（机械电子工程专业论文）立式螺旋卸料沉降离心机的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 离心机是分离行业不可缺少的重要设备之一，本课题针对进口立式离心机中的转子 受轴力和扭矩较大等常见问题，结合金刚砂固相颗粒的提取之需要，展开了对立式螺旋 卸料沉降离心机的设计研究工作，具有重要的工程应用实际意义。 首先，在充分了解离心机基本工作原理及其动力学理论的基础上，以卧式螺旋离心 机中的经验和试验数据为参考依据，初步选择了设计样机的技术参数值；同时，通过对 比分析确定了密封件，减震器等外购件；对转鼓，推料器等零部件进行了p r o e 建模； 并制定了整体结构方案，完成了离心机的虚拟装配工作。 其次，找出了离心机中影响转子轴向力和力矩的因素，以轴向力最小，推料力矩最 小，效率最大为目标函数，建立了多目标优化数学模型，在编程环境下完成了离心机技 术参数的优化求解工作，并对优化结果与参数取特定值的计算结果做了比较分析，理论 上验证了优化后的离心机轴向力和力矩有显著降低。 然后，对离心机中的关键零部件做了有限元分析，针对推料器的偏心距较大引起的 畸变现象，采取调整螺旋叶片位置的方式加以改进；转鼓壁厚采用试算法加以确定；对 应力分布不合理的零件做进一步的结构修改。三维模型设计完成后，对样机的生产能力 进行了计算和校核；完成了离心机启动和运转功率的计算，并在此基础上选择了驱动电 机。 最后，针对实验室环境下的转速差可调要求，采取了上位机( p c 机) 和下位机( p l c ) 共同调速方案，上位机提供人机界面，完成速度的设定及显示等工作，下位机负责具体 的控制和调节工作，上下位机采用r s 2 3 2 串行通讯方式，并对每帧数据进行校核，以 确保数据的正确性。另外，在上位机通讯协议栈的编写中，引入了状态机技术，通过将 通讯协议栈抽象为有序的不同状态和行为，可模拟状态机实现通讯处理功能，测试表明， 状态机在p c 机软件中运行可靠，稳定性好，并且其状态行为具有可继承性。 关键词：立式螺旋卸料沉降离心机；多目标优化；有限元分析；控制；状态机 立式螺旋卸料沉降离心机的研制 r e s e a r c ho nv e r t i c a ls e t t l i n gc e n t r i f u g ew i t hs c r e wp r e c i p i t a t ed i s c h a r g e a b s t r a c t c e n t r i f u g ei so n eo ft h ee s s e n t i a le q u i p m e n ti ns e p a r a t i o ni n d u s t r y f o rt h er e q u i r e m e n t o fr e c o v e r i n gc a r b o r u n d u mp a r t i c l e sf z o mt h es o l i d - l i q u i dm i x l l l r e , a n ds o l v i n gt h e p r o b l e m s ，s u c ha sl a r g ea x i a lf o r c ea n df o r c em o m e n te x i s t e di nv e r t i c a lc e n t r i f u g e ，s o m e r e s e a r c ho nt h ev e r t i c a ls e t t l i n gc e n t r i f u g ew i t hs c r i 渐p r e c i p i t a t ed i s c h a r g ei sd o n ei nt h i s p a p e r , w h i c hh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nf i e l d f i r s t l y , t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec e n t r i f u g ei sf o u n do u la n dt h ei m p o r t a n t t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ef i x e do np r i m a r yb a s e do ne x t 把r i e n c e ，a n dt h e n , t h er o t o rb o w l ， s c r e wc o n v e y o ra n do t h e rp a r t sa r ed e s i g n e do np r o ep l a t f o r ma n da s s e m b l e dt oi n t e g e r a c c o r d i n gt oo v e r a l la r r a n g e m e n ta n ds c h e m e s e c o n d l y , i no r d e rt om i n i m i z et h ea x i a lf o r c ea n df o r c em o m e n to ft h es c r e wc o n v e y o r , am a t h e m a t i c a lm o d a lf o rt h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o ni se s t a b l i s h 舐w h i c hc o n s i d e r s m m u n m m g t h ef o r c em o m e n ta n da x i a lf o r c ea sw e l la sm a x i m i z i n gt h ee f f i c i e n c yo f p r e c i p i t a t ed i s c h a r g e t h e ni ti ss o l v e do nm a t h e m a t i e aa n dm a t l a bp l a t f o r m a f t e rt h a t , t h e w o r ko fc o m p a r i n gt h er e s u l t sf r o mo p t i m i z a t i o na n do t h e rc a l c u l a t i o n so bs p e c i a lp o i n t sa r e f i n i s h e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e t h e o r e t i c a x i a l f o r c ea n df o r c em o m e n ta r er e d u c e d r e m a r k a b l y t h i r d l y , t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to f t h ei m p o r t a n tp a r t sa r ea n a l y s i s e du s i n gs o i t w a l e a n s y si nt h i sp a p e r b e c a u s eo ft h ee c c e n t r i c i t yc o n s i s t e di ns c r 倒vc o n v e y o re n t i t y ， a b e r r a t i o na p p e a r si ni t sf i n i t ee l e m e n t ( f e ) m o d e l ，as t r a t e g yo fr e s e t t i n gt h ep l a c eo ft h e s c r f f t vv a n et or e d u c et h ei m b a l a n c ei sp r e s e n ti nt h ep a p e r ；, f u r t h e r m o r e ，f o rt h es a k eo f f i n d i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a x i m a ls t r e s s ( s 玳t ) a n dt h et h i c k n e s so fr o t o rb o w l ，a s e r i e so f b o w lf em o d e li sb u i l ta n ds o l v e d ；a i t c rf ea n a l y z i n g , c h e c k i n gu pt h et h r o u g h p u t o ft h es a m p l ea n dc a l c u l a t i n gt h ep o w e rw h i c hp r o v i d ed a t af o rc h o o s i n gt h em o t o ra l e f i n i s h e d f i n a l l y , t h ec o n t r o ls y s t e mt h a ti sc o m p o s e do fp ca n dp l ci sd e s c r i b e di nt h el a s t s ( 茗t i o no f t h ep a p e r p cs o r w a r ep r o v i d e sm a n - m a c h i n ei n t 髓 f a c e ，a n dp e r f o r m ss p e e ds e t t i n g a n dd i s p l a y i n g ；p l ct a k e sc h a r g eo fc o n t r o l l i n ga n d 删u s t i n gs p e e d t h ec o m m u n i a t i o n b e t w e e np ca n dp l cu s er s 一2 3 2i n t e r f a c e ，a n de v e r yf i a m co f d a t ai sv e r i f i e dw i t hf c sc o d e t ol l l a k es l l r t h ec o r r e c t n e s so ft h em a s s a g e ；i na d d i t i o n , f i n i t es t a t em a c h i n e ( f s m ) m e t h o d o l o g yi si n t r o d u c e di nt h es t a c kp r o g r a m m e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a c ki sd i v i d e d i i 大连理工大学硕士学位论文 i n t oal o to fs t a t e sa n da c t i o n s ，s ot h a t , i tc a ns i m u l a t ef s m t h et e s ts h o wt h a tf s mm a k e s t h es o f t w a r ew o r kr e l i a b l ya n ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：v e r t i c a ls e t t l i n gc e n t r i f u g ew i t hs c r e wp r e c i p i t a t ed i s c h a r g e ；m u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ：c o n t r o l ；f i n i t es t a t em a c h i n e ( f s m ) 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：缓匀噬丝日期：出堕：! 兰 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：弛作者签名：擎缆c 6 1 ：丝趁 导师签名： 乏壹经 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 课题的研究背景 实现离心分离操作的机械称为离心机【”，离心分离的机理在于不同物质在离心力作 用下的受力不同。离心机主要用来处理液固，液液，液液固等两相物或三相物的分 离。离心机与其他分离机械相比，不仅能够得到含湿量较低的固体和较高纯度的液相， 而且能够节省劳动力，降级劳动强度，同时使劳动条件和劳动环境得到很好的改善；离 心机还具有处理量大，可连续运转，操作简单，自动化程度高，占地少等优点。因此， 离心机已广泛用于化工、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。例如湿法采煤中粉煤的回收，石油钻井泥浆的回收，放 射性元素的浓缩，三废治理中的污泥脱水，各种石油化工产品的制造，各种抗菌素、淀 粉及农药的制造，牛奶、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、食用动物油、米糠油等食品 的制造，织品、纤维脱水及合成纤维的制造，各种润滑油、燃料油的提纯等都使用离心 机。目前，离心机的品种繁多，各有特色，并正在向提高技术参数、系列化、自动化方 向发展，专用机种也越来越多。离心机已成为国民经济各个部门广泛应用的一种通用机 械口j j 捌。 我国对螺旋离心机的研究与国外相比，起步比较晚，7 0 年代才开始从国外引进。8 0 年代，开始重视螺旋卸料沉降式离心机的发展，：些科研工作者开始研究国外卧式螺旋 卸料沉降离心机( 以下简称卧螺离心机) 的发展动态并进行测绘，测得德国f i o t t w e 公司，美国s h a p l e s s 公司，法国g u i n a r d 公司，瑞典a l f a 公司等国外著名公司 生产的各种规格的卧螺离心机，并进行了仿$ l t 6 j 。九十年代已能自己研制生产卧螺离心 机，出现了w l 2 0 0 ，w l l 0 0 0 ，l w b 5 0 0 ，l w g 5 0 0 等型号的产品。而在立式螺旋卸料 沉降离心机( 以下简称立螺离心机) 的研究方面，投入并不多，相关资料也少见，公司 投入使用的立螺离心机基本上都从国外进口，自主研发的很少。究其原因，笔者认为主 要有如下两个：一是工业废水的处理和石油化工行业的迅猛发展，对卧螺离心机的需求 量较大，单位和高校投入的资金和人力也多；二是立螺离心机中现今普遍存在零部件寿 命相对较短，效率不高等问题，国外进1 2 1 的立螺离心机也经常在运转过程中出现故障 7 】。 这些因素使得立螺离心机发展进程缓慢。但在某些场合，如可用地面积小，实验室环境 下难分离物的提取等，立螺离心机显得非常有优势。立螺离心机不仅具备卧螺离心机的 立式螺旋卸料沉降离心机的研制 特点，而且占用空间小。因此，在现有条件下，针对上述问题，进一步研究新型结构的 立螺离心机迫在眉睫。 1 1 2 课题的研究目的和意义 目前，我国投入使用的立螺离心机基本上都是从国外引进，国产立螺离心机尚在工 业性试验阶段。进口设备价格高，而且配件依赖进口的周期长，如果配件准备不充分， 将会影响生产。并且，在进口设备中也经常出现各种故障，造成检修频繁，直接影响生 产的正常运行，据相关参考文献分析，进口立螺离心机中的常见问题有： ( 1 ) 离心机下部组件磨损厉害：下部组件主要指轴承组件，止推垫等，参考文献 7 】 中指出，由日本进口的巴工业株式会社生产的立式离心机，止推垫的使用时间仅为2 3 个月；轴承组件的实际使用寿命最长仅为半年。 ( 2 ) 转子内部受力过大，扭矩杆振动较强烈，甚至出现卡死现象：主要原因在于转 子内物料堆积，造成推力加大，引起扭矩增加，振动增强。 ( 3 ) 转子底部腐蚀严重，容易出现点蚀现象。 针对上述立螺离心机中存在的实际问题，结合大连理工大学材料学院实验室对金刚 砂固体颗粒提取之需要，本文开展了立螺离心机的设计研究工作，具有工程应用实际意 义。同时，立螺离心机的研究涉及到流体动力学，材料科学，数学优化，有限元分析， 自动化控制等多方面内容，具有广泛的理论和学术意义。 目前，国内在卧螺离心机的设计和研究方面取得了丰富的理论研究成果和良好的实 际应用价值，本文在参考了多种卧式离心机设计思想的基础上，在满足金刚砂特殊材料 的分离要求及实验室环境下转速差可调的前提下，拟在离心机整体结构设计，技术参数 优化，及无级调速方面做尝试，最终目标的是要解决离心机的堵渣问题，尽可能最小化 离心机的内部受力，建立方便的调速系统。本文研制的立螺离心机的技术指标为： ( 1 ) 最高转速：4 5 0 0 r m i m ( 2 ) 转鼓与推料器转速差可调，最小调节范围：5 l o r m i m ( 3 ) 转鼓内径：0 3 2 m ； ( 4 ) 转鼓长度：0 7 m , 4 ) 8 m ： ( 5 ) 离心机处理能力：0 5 m 3 h 3 m 3 h ； 与同类离心机相比，本样机的分离因数高，可分离小尺寸固相物，对较难分离物亦 适应；出渣口径大，直接将沉渣甩出转鼓，一般不会出现堵渣现象；对技术参数进行了 多目标优化，推料力矩和轴力相对较小，出渣效率也有保障；转鼓与推料器转速差可调， 可视化软件编写上位机软件，调速简单，方便。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 螺旋卸料沉降离心机的研究现状 1 2 1 国内研究现状 国内对螺旋卸料离心机的研究起步比较晚，8 0 年代才开始仿制国外技术，9 0 年代 才有了自己的产品。但随着工业和国民经济的发展，近些年来，对卧螺离心机的研究与 日俱增，研究机构和生产单位也层出不穷：重庆江北机械厂引进了法国坚纳公司技术， 取得了不错的成绩；金华铁路机械厂研制了系列离心机产品；上海离心机研究所已经生 产出大长径比的螺旋卸科沉降式离心机系列产品，显著提高了固液分离效果。同时，很 多高校也相继投入到螺旋卸料离心机的研究当中，其中以北京化工大学做的工作最多， 取得了不少的成果。总结前人工作，对螺旋卸料沉降离心机的研究主要在如下几个方面 展开： ( 1 ) 离心机结构的有限元分析 浙江大学刘天丰，童水光等对卧螺离心机的转鼓进行参数化建模，以这些参数为设 计变量，以几何、强度和刚度要求为约束条件，以转鼓的转动惯量为耳标函数，基于有 限元分析计算，对转鼓结构的几何尺寸进行优化设计，取得了良好的效果【8 】。 长沙理工大学汽车与机械工程学院李白光，毛文贵等人应用v 缸l f t ln a s t r a n 有限元仿 真软件对卧螺离心机转鼓虚拟样机模型在三种工况下进行应力应变仿真分析。得到了转 鼓的最大应力和径向位移的分布情况，并在此基础上优化转鼓壁厚，减轻离心机质量， 对离心机结构优化具有理论的指导意义【9 】。 北京化工大学化工过程机械专业的董俊华等研究工作者对卧式螺旋离心机的转鼓 与螺旋输送器做了有限元分析，并转写了相关硕士学位论文。 ( 2 ) 离心机的振动特性研究 离心机中的振动历来是遏制高速离心机发展的主要因素，不少研究人员也在这方面 做了大量的研究工作： 上海交通大学黄文伟等在充分分析离心机转子支撑系统振动特性的基础上，研究 有了一种转子系统振动故障诊断的特征分析方法【1 0 】。 浙江大学贺世正在对卧式离心机产生振动的原因进行分析研究的基础上，提出了从 整机平衡，动力减振和隔振三方面着手的减振方法，并介绍了这些方法的基本思路和实际 使用效果h o ( 3 1 离心机的强度分析 离心机强度方面所从事的工作主要是转鼓和推料器的强度计算方法的研究，不少研 究人员在这方面也做了大量工作，取得了不少成果。如：北京化工大学黄志新等人采用 立式螺旋卸料沉降离心机的研制 五因素四水平的正交试验法，找出了影响螺旋推进器强度的主要因素。经多变量拟合，得 到了离心力作用下螺旋推进器的强度计算公式【1 ”。 ( 4 ) 动力学理论研究 动力学理论研究主要包括转鼓参数对模态的影响，固相颗粒的动力学特性研究，离 心机参数对分离效果的影响等。 南京绿州机器厂卧螺离心机设计所的颜春敏，黎长山定性地分析了卧螺离心机的沉 渣输送与其转鼓的锥角、螺旋推料器叶片的倾角口、叶片的螺距、液池半径r 及差转 速a 甩之间的关系。阐述了改善卧螺离心机输渣条件的设计思想【1 3 】。 沈阳化工学院汤慧华，杨德武等人根据转鼓形为柱状的卧式螺旋卸料过滤离心机的 结构特点，通过对其滤渣进行动力学分析，从而推导出了按螺旋排渣能力计的生产能力 公式，为设计工业用螺旋卸料过滤离心机提供理论依据【1 4 】。 国内对立螺离心机的研究不多。目前研究较多的立式离心机是立式刮刀卸料离心机 和立式振动离心机，并且大多数是在仿造国外技术。不过在不断消化吸收引进技术的过 程中，我国的立式离心机也在逐渐发展，山东泰安煤矿机械厂和煤炭设计院都取得了不 错的成效。但立螺离心机的国产化，还有待进一步的研究。 1 2 2 国外研究现状 国外对离心机的研究起步比较早，研究和生产单位也很多。主要的生产制造厂有法 国，西德，美国和日本的十几家大公司。这些公司都有完整的系列产品，同时又着力发 展专用机型，产品规格系列化，使得这些公司的产品在市场上有很强的竞争力【”】。国外 较著名的离心机生产商有：德国r o t t w e 公司，美国s h a p l e s s 公司，法国g u i n a r d 公司，瑞典a l f a 公司等。 国外对离心机的研究主要体现在自动化，动力学理论研究，离心机的结构优化等方 面： 自动化方面的研究主要有转鼓与推料器的转速差的自动化控制，如j i mb e a t t e y 在 传统的双电机驱动离心机的基础上，研究设计出来了单电机驱动，并且可以自动卸料的 螺旋离心机。该离心机利用离合器，通过p l c 来控制转鼓和推料器的转速，可以实现 多种分离物的分离【1 6 】。自动化程度高，而且分离效果也比传统离心机显著提高。 离心机中动力学理论方面的研究主要体现在通过实验手段验证生产能力计算方法 的可行性。如n c o m e r - w a l k e r 等通过实验方法验证了腭论在离心机中运用的可行性。 并且指出了在离心机的设计中如何计算生产能力及步骤【 1 。也有对推料器扭力大小的研 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 究，如w a l l a c ew - f l e u n g 对推料器所受扭矩进行了深入研究，并且通过实验数据得 出扭矩与摩擦系数，生产能力之间的关系式【1 8 】。 其他方面的研究：当转鼓尺寸较大，工作转速较高时，电动的负载较大。针对这种 情况，国外采用了双重电极驱动。双重电机驱动是由两个电机协同工作，至少是在启动 时由两电机配合，提供启动所需能量。在达到操作转速后，一个电机继续驱动，另一电 机可能闲型1 9 1 。同时，也有研究人员在离心机性能优化及运行效率方面做了很多工作 1 2 0 , 2 1 0 2 1 。 另外，有研究者对液压马达进行改进，改进后的装置不但可加速和控制转鼓的转动， 同时还给差速器液压马达提供液压介质，避免了多余的供液装置的使用j 。除此以外， 国外还研制出了可控制扭矩的感应电磁式差速器【硼。 立式离心机的研究工作与卧式离心机研究工作相比少了很多，技术资料更是少见， 生产立螺离心机的主要有美国，日本等。如日本的p 6 1 0 0 ，p 6 0 0 0 和p 4 0 0 0 型等产品。 但实际产品的正常运转周期并不长，参考文献 7 中指出，由日本进口的立螺离心机也 经常在运转过程中出现故障。 1 3 本文的主要工作 本课题针对进口立螺离心机中存在的常见问题，着眼于满足金刚砂固相颗粒提取的 实际需要，展开了对立式螺旋卸料沉降离心机的设计研究，具体工作包括如下几个方面： ( 1 ) 针对螺旋卸料沉降离心机的堵渣等问题，并结合实际的设计要求，完成了离心 机的参数化建模，虚拟装配及运动仿真工作。 ( 2 ) 分析了立螺离心机中推料力矩和轴向力的影响因素，以轴力最小，力矩最小， 效率最大为目标函数，建立了基于多目标的数学优化模型，并完成优化求解工作。 ( 3 ) 对离心机中关键零部件进行了有限元分析，并分别探讨了转鼓壁厚和推料器偏 心距与离心机受力变形的关系，从而合理确定鼓壁厚度及螺旋叶片在推料器上的位置。 ( 4 ) 对设计样机的生产能力进行了计算和校验，确保其满足设计要求；对启动功率 和运转功率进行了计算，并在此基础上选择了驱动电机。 ( 5 ) 设计了由p c 机和p l c 共同调速的控制系统，完成了上位机软件和p l c 软件设 计工作，并在v i s u a lc 抖6 0 平台上编写了基于状态机技术的数据通讯协议栈程序。 立式螺旋卸料沉降离心机的研制 2 立螺离，b 机的基本理论及结构设计 2 1 立螺离心机的基本工作原理 立式螺旋卸料沉降离心机( 下文中，若无特殊说明，离心机均指立式螺旋卸料沉降 离心机) 和卧式螺旋卸料沉降离心机的结构和工作原理基本相同。主要由机架，转鼓， 螺旋推料器，差速器，驱动电机，进料组件，控制系统等组成。其工作原理如图2 1 所 示。 1 ：推料嚣2 ：溢箍口3 ：螺旋叶 片4 ：转鼓5 ：分离液6 ：出盗口 图2 1 立式螺旋卸料沉降离心机工作原理图 f i g 2 1w o r k i n g p r i n c i p l e d i a g r a m o f v e r t i c a ls e t t l i n g c e n t r i f u g e w i t hs c r e w p r e c i p i t a t e d i s c h a r g e 离心机工作时，转鼓和螺旋推料器同向高速旋转，由主，辅电机复合驱动。离心机 转鼓直接由主电机驱动。推料器由辅助电机通过差速器与主电机共同驱动，由于差速器 的作用，使得推料器和转鼓之间形成转速差。待分离物进入转鼓内后，在离心机离心场 的作用下进行沉降分离。由于转鼓与推料器之间存在转速差，推料器便将固体物缓缓推 出，同时在转鼓锥段可进一步干燥脱水，最后从出渣口排出，液体则从离心机另一端的 溢流口排出【2 5 1 。 2 2 沉降离心机中流体动力学基本理论 ( 1 ) 沉降离心机转鼓内的流体流动状态模型 参考文献 1 】中指出，依据“活塞式”理论，认为转鼓内液体象“活塞式”地整体向 前流动，鼓内液体在整个截面上的流速是均匀的，新进入转鼓的液体将原有液体进行置 换。在这种流动状态下，轴向流速按式( 2 1 ) 进行计算： 6 一 大连理工大学硕士学位论文 卜鼎2 粕 l k o = 二l l ，2 式中，p 一离心机的容积生产能力( m 3 s ) ； ，2 ，r l 一分别为转鼓内半径和自由液面半径( n 1 ) ( 2 ) 离心场中固体粒子在液相介质中的自由沉降速度计算 固体粒子在离心力场中所受的作用力为惯性离心力与浮力之差( 忽略重力) ： c - - 石- - ，d 3 2 ， 其所受阻力为： 只= e 岛v 2 d 2 因此，粒子的沉降运动方程为： m尘=三d3肿2r_c，岛v2d2dt6 41 式中，肘一粒子的质量o ( 曲； v 一粒子的沉降速度( m s ) ； d 粒子的直径； xp 一固，液密度差( p ，p j ) ( k g m 3 ) ； p ，p ，分别为固相和液相的密度( k g ，m 3 ) ； 脚一液相的回转角速度( 删s ) ； ，一粒子所在处的回转半径； 臼一阻力系数，是雷诺准数r e 的函数 求得层流区的速度为： v ：d 2 a p r 0 2 r 1 8 1 j 式中，z 一液相的动力黏度( p a s ) ，其他参数定义同上。 2 3 离心机基本设计要求 最高转速：4 5 0 0 r r a i n ； 转鼓与推料器转速差可调，最小调节范围：5 l o r m i n ； 转鼓内径：0 3 2 m ； 转鼓长度：o 7 m 加8 m ； ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 立式螺旋卸料沉降离心机的研制 离心机处理能力：0 5 m 3 m m 3 m ： 2 4 离心机主要参数的初步选择 立螺离心机技术参数包括结构参数和操作参数，其中操作参数指转鼓的转速 及转 鼓与推料器的转速差a n 。在本离心机的设计中，给定了转鼓的最大转速为4 5 0 0r m a n ； 转速差可调，因此只需确定其结构参数，主要指：转鼓的最大内直径d ，转鼓的总长度 上，转鼓半锥角口，转鼓溢流1 2 1 处半径r ，转鼓出渣口处的半径r j ，以及推料器的相关 参数。 2 4 1 转鼓主要参数的选择 根据设计要求：离心机处理能力为o 5 m 3 h 3 i n 3 h ，最大转速为4 5 0 0 r m i n ，选择转 鼓内径为3 2 0 m m ，即b = 3 2 0 m m ；转鼓长度按口值来确定，依参考文献【1 】，对于易分 离物，l d = i 2 ：对于难分离物料，庐3 0 ，本文中的金刚砂混合物属于较难分离物， 依设计要求，选择转鼓长度l = 7 5 0 m m 。转鼓的其他参数做如下选择： ( 1 ) 半锥角a ：一般情况下，半锥角的增大有利于降低沉渣的含水量，但同时也使 推料器的推料功率增加，通常a = 5 。1 5 。，本研制样机初步定a = 7 。 ( 2 ) 液池深度h ( 溢流c i 半径r 2 ) ：液池越深则越有利于粒子的沉降，从而分离的 固体越多，效率越高，但随着液池深度的增加，沉降区增长，干燥区长度就相应的减小， 沉渣含湿量增加。通常情况下，肛( o 0 5 - - 0 2 ) d ，通过计算，本离心机中初步定h = 3 2 m m 。 ( 3 ) 转鼓出渣口半径n ：转鼓出渣口半径与沉渣的停留时间密切相关，在螺旋卸料 沉降离心机中，沉渣的停留时间为5 s - 8 s 比较合适，根据这个范围的停留时间，初步估 算出渣口半径r 3 = 1 2 5 m m 。 2 4 2 推料器主要参数的选择 ( 1 ) 螺旋头数竹：通常情况下，螺旋头数的增加能使输渣效率相应的增加，但同时 也会使沉降区内的扰动增大，从而使分离液中的含固量增加，降低沉降效果。本机转速 较高一应尽量限制扰动，因此选择单头螺旋，即n = l 。 ( 2 ) 螺距依参考文献 1 介绍，螺距s 与出渣1 ：3 处转鼓半径勺有经验关系式： s 2 r f - - o 3 加8 ，由于r y = 1 2 5 m m ，代入计算得：s = 7 5 m m - 2 0 0 m m 。初步选择螺距为7 5 m m 。 在锥段采用变螺距的结构形式，可以增加沉降时间，提高分离效果；同时也可使锥段的 物料受到渐变的挤压作用，从而减小沉渣含水量。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 螺旋叶片的高度胁叶片高度的选择主要考虑两个条件，其一是液面的最大高 度，其二是保证顺利排渣。从液面的最大高度考虑，要求螺旋叶片的高度日大于3 2 r a m ， 从而使叶片不被完全淹没。从排渣能力考虑，借鉴卧式沉降离心机的相关求解公式，做 如下计算： g ：垒1 2 1 1 1 堑 (26)i 3 6 0 0 。p 0 。8 0 门 h 一二皇一 ( 2 7 ) 石d s a n 6 0 式中： 岔一排渣量，( m 3 s ) ： 口进料量，取口= 3 m 3 h ： p 物料密度，取p = 1 0 2 0 k g m 3 ； p 口沉渣密度，取p 口= 1 1 0 0 k g m a s 一螺距，取s = 0 0 7 5 m ； a n 一转速差，取a n ；5r m i r a 根据式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 计算得h 一 1 5 3 7 m m ，实际中，柱段叶片高度取为6 0 m m 。 对离心机技术参数的计算，以及后续章节中的转鼓壁厚，推料力矩等复杂公式的计 算，考虑到计算量大，反复修改参数值的次数较多，本论文中，在v i s u a lc + + 6 0 平台 上编写了相关的计算软件，一方面可以提高工作效率，另一方面也能减少运算错误的出 现。详见附录a 。 综上所述，离心机各技术参数初步选择如表2 1 所示： 表2 1 技术参数初步选择 t a b 2 1p r i m a lc h o o s eo f t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r s 2 5 离心机整体结构设计 ( 1 ) 转鼓形状确定 转鼓的结构通常为柱状，锥状或者柱锥状，柱状转鼓处理能力强，澄清效果好，但 是排渣非常不方便；锥状转鼓虽然排渣方便，但生产能力较小，因此，本设计中采用柱 立式螺旋卸料沉降离心机的研制 锥结构。柱锥结构的转鼓既能顺利排渣，又能兼顾处理能力要求。其结构示意图如图 2 2 所示。转鼓主要由转鼓锥段，转鼓柱段，端盖，上下轴承座等组成。其中转鼓锥段 和柱段是离心机的主要工作区，工作过程中所受离心机较大，其强度应有充分保障。上 端盖上开有溢流孔，分离后的液体由此孔流出；下端采用排渣盘结构，不但排渣量大， 而且不会轻易出现堵渣的问题。 图2 2 转鼓结构示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mf o r t h es n u c t i l f eo f t h eb o w l 盖 为了保障转鼓强度，合理确定转鼓壁厚是很关键的。转鼓在运行过程中，主要受到 自身重量及转鼓内物料在高速回转时所产生的离心力作用，因此，转鼓壁厚取决于自重 和物料离心力所引起的应力总和。本论文在后续章节中运用a n s y s 软件对转鼓做了应 力求解分析，保证了壁厚的强度要求。在a n s y s 软件中施加载荷时，转鼓自身质量所 产生的离心力以角速度的形式输入数据，角速度的与转速的转换按式( 2 8 ) 进行计算；物 料离心力以离心液压的形式作用于转鼓内壁，其大小按式( 2 9 ) 进行计算： 国：婴 ( 2 8 ) 6 0 。 式中，u 一离心机角加速度( t a d s ) ： 7 一离心机转速( r m i n ) ； p ：当胛：2 - r j 2 ) c 9 ) 式中，p 一离心液压( p a ) ： p 物料密度( 1 噌m 3 ) ； f i ) 一离心机角加速度( r a d s ) ： n 一转鼓内壁半径； 大连理工大学硕士学位论文 幻物料液面半径( m ) ； 转鼓锥段部分筒壁要不断受到沉渣的摩擦作用，磨损比较大。为了减小转鼓的磨损， 在其内表面沿母线方向焊若干筋条，这不仅可以在锥段转鼓内形成一层由沉渣构成的严 实保护层，而且可以防止沉渣在转鼓上打滑，提高螺旋的输渣性能。 转鼓是高速回转件，除了强度有比较高的要求外，在加工组装完毕后，需要进行动 平衡检验和调整，保证其运转的平稳性和受力分布的均匀性。 ( 2 ) 推料器的确定 推料器的主要作用是将沉渣从转鼓小端出渣口排送出去，它主要由内鼓，螺旋叶片， 排料斗及上下轴颈组成。其结构如图2 3 所示。 柱锥段螺旋叶片做成整体，焊接在内鼓上，整体式叶片不但有利顺利出渣，而且可 以减小推料器的偏心量；排料斗采用斗状结构，一方面是为了在物料进入沉降区之前先 进行预加速，当物料进入沉降区以后能较快地进入高速运转状态，从而加快物相的分离， 同时还能减小迸料对已沉降物料搅动带来的负面影响；另一方面斗状结构也有利于物料 排出推料器腔体。 推料器在输渣过程中，要受到较大的轴向力和扭矩( 其求解公式及计算结果将在第 四章中有详细的论述) 作用，因此，螺旋叶片的厚度应当在尽量小的情况下充分满足强 度条件。本论文中采用试算的方法，借助a n s y s 软件求解推料器应力大小和分布结果， 通过与许用应力值的比较分析来调整螺旋叶片的厚度。 内鼓壁厚的确定主要从扭转强度条件和刚度条件两方面来考虑，扭转强度按式 ( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 进行计算： f 】等 ( 2 1 0 ) 胛n 既：z ( d 矿4 - d 4 ) ( 2 1 1 ) 式中，m 。一额定最大转矩，本文中取差速装置的额定输出扭矩2 6 0 0n m ： 嘲一材料的许用剪切应力，材料为1 c r l 8 n i 9 t i l 2 6 1 ，取其为4 5 m p a ； d 一内鼓最小外径，取d = 0 1 2 4 m 。 代入数据计算得：d i 1 9 m ，则壁厚占5 m m ( 6 = d d ) 。 其刚度按式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 进行计算： 眵】2 等争 立式螺旋卸料沉降离心机的研制 l p ：掣 ( 2 1 3 ) 式中，。一额定最大转矩，本文中2 6 0 0 n m ； 【妒】一材料的许用扭转角度，取【妒】= l o m ： e 一材料的剪切弹性模量，材料为1 c r l 8 n i 9 t i ，取其为8 1 1 0 m p a ： d 一内鼓最小外径，取d - - 0 1 2 4 m 。 代入数据计算得：内径d 一 1 2 1 m m ，则壁厚j 3 m m 。 综合考虑强度和刚度要求，推料器内鼓壁厚要求大于5 m m ，本离心机设计中实际 取值为：l o m m 。 图2 3 推料器结构示意图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mf o r t h es t r u c t t t r eo f t h es c r wc o n v e y o r 颈 ( 3 ) 密封装置的选择 密封可分为静密封和动密封两大类。静密封主要有垫密封，胶密封和直接接触密封 三大类。根据工作压力，静密封又可分为中低压静密封和高压静密封。动密封可以分为 旋转密封和往复密封两种基本类型。按密封件与其作相对运动的零部件是否接触，可以 分为接触式密封和非接触式密封；按密封件和接触位置又可分为圆周密封和端面密封， 端面密封又称为机械密封。根据密封结构的类型，密封机理，密封件形状和材料等，密 封可按图2 4 进行分类。 非接触式密封的优点是没有动、静件间的摩擦，无磨损，运行可靠，维修方便，尤 其是阻塞型的非接触式密封设计结构简单、耐用，几乎可以不用检修；缺点是这类密封 还允许存在一定的最小泄漏量。本离心机中，下端轴承工作环境比较恶劣，对密封的要 求比较高，不宜采用非接触式密封装置。 大连理工大学硕士学位论文 接触式密封中，成型密封( 0 型圈等) 一般不用于高速情况下，而离心机最高运转 速度达4 5 0 0 r r a i n ，因此不宣选用成型密封；填料密封存在散热及冷却能力不够，自动 密封 f _ 1 静密封动密封 厂广厂 厂 垫胶填 波 接非 密密料 纹 触接 封封 密 管型 触 f r 1 非 非金 金 金属 属属密 密和封 封 金垫 垫属 组 垫 防 成 软硬机涨油 尘 型 填填械圈 密 密 辩料密密 封 封 封密密 封封 封封 图2 4 工业密封分类图 f i g 2 4c l a s s i f ys e a li ni n d u s t r y 补偿能力差等缺点，离心机连续运转，磨损较快，要求密封装置具有自动补偿能力； 涨圈密封工作速度较低，使用寿命较短；油封密封通常只作为轴承润滑油的密封。综合 比较，本论文选用机械密封装置作为高速旋转轴承的密封装置。机械密封具有如下优点： 密封可靠，在长期运转中密封状态很稳定，泄露量很小； 擦功率消耗小，其摩擦功率仅为软填料密封的1 0 5 0 ； 轴或轴套基本上不磨损； 维修周期长，端面磨损后可自动补偿，一般情况下不需经常性维修； 抗振性好，对旋转轴的振动以及轴对密封腔的偏斜不敏感； 适用范围广，机械密封能用于高温、低温、高压、真空、不同旋转频率，以及 各种腐蚀介质和含磨粒介质的密封。 本论文中选用上海博格密封件有限公司的b g m h l 0 系列机械密封，该密封装置轴 向尺寸很短，在高速设备上应用广泛。其运行参数为：最大压力可达2 5 m p a ，线速度 可达到3 5 m s ，轴向窜动量为o 5 m m 。上端机械密封型号为：b g m h l 0 - 3 5 ；下端机械密 封型号为：b g m h l o - 4 5 。其密封装置如图2 5 所示。 i垒刳窿密割磁液体密封 型1 霖翥tf6迷宫密封 tf6螺旋密封厂0离心密封 立式螺旋卸料沉降离心机的研制 图2 5 机械密封装置 f i g 2 5 t h em e c h a n i c a ls e a l 图2 6 防震橡胶座 f i g 2 6 t h es h o c ka b s o r b e r ( 4 ) 减震装置的布局 离心机中常见的故障之一就是振动过大。振动问题在很大程度上限制了离心机的转 速提高。通常螺旋卸料沉降离心机的转速控制在3 0 0 0 r m i n 内使用。因此在离心机整体 结构设计时，考虑添加减震装置及如何布局减震装置是很必要的。 螺旋沉降离心机产生振动的原因较多，离心机的振动随悬浮液动力黏度，密度及离 心机处理量的变化关系不明显，可以不