（机械电子工程专业论文）海洋灌浆机系统设计与研究.pdf

摘要 2 l 世纪是海洋的世纪，海洋以其丰富的资源吸引着人类征服的 脚步，成为人类征服自然又一领域，科技创新成果的应用是人类征 服其恶劣环境的有厉匕器，以至实现科技治海与科技兴海。灌浆机 是海洋施工的机电一体化设备，高可靠性、方便地操作性以及构造 的优化性是海洋施工设备的重要要求。目前国内该设备仍没有一套 完整的系统技术，主要方案大部分是陆地用的混凝土搅拌站的移植。 本文针对海洋施工特点，对灌浆机的机械系统和控制系统进行系 统设计，形成一套完整的设计方案。本文的主要工作包括： 1 研究灌浆机的整体构造设计，设计层次分明的三层构造( 缓冲， 计量和搅拌) ，详细地介绍了物料传输、进料、计量、搅拌和输出 泥浆的整个工艺流程。 2 分析螺旋输送机的力学特性和运动特性，确定其输送能力和所需 的功率。 3 设计搅拌器的结构，分析搅拌系统的力学特性，用图算法确定搅 拌的速度，并计算所需电机的功率。 4 设计计量系统，主要侧重水泥计量系统的设计，以伺服电机带动 小型螺旋进料器作为水泥计量斗的进料计量机构，以称重传感器 的测量信号作为计量反馈，提高计量精度。 5 搅拌后的泥浆采用变频输出，不仅提高了调节排量的灵活性和系 统的可靠性，同时还节约能源。 6 以输出泥浆控制计量配比的大反馈闭环控制系统，使整个系统的 工艺流程更加趋于合理。 关键词：灌浆机螺旋搅拌计量变频 a b s t r a c t a sw ek n o w , t h e2 1 “c e n t u r yi st h ec e n t u r yo ft h eo c e a n t h em a l lh a st a k e nh i s s t e p si n t ot h i s f i e l df o rh e rr i c hr e s o u r c e s ，a n dt h es c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lp a y o f f s h a v eb e c o m eas h a r pk n i f et oo v e r c o m et h ed i f f i c u l t i e s t h eg r o u t i n gm a c h i n ei sa n e l e c t r o m e c h a n i c a ld e v i c ef o ro f f s h o r ec o n s t r u c t i o n s ，w h i c hr e q u i r eh i g hr e l i a b i l i t y , o p e r a t i v ec o n v e n i e n c ea n do p t i m i z e dc o n s t r u c t i o n h o w e v e r , a n ys y s t e m a t i cs c h e m e h a s n tb e e np r e s e n ti nb o a r d s o m eo ft h e ma r eo n l yt h er e p r o d u c t i o no fc o n c r e t e b a t c h i n gp l a n t ，w h i c hc a n tb eu s e dd i r e c t l yf o rt h e i rd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h e o f f s h o r ew o r k i n gc o n d i t i o n ，w ed e s i g nag r o u t i n gm a c h i n e p r o g r a m t h em a i n w o r k i sb e l o w 1 t h es t r u c t m - eo ft h em a c h i n ei sr e s e a r c h e d ，w h i c hi st h r e e l a y e rs t r u c t u r e ( b u f f e r , m e a s u r e m e n ta n dm i x i n g ) a f t e rt h a t ，t h ep r o c e s sf l o wi si n t r o d u c e di nd e t a i l s 2 b a s e do nt h es t a n d a r dm o d e l ，t h es c r e wc o n v e y e ri s a n a l y z e da b o u ti t s m e c h a n i c a lc h a r a c t e ra n dk i n e m a t i c a lc h a r a c t e ns ow ec a nd e t e r m i n et h ep o w e r a n dd e s i g ni t sc o n s t r u c t o rr e a s o n a b l y 3 t h es t r u c t u r eo ft h em i x e ri sd e s i g n e d a n da n a l y z ei t sm e c h a n i c a lc h a r a c t e ra n d i t sv e l o c i t yb yg r a p h i cw a y 4 aw e i g h t i n gs y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d et h ec e m e n t ，w a t e ra n da e t h e c e m e n ts y s t e mi si n s t r u c t e dm a i n l y 5 t h em u df l u i di sd i s c h a r g e dv a r i a b l yb yc o n v e r s i o n a st h i sw a y , i ti se a s i e rt o m o d u l a t et h eo u t p u ta n dc o n s e r v et h ee n e r g y 6 ac l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mm a k e st h ep r o c e s sf l o wm o r ec o n c o r d a n t ，i nw h i c h t h ew e i g h t i n gr e s o u r c e sd e t e r m i n et h eo u t p u to ft h em u d ，a saf e e d b a c kt h a tt h e o u t p u ti n f l u e n c e st h ew e i g h t i n g k e y w o r d s ：g r o u t i n gm a c h i n e ，s c r e w , m i x i n g ，w e i g h t i n g ，c o n v e r s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘注盘堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 多鸳璃 签字日期：加孛年l 月2 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘连盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：秒髦汤导师签名 幸青 i 签字日期：槲年肜月2 歹日签字日期：u 。眸胁月r 日 笫一常绪论 第一章绪论 1 1 海洋施工自动化现状及展望 就2 l 世纪科技的发展而言，海洋科技是本世纪人类最有可能取得重大突破 的领域之一，海洋科技也是一个衡量国家国力的重要指标。它密切关系到国家 的国民经济、人民生活和国防建设，因而许多国家特别是一些滨海大国正以极 大的热情，根据不同的国情制定相应的规划，投入巨大的人力、财力和物力， 在以往工作的基础上进行广泛的研究。高科技的应用使海洋开发中传统产业得 到不断改造，同时又不断开发和建立新的海洋产业“1 。除了传统的海洋渔业，海 洋生物、机电一体、新材料开发、环境工程、资源管理等技术在苗种培育、生 产和管理过程中都得到开发应用，使得海洋资源开发方式发生了战略性转变。 以海洋地质、地球物理、遥感技术为调查手段，以移动式钻探和开采平台技术 为开发手段，形成了新兴的海洋高技术产业海洋油气业。用高技术装备的 临港产业必将推动海洋开发的持续、快速发展。在高技术支撑下海洋生产性服 务业必将迅速成为新的海洋开发支柱产业。 海洋的施工环境条件与陆地有明显的差别，海洋施工设备( 包括电气设备) 经受恶劣环境的考验，在能源、控制、传动、结构等方面都有其特殊的形式。 总体而言，先进的智能控制、模糊控制、神经网络控制等等逐渐地应用于海洋 施工设备中，并且智能因素和自动化程度也逐步提高，微处理器、d s p 、p l c 等 技术逐渐普及。随着个体的智能特性不断地提高，个体与个体间的网络化也逐 渐加强，使整个海洋施工成为有机整体。随着全球定位技术和遥控技术的发展， 使海洋施工有可能迁到陆地完成；适用于海洋施工设备的材质更加专业化，电 气设备更适合于海洋施工。 1 2 灌浆机国内外发展状况 我国海岸线总长一万八于余公旱，在广阔的大陆架区域内，蕴藏着丰富的石 油资源。从上世纪六十年代我国开始对近海进行地球物理勘测。改革开放以来， 先后与英、美、法、日等国的数十家石油公司合作。我国近海已发现渤海、南 黄海、东海等区域含有丰富的油气，开发近海石油的前景十分广阔。随着海洋 第一章绪论 第一章绪论 1 1 海洋施工自动化现状及展望 就2 lt 吐纪科技的发展而言，海洋科技是本世纪人类最有可能取得重大突破 的领域之一，海洋科技也是一个衡量国家国力的重要指标。它密切关系到围家 的国民经济、人民生活和国防建设，因而许多国家特别是些滨海大国正以极 大的热情，根据不同的国情制定相应的规划，投入巨大的人力、财力和物力， 在咀往工作的基础上进行广泛的研究。高科技的应用使海洋开发中传统产业得 到不断改造，同时又不断开发和建立新的海洋产业“。除r 传统的海洋渔业，海 洋生物、机电一体、新材料开发、环境工程、资源管理等技术在苗种培育、生 产和管理过程中都得到开发应用，值得海洋资源开发方式发生了战略性转变。 以海洋地质、地球物理、遥感技术为调查手段，以移动式钻探和开采甲台技术 为开发手段，形成了新兴的海洋高技术广：业海洋油气业。用高技术装备的 临港产、i k 必将推动海洋升发的持续、快速发展。在高技术支撑下海洋生产性服 务业必将迅速成为新的海洋开发支柱产业。 海洋的施工环境条件与陆地有明显的差别，海洋施工设备( 包括电气设备) 经受恶劣环境的考验，在能源、控制、传动、结构等方面都有其特殊的形式。 总体而言，先进的智能控制、模糊控制、神经网络控制等等逐渐地出用于海洋 施工设备中，并且智能因素和自动化程度也逐步提高，微处理器、d s p 、p l c 等 技术逐渐普及。随着个体的智能特性不断地提高，个体与个体问的网络化也逐 渐加强，使整个海洋施工成为有机整体。随着仝球定位技术利遥控技术的发展， 使海洋施工有町能迁到陆地完成；适用于海洋施工设备的材质更加专业化，电 气设备更适合于海洋施工“。 1 2 灌浆机国内外发展状况 我国海岸线总长一万八干余公里，在广阔的大陆架区域内，蕴减着丰富的石 油资源。从上世纪a 十年代我国开始对近海进行地球物理勘测。改革开放以来， 先后与英、美、法、日等国的数十家石油公司合作。我国近海已发现渤海、南 黄海、东海等区域含有丰富的油气，开发近海石油的前景十分广阔。随着海洋 黄海、东海等区域含有丰富的油气，丌发近海石油的前景十分r 阔。随着海洋 擒一章绪论 t 程的蓬勃发展，海洋施工设备的现代化程度也越来越高。灌浆机是用来搭建 海洋平台时灌注平台立桩的机电一体化设备，不仅要求其自动化程度高，而且 恶劣的海洋施工环境要求该设备的可靠性高，生产的泥浆质量也要高。 图卜l 采汕平台 目前，国内仍没有专为海洋灌浆作业设计的灌浆机全自动化设备，使用的灌 浆设备也是陆地用的混凝土搅拌站的复制品，从总体结构和工作性能上看，都 不能很好地满足海洋作业要求。国外海洋工程发展较早，比如日本拥有雄厚的 海洋技术实力，在上世纪未本世纪初就研制了全自动的灌浆作业设备，如渤海 石油工程有限公司引进的f i 本i h i 的灌浆机全自动设备，该设备水泥计量系统 采用双气缸分步进料，以提高计量精度，整个系统简化计量过程，控制策略简 单，实际应用中计量结果与设定值相差较远，浆液配料成份不能按照设定值组 成，影响灌浆质量。另外，调节输出泥浆的排量仍采用改变截门开度的方式， 不仅操作笨拙，而且很浪费电能。”。 水泥输送设备是灌浆机的关键设备，目前广泛采用的散装水泥输送设备“如 图l _ 2 。 献装床泥输落醴器 j 斗式提升机带式输迭帆螺旋输送机链式输送机力输送设备 i i l 一 一l 上 上j - l上上l上上上上1 1 普 混离 重 通 u 箭水倾垂堋 川彤状 平斜 直刮 链 幼静 带 带 带螺螺 螺扳 条 肤骶 式式式旋旋旋 式 输输 输输输帖 传 传输 输 送送 送 送 送 送送 送 送 送 机机 通 倒 _ 帆 帆 机帆机机 机 _ 。 织 丝台心 物 绳式式 芯 一卷 i l斗 胶 胶提提 带 特机机 图卜2 输送设备分类 气力输送亦称管道输送，它是粉状物料在管道内通过空气的动能或静压能从 2 箱一蒂绪论 一处输送到另一处的输送设备。它在输送散装水泥时具有的优点是： 1 输送速度快，且输送量大，可达5 0 0 t h 。 2 作业时间短，可以减少车船的装卸时间，效率较高。 3 可以长距离地集中或分散输送，输送距离可达2 0 0 0 m 。 4 整个输送过程完全密闭，不受气候影响，也不污染环境并无噪音。 5 设备简单，结构紧凑，工艺布置灵活，占地面积小。 6 易于实现系统集中控制和自动化。 电耗较高是它的缺点。由于气力输送用于散装水泥输送综合经济效益好，各 国技术人员努力探索该技术的最新发展。我国在“六五”期间引进了美国f u l l e r 的技术并在国内系列化地批量生产，使我国在气力输送技术领域迅速达到国际 水平。在引进技术基础上，国内又开发了如d b 仓式气力输送泵等产品，使气力 输送的电耗指标有了大幅度下降。 气力输送按基本原理可分为两大类： 1 动压输送。主要利用空气的动能进行输送。 2 静压输送。主要利用空气的静压能进行输送。 前者当前应用得比较广泛，且技术比较成熟，后者当前发展得比较迅速， 它可在最大限度上降低输送能耗。气力输送系统主要由压缩空气供气部分( 包括 净化) 、发送装置、输送管道( 包括弯管) 、分路阀及收尘器组成。 压送式高压输送( 悬浮式及流态化式) 在水泥工厂的水泥输送、散装水泥气 卸汽车、气卸火车、散装水泥船、水泥中转站、水泥制品厂均得到广泛应用。 压送式高压输送装置的核心是发送器。目前国内用于散装水泥输送的发送装置 主要有两种型式即富勒型( f u l l e r ) 螺旋输送泵及仓式输送泵。 1 3 灌浆机的发展趋势 随着人类不断地开发海洋资源，海洋平台与同剧增，灌浆机将充分发挥作用， 今后发展的基本方向为： ( 1 ) 向着大型、高效、高速、多品种方向发展，服务领域更加广阔。 ( 2 ) 提高安全可靠性。一方面保证灌浆机机械安全运转，避免发生事故；另 一方面还应保证灌浆机具有较高的使用率，减少停机检修的概率。在传 动、控制系统中采用必要的安全保护措施，对灌浆压力，流量等重要参 数进行实时监控，建立必要的连锁等。 ( 3 ) 广泛采用微电子技术，提高作业自动化程度，改进灌浆机机械性能，提 高作业效率。对单台灌浆机进行全数字控制、遥控等，对多台灌浆机进 错一章绪论 行群控，实现“一控多”的方式。 ( 4 ) 采用模块化结构1 。在分析相近系列产品、规格的基础上，合理地确定 少数的基形，经过通用化零件或部件的组合构成尽量多的不同规格的产 品或派生出新产品，以适应不同用户的需求，以降低成本。 1 4 本文研究内容 灌浆机是重要的海洋施工机电一体化设备，目前国内的海洋工程还没有一套 完整的设计体系，对陆地使用的搅拌系统的照搬，不但影响了工作的效率，也 给整个施工过程带来了安全隐患。 借鉴国外现有的灌浆机技术，在此基础上优化系统结构，改进其计量方式， 使整个灌浆机系统能够更好的适应海洋施工的环境，具体工作内容如下： ( 1 ) 设计层次分明的整体构造形式，按功能把灌浆机分为缓冲、计量和搅拌 等三层结构。 ( 2 )设计水泥传送机构( 水平螺旋传送机和垂直螺旋传送机) ，分析其运动特 性和结构特性，从而确定其输送能力。 ( 3 ) 设计适应于海洋施工的水泥计量系统。在机械结构设计方面充分考虑水 泥的流动特性，水泥不易成拱；在计量控制算法上首先估算螺旋的输送 能力，同时以称重传感器的计量值作为反馈信号，以提高计量精度。 ( 4 ) 设计灌浆机气动回路，在逻辑上配合p l c 进行工作，完成时序流程，同 时为计量等提供辅助功能。 ( 5 ) 设计泥浆输出系统，采用变频调速改变泥浆排量。 ( 6 ) 设计由泥浆输出反馈计量配量的闭环控制系统，大大提高了系统的灵活 性和计量时序的有序性。 ( 7 ) 设计监控程序，进行数据集中管理。 4 第章灌浆帆机械构造设计 2 1 总体构造设计 2 1 1 概述 第二章灌浆机机械构造设计 灌浆机属于海洋施工设备，在机械构造方面要求符合海洋施工环境，整体布 局合理；根据工艺流程，最大可能地利用原料的自重完成相关的流程”。总之， 构造设计的主要任务是： ( 1 ) 控制室和操作室内部布局设计，使操作室各个设备分布层次分明，控制室 环境优雅，适合工作人员逗留。 ( 2 ) 各个原料仓( 罐) 的布局，要考虑原料传送是否方便；根据原料的特性设 计相应的物料传送机构。 ( 3 ) 计量机构的设计。要适应海洋施工环境，计量精度不会受船的晃动等影响， 且与前后流程步调和谐。 ( 4 ) 混炼与搅拌系统的设计，使泥浆主要靠自重流动，与计量系统衔接设计合 理，不影响计量精度。 ( 5 ) 整体构造符合灌浆机工艺流程，符合结构化和模块化设计。 2 1 2 三层构造设计 灌浆机总体结构设计参见图21 ，底座前部分是包括搅拌室和控制室的二层 钢结构房屋，后部是存放水泥的水泥仓，由于灌浆机要在海上作业，需要有一 定容量的储存器，因此水泥仓的体积几乎占了整个设备的一半。搅拌室由上到 下布置下列设备： 水泥缓冲罐，水缓冲罐和添加剂缓冲罐 水泥计量斗，水计量斗和添加剂计量斗 混炼器( 强制搅拌三种配方原料) 搅拌器( 搅拌之后，泥浆泵泵出前泥浆的储存容器) 箱一章滥浆机机械构造设计 图2 - 1 总体构造 三层构造设计主要体现在原料的缓冲、计量和搅拌系统布置在搅拌室的不同 层次。原料的缓冲罐布置在搅拌室外部的顶层，空间宽阔，可以设计容积较大 的缓冲装置，这对于计量是有利的，而且没有配置诸如称重传感器、电机等电 器元件，防护要求等级较低，故裸露在搅拌室外；计量系统布置在搅拌室的二 层，一方面保护称重传感器，使其计量精度不会受外部条件的影响，另一方面 计量系统处于中间位置，方便于物料靠自重流动。计量系统集中在一起，有利 于维护、更换，也方便于模块化的升级，同时在工艺流程方面，不会导致时序 混乱；搅拌系统和泥浆输出系统布置在搅拌室的一层，使灌浆机的整体重心下 移，提高稳定性，同时符合泥浆的流动特性，不需要附加额外动力。 整个构造设计具有以下特点： 设备拆装方便：搅拌室内的设备均可方便拆装，上下两层的设备拆装没有相 互干涉。 结构布局层次分明：缓冲、计量、搅拌三个工序分别在搅拌室三个不同层次 完成。 模块化程度高：输料、缓冲、计量、搅拌、灌浆等各自成系统。 搅拌式构造图如图2 2 第一章灌浆机机械构造设计 1 一水泥缓冲罐2 一水、添加剂缓冲罐 5 一除尘器6 混炼器 2 2 螺旋输送器设计 3 一水、添加剂计量斗4 一水泥计量斗 7 一搅拌器8 一泥浆泵 幽2 - 2 控制室构造图 螺旋输送器( 俗称蛟龙) 是把水泥从水泥仓输送到水泥缓冲罐的传动机构。 水泥是粉末颗粒态，不能采用裸露p p l n 的皮带传输，通常采用的方式有气流带 动传输和螺旋传输，气流带动传输用于大型的连续的水泥传输，需求动力较大。 在灌浆机中采用螺旋传输，传动过程易于控制。”。 筇市灌浆机机械构造设计 2 2 1 螺旋输送器的结构 螺旋输送器按其安装形式可分水平、倾斜和垂直式，结构基本相似垂直 螺旋输送器下面有水平送料器，上部出口处为了避免阻料而装有卸料板螺旋 方向有右旋和左旋，可根据物料所要求的输送方向来定螺旋输送器主要由螺 旋轴1 ，螺旋片2 ，机壳3 ，轴承4 ，端墙板5 ，上盖板6 及卸料板7 等零件组成 ，如图2 3 所示 图2 3 螺旋输送器的结构 1 螺旋轴。螺旋片固定在上面，用轴承支承，作旋转运动。 2 螺旋片。螺旋片是螺旋输送器的主要工件，材料为3 6 岫厚的钢带或钢板 冲压或轧制而成，然后焊或用螺钉固定在螺旋轴上。 3 轴承。螺旋输送器除了承受径向力外还承受轴向力，故轴承应选向心推力轴 承垂直螺旋输送器两端轴承为推力轴承或向心轴承与角接触球轴承的组合支 承。 4 机壳( 输送槽) 。机壳由槽身、两端墙板、上盖板、进料口和出料口组成。 山厚2 - 5 m m 的a 3 钢板制成，有的可用木料，固定的输送槽可用水泥。 2 2 2 水平螺旋输送器设计 2 2 2 1 计算螺旋片直径 输送量与输送器的截面积、输送速度及物料性质、装满程度有关装满程 度与螺旋输送器所处位置有关，水平安装装满程度大于倾斜安装物流截面积 第二节琏浆帆机械枉j 造驶计 按下式计算 a ：生mc 4 式中：a 为螺旋输送器内物料流的截面积；d 为螺旋叶片的直径：西为装满系数 c 为倾斜输送时的修正系数，如表2 一l 所示。 表2 1 ； in ( o ) o5l ol 52 0 3 0 4 05 06 0 i clo 9 5o9 20 9 0o8 60 8 00 7 4o 7o 6 j 口角与修正系数c 的关系 输送速度用下式计算： f ” 6 0 式中：v 为物料轴向送速度；t 为螺旋叶片的螺距；n 为螺旋轴的转速 输送量q 按下式计算： 式中，为物料容重 由公式( 2 - - 3 ) 有 相关参数如表2 - 2 。 表22 ： q = 3 6 0 0 a v 7 o = 4 7 d2 驴f - c - n y d 跞q ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) t c ， q n5 501 7 4 m 7 5 r m i n 1 0 3 2 2 t m 31 5 t h 9 笫二带灌浆机制l 槭构造设计 得到do ，3 6 4 m 2 ，2 2 2 确定极限转速 螺旋轴的转速是根据其输送量、螺旋直径和被输送物料的特征来确定的 其目的是输送时物料不被抛起而影响输送量，极限转速按下式确定： 5 方 式中毒为物料综合特性系数，本文中水泥粉善= 6 0 ；计算得到= 9 9 r m i n 2 2 2 3 功率计算 功率。按下式计算： 0 ：兰( 蜀+ 1 t ) j o ， ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中：k ，为输送物的阻力系数，与物料性质有关；i 。为输送器的长度；h 为倾 斜安置高度。 所需电动机功率为 ：盟k ， 町 式中卵为传动装置总效率：k ：为功率储备系数 相关参数如表23 。 表2 3 ( 2 7 ) i q k lk 2叩 hl i1 5 t h5 ol _ 40 8 80 m68 m 得到n = 2 1 4 k w 选择电动机( 2 2 k w ：7 5 0 r m i l 3 ) 2 2 3 立式螺旋输送器设计 2 2 3 1 工作原理 章瀚浆帆舸【械构造设计 当螺旋叶片以角速度甜旋转时，位于距轴心为r 展丌的斜面上，质量为n l 的 物料颗粒受到的离心力e 为 f = m r 甜2 ( 28 ) 在离心力的作用下，紧靠外壳的物料颗粒产生了较大的摩擦力，其分力大于颗 粒与螺旋叶片表面的摩擦力及物料重力分力之和时，物料就被螺叶推动向上输 送 当螺叶旋转时其上颗粒的圆周速度为v ，它所产生的摩擦力为f ，颗粒沿斜面 向上运动速度为v 。，它所产生的摩擦力为吒这时颗粒将以v 。= v + v 0 的速度相 对于机壳内壁向上运动，而v 。，所产生的摩擦力为f = 只+ e 。v 。与水平方向的 夹角为卢，螺旋角为口。，垂直拉升速度为v ，。这时颗粒质量m 就受到重力g 和力f 的合力r 的作用，如图2 5 所示 r 是作用于颗粒的外力，它取决于力f 的大小和方向，也即耿决于圆周速度v 所产生的离心力。它是物料上升的必要条件，而离心力与转速n 有关。 、 、 2 2 3 2 转速i 1 的计算 图2 5 物料在螺旋片上的受力分析 石f = 司万s i n 乏( a + 硼q o )= 磊s i 两n ( a 万+ o 两) ( z 吲 石2 司万乏硼。磊两万两 叫 抬一章滞浆机肘l 械构造设汁 f = u f o g = m g 竺! 兰：! ：t a n ( 2 1 0 ) 9 0 0 。 将( 2 - - l o ) ( 2 1 1 ) 式代入( 2 - - 9 ) 式得 ”= 詈忘磊瑚忘磊( 2 - - 1 2 ) 式中：g 为重力加速度；莎为物料与叶片( 钢、铁) 间的摩擦角。 为保证螺旋输送器能正常工作，即有较大的离心力，实际转速”。为 ”p = k n 式2 - 1 3 中：k 为速度系数。 几个需要确定的参数： 转半径r 的确定 ，= 如再) ( 2 1 4 ) 式中r 为输送器外壳半径。 2 ) 确定螺旋角1 2 垂直安装时a = 1 5 。，输送效率最高。 3 ) 确定角 当口= 1 5 。时，角与摩擦角妒及效率叩如图2 - 5 所示，对于某物料，根据可 从图中找到最高效率时的口角。 讹市灌浆) 3l j j l 械 勾造设计 0 4 0 o 3 0 ，0 2 0 0 1 0 0 幽2 - 5 物料玎与卢的曲线关系 表2 4 ： l 一+ p - - 5 1 2 中2 1 0 ；3 争= 1 5 j ，2 如+ f 5 。争。2 5 ；6 ，- - 3 0 7 。3 5 1 8 p t 4 0 f 9 - 9 4 5 + + ； 船掌= 5 0 矿 甜 8 门p 3 0 。1 5 。2 5 。1 2 6 8 m m1 5 9 5 r m i n2 0 0 r m i n 2 2 3 3 计算输送量q 立式螺旋输送器的生产量按下式计算 q = 3 6 0 0 a ：y 庐 ( 2 1 5 ) 式中：a 为螺旋输送器的截面积：y 为输送物容量；v ：为物料平均提升速度。 v ：= v 。s i n v s i n as i n 口 号一s i n 1 8 0 。硼2 翮s i n ( o r + p v q + 硎 ) 由式( 2 1 6 ) ( 21 7 ) 得 ( 2 一1 6 ) s i n 口 肋rs i n 口s i n 卢 匕刮翮伽肛丽葫 妲叫8 将爿= 碰和式( 2 - - 1 8 ) 代入( 2 - 1 5 ) 得 1 3 第一带灌浆射l k j l 械构造设汁 q = 堑紫s i l l i a +j 得到q = 5 8 8 t h 2 2 3 4 计算所需功率 立式螺旋输送器所需功率按下式计算 n ：旦旦 “3 6 7 q o 式中：为输送效率，一般取0 40 5 电机功率下式计算： ：丛 玎 式中k 为功率储备系数，取1 2 - 1 4 得到n = 1 0 4 k w 选择电动机( 1 l k w1 0 0 0 r m i n ) 2 2 3 5 减速装置中皮带轮设计 1 普通v 带型号及带轮基准直径 由机械殴计确定 表2 5 ： ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) k 。最办，d 口2 a 型 1 7 7 k w1 0 0 m m 5 0 0 m m 2 带速 v ：型必：5 2 3 m j 6 0 x 1 0 0 0 3 中心距，带长及包角 ( 2 2 2 ) 0 7 ( d d + d a 2 ) 2 ( d d l 十九2 ) ( 2 2 3 ) 初步估计a 。2 6 0 0 m m 第一章灌浆机机械构造设计 初步计算带的基准长度 岛选l d - - 2 2 4 0 n 1 i i l 计算实际中心距 验算小带轮包角 口l = 1 8 0 。 l ：2 a o + 2 ( d d m 2 ) + 竽= z 。+ 詈( 1 。+ s 。) + ( 5 0 。0 。- - 。1 。0 。0 ) 2 j = z z 。s a 州，”c z z a ， d “。+ l d - 2l 丝= 6 0 07 一2 2 4 0 - j i 2 2 0 8 6 = 6 1 6 5 6 ，”，”( 2 - - 2 5 ) d d 2 一d a i 4 带的根数 表26 5 73 。：1 8 0 。一5 0 0 - 1 0 0 5 7 3 。：1 4 2 8 。 6 1 7 赴赢 鼻 p k 。j | ( 0 9 7 k wo 1 k w o 8 9 1 0 6 计算得z = 3 5 张紧力及作用在轴上的载荷 r - s o 。叭p c ( 巧2 5 一- 堋2 ：5 0 0 型f 堕1 1 + o l 5 2 3 z 7 3 9 n 5 2 3 3l 0 8 9j = 2 即n 堕2 = 2 x 3 x7 3 9 xs i n 半= 4 2 0 ( 2 - - 2 7 ) 1 5 第一章灌浆机机械构造设计 6 带轮结构及尺_ j 表2 7 属性 毒瓤 材料结构西b f b p 吃 h ， 大带轮 h t 2 0 0轮辐式3 8 。5 0 m m1 5 m m1 0 m ml l m m2 7 5 m m8 7 m m 小带轮铸铝实心式3 4 。5 0 m m1 5 m m1 0 m m 1 1 m m 2 7 5 m m8 7 m m 2 3 搅拌器设计 2 3 1 搅拌理论 搅拌是一种广泛应用的单元操作，它的复杂性正在于它的原理要涉及流体力 学、传热、传质及化学反应等多种过程。从本质上讲搅拌过程就是在流动场中 进行单一的动量传递或者是包括动量、热量、质量传递及化学反应的过程，而 搅拌器就是通过使搅拌介质获得适宜的流动场而向其输入机械能量的装置。因 此流动场问题和搅拌能量问题一直是搅拌过程所研究的主要课题。 搅拌过程既然有赖于搅拌器的币常运转，当然搅拌器的结构、强度也是不容 忽视的问题。由于搅拌操作的多种多样，也使搅拌器存在着许多型式。各种搅 拌器在配合各种可控制流动状态的附件后，更能使流动状态以及供给能量的情 况出现多种变化，更有利于强化不同的搅拌过程。典型的搅拌器型式有桨式、 涡轮式、推进式、布鲁马金式、齿片式、锚式、框式、螺带式、螺杆式等( 图2 7 ) 。 坐汰如如班 禁式 搿叶开稆涡轮贰衍峙弦宕涡轮式推进式市衢马垒式 出当幽澎勒 齿片式辑艳试锚斌雠式 螺带贰 图26 典型的搅拌器 1 6 壤一 第二审：灌浆机机械构造世计 搅拌器的功能概括地说就是提供搅拌过程所需要的能量和适宜的流动状以 达到搅拌过程的目的。 搅拌器的搅拌作用由运动着的叶轮所产生，因此，叶轮的形状、尺寸、数 量以及转速就影响搅拌器的功能。同时搅拌器的功能还与搅拌介质的物性以及 搅拌器的工作环境有关。搅拌介质的物性的影响已如上文所述。另外，搅拌罐 的形状、尺寸、挡板的设置情况、物料在罐中的进出方式都属于工作环境的范 畴，这些条件以及搅拌器在罐内的安装位置及方式都会影响搅拌器的功能。 2 3 2 搅拌容器设计 罐中液体的循环流动是达到物料混合所必不可少的流动状态，而湍流扩散、 剪切流又是某些搅拌过程快速进行达到搅拌目的所需要的。虽然某种合适的流 动状态也要靠搅拌罐及其他附件来共同造成，但是叶轮的形状与运转情况仍可 以说是决定罐内流动状态的最基本的因素。 各种搅拌叶轮形状按搅拌器的运动方向与叶轮表面的角度可分为三类，即 平叶、折叶和螺旋面叶。桨式、涡轮式、锚式、框式等的叶轮都是平叶或折叶， 而推进式、螺杆式、螺带式的叶轮则为螺旋面叶。 为了区分叶轮排液的流向特点，根据主要排液方向将典型叶轮分成径流型和 轴流型两种。平叶的桨式、涡轮式是径流型，螺旋面叶片的螺杆式、推进式是 轴流型。折叶桨则居于两者之间，一般认为它更接近于轴流型。不过这种分法 是近似的，是以主要流向来分的。 本文所搅拌的水泥浆含水率为0 7 0 7 5 ，水固比0 8 。1 2 ，崮相密度为 2 6 2 8 9 c m3 ，水泥浆密度为1 3 8 4 “1 5 0 4g c m 3 ，粘度为0 0 3 0 0 6 p a s 由于径向流涡轮旋转起来把液体从轴方向吸人而向与轴垂直的方向( 径向) 排出。这种叶轮功率消耗大，剪切力强，又具有排出能力。因此它适用于既要 有强的剪切，又要有一定循环流量的场合，在固一液体系则用于把干的和湿的 滤饼再捣碎成浆状以及使固体一面破碎一面溶解，很适合于本设计中的水泥浆 的搅拌。涡轮式叶轮的叶径与罐径之比通常为0 2 5 0 5 ，转速为5 0 。3 0 0 r m i n ， 适应的最高黏度为3 0 p a s 左右。选择折叶式三叶开启涡轮式叶片，折角为4 5 。 搅拌罐按照g b 9 8 4 5 1 9 8 8 钢制搅拌容器形式及主要参数的搅拌罐系列选 择：椭圆形底，平盖 基本尺寸：容量2 方，椭圆长径3 4 0 0 m m ，短径1 6 0 0 m m ，高7 5 0 t m 。 2 3 3 搅拌功率计算 第一章程浆机机械构造世汁 1 ) 原理概述 搅拌功率准数。是搅拌设备最基本的特性参数之一。搅拌功率按下式计 算： p = n p p n 3 d 5 ( 2 - 2 8 ) 由于密度p ，转速n 和叶轮直径d 三个参数很易求得，故计算搅拌功率的关 键是求出功率准数，。影响搅拌功率p 的主要因素有以下四种。 ( 1 ) 有关搅拌叶轮的因素，如叶轮直径d 、叶宽b 、叶片倾斜角0 、转速n 、单 个叶轮上的叶片数n 。，和叶轮离罐底高度c 等。 ( 2 ) 有关搅拌罐的因素，如罐形、罐径d 、液深h 、挡板数、挡板宽。 ( 3 ) 有关被搅液体的因素，如液体的密度p 、黏度。 ( 4 ) 重力加速度g 。 帖嘉= 可譬 9 侣，筹h 如- - = 觑。口厂( 吾，五b ，_ ，h ”) z 。， 式中，功率准数；f 一弗劳德数；k 一方程式系方程式参数 p ，q 一方程式参数。 对于一定的搅拌叶轮，2 2 9 式可写成 2 ) 算图法计算。 表2 - 8 j v ，= 丽p 万= k ( r 。) 9 ( c y ( 2 - 3 0 ) 、 参量 盘 d d b d 目挡板 bachnbuob 算图中几何尺寸 1 50 22 4 。无 本设计中的几何尺寸 1 3 30 0 94 5 。无 第一争灌浆帆机械构造设汁 对于参数的差别后文进行修正 由b ac hn_buob 算图，图28 所示 本设计参量如表2 - 9 。 表2 9 r e 图2 - 8 bac“n七u0b 算图 【n d p b臼d 0 4 1 r s 2 1 3 m1 4 x 1 0 3k g m 3 o 1 5 m4 5 。1 6 0 3 m0 0 s p a + s n 搅拌器的转数；d 一搅拌器的直径：p 流体的密度；b 叶片 宽度；p 叶片折角；只。流体搅拌雷诺数，是搅拌罐内液体流动状态的 一种量度；“流体的粘度 月，d2 n p ：堕! 塑! ! ：! ! ! ! ：2 9 4 x 1 0 4( 2 吲) 2 “005 由ba chn ，buob 算图，可查得。= o 4 3 再由( 23 1 ) 式 p = n 。d = 0 4 3 x l a x l 0 3 0 4 1 3x 1 6 5 = 0 , 4 4 k w 3 ) 搅拌功率的修正 桨叶角度的修正 桨叶倾斜角度0 多为4 5 。，也有的用6 0 。前苏联的3 片折叶开启涡轮还采 用目：2 4 。一般来说当桨叶角度0 变小时，功率也相应降低。严格地说，这也与 月。的大小有关。当月。小时，o 虽变化但功率变化并不明显，而当r 。变大，口变 第一二幸灌浆帆机械丰 j 造设汁 化则功率变化较明显。在湍流区n 。c ( s i n o ) 2 因此 粤：粤嵝：斛_ 0 5 1 5 ( 2 r 3 2 ) ；一( s i n 0 叮一( s i n 4 5 。) 2 一 “ 将，代入式( 2 3 2 ) 可求得：= o 8 3 5 再将i 代入式( 2 - 3 1 ) 可求得p ，_ 0 8 5 4 k w p 7 角度修正后的功率；! 角度修证后的功率准数 叶轮层数及间距的修正 当液层过高，即使是低黏度液体，也要考虑设置多层叶轮。一般在液层深 度大于罐径的1 2 5 倍时，则应使用多层叶轮。各层叶轮之间的距离应为1 0 1 5 倍桨径。如相距太远，各叶轮的作用场之问可能有未受到搅拌作用的区域； 如相距太近，则来自相邻两层叶轮的液流可能速度相近也混合不好。 对于开启涡轮，b a t e s 的文章提到三种桨型的试验，即双层平直叶、单层平 直叶和单层折叶以及双层折叶。试验的b d = l 8 ，口= 4 5 0 ，试验得到图2 - 9 。 图中横坐标为层间距比l d ，纵坐标为只只，其中只为双层桨叶时的功率，只 为单层平直叶时的功率。由图可见当层间距l d = 1 5 以上时，双层平直叶的功 率增大约l 倍，平直叶和折叶相组合的功率增大约5 0 ，而双层折叶的功率增 大到接近于单层平直叶时的功率。 本设计中的具体参数如表2 一1 0 ： 表2 一l o l l d 只e 只= p 7 p 1 = p i 3 0 0 r a m0 1 8 4 m m1 20 8 5 4 k w l _ 0 2 5 k w l 叶轮间距；p ”叶轮层数和间距修正后的功率 笫一章灌浆帆机械构造设计 厂。 1 7 2 ， 3 j ， 声7 图2 - 9 开扁_ ；呙轮的层间距对功率的影响 卜双层平直叶开启涡轮2 折叶开启涡轮3 一双层折叶开启涡轮 4 ) 电机功率的确定 只：竺堡 印 ( 2 3 3 ) 式中e 电机功率：只，轴密封的功率损失；卵传动系统的效率。 叮= 叩? 叩2 = 0 , 9 9 2 0 9 3 = 0 9 1 叩- 轴承的效率；叩z 减速器的效率 由式( 2 - 3 2 ) 可求得e o = 1 2 4 k w 2 3 4 折叶桨式强度计算 折叶桨的倾斜角度为4 5 。或6 0 。，其危险截面仍然是叶片根部的i i 断面。 折叶断面的主惯性轴都不与搅拌轴线相平行，作用在折叶桨表面上的液体阻力 在折叶片根部断面i i 对主惯性轴z x 所产生的弯矩为： m = _ 9 5 4 5 百p a 丽1 z 叶片数量 ( 2 3 4 ) 第二章灌浆机机械构造设计 由式( 2 - 3 4 ) 有 m x _ 。- 器- 9 2 2 5 i i 断面的抗弯断面模量为： ：堡：塑! 堡：2 5 0 0 m m = | 66 l i 断面的弯曲应力 i i = 万m = 丽9 2 2 5 = 。0 3 6 9 m p 应力满足校核公式：6 弯纠 强度足够 2 3 5 搅拌轴强度计算 1 ) 搅拌轴载荷分析 通常，搅拌轴上受到力( 轴向拉力或压力) 和力矩( 扭矩和弯矩) 的作用。以下 分析这些力和力矩的由来和性质，及其在轴中产生 的应力。 搅拌器在流体中旋转将克服流体阻力而做功，其功 率由传递动力的传动装置提供。因此在一般情况下， 个具有均布叶片并完全浸没于流体之中的搅拌 器，其每个叶片上将受到垂直于叶片表面的流体阻 力作用。这个阻力可用“流体作用力”f 表示，如图 卜4 所示。此处，f 为假设作用于叶片上沿搅拌器径 向某一位置( 如图中“a ”处) 代表流体阻力的当量集 中力。其中f 力的轴向分力为c 切向分力为f 。 幽2 1 0 叶片上的流体作用力及其分解图 作用在每组叶片上的轴向力e 应完全相等，切向力f 应大小相等、方向相 反。完全相等的各流体作用力将对轴产生一个不变的合力矩( f 合力矩) 和作用 于轴心不变的合力( c 合力) 。亦即在理想情况下，搅拌轴上仅受不变的扭矩和 轴力的作用。实际上，在运转中作用在各个叶片上的流体作用力不可能绝对相 等，更何况存在着如搅拌器处于不对称形状的容器之中、容器内件的不均匀分 布、叶轮的偏心安装、过近的叶轮离流体界面的距离以及流体在流动中质量的 非均性、进出物流引起流体波动等诸多造成流体作用力变化的复杂因素，致 使每个叶片厂的流体作用力不但不是彼此对称和相等，而