（机械制造及其自动化专业论文）螺旋卸料过滤离心机的理论研究与仿真分析.pdf

摘要 离心机广泛用于化工、食品、制药及采矿等工业部门，它是各个领域广泛应 用的、理想的固液分离设备之一。离心机的结构、品种及其应用等方面发展迅速， 但理论研究落后于实践却是个长期存在的问题。近年来虽然螺旋卸料过滤离心机 开始得到应用，但该机在国内使用尚不广泛，对物料的适应性经验不足，可借鉴 的工业实例较少。而且目前人们对这种离心机的理论研究还很不够，不能为工业 实践提供具体的理论指导。 本文对现有的离心分离理论进行了分析研究，推算出了符合螺旋卸料过滤离 心机固液分离理论的相关公式，这些公式是后续设计与分析的理论基础。对离心 机中产生差速运动功能的差速器进行了系统的理论分析与设计，利用三维设计分 析软件p r o e 对差速器的重要工作部件一齿轮进行了参数化设计，并用p r o e m e c h a n i s m 模块对此差速器进行运动仿真分析，从而检验差速器设计的合理 性与正确性，为差速器提供了一个参数化设计与仿真分析方法。 用有限元分析软件a n s y s 对离心机中的重要工作部件一转鼓与螺旋输送 器进行了仿真分析，分析其在不同的工作情况下的应力强度与刚度情况，检验其 是否满足工作要求。对螺旋输送器进行了模态分析，计算其固有频率与振型，校 核输送器的临界转速。经过仿真计算，螺旋输送器的工作频率远小于谐振频率， 是安全的。 本文还通过调整转鼓、螺旋输送器的重要工作参数和几何结构参数( 如工作 转速、转鼓壁厚、螺旋叶片厚度) ，研究了各个参数的变化对转鼓、螺旋输送器 的强度和变形的影响，为结构优化设计奠定了基础，并制定了相关设计准则。 关键词：离心机，固液分离，参数化，仿真，有限元分析 a b s t r a c t c e n t r i f u g e sa r el a r g e l yu s e di nt h ei n d u s t r yd e p a r t m e n t so fc h e m i c a li n d u s t r y , f o o d s t u f f , p h a r m a c ya n dm i n i n g ，i t so n co ft h es o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o ne q u i p m e n t s ， w h i c hi st h el a r g e l ya p p l i e da n di d e a le q u i p m e n t t h es t r u c t u r e ，v a r i e t y , a n d a p p l i c a t i o no fc 础f i l g ea r ed e v e l o p e dr a p i d l y , b u tt h ef a c tt h et h e o r yr e s e a r c hi sl e f t b e h i n dt h ep r a c t i c ei sal o n ge x i s t e dp r o b l e m a l t h o u g ht h es c r o l ld i s c h a r g es c r p 鹭n c e n t r i f u g ei sa p p l i e da tp r e s e n t , t h i sk i n do f 蛳c h i n ei sn o tl a r g e l yu s e da th o m e , a n d l a c ko fa d a p t a b i l i t yp r a c t i c eo np r o c e s s e dm a t e r i a l ，t h ei n d u s t r ye a s c su s e df o r r e f e r e n c ei s5 0l e s s a n dm o r e , t h et h e o r yr e s e a r c h0 nt h i sk i n do f 钾n 砸f l 培ei sn o t e n o u g h , i t c a nn o tp r o v i d eg u i d a n c ef o ri n d u s t r yp r a c t i c e t h i sp a p e rm a k e ss t u d ya n dr e s e a r c h0 1 1t h e p r e s e n tt h e o r yo fc e n t r i f u g e s e p a r a t i o n , a n dd e d u c e st h er e l a t i v ef o r m u l a so ft h e o r yo fs o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o n , w h i c ha r ef i tf o rs c r o l ld i s c h a r g es c r e e nc e n t r i f u g e ，a n dt h ef o r m u l a si st h eb a s eo f s e q u e n c e dd e s i g na n da n a l y s i s m a k e ss y s t e m a t i ca n a l y s i sa n dd e s i g no nd i f f e r e n t i a l ， w h i c hp r o v i d e sd i f f e r e n to u t - l e ts p e e d s ，a n dm a k e sp a r a m e t e rd e s i g no ng e a r s ，t h e m o ai m p o r t a n tp a r t so fd i f f e r e n t i a l ，b yt h eu t i l i z a t i o no f3 ds o f t w a r ep m ，e ，a n d s i m u l t a n e o u s l y , t h em o t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i si sm a d eb yt h em o d u l em e c h a n i s m o fp r o e ，t h u s ，t h ed e s i g nr a t i o n a l i t ya n dv a l i d i t yo fd i f f e r e n t i a lc a nb ec h e c k e du p ， a n dp r o v i d eap a r a m e t e rd e s i g na n dm o t i o ns i m u l a t i o nm e t h o df o rd i f f e r e n t i a l m a k e ss i m u l a t i o na n a l y s i so nd r u ma n ds c r e wc o n v e y e r , w h i c ha r et h ei m p o r t a n t p a r to ft h ec e n t r i f u g e ，b yt h eu t i l i z a t i o no ff e a s o f t w a r ea n s y s ，t h e n , t os t u d yt h e s t r e s sa n ds t i f f n e s ss i t u a t i o ni i ld i f f e r e n tk i n d so fw o r k i n gc o n d i t i o n , a n dt oc h e c k 叩 w h e t h e rt h e ya r cs a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n t so rn o t m a k e sm o d a la n a l y s i so ns c r e w c o n v e y e r , a n dc a l c u l a t e si t s n a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d e ，a n dc h e c ku p c r i t i c a ls p e e d a f t e rs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，t h ew o r k i n gf r e q u e n c yo fs c r e wc o n v e y e r i sm u c hl o w e rt h a nt h en a t u r a lf r e q u e n c y , s oi t ss a f ef o rt h ec e n t r i f u g e t h i sp a p e rm a k e sr e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fs o m ei m p o r t a n tw o r k i n ga n d g e o m e t r yp a r a m e t e r s ，s u c ha sr o t a t i o ns p e e d ，t h et h i c ko f d r u ma n ds c r e wb l a d e ，w h e n t h e y a r ec h a n g e d ，o nd r u ma n ds c r e wc o n v e y e r ss t r e s sa n dd e f o r m a t i o n , a n d e s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o no fo p t i m i z a t i o ns t r u c t u r ed e s i g n , a n de s t a b l i s hs o m e r e l a t i v ed e s i n i n gl a w s k e yw o r d s ：c e n t r i f u g e ；s o l i d l i q u i ds e p a r a t i o n ；p a r a m e t e r i z a t i o n ；s i m u l a t i o n ； f i i l i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) n 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所星交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它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 研究生签名：撒日期业f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 印；学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文 ( 保密的论文在船密后应遵守此规定) 研究生签名：墅主堑导师签研究生签名：j i 2 童篷导师签名鍪蠛文哆名乞日期! 塑j ：兰“ 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于湖北省重点科技攻关项目中药离心式连续逆流提取机。本 课题的任务是对中药连续逆流提取固液分离技术及其设备( 螺旋卸料过滤离心 机) 进行研究，分析螺旋输送器的连续输送性能，以及其在正常工况下螺旋输送 器、转鼓能否满足强度与变形要求，并提供一个设计分析方法。 1 2 课题研究的目的、意义 离心机广泛用于化工、石油化工、石油炼制、轻工、医药、食品、纺织、冶 金、煤炭、选矿、船舶、军工等各个领域，它是各个领域广泛应用的、理想的固 液分离设备之一。离心机高效、可靠的性能是产品质量、产量、回收率的有效保 证，同时离心机的合理设计和操作维护是保证离心机高效运行的关键。随着现代 工业文明的发展和人类对环境以及可持续发展战略的重视，离心机必将会有更广 阔的发展前景。根据到2 0 2 0 年基础产业的发展趋势和市场预测，在分离机械行 业应以下面7 种机械作为产品发展方向：大型带式压滤机，大型压力离心机， 大型螺旋卸料离心机，大型淀粉分离机，大型淀粉分离机，大型船用油 分离机，大型隔膜压榨厢式压滤机1 4 1 。 目前，离心机的结构、品种及其应用等方面发展迅速，但理论研究落后于实 践却是个长期存在的问题。目前在理论研究方面所获得的知识，主要还是用来说 明试验的结果，而在预测机器的性能、选型以及设计计算，往往仍要凭借经验或 试验。造成这种现象的主要原因是由于离心分离过程的多样性和复杂性，例如悬 浮液的物理性能和浓度非常容易变化，沉降速度、渗透率、孔隙率以及若干其它 参变数，都随着悬浮液性质的改变而变化。特别是由于固体颗粒的大小、形状和 运动的杂乱状态所带来的数学问题，在目前尚无法解决，给研究这一过程的理论 带来了很大的困难。其次，要能真正了解液体与固体颗粒在离心力场中运动的真 相，而又不干扰或破坏这些运动，就需要用科学的观察与测试手段，也许正是因 为这种缘故，使离心分离理论的研究受到了一定的影响1 1 】。我国对离心机的研制 开发起步较晚，落后于欧美一些发达国家。虽然从最初的测绘、仿制到今天一些 新机型国产化的实现，但仍不能研制生产出高技术参数、系列化、自动化的高性 能离心机。 在离心机领域，螺旋卸料离心机发展尤为迅速。从发表的文章来看，人们对 螺旋卸料沉降离心机的研究较为深入全面，成功的案例较多，此类型离心机发展 武汉理工大学硕士学位论文 相对成熟【s 】【9 】【1 0 1 1 ，但是对螺旋卸料过滤离心机的理论研究相对少一些。由于螺 旋卸料过滤离心机的特点，如体积小、产量大、脱水效率高、对固液相的密度、 悬浮液的浓度等不敏感，可分离较粘物料等一些特点，开始得到重视，现用于化 工、食品、制药及采矿等工业部门中的固液分离。近年来虽然螺旋卸料过滤离心 机开始得到应用，但该机在国内使用尚不广泛，对物料的适应性经验不足，可借 鉴的工业实例较少1 4 】。而且目前人们对这种离心机的理论研究还很不够，不能为 工业实践提供具体的理论指导。 现在需要解决的是在现有离心分离理论的基础上，对螺旋卸料离心过滤的固 液分离理论进行深入仔细和全面的研究，建立相对完善的固液分离理论，为螺旋 卸料过滤离心机设计奠定理论基础，对于该型离心机的设计有着决定性的作用。 同时利用现代化的设计与分析方法，如大型通用有限元分析软件( a n s y s ) 与 三维设计仿真软件( p r o e ) 对离心机进行虚拟设计与仿真分析，为螺旋卸料过 滤离心机的最优化设计和产品系列化设计提供一个有效设计与分析方法。 本课题研究具有一定实用价值与社会价值。 1 3 离心机的应用及发展 离心分离是利用离心力对液一固、液一液一固、液一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。离心机和 其他分离机械相比，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，并具有连续运转、自动控制、操作安全可 靠和占地面积小等优点i l j 。因此自1 8 3 6 年第一台工业用三足式离心机在德国问 世，迄今一百多年以来已获得很大的发展。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 8 世纪产业革命后，随着纺织工业的 迅速发展，1 8 3 6 年出现了棉布脱水机。1 8 7 7 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2 0 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【2 】，以便使重油当作燃料油使用。5 0 年代 研制成功了自动排渣的碟式活塞排渣分离机，到6 0 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。现在离心机已广泛用于化工、石油化工、轻工、医药、食品、纺织、冶金、 煤炭、选矿、军工、船舶等各个领域。离心机的结构、品种及其应用等方面发展 武汉理工大学硕士学位论文 很为迅速，但从目前来看，理论研究落后于实践是个长期存在的问题。目前在理 论方面所获得的知识，主要还是用来说明试验结果，而在预测机器性能、选型以 及设计计算要凭借经验和试验i l j 。 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。按分离原理可分为过滤式离心机和沉降式离心机两大类。 离心机在制药工业中的应用也很广泛。应用于制药的有三足式卸料离心机、 卧式刮刀卸料离心机、螺旋卸料沉降离心机、卧式螺旋卸料过滤离心机等一系列 离心机，其中以螺旋卸料沉降离心机发展最为迅速，理论基础比较成熟，其产品 也较为成熟，它有能连续操作、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、能长期运转等特点。但其对加工物料有一定的要求， 即要求悬浮液中的固液相密度差较大，而且固相浓度有一定的限制，一般不能高 于5 0 6 0 ，限制了该离心机的使用范围。为满足不同种类的物料提取，和 扩大离心机对悬浮液的提取范围，螺旋卸料过滤离心机在近几年开始得到应用。 在国内生产的卧式螺旋卸料过滤离心机一般都可以对悬浮液中固相浓度范围为 1 0 8 0 的物料进行洗涤、脱水和卸料p 】，而且对固液两相密度不敏感。虽然 螺旋卸料过滤离心机开始得到应用，但该机在国内使用尚不广泛，对物料的适应 性经验不足，可借鉴的工业实例较少。国内生产螺旋卸料过滤离心机的厂商一般 分布在江浙一带，一般为中小型企业。从众多厂家提供的有关该离心机的结构图 片和工作性能参数可以看出，大多数企业采用国外或国内先进技术和设计经验来 制造该过滤离心机，产品性能、参数相近，创新性的地方不多。 国外在离心机的制造和研究方面走在我国的前面，尤其式西欧发达国家。比 如较早进入中国市场的瑞典的阿法拉伐( a l f al a v a l ) 、德国维斯伐利亚 ( w e s f f a l i a ) 、福乐伟( f l o t t w e g ) 、洪堡( h u m b o l d t ) ，意大利的贝亚雷斯( p i e r a l i s i ) 、 日本巴工业公司等，他们的产品在我国的离心机市场占有很大的份额。由于他们 起步较早，他们在离心机设计制造方面依托相对完善的离心理论，利用有先进的 制造技术和生产工艺、材料选型、加工设备来制造出离心分离设备，固其产品性 能从全局上来说是优于我国生产的离心机的。我国离心机产业起步较晚，其生产 和研究一般是于国外研究机构合作，借鉴他们的先进的理论和技术，取得了很大 的进展。已经有部分厂家、在某些技术、性能方面，已经达到了国际先进水平， 在某些专项技术上甚至已经超过了部分国外品牌的离心机。但从我国离心机制造 业整体来看，不可否认的是，我国离心机制造行业的整体水平与国外的离心机制 造、新技术研发、尤其在整机可靠性、稳定性、使用寿命、装配精度、操作的灵 活性、人性化、以及某些新技术的应用( 主要是新概念的应用) 等方面还存在一 定的差距。建议国内离心机制造商和研究机构能从多方面考虑进行设计、改进， 武汉理工大学硕士学位论文 使我国的螺旋离心机新技术应用、生产技术等方面得到进一步提高【4 】。 总的来看，我国在离心机方面已经取得了较大的进步，其产品已经系列化、 标准化。但从国内发表的论文和网上有关资料来看，离心机设备中对螺旋卸料沉 降离心机的理论和设计进行了较为细致全面的研究，而对螺旋卸料过滤离心机的 固液分离理论的研究相对较少【5 】【6 】【7 1 。近年来虽然螺旋卸料过滤离心机开始得到 应用，但该机在国内使用尚不广泛，对物料的适应性经验不足，可借鉴的工业实 例较少。而且目前人们对这种离心机的理论研究还很不够，不能为工业实践提供 具体的理论指导。现在需要解决的是对螺旋卸料离心过滤的固液分离理论进行深 入仔细和全面的研究，建立相对完善的固液分离理论，为螺旋卸料过滤离心机设 计奠定理论基础，其对该型离心机的设计有着决定性的作用。同时利用现代化的 设计与分析方法对离心机进行虚拟设计与仿真分析，为螺旋卸料过滤离心机的最 优化设计和产品系列化设计提供一个有效设计与分析方法。 1 4 螺旋卸料过滤离心机的工作原理 课题所研究的离心式连续逆流提取机结合了渗漉式和浸渍式的混合方式，并 且采用了先进的逆流提取方式的提取设备。离心式连续逆流提取机具有浓度梯度 良好、提取效率高、设备自动化程度高、体积紧凑小、无需药渣脱水设备、适应 多种药材形状等特点，可实现连续高效提取中药材有效成份。 原理如下：如图1 2 ，经预处理的药材由进料口3 进入提取器，药材在螺旋 推进器的推动下一边作旋转运动，一边沿提取筒体4 由低向高端移动。新鲜溶媒 从螺旋推进器的末端溶媒入口6 连续注入，然后流向出液口，这样形成固体药材 原料和溶媒同时在浸取器中连续地逆向接触，溶剂和药材始终都有一个较好的浓 度梯度，这样达到高效浸渍逆流提取目的。从螺旋推进器末端排出的药材还含有 一定量的药物有效成分，需对其进行高速、高效提取。此时，药材再次与从溶媒 入口末端进入的少量的溶媒混合，进入离心分离段( 螺旋卸料过滤离心机) ，进 行离心过滤分离，分离后的溶剂再次进入提取滚筒4 ，进行逆流提取。 4 ，差速器2 壳戆燃霉零誉墓言6 滤渣 t 蓑速鼍舔精搿繇猫口 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 论文研究的方法 许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁 场分析、振动特性分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，都 可归结为在给定边界条件下求解其控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题， 但能用解析方法求出精确解的只有方程性质比较简单，且几何边界相当规则的少 数问题。对于大多数的工程技术问题，出于物体的几何形状较复杂或者问题的某 些特征是非线性的，则很少有解析解。因此，人们在广泛吸收现代数学、力学理 论的基础上，借助于现代科学技术的产物一计算机来获得满足工程要求的数值 解，这就是数值模拟技术，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力 之一。 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离 散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元 法。有限单元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠 节点连接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。 由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间方程式，然后将 各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程 组求解。单元划分越细，计算结果就越精确。 有限单元法从开始发展到现在，有限单元法的应用己由弹性力学平面问题扩 展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动 问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固 体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域【。 本文在现有的离心机理论研究的基础上，结合中药药液提取的相关要求，对 固液分离理论进行分析研究，推导出一系列的离心分离理论公式。依据此理论公 式指导螺旋卸料过滤离心机的设计并优化。利用现有的三维设计软件p r o e 工作 平台对离心机进行产品设计，并对其中相关运动部件进行运动仿真分析，检验运 动部件的运动情况。由于此离心机处于高速旋转工作状态下，考虑此型离心机特 殊部件的几何结构，约束、载荷的特点以及其复杂性，本分析采用有限单元法 ( a n s y s 有限元分析软件) 进行分析和计算，对离，i i , 机的高速旋转部件进行有 限元分析，检验其是否满足强度与刚度要求，同时分析其振动性，优化其工作结 构，最终得到符合功能要求的产品。 1 6 研究的主要内容 本课题主要是对离心分离理论进行系统的研究，得出相应的理论公式。根据 6 武汉理工大学硕士学位论文 此理论公式，对离心机中重要的工作部件，如差速器、转鼓、螺旋输送器等，进 行设计研究与仿真分析，检验离心机设计的正确性与合理性，同时提供一个产品 系列化和优化设计的方法。主要内容如下： ( 1 ) 对现有的离心分离理论进行分析研究，推算出符合螺旋卸料过滤离心 机的固液分离理论公式，此公式是后续结构设计与分析的理论基础。 ( 2 ) 对离心机中产生差速运动功能的差速器进行理论设计，并参数化设计 差速器的重要工作部件齿轮，对此差速器进行运动仿真分析，从而检验设计 的合理性与正确性。 ( 3 ) 建立重要工作部件的系列有限元模型，如转鼓、螺旋输送器。 ( 4 ) 用有限元分析软件( a n s y s ) 对高速旋转的转鼓进行强度、刚度仿真 分析，检验其是否满足要求。并对有不同工作参数和尺寸参数( 壁厚和转速) 的 转鼓在各种工况下进行分析与比较，得出最优化的工作参数与尺寸参数，从而为 优化设计提供参考。 ( 5 ) 利用三维设计软件( p r o e ) 对螺旋输送器进行建模，并导入到a n s y s 工作平台中去，分析其在正常工况的应力强度与刚度，计算其固有频率与振型， 校核输送器的临界转速。同时对有不同工作参数与尺寸参数的螺旋输送器在各种 工况下进行分析比较，从而为优化设计提供参考。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章离心机固液分离的理论计算 离心过滤是以离心力分离固液系统的一种操作过程。离心过滤对所要分离的 液相和固相没有密度的要求，它使悬浮液中固相颗粒截留在过滤介质上，不断堆 积成为滤饼层，与此同时，液体借离心力通过已形成的过孔滤饼而分离出去。关 于液体的过滤过程已有人做了大量的实验研究，并推导了相应的公式i l j 。本文的 研究重点是所研究的螺旋卸料过滤离心机中的悬浮液的液体能够正常分离的基 础上，对运动的由固相颗粒形成的滤饼的动力学进行深入细致的研究。从现有发 表的文献来看，有关螺旋卸料过滤离心机的滤渣动力学的分析研究较少，即使有 也不是很细致全面l l ”。 螺旋卸料过滤离心机在处理固液分离的过程中，固态与液态的微观运动是较 为复杂的。为分析方便，只考虑其宏观运动状态。在高速旋转的离心机转鼓内， 液态物质在高分离因素作用下使液态与固态分离并经过筛网过滤出去，剩下的固 态物料被筛网截留并均匀的分布在转鼓内作高速旋转运动，同时向转鼓大端前 进。故应详细研究固态物料在转鼓内的受力情况，转动与轴向速度等情况，以及 其对螺旋输送器产生的转矩、轴向力，还需计算该离心机的输渣效率与输渣能力 ( 按滤渣计的生产能力) 1 3 1 1 4 】、滤渣在固液分离区的停留的时间等问题。这些 问题都与滤渣动力学有关，同时这些问题对螺旋卸料过滤离心机的设计与技术参 数选择有重要的影响【j ”。 2 1 滤渣在脱水区的滑动动力学研究 滤渣在脱水区沿圆锥筒段被螺旋输送，自小端向大端出渣口移动，它在转鼓 内壁上的运动轨迹为一锥形螺旋线。从一般情况出发，先研究螺旋叶片母线与垂 直于转鼓轴线的径向平面间的夹角为0 的情况【l 】。 在被螺旋输送的连续滤渣条中截取质量为而的微渣滤渣，它在沿鼓壁滤网 和螺旋叶片滑动过程中受力情况见图2 1 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 m 轴向截面( b ) a - a 剖面 ( c ) b - b 剖面 图2 1 滤渣在固液分离区的动力平衡图 质量为如的滤渣微块所产生的离心力c ，其方向是径向的；微块与鼓壁滤 网的摩擦力，j ，其方向与滤渣在鼓壁滤网上的滑动方向相反；微块与滤渣和螺 旋叶面的摩擦力为乃，其方向与滤渣在叶面上的滑动方向相反。这三种力的表 达式如下： c = d m 如审y r e = 石丑 e = 五最 滤渣滑动过程中的受力是空间力系，如图2 1 所示：图( a ) 是i x 轴向截面， 其中p 2 本应该是垂直于螺旋叶片，而非图示平面上的方向，为研究方便，而后 是绕垂直于鼓壁方向的一轴线旋转b 角移到此平面上的。图( b ) 是微块处锥筒 母线的切平面，它垂直于r x 平面；法向力p l 垂直于此切平面，f l 位于此平面上。 图( c ) 是微块处螺旋母线的切平面，f 2 及其分力f 2 n 和f 2 t 位于此平面上。分力 ，h 也位于i x 轴向截面上，与它垂直和平行于转鼓母线的分力为r 和厅。分力 砌也位于螺旋母线的切平面上。在上述参数中，c 、o j 、五、正、a 、声、0 、如为 已知，参数p 卜乃、j 卜谚为未知。 滤渣自小端向大端运动的过程中，口、，值是变化的，故离心力c 是变化的， 因而p 卜乃值也是变化的，滤渣的滑动方向角j j 必然随着改变，以保持力系的 平衡，因此该空间力系处于动态平衡中。 p ，、乃是确定螺旋转距、轴向载荷、输渣功率和鼓壁滤网及螺旋磨损情况的， 4 和驴是确定输渣效率和滤渣在脱水区停留时间的。当占，= o 时，滤渣就作周向 运动而停止输出滤渣。 上述公式和段落中的参数意义如下： c 离心力； 珊二转鼓角速度； 9 武汉理工大学硕士学位论文 驴：! 宴滤渣与转鼓之间的相对角速度，超前取正值，滞后取负值； d t ，微块处的回转半径； 丑垂直于鼓壁滤网的法向力； 昱垂直于螺旋叶面的法向力； 石、五分别为滤渣与鼓壁滤网和螺旋叶面之间的摩擦系数； 盯转鼓锥筒的半锥角； 口曝旋叶片的升角； 护螺旋叶片母线与垂直于转鼓轴线的径向平面间的夹角； 菇滤渣沿鼓壁滤网滑动方向与垂直于转鼓轴线的径向平面之间的夹角； 最糖渣在叶面上的滑动方向于切线方向之间的夹角。 2 1 1 力平衡方程 为求取处于动态平衡的空间力系中的各参数间的关系，现研究某以瞬间处于 一定位置的滤渣微块的受力情况，如图2 - 1 。在上述参数中，丑、只、4 、驴为 未知。现列出力平衡的三个方程，以求解只、最、4 。 ( 1 ) 腻平面中沿法向力只方向( 图a ) 丑= c n 一日一目= c c o s a 一昱s i n ( a t p ) 一e c o s 0 一功 量= c e o s o t 一最s i n ( a 一口) 一只五s i n e s 2 c o s 一目) ( 2 - 1 ) ( 2 ) 锥筒切平面上沿弓方向( 图b ) 弓= es i n + ) + 昂c o s f l c rc o s f l ，即： e 2c o s ( a 一口) = b 石s i n 慨+ ) + 最 s i n , 是s i n ( a o ) c o s z c s i n a c o s f l ( 2 2 ) ( 3 ) 锥筒切平面内沿五，方向，即垂直于耳方向( 图c ) ec o s ( ( ，1 + ) = 五r + bs i n g c rs i n f l ，即： 只zc o s ( 磊+ 卢) = 最正c o s # 2 + 最 s i n j 2s i n ( a t o ) s i n f l c s i n a s i n f l ( 2 3 ) 由方程( 1 ) 、( 2 ) 可解出只、b 的计算式如下 l n 武汉理工大学硕士学位论文 e = c c o s a 一只( s 证仁一p ) + 正s i l l 啶c o s ( 口一o ) ) = c c o s a 一最_ 一c ( 1 r 2c os口+而sin口cos,8)(2-4) 乃+ 乃石s i i l 惦+ 纠 ( 2 5 ) 上式中： 2 i = s i n ( a 一口) + 厶s i n 8 2c o s ( a 一0 ) 石2 = c o s ( f z 一口) 一五s i n a 2s i n ( 口一o ) c o s , 8 将式( 4 ) 、( 5 ) 代入方程( 3 ) 可得匹的表达式 ( z c 2 c o t a + z lc o s ) c o s ( 磊+ ) 一 正c o t a c o s 岛+ s i n 8 2s i l l 缸- e ) s i n , s 一7 r , s i n p s i n ( 8 , + 功= 一 c o s 如s 磊+ s 访岛s i n q 一功s i n 纠+ 为s i n , 8 ，1 ( 2 6 ) 求解4 的式子虽较为复杂，但当口、，、石、 、最为已知时，求解就不 难了。上式中五的值可近似地按滤渣微块相对于螺旋叶片母线的分速度l 和切 线的分速度”的比值求得 t a n 疋；兰：型竺善坚娑塑掣：s i n , 8 s i n a ( 2 7 ) e，( 国一庐) c o s 卢 c o s o 2 1 2 工业生产用螺旋卸料过滤离心机的p l 、p 2 、6 l 工业用螺旋卸料过滤离心机的0 角为加工和制造方便一般常用的有两种： 1 螺旋叶片母线垂直于转鼓母线，0 = 口 毛= s i n ( o r 一口) + 五s i n 疋c o s ( 口一口) = s i n 嘎， 乃= c o s ( 盯一口) 一六s i n 暖s i n ( c r 一口) = 1 ， t a l l 最：s i n _ _ 卢s i n a s i n 口t a i l 口 。 c o s 口 由式( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 有 只：c(zzc o s a + n , 了s i n a c o r s , 8 一) ：壁! ! 竺五! ! 翌垒! ! 竺! ! ! 塑 1 石2 + 石1 s i n 慨+ p )1 + z 厶s i n 磊s i n ( 8 , + ) 武汉理工大学硕士学位论文 ( o o t a + 以c o s s i n 疋) c o 磊+ ) 一魄c o t 口c o s 盈一五咖咖岛) s 砥匹+ ) = 一( ac o s c o s 如+ s i n ) 在计算当中，由于暖值较小，故在工程计算中取暖= 0 。当磊= o 时，上面 三个式子就可以得到较为简便的式子： 只= c c o s a ( 2 8 ) p 2 = c 阮c o s o t s i n ( 8 l + ) 一s i n a c o s p 】 ( 2 9 ) - - - - c o s - i 一普咖恤卅 ( 2 1 0 ) 其中z = t a n ，五= t a n ；h ，式中 ，如分别为滤渣与转鼓滤网和 螺旋叶面的摩擦角 2 叶片母线垂直于转鼓回转轴线，0 = 0 而= s i n 0 一o ) + 五s i l l 也c o s q o ) = s i n a + f 2s i n s , c o s i z 石2 = c o s 0 一o ) 一五s i n 8 2s i n q 一0 ) c o s p = c o s 口一五s i n 8 2s i n a e o s p tan最一sinflsina s i n p t a n u 由式( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 有 d c ( 万2c o s t z + 万ls i n a c o s ) f = 7 ? 一 1 万2 + 石l s i n 慨+ ) c ( c o s z + t a n a s i n 口c o s ，1 = - 。”。1 1 一 1 + f l ( t a n g + s i n 8 2 ) s i n ( o l + ) 一 s i i l 8 2t a n o t e o s p 只：坐盥型煎型掌掣 c i a , s i n 幅+ 纠一t a n t z c o s p j 1 + 五“a n 口+ 五s i n 8 2 ) s i n + ) 一六s i n 8 2m g c o s ( 石2c o t c r + lc o s ，) c o s ( 8 , + ) 一 c o t a c o s 8 2 + s i n 8 2s i n ( a ) s i n f l 一万。s i n b s i n + ) ：一丢 止c 。s 【c 。s 疋+ s i n 疋s i n o ) s i n 】+ 码s i n j l 现可设疋= 0 ，故在工程计算中取暖= o 。当疋= o 时，上面三个式子就可 1 2 纠一 帕| 霉| 励 勇一+ 业+ 一吒煎伽罴 阮一 c 一 纠一 | 里力监娟器等 阢一 c 一 巴 武汉理工大学硕士学位论文 b = 鲁器帮 l + ，= t a n 口s i n l 点+ ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( c o s 口c o t 口+ s i n a c o s ) c o s ( 磊+ ) 一优c o t 口一s i n a s i n f l ) s i n ( 8 i + ) = 一去s + s i n a s i n p ) q 。1 3 在同样的口、石、 的条件下，现在口= 0 ，口= 口两种情况对丑、最进 行比较： 鳝：竺竺竺二堡k 查竺 羔t a i l q + 矿) 4 = 圭2 a + 训 亿s s ， ( 2 ) 转鼓与螺旋内筒之间先搭桥，6 o , 从动构件输出功率p o 4 1 时d i b d b ，齿轮的整个轮廓线全为渐开线：而当齿数z 4 1 时 d f 4 1 和z 4 1 要分别制作 轮廓曲线。 图3 - 6 轮齿轮廓曲线 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 齿轮的绘制 在分度圆与渐开线的交点处画上基准点p n t 0 ，通过该p n t 0 点和r i g h t 面与u p 面的相交轴得到一基准面d t m i ，以此面d t m l 为基准作3 6 0 4 z 角度 的旋转，得到另一基准面d t m 2 ，然后对轮廓曲线以d t m 2 为基准镜像。以前 面画的四个圆和渐开线为参照线用“拉伸工具”对齿轮进行齿轮轮廓和单齿的绘 制。对此单齿进行圆周阵列，阵列数为齿数z 。最后得到齿轮三维模型。改变齿 轮参数，可以得到其它齿轮三维模型，如下图3 7 ： 图3 - 7 太阳轮、行星轮、内齿圈( 太阳轮) 的三维模型 ( 5 ) 完成二级行星齿轮差速器的装配 在完成太阳轮、行星轮以及内齿圈的三维模型的建立后，使用“装配”模块对 这三种齿轮进行基本的装配。进行基本的装配后，在“应用程序”的子模块“机构” 中，将各齿轮对的齿正确的啮合，配备正确的传动比，调整传动比方向，实现三 个齿轮正确啮合，装配后行星轮系的模型如图3 1 0 所示。 l 太阳轮2 行星轮3 内齿圈( 太阳轮) 图3 1 0 行星齿轮差速器的装配模型 3 4 4 二级行星齿轮差速器的运动仿真分析 为了了解二级行星齿轮差速器内部的各齿轮的运动情况，可以将上述三维装 武汉理工大学硕士学位论文 配模型放入p r o m e c h a n i s m 的机构运动分析模块中，对其运动分析，从而可以了 解其运动情况口7 】【冽例，并对前面的理论推导进行验证。 由于该齿轮差速器的活动自由度为2 ，故在仿真运动的