机械毕业设计（论文）-卧式螺旋沉降离心机设计.doc

毕 业 设 计课题名称离心机设计姓 名李佳俊学 号14系(分院)化工机械系专 业化工设备维修技术班 级3114指导教师张李铁摘 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。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(或称浆液)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。随着生产规模的逐渐扩大，作为石化企业关键设备的离心机开始逐渐向大型化、重型化方向发展。 本设计主要介绍卧式螺旋沉降离心机的工作原理、系统结构和WL-600螺旋卸料离心机的系统结构。同时详细介绍了WL-600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。据设计计算、功能参数校核认为WL-60螺旋卸料离心机可以满足使用要求，各项技术性能指标达到预期。关键词：离心机；分离因数；生产能力；强度设计目 录第1章绪论11.1 概述11.1.1离心机的发展概况11.1.2离心机的分离过程及分类41.1.3离心机的特点及应用范围51.1.4螺旋卸料离心机的概况61.2卧式螺旋卸料离心机的结构特点及工作原理71.2.1卧式螺旋卸料离心机的工作原理71.2.2卧式螺旋卸料离心机主要部件91.2.3卧螺沉降式离心机的技术参数及优缺点131.2.4卧式螺旋卸料离心机的主要优缺点14第2章卧螺沉降式离心机工艺计算162.1 分离因数的计算162.2 生产能力计算16第3章功率计算193.1 启动转动件所需的功率N1193.2 加速物料所需的功率N2213.3 轴承摩擦损耗的功率N3213.4空气摩擦消耗的功率N4223.5 卸料所需的功率N5223.5.1 圆锥段转鼓推料消耗的功率计算233.5.2 圆柱段转鼓推料消耗的功率计算233.6 总功率计算243.7 电动机的选择24第4章传动设计254.1 螺旋输送器相关参数的确定254.1.1螺旋推料器的基本参数254.1.2螺旋的头数ns254.1.3螺距S254.1.4推料器与转鼓的间隙h254.1.5叶片与转鼓内壁母线的关系254.1.6螺旋输送器叶片的选择254.2进料口直径的确定264.3 差速器的选择26第5章强度校核275.1 转鼓的强度校核275.1.1离心力场中物料的液体压力275.1.2转鼓壁厚计算285.1.3转鼓强度计算305.1.4转鼓的疲劳强度校核315.2 主轴的强度校核32参 考 文 献37致 谢38 第1章绪论1.1 概述1.1.1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。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。1.1.1.1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。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。1.1.1.2主要差距尽管我国的离心分离设备有了很大进展，但从整体而言，与世界先进国家相比，差距甚大5。主要表现在：1) 规格、品种少，系列化程度差。特别缺少集几种结构形式、集几种推动力于一体的复合式离心机。2) 技术参数低。国外离心分离机械产品的参数普遍高于我国，并继续向高参数、大容量方向发展。以卧螺离心机为例，最近研制的机型为国内最大的，其转鼓直径亦仅720 mm。长径比最大为L/d=4，分离因数亦较低。而国外转鼓最大直径已达2.1 m，长径比L/d=6，处理能力大于200 m3/h，可用于二相或三相分离。还发展了双向挤压型、沉降、过滤复合机型。目前，较先进的机型都采用计算机控制，会随着物料特性和参数的变化自动调节其相应的工况6。3) 产品进展缓慢。而国外，由于采用模块化的组合结构，特别是采用了大规模定制设计的新手段，故能满足用户的个性化需求，并加快了产品的更新换代速度。甚至还储备所谓“冷冻产品”，以随时适应市场竞争的需要。4) 其它方面。在产品的可靠性、稳定性、自控技术、加工工艺、新材料的使用、配套产品的品质，以及理论研究等方面，均存在不少的差距。1.1.1.3国外离心分离技术的进展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。1.1.1.4发展趋势1) 强化动态监测和自动化。随着自动控制和传感技术的发展，许多先进的自控手段被引入，并对离心机运行中的各项参数，如温度、流量、速度、振幅和噪音等进行全方位的监测，并通过传感器将收集信息输入计算机，经系统处理后，可及时了解各种参数的变化以采取相应的措施。由此出现了无人操作的碟式分离机11。2) 各种组合机和专用机的开发。Alfa-laval公司在碟式分离机上组合螺旋输送器形成复合碟式机；Krauss-Maffei公司的柱锥复合活塞机、虹吸刮刀离心机；Sharpies公司的沉降过滤复合螺旋离心机等。此外为提高离心机的分离性能和寻求最佳操作工况，Westfalia公司的碟式分离机品种之多已是世界之最。设计方面的进展：随着计算机技术的发展，CAD 技术与模块化设计已普遍使用。目前，全球市场竞争的愈加激烈，制造业面临着提高客户价值的巨大挑战。20 世纪90 年代以来，“大规模定制”在制造业逐步兴起。即“以近似于大批量生产的效率生产商品和提供服务以满足客户的个性化需要”。由于设计在产品生命周期中的重要性，面向大规模定制的设计(DFMC)已成为设计方面的新动向12。1.1.2离心机的分离过程及分类 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。而其相应的机种可区分为过滤式离心机和沉降式离心机。 离心过滤过程从广义的概念上来说，可理解为包括加料、过滤、洗涤、甩干和卸渣等五个步骤。如果就狭义的概念而言，可分为两个物理阶段：生成滤渣和压紧滤渣。第一个阶段与普通过滤原理在原则上相近似，但其推动力不同；而第二阶段与普通过滤的规律根本不同。离心沉降过程也可分为两个物理阶段:固体颗粒的沉降和形成密集的沉渣层。前者遵从固体在流体中相对运动的规律，而后者则遵从土壤力学的基本规律。离心沉降过程本身又可分为离心沉降和离心分离。在离心过滤和离心沉降分离固体颗粒过程中都具有“压缩”现象，这一现象很值得重视。在离心过滤过程中，这种压缩效应使滤渣孔隙缩减，变得不易渗透，从而阻碍了脱水；在离心沉降过程中，这种压缩效应减小了沉渣的空隙，反而有助于降低沉渣的含湿量13。离心机种类繁多，可按分离原理、操作目的、操作方法、结构形式、分离因数、卸料方式等分类，见下图14图1.1离心机的分类1.1.3离心机的特点及应用范围 离心机的主要特点，一是使用范围广；二是对物料的适用性较强；三是产品的规格多、变形多。离心机一般是工艺流程中的后处理设备，直接关系到产品的最终质量。离心机和其它分离机械相比，不仅能得到含湿量低的固相和高纯度的液相，而且具有节省劳力、减轻劳动强度、改善劳动条件，并且有连续运转、自动遥控、操作安全可靠和占地面积小等优点。因此自1836年第一台工业用的三足式离心机在德国问世，迄今一百多年来己获得很大的发展。各种类型的离心机品种繁多，各有特色，正在向提高技术参数、系列化、自动化方向发展，且组合转鼓结构增多，专用品种越来越多。现在离心机已被广泛应用于化工、石油提炼、轻工、医药、食品、纺织、冶金、煤炭、选矿、船舶、环保、军工等各个部门。如湿法采煤的煤粉回收；石油开采的钻并泥浆净化回用；铀同位素的浓缩；污水处理的污泥浓缩和脱水；石油化工产品的精制；抗菌素、农药的提取；牛乳、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、动植物油、米糠油淀粉等食品的制造；织品纤维脱水；润滑油、燃料油的提纯等都需要使用离心机。离心机已成为国民经济各部广泛应用的一种通用机械15。1.1.4螺旋卸料离心机的概况螺旋卸料离心机是高速运转，连续进料、分离分级、螺旋推进器卸料的离心机，螺旋卸料离心机分立式螺旋卸料离心机和卧式螺旋卸料离心机，本文研究的是卧式螺旋卸料离心机。现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。卧螺离心机出现后，由于具有突出的优点而得到了迅速的发展。在各种国际展览会上，各种各样的螺旋离心机，是所展示出的离心机中最吸引人的机型，可见各国对螺旋离心机的重视。沉降式离心机是国际上五十年代发明的机械，七十年代，我国开始引进。国产化一些机型成为原化工部七五科技攻关项目。八十年代我国就开始测绘，已测绘德国FIOTTWE公司、美国SHAPLESS公司、法国GUINARD公司、瑞典ALFa-Laval公司等国外著名公司生产的多种规格的离心机，并进行仿制，国家当时在全国组织6个生产厂家进行仿制生产。现国内己能生产的螺旋卸料沉降式离心机有WL200、WL350、WL450、WL600、LW800、等16。随着化学工业的飞速发展，各化工生产厂家对高精度、高质量设备的需求量不断增加。当前各种类型的离心机品种繁多，各具特色，并且都向提高技术参数、系列化、机电一体化方向发展。螺旋卸料沉降离心机由于能够连续出料，生产能力大，对物料的适应性强，结构紧凑，占地面积少等特点，因此应用越来越广泛。目前其发展速度很快，但从总的趋势看:a.为了提高单机生产能力，采取加大转鼓直径，增加长径比的方法，如GUINARD公司的D型螺旋卸料离心机，转鼓直径最大的为1500mm，长径比为4.7，我国目前生产的螺旋卸料离心机的直径最大为1000，长径比还不到2。 b.为了分离固相颗粒比较细，粘度大的悬浮液，采取提高转速度方法，如阿法拉法公司生产的4500离心机，转鼓直径310，转速达7600/min，这样高的转速，目前我国还不能达到。c.目前国外离心机正向着机电一体化方向发展，己实现在离心机上对分离物料的自动检测与调节，机械性能自动保护，振动的随机检测和自动报警，过载保护分离反馈等。我国目前己开始注意机电一体化的研究与应用，但在离心机方面也只是刚刚起步。d.适应不同物料及工况的需要，目前国内外离心机制造厂又推出来许多不同型号的防爆型离心机，用于易燃易爆场合的物料分离。本课题主要研究的对象是卧式螺旋卸料离心机。近来由于石油化学工业的迅猛发展，以及污水治理的需要，使卧式螺旋离心机得到了进一步的发展。例如在合成塑料(聚氯乙烯、聚丙烯)及合成纤维(聚对苯二甲酸乙二脂)生产分离设备中，卧式螺旋卸料离心机是关键设备之一，在聚乙烯醇的生产中也要使用螺旋离心机；在污泥脱水中使用了高分子絮凝剂，使螺旋离心机的固相回收率大大提高，因而它成为污水治理的有效分离设备。在连续离心机中，卧式螺旋卸料离心机是对物料适应性较好、应用范围较广的一种离心机17。1.2卧式螺旋卸料离心机的结构特点及工作原理1.2.1卧式螺旋卸料离心机的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1.2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。1.2.2卧式螺旋卸料离心机主要部件 1.2.2.1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。1.2.2.2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。双头螺旋较单头螺旋输渣效率高且便于加工并有利于平衡，所以绝大多数是双头螺旋。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。1.2.2.3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。1.2.2.4主轴及支承 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。1.2.3卧螺沉降式离心机的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。螺旋卸料沉降离心机参数范围:转鼓直径：160mm1600mm转鼓半锥角：518固相粒度：0.0052mm液池深度与直径比值：0.052转鼓长径比：14.2差转速：转鼓转速的0.23%悬浮液固相浓度：150%生产能力：最大190立方米/时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。 1.2.4卧式螺旋卸料离心机的主要优缺点（1）优点a.自动、连续操作，无滤网和滤布，能长期运转，维修方便。b.应用范围广。它能完成下列分离过程：1）固相脱水 对易分离物料，其脱水效果与过滤式离心机一样好。对含有可压缩性固相的悬浮液，在过滤离心机上分离效果很差，甚至无法分离；用螺旋离心机能完成该分离过程。 2）液相澄清 它对液相的澄清效果虽然不如分离机，但是可获得比分离机干得多的沉渣，而允许的悬浮液固相浓度比分离机处理的高得多。 3）可分离固相重度比液相轻的悬浮液 通常这种物料是用过滤式离心机来分离，但是当固相是可压缩的物料或滤布清洗、再生有困难时，只有依靠这种结构上稍加改进的离心机进行分离。 4）液-液-固分离 固相含量大于14%的液-液-固混合物，在碟式分离机上就难以分离。一般分离这种物料要先进行液-固分离，再进行液-液分离。然而，用卧螺离心机可以直接把固相和轻、重液相一次分离。 5）粒度分级 通过卧螺离心机可将固相按颗粒大小进行分离c.对物料的适应性较大，能分离的固相粒度范围较广，并且在颗粒大小不均匀的条件小，能照常分离的很好。能适应各种浓度悬浮液的分离，浓度的波动不影响分离效果。d.结构紧凑、易于密封，某些机型能在加压和低温条件下操作。e.单机生产能力大（当量沉降面积可达10000平方米，生产能力可达190立方米/时），分离质量比较高，操作费用低，占地面积小。（2）缺点：a.沉渣的含湿量一般比过滤离心机稍高，大致与真空过滤机相等。b.沉渣的洗涤效果不好。c.结构比较复杂，造价较高。第2章卧螺沉降式离心机工艺计算2.1 分离因数的计算分离因数是表示离心机分离能力的主要指标，是代表离心机性能的重要标志之一。值愈大，物料受的离心力愈大，分离效果也就愈好。分离因数为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，即式中 离心力场中物料的质量（kg）转鼓的角速度：=2n/60=157rad/s转鼓内半径：R=300mm将上述数据代入可得分离因数：分析上述各式可以找到提高分离因数的途径。由于分离因数Fr与转鼓半径R成正比，因此增大转鼓尺寸时Fr值增长较平缓，但在增大转鼓半径后，转鼓的应力状态就受到较大影响，而分离因数Fr与转鼓转速n成平方关系，提高转速时，Fr增长很快。所以高速离心机的结构特点是转速高、直径小、分离因数大。分离因数的提高并不是任意限制的，其极限值取决于转鼓的机械强度。2.2 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：。 第3章功率计算 3.1 启动转动件所需的功率N1 转动件加速到角速度所需的功为： 式中Jp 转动部件的转动惯量， 。则启动转动体的平均功率为：（W）式中，为启动时间。对于高速或高转动惯量的离心机，启动时间较长。启动时，电机的电能转变为机械能的效率是很低的，很大部分的能量在马达内转变为热能。由于启动时间受电动机尺寸及设计影响，因此，大功率离心机尽量避免频繁的启动，一般最多一到两次/小时。启动转鼓转动所需功率计算如下:欲使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:式中 转动件线速度，m/s；为转动件绕轴旋转的转动惯量，。启动转动件的平均功率为：式中 启动时间，s；离心机的角速度，rad/s。转动件的转动惯量，主要考虑转鼓、皮带轮、制动轮等质量较大、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5-8%即可。以下是本机主要部件转动惯量的计算：密度:7900kg/m，转鼓的总长度:L=2767mm直段转鼓长度:H2=1800mm。1）直段转鼓 2）锥段转鼓 根据资料：(3) 前半轴取转动惯量为13.8kg/m24）后半轴取转动惯量为13.8kg/m25）差速器差速器近似等于前半轴转动惯量，取转动惯量为13.8kg/m26）皮带轮取转动惯量为7kg/m2(7) 推进器叶片取转动惯量为9 kg/m2则总的转动惯量为 考虑到其他转动部件，扩大1.08倍： 式中：为启动时间，取时3.2 加速物料所需的功率N2加速物料到转速并在半径r处排放所需的功率为（W）式中 流量，m3/s；物料密度，kg/m33.3 轴承摩擦损耗的功率N3计算轴承摩擦损耗时，要考虑到轴承所受的静载荷和动载荷。所谓动载荷就是由于转鼓内物料分布不均引起的偏心动载荷。轴承摩擦损耗的功率为 （W）式中 、两个支承处轴颈的直径，取m；摩擦因数，与轴承类型有关，滑动轴承，滚动轴承，取； 受静载与动载作用的离心机主轴承上的载荷，N。设转鼓加料后总的质心对转鼓回转轴线的偏移为，相应产生的离心力为：则主轴承受的总载荷为式中 转鼓装料后的总质量，Kg；重力加速度，m/s2；质心偏心距转鼓半径，m。将以上各值代入公式，则主轴承受的总载荷为：轴承摩擦损耗的功率为：W3.4空气摩擦消耗的功率N4空气摩擦消耗是由转鼓周围空气对高速旋转的转鼓的黏性阻力。因此，空气摩擦消耗与旋转件内外跟空气的接触面积、转速和空气黏度或密度有关，可表示为式中 转鼓周围气体介质密度，随压力而增大，常压下空气可取1.3kg/m3；转鼓长度，m；转鼓外半径，m；转鼓内液体自由表面半径，m。3.5 卸料所需的功率N5一些离心机的卸料装置在进行卸料时的阻力增加了主轴的负荷，也将消耗一部分主轴功率。螺旋卸料离心机是利用螺旋叶片将沉渣推送到卸料口而实现卸料，所以螺旋卸料离心机的卸料功率应包括以下几个方面：（1）克服沉渣的离心惯性力沿转鼓母线的分力所消耗功率；（2）克服沉渣与转鼓摩擦所消耗功率；（3）克服沉渣与螺旋叶片所消耗功率。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和圆柱段消耗功率，则总的功率可以表达为：3.5.1 圆锥段转鼓推料消耗的功率计算对于双螺旋叶片的螺旋卸料离心机，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：式中 单位时间内离心机获得的沉渣质量；沉渣与转鼓壁间的摩擦系数，对圆锥段；沉渣与螺旋叶片间的摩擦系数，对圆锥段；圆锥段转鼓长度，； 转鼓圆锥段大端半径，；转鼓圆锥段小端半径，；螺旋导程，；重力加速度。将上述个数值代入，可得圆锥段转鼓的推料功率：3.5.2 圆柱段转鼓推料消耗的功率计算对于双螺旋叶片的螺旋卸料离心机，由圆柱段的推料公式可计算出圆柱段转鼓的推料功率，其计算公式如下： 式中 沉渣与转鼓壁间的摩擦系数，对圆柱段；沉渣与螺旋叶片间的摩擦系数，对圆柱段；圆柱段转鼓长度，；圆柱转鼓半径，。则将上述数值代入可得圆柱段转鼓的推料功率：所以可得总的卸料功率：3.6 总功率计算启动功率： 运转功率：3.7 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。第4章传动设计4.1 螺旋输送器相关参数的确定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螺旋的头数ns螺旋叶片可以是单头，双头，也可以是多头。当螺旋的头数增加一倍时，螺旋的输渣效率也相应的增加一倍，但随着螺旋头数的增加，螺旋叶片在机内对沉降区的扰动也会增加，从而使分离液中的含固量增加，降低沉降效果29。因此综合考虑，本设计取双头，即。4.1.3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=0.3 0.8，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。4.1.4推料器与转鼓的间隙h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。4.1.5叶片与转鼓内壁母线的关系据资料介绍，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。4.1.6螺旋输送器叶片的选择叶片选用连续整体螺旋叶片，叶片厚度8mm，双头螺旋，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=30m3/h则 ， 根据水的流速为：，取物料流速为：圆整后为90mm4.3 差速器的选择 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。第5章强度校核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