情况，正确设计与选用不同工艺条件下操作的搅拌与混 合设备，使其满足安全、可靠、高效和节能的要求，就变得十分重要了。 搅拌混合设备是各种工业反应不可或缺的重要机械。然而，由于搅拌目的多样性和混合反应的 复杂性，当前，搅拌混合技术还存在着一些问题。例如搅拌效率低，功耗大，铸造成本高，在自动 化选型和设计问题上，长期以来一直依靠专家根据经验知识人工完成，智能化水平不高，设计周期 较长，资金和人力物力消耗巨大等。因此研制新型搅拌装置和采用先进流场测量技术一直是搅拌过 程所研究的主要课题。 1.2 混合机国内外发展现状混合机国内外发展现状 在食品工业中，混合是指两种或两种以上不同物料互相混合，成分浓度达到一定程度均匀性的 单元操作 2。混合机应用于谷物混合、粉料混合、面粉中加辅料与添加剂、干制食品中加添加剂与 调味粉及速溶饮品的制造等操作中，目的是使两种或两种以上的粉料颗粒通过流动作用，成为组分 浓度均匀的混合物。 近年来，随着科学技术的发展和相关理论的完善进一步成熟，混合机的设计和制造获得了飞速 发展。但是，它也面临着必需满足合理利用资源、节能降耗和对环境保护要求的严峻挑战。混合机 在服从装置规模经济化和品种多样化的同时， 正日趋大型化。 基于节能要求， 开发出变频调速电机、 小剪切阻力桨叶、以新型密封代替机械密封和填料密封，以磁力驱动代替机械驱动。基于降低产品 总体成本、减少维修保养成本和提高设备品均维修间隔时间的要求，大大提高设备运行寿命。基于 满足卫生和降低清洗和杀菌成本的要求，实现 CIP（就地清洗）和 SIP（就地杀菌） ，提高自动化水 平，避免人与产品接触，减少人工操作和待机时间，大大提高产品卫生水平。这些都是现代新型搅 拌装置的研究方向，其中有许多方面已经取得丰硕成果，有些方面还在进一步研究当中 3。 传统的混合机密封装置基本有四种，填料密封、机械密封、液压密封和唇状密封。前两种密封 同泵的密封类似。液压密封最简单，在混合机中用得最少。唇状密封只适用于低压、防尘、防蒸汽 的密封，这种密封，结构也很少采用，最常用的密封是前两种。其中机械密封成本较高，但泄漏率 低，维修频度是填料密封的二分之一到四分之一。 磁力驱动混合机的特点是以静密封结构取代动密封， 混合机与电极传动之间采用磁力偶合器联 塔里木大学毕业设计 2 结，不存在接触传递力矩，能彻底解决机械密封与填料密封的泄漏问题。在国内威海自控反应釜公 司、开原化工机械磁力反应釜厂、温州中伟的磁密封设备厂等均生产磁力混合机。国外的瑞典 NA 型磁力搅拌反应釜，混合机安装在反应釜底部，混合机与釜底齐平，易于拆卸，可靠、耐用和便于 维修。磁力混合机的缺点是对于一些粘稠液体或有大量固体参加或生成的反应尚不能顺利使用，此 时必须使用机械混合机作为驱动能源。 在新型搅拌桨叶的开发方面，很多公司都在积极开发具有适合于高黏度物料的桨叶的混合机， 其中美国 ROSS 公司开发的新型双行星式混合机是其中之一。同传统的矩形长条形行星桨叶(见图 1-1 a)不同，新型的高黏度搅拌桨叶(见图 1-1 b)有一个精确的空间角度，使桨叶的转动轨迹不但 有力地推动高黏度物料向前运动，而且推动它向下运动，不产生爬升，而且比传统的行星式垂直桨 叶的阻力要小得多。传统的行星式垂直桨叶有两组，每组两片垂直的扁长桨叶，当这两片桨叶在容 器里面转动时，产生极大剪切阻力，功耗大增，电流猛升。这个问题一直是传统行星式垂直桨叶的 要害所在。 （a） 传统的行星式桨叶 （b） 新型 HV 桨叶 图 1-1 新旧搅拌桨叶对比 新型HV桨叶由于是螺旋式设计， 两组HV桨叶在交替转过一个截面时几乎是连续地在切断物料， 负荷是连续地处于平衡状态，从而消灭了电流的浪涌迹象。德国 INOTECH 公司采用锥形搅拌原理的 搅拌头，既可搅拌低黏度，也可搅拌黏度高的物料，其形状如图 1.2 所示。 图 1-2 搅拌低粘度和高粘度物料的慢速转动的搅拌头 塔里木大学毕业设计 3 这种搅拌头的显著优点是:以比较慢的速度搅拌，但搅拌时间短，搅拌时未吸入空气，不起泡 沫，无须加热，对物料的动作比较柔和的，节省能量，一次完成，便于安装，既可用于搅拌化学品， 也可用于搅拌食品。 在新型转子-定子搅拌技术方面进展也很迅速， 转子-定子搅拌技术可制造亚微米级的各种乳化 剂，美国 ROSS 和 IKA 公司生产的这种混合机，其产量约比相同功率的胶体磨或均质机大十倍。其 原理是令转子在极高速度下转动，使转子尖端速度极大，由于转子和定子之间的速度差，在转、定 子间隙中产生极大的剪切能，可使物料在被搅拌的同时，被破碎到亚微米级。 多功能化和搅拌过程的自动化是二十一世纪提高搅拌产品质量、 产量和满足环境保护要求的主 导方向，目前有如下几个发展趋势 4 ： （1）多轴搅拌机，它配备三套独立传动的搅拌装置。一套是沿着搅拌容器周边慢速转动的三 翼锚式搅拌桨，使物料产生激烈的轴向和径向流动，促使物料良好的混合和传热；第二套是定/转 子式剪切装置和高速分散头。 （2）双行星混合机与变速驱动装置的组合，这一构想使得即使在极低转速下也可获得极大扭 矩。而低转速搅拌对于制造高性能的硅胶、树脂、橡胶添加剂、牙科材料、金属和陶瓷粉等是非常 重要的。 （3）行星桨叶与高速分散器的组合，采用这种组合的混合机，被处理物料的黏度可高达 120 万厘泊。行星桨叶和分散在环绕容器转动时各有自己的转轴，行星桨叶将物料传送到分散头。高速 分散则对物料施加剪切力。 （4）自动卸料和互换搅拌容器，由于粘稠材料人工卸料很困难，很多厂家都采取自动卸料措 施。自动卸料系统大大减少了人工卸料的停机时间。不但大大提高了产量，减小次品，还保证了产 品质量的一致性。同时操作人员与产品的接触大大减少，产品不受污染的安全性也大大提高了。 1.3 卧式混合机发展趋势卧式混合机发展趋势 随着近几年科学技术的迅猛发展和相关理论的进一步完善， 完全可以相信混合机的设计和制造 将会取得更大发展，其在社会生产中也会发挥越来越重要的作用。并且混合机在服从装置规模经济 化和品种多样化的同时，未来的新型产品也会越来越满足合理利用资源、节能降耗和对环境保护的 众多要求。 1.4 论文主要完成的工作论文主要完成的工作 卧式搅拌装置主要由两个部分组成：主传动部分、搅拌叶片。主传动部分包括一个异步电机和 减速系统。搅拌叶片为螺带式搅拌叶片，为的是能让物料在搅拌过程中更高效率的混合。本论文的 主要研究内容如下： （1）总体方案设计 通过对国内外混合机发展现状的研究，以及对食品设备设计原则的学习，在吸取宝贵经验的同 时也加入了自己的一些改进措施，制定自己的设计方案。 塔里木大学毕业设计 4 （2）卧式混合机的结构设计 有了总体的设计方案，将混合机的结构分成主传动系统、搅拌部分和机架三大部分，然后分别 对这三部分进行详细设计。 （3）零件安全性校核 当完成各部分的零件设计后， 还要进行安全性校核。 本论文主要对处于最复杂受力状态下的轴、 轴承、键以及电机进行了校核计算举例，其他各个零件的校核计算并没写到论文中。 2 卧式混合机总体方案设计卧式混合机总体方案设计 2.1 卧式混合机总体结构方案卧式混合机总体结构方案 卧式混合机的搅拌容器轴线和混合机回转轴线都处于水平位置； 其结构简单， 造价低廉、 卸料、 清洗、维修方便，可与其他设备配合完成连续生产，但占地面积一般较大。这类机器生产能力（一 次调粉容量）范围大，通常在 25-400kg/次左右，如面包，饼干，糕点及一些饮食行业的面食生产 中均得到了广泛应用。 2.1.1 传动方式确定传动方式确定 （1）混合机形式选择，本设计要求卧式混合，考虑卧式混合与目的，采用容器固定式卧式混 合机。 （2）传动方案确定，因对搅拌速度要求不高，市场上已有的成熟产品混合速度约为 60r/min， 过高的转速并不会产生良好的搅拌效果，相反还会造成能量的浪费。但是虽然转速低，启动转矩却 很大，选用符合启动要求的电机，电机转速约 2840r/min，因此传动系统要采用较大减速比，考虑 机器尺寸和振动噪声要求，采用带传动和齿轮传动组合机构。 初步设定的传动机构示意图如图 2-1 所示 1.小带轮 2.大带轮 3.搅拌轴 4.大齿轮 5.小齿轮 6.电机 图 2-1 传动系统机构简图 塔里木大学毕业设计 5 2.1.2基本尺寸的确定基本尺寸的确定 本设计为小型混合机，根据其工作容量和操作人员的最佳操作位置，混合机的外形尺寸为 900500800mm，其中搅拌轴轴线高度 600mm，混合容器下半部分为直径 500mm 的半圆筒，上半 部分为200500800mm 的长方体，筒壁厚 8mm，混合机叶片边缘与筒壁间隙 2mm，为了实现更好 的搅拌效果，采用双螺带混合机，搅拌轴直径 30mm，长 1000mm，大螺带直径 480mm，带宽 40mm， 小螺带直径 240mm，带宽 30mm。还有设定进料方式和出料方式，容器桶上部设盖子装填物料，下部 开口卸放物料，有了以上尺寸设定，合理布局电动机的位置，传动装置的布局，完成总体结构方案 的设计，绘制机构简图。总体机构简图如图 2-2 所示。 1.主电机 2.小带轮 3.大带轮 4.齿轮 5.搅拌容器 图 2-2 总体机构简图 2.2 混合机性能指标的设定混合机性能指标的设定 混合机工作参数不仅反映其所能胜任的工作， 更重要的是决定设计方向和一些设计参数的选择 范围。 对于主传动系统，设定正常工作转速 60r/min，启动时加速时间 4s，稳定运行时间 5min，减 速时间 6s，停歇时间 2min。 搅拌容器为半圆柱形，尺寸如图 2-3 所示。容器固定型搅拌装置的装料系数一般为 0.5-0.6， 本设计取 0.58。 图 2-3 搅拌容器外壳尺寸 塔里木大学毕业设计 6 3 卧式混合机结构设计卧式混合机结构设计 3.1 驱动元件的选择与计算驱动元件的选择与计算 3.1.1 驱动元件选择原则驱动元件选择原则 搅拌设备的搅拌轴通常由电动机驱动，电动机选用一般依据以下几个原则： 根据搅拌设备的负载性质和工艺条件对电动机的启动、制动、运转、调速等要求，选择电动机 类型。 (1)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力 和启动转矩，合理选择电动机容量，并确定冷却通风方式。 (2)根据使用场所大的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯和腐蚀及易燃易爆气体等， 考虑必要的防护方式和电动机的结构形式，确定电机的防爆等级和防护等级。 (3)根据搅拌设备的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的性能要求，以及机械减速的 复杂程度，选择电动机的额定转速。 除此之外，选择电机还必须符合节能要求，并综合考虑运行可靠性、供货情况、备品备件通用 性、安装检修难易程度、产品价格、运行和维修费用等因素。 根据上述原则，综合考虑本设计的工作条件要求，确定电机类型为异步电机，防护方式防尘、 搅拌以及防异物伸入。 3.1.2 电机的选择及电机参数的确定电机的选择及电机参数的确定 1）搅拌功率的计算 在正常情况下，混合设备运转时所消耗的功率包括以下几部分： 使容器内的粉粒体运动消耗的功率。 （1）轴承、减速装置和传动装置摩擦消耗的功率。 （2）连续驱动容器本身或搅拌桨叶等回转消耗的功率。 （3）其他附属装置，如控制器等消耗的功率。 对于容器固定型混合设备，当这类混合设备的螺带叶片或搅拌桨叶回转时，对于流动良好的粉 粒体，可以通过实验得到轴力矩。 87654321 )/( fbdsdZKDT S a p = （3-1） 式中： K-实验系数，查表取 K=45； p D -粒子直径，m，查表取 3 105 . 0 = p Dm； -表观密度，kg/m3，查表取 3 107 . 0=kg/m3； S -内摩擦系数，查表取 S =1.19； Z -接触螺带粉粒体层的高度或长度，m，本设计 Z=0.78m； 塔里木大学毕业设计 7 d-叶片外径，m，本设计 d=0.48m； s-螺带的节距，m，本设计 s=0.78m； b-叶片宽度，m，本设计 b=0.04m； f-装料系数，本设计取值 f=0.58。 参考已有实验测出的参数表格，选择机型为卧式螺带，则指数值如下： 1 =0； 2 =1.0； 3 =1.2； 4 =1.0； 5 =3.3； 6 =- 0.3； 7 =0.7； 8 =1.2； 对于本设计，物料设定为面粉和砂糖的混合物，搅拌叶片与搅拌桶内壁间隙为 2mm，根据查询 的资料，估算混合物料的表观密度，粒子直径等参数，最后计算数值确定如下： 大螺带转矩 mN17.127)/( 87654321 1 = fbdsdZKDT S a p 而对于小螺带，计算时只需将叶片外径 d 这一参数值替换为 0.24 即可，小螺带的转矩 mN57 . 8 )/( 87654321 2 = fbdsdZKDT S a p 搅拌轴上总转矩 mN74.135 21 =+=TTT 搅拌轴功率 nTP2= （3-2） 式中各参数 P-功率，W； n-回转速度，r/s，本设计取值 n=1r/s； T-搅拌轴力矩，mN。 所以搅拌轴功率 W447.8522=nTP 2）电动机额定功率的计算 电动机额定功率是根据它的发热情况来选择的， 在允许范围内， 电动机绝缘材料的寿命为15-25 年。如果超过了容许温度，电动机使用寿命就要缩短。而电动机的发热情况，又与负载大小及运行 时间长短有关。 搅拌设备的电动机功率必须同时满足混合机运转及传动装置和密封系统功率损耗的要求， 此外 还需考虑在操作过程中出现的不利条件造成功率过大等因素。 电动机额定功率可按下式确定： )( SN PPP+= （3-3） 式中各参数： PN-电动机功率，kW； P-混合机功率，kW，由前面计算 P=0.8524