（机械工程专业论文）p3500型螺旋卸料离心机差速器国产化设计制造研究.pdf

工程硕士学位论文 摘要 摘要 差速器是卧式螺旋卸料离心机中最重要的传动部件，其性能和质 量往往决定着整个机器的工作能力。在p - 3 5 0 0 型螺旋卸料离心机的 国产化过程中，差速器的设计计算是关键的一个环节。 本文第一部分计算了p - 3 5 0 0 型螺旋卸料离心机分离因数、生产 能力等主要技术参数，分析了p - 3 5 0 0 型螺旋卸料离心机的结构特点。 确定了转鼓和螺旋部分的技术参数，对转鼓进行了强度校核和p r o e 的三维建模。然后分解了差速器样机并使用三坐标测量机对样机零部 件进行测绘，取得第一手测绘数据。建立了p - 3 5 0 0 型螺旋卸料离心 机差速器的传动比和传动效率计算公式，使用m a t l a b 进行了效率和 功率损失实际分析计算，分析了啮合接触摩擦系数啮合系数7 r 对 传动效率和功率损失的影响，在m a t l a b 环境下建立了随啮合接触摩 擦系数啮合系数厂变化的传动效率和功率损失图，为p - 3 5 0 0 卧 螺离心机的国产化整体设计提供了充分的理论数据。 本文第二部分根据计算和实测的技术参数进行了差速器中关键 零部件行星轮、太阳轮和轴承的设计。结合测绘数据确定了关键零部 件的实际尺寸，选定了轴承的类型，选定了零件的材质。使用 p r o e n g i n e e r 软件进行三维实体建模，对齿轮进行了参数化设计， 并将第一级传动机构中的齿轮三维模型导入a n s y s 软件进行模态分 析，得到了前5 阶的振型图，为下一步的齿轮动力学分析和以后的故 障分析和诊断打下了基础。对p - 3 5 0 0 离心机差速器制造与装配中的 关键技术进行了探讨和研究，提出了解决方案。p - 3 5 0 0 离心机通过 了空转及工业性生产的考核，试车数据与同类型离心机和行业标准对 比，在转速、轴承温度、振动等各项检测指标上已全面符合我国离心 行业指标，同时也完全达到了原日本样机的各项性能指标，说明该机 的整体机械性能已经达到了较高的水准。 关键词：p - 3 5 0 0 型螺旋卸料离心机，差速器，双级2 k - h 行星齿轮传 动 工程硕士学位论文a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t d i f f e r e n t i a li st h em o s ti m p o r t a n to n ea m o n gp a r t so fs c r e w c e n t r i f u g e i t sp e r f o r m a n c ea n dq u a l i t yu s u a l l yd e c i d et h ew o r k i n g a b i l i t yo fs c r e wc e n t r i f u g e s od e s i g nc a l c u l a t i o no fd i f f e r e n t i a lp l a y s a k e yr o l e i nt h e p r o c e s so fd o m e s t i cm a n u f a c t u r eo fp 。3 5 0 0 一 h o r i z o n t a ls c r e wc e n t r i t u r e i nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r , l e a d i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r ss u c ha s s e p a r m i o nf a c t o ra n dw o r k i n ga b i l i t ye t c w e r ec a l c u l a t e d a f t e r a n a l y z i n gt h es t r u c t u r ef e a t u r eo f p 一35 0 0h o r i z o n t a ls c r e wc e n t r i f u g e ， t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fr o t a t i n gd r u ma n ds c r e wm e c h a n i s m w e r ed e t e r m i n e d i n t e n s i t yc h e c k i n ga n d3 dm o d e l i n go fr o t a t i n g d r u mw e r ed o n et o o p r o t o t y p eo fd i f f e r e n t i a lw a sd i s m a n t l e da n d p a a so fd i f f e r e n t i a lw e r em e a s u r e db yt h r e ec o o r d i n a t e sm e a s u r i n g m a c h i n e c a l c u l a t ef o r m u l a so ft r a n s m i s s i o nr a t i oa n dt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yo fp 一3 5 0 0h o r i z o n t a ls c r e wc e n t r i f u g ed i f f e r e n t i a lw e r e p r o p o s e di n t h i sp a p e r a c t u a ll o s so fe f f i c i e n c ya n dp o w e rw a s c a l c u l a t e d b ym a t l a b ，t h ei n f l u e n c eo fm e s h i n gc o n t a c tf r i c t i o n c o e c i e n tj 【la n dm e s h i ：gc o e c i e n 厂 1 o s so fe f f i c i e n c yandcoertlclent a n dm e s h l n rc o e t l i c i e n tt ol o s so tec i e n c va n d 【l ， p o w e rw e r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y f i g u r e sw h i c hi n d i c a t e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a n s m i s s i o nr a t i ol o s sa n dp o w e rl o s sa n d v a r i e d ，fw e r eg o t t e nt o o t h e s es u p p l i e ds u f f i c i e n tt h e o r yd a t a f o rd o m e s t i cd e s i g n i n go fp 一35 0 0h o r i z o n t a ls c r e w c e n t r i f u g e i nt h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e r d e s i g no f p l a n e tg e a r ，s t l nw h e e l a n db e a r i n g sw h i c ha l la r ek e yd e p a r t m e n t so fd i f f e r e n t i a lw e r e i n t r o d u c e d b a s e do nt h em e a s u r e dd a t a 。s i z e so fk e yd e p a r t m e n t s w e r ed e t e r m i n e d ，p r o p e rt y p eo fb e a r i n gw a ss e l e c t e da n dm a t e r i a lo f d e p a r t m e n t sw a sd e t e r m i n e dt o o 3 ds o l i dm o d e lw a sg o r e nb v p r o e n - g n e e r m o d e l i n g m o d eo fq u i n t i cv i b r a t i o nw a sg o r e nb y m o d a la n a l y s i so f3 dg e a rm o d e li na n s y s t h e s ew i l lb et h e f o u n d a t i o no fk i n e t i ca n a l y s i sa n df a u l ta n a l y s i sa n dd i a g n o s i si nt h e n e x ts t e p b e s i d e s ，r e s e a r c h e so ns o m ek e y t e c h n i q u ew h i c hr e l a t et o m a n u f a c t u r ea n da s s e m b l yo fp 一350 0h o r i z o n t a ls c r e wc e n t r if u g e w e r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e ra n dc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sw e r e p r o p o s e d d o m e s t i cm a n u f a c t u r e d p 35 0 0h o r i z o n t a ls c r e w c e n t r i f u g eh a v ep a s s e dt h ei n s p e c t i o n ，t e s tr u nd a t aw a sc o m p a r e d w i t hs a m e t y p e m a c h i n ed a t aa n di n d u s t r i a l s t a n d a r d s t h e i n s p e c t i o na n dc o m p a r i s o nr e s u l t s i n c l u d i n gr o t a t i n gs p e e d ， t e m p e r a t u r eo fg e a r i n g ，v i b r a t i o ni n d i c a t e dt h a tp e r f o r m a n c eo f d o m e s t i cm a n u f a c t u r e dp - 350 0h o r i z o n t a ls c r e wc e n t r i f u g e h a v e m a t c h e dt h ei n d u s t r i a ls t a n d a r d so fo u r c o u n t r ya n da l s oh a v e m a t c h e dt h ep e r f o r m a n c el e v e lo ft h ep r o t o t y p ew h i c hm a d ei n j aa a n ，p e r f o r m a io fd o m e ： m u f a c t u r qphorizontaj a p v e r t o r m a n c eo fd o m e s t i cm a n u f a c t u r e dp3 50 0h o rz o n t a l， - l s c r e wc e n t r i f u g eh a sr e a c h e dah i g h e rl e v e l k e yw o r d s ：p 一3 5 0 0h o r i z o n t a ls c r e wc e n t r i f u g e ，d i f f e r e n t i a l ，d o u b l e 2 k hp l a n e tg e a r sd r i v i n gt r a n s m i s s i o n i i i 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： e t 期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名丝乏! 日期：盟年旦月堕 工程硕士学位论文第一章综述 第一章综述弟一早琢尬 1 1 离心机在化工行业的使用情况 离心机是利用离心力达到固一液、液一液、以及液一液一固的分离，在分离 过程中无需进行任何化学反应，只需经过机械方法即可对固液两向进行分离【l l 。 其分离的目的为：( 1 ) 回收有价值的固相；( 2 ) 回收有价值的液相；( 3 ) 固相和 液相都回收；( 4 ) 固相和液相都排掉，如污泥脱水。 离心机和其它分离机械相比，离心机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特点。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。各类型的离心机品种 繁多，各有特色，正在向高技术参数、系列化、自动化方向发展。离心机现在已 广泛用于化工、石油化工、石油炼制、轻工、食品、医药、纺织、冶金、煤炭、 煤炭、船舶、国防工业等各个领域【2 1 。 离心机在工业生产过程中基本上属于后处理设备，主要用于脱水、浓缩、澄 清、净化以及固体颗粒分级等工艺过程，它是随着各工业部门的发展而发展起来 的。例如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 年为适应乳酪加工工业的需要，发明了用于分离牛奶的分离机。在2 0 世纪中，随着石油综合利用的发展，5 0 年代研制成功自动排渣的碟式活塞排渣分 离机，到2 0 世纪6 0 年代发展成完善的系列产品。随着现代环境保护、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，因此促使卧式螺旋卸 料沉降离心机、碟式分离机和三足式下部卸料沉降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。现在，离心机已经成为化工行业乃至 国民经济各个部门广泛应用的一种通用机械。 1 2 课题来源 株洲化学工业有限责任公司的生产的系列产品之一是聚氯乙烯树脂。离心机 是聚氯乙烯生产过程中的关键设备。在悬浮法生产聚氯乙烯树脂过程中，氯乙烯 单体在聚合釜中聚合生成聚氯乙烯悬浮液，该悬浮液含水量在7 0 左右，而料浆需 经过离心机脱水，使滤饼含水量控制在2 0 2 5 ，再经入下一道工序【3 l 。 我厂1 9 8 5 年聚氯乙烯项目扩建时，从日本引进s h a r p l e s p 一3 5 0 0 卧螺沉降式 离心机。该机的专利技术属于美国s h a r p l e s 公司，由日本巴工业株式会社生产。 工程硕士学位论文第一章综述 该机生产能力大、故障率低、结构紧凑、检修维护方便，但引进过程中日方未提 供相关核心图纸和技术资料，这给日后的检修和维护带来了极大的不便，经过一 段时间的运行后，一些随机备用零配件即告用完，设备故障率也逐年上升，以至 影响正常生产。为扭转生产被动局面，满足高负荷生产的需要，并充分考虑该机 具有一定的先进性，从2 0 0 0 年下半年开始，公司组织了专门工程技术人员利用检 修机会对该机进行了较为详尽的测绘，一些零件也开始t l 制以满足工作需求，在 取得成功经验的基础上，对图纸进一步进行校核、修改和完善。2 0 0 2 年与航空航天 部3 3 1 厂联合进行整机试制，于2 0 0 2 年底顺利完成试制， 2 0 0 3 年初投入使用， 生产现场使用后检测各项技术指标均达到原机试车检验标准。但2 0 0 3 年2 月发现 差速器齿轮部分出现较严重的磨损，为进一步提高整机的可靠性，并考虑到西航 公司在差速器制造方面积累了成功的经验，我公司于2 0 0 4 年3 月开始与西航公司 合作开发差速器，2 0 0 4 年8 月正式投入使用，到目前为止，整机各项性能指标仍 十分稳定。 1 3 国内外离心机差速器性能对比 某厂自2 0 0 4 年月在1 号螺旋卸料离心机上安装国产差速器并投入生产，连续 运转2 年以上，在此期间未产生过异常情况。其运转周期已达到要求。 运转性能的测定：运转性能的测定较为复杂，我们采用了同型号树脂，相同 电流，产量及分离效果接近的条件下测定过载保护器的颤动次数及振动和启动时 间，与现用日产差速器的性能相比较来说明国产差速器的运行性能。测定结果见 一 衣。 表1差速器运行性能参数对比 机型日产差速器 国产差速器 启动时间( s )2 5 3 02 5 3 0 主电流( a ) 8 08 0 过载保护器颤动次数( 次r a i n ) 8 1 8 9 2 0 振差速器端基础 o 0 l 0 o l 动 空载差速器端基座0 0 4 50 0 1 5 ( 差速器端主轴承 0 0 4 80 0 2 m m 差速器端基础0 0 0 80 0 0 6 8 ) 负载差速器端基座0 0 3 40 0 6 5 差速器端主轴承 o 0 30 0 5 5 产量( k g h ) 6 5 7 3 虑饼含水量( ) 2 7 0 42 4 3 6 2 工程硕士学位论文 第一章综述 母液含固量( ) 0 0 0 7 9 70 0 2 5 粘数( m l g ) 1 3 11 3 1 ， 视比重( g m 1 ) 。o 4 5o 4 7 吸油虑( ) 3 0 7 13 0 0 测定日期2 0 0 4 12 0 0 4 1 从表所记录数据可以看出，国产化离心机差速器在各项主要指标上已全面符 合我国离心行业标准，同时也完全达到了原日本样机的各项性能指标，从而说明 该机的整体机械性能已达到较高的水准。 引进一整套p - 3 5 0 0 离心机1 9 8 9 年引进价折合人民币1 5 8 万元台，而3 3 1 厂 制造整机价仅1 9 万元台( 2 0 0 2 年价) ，西航公司差速器价为4 5 万元台( 2 0 0 4 年价) ，该机国产化节约了宝贵的外汇，极大地满足了生产需要，使该机达到最优 性价比，而且打破了外方技术图纸垄断的壁垒，依托自己的技术力量和设备资源 测绘出了较完整的图纸，为实际生产中的维护检修和保养提供了准确的依据。 1 4 课题研究的目的和内容 随着国民经济的发展，市场对聚氯乙烯系列产品的需求量不断增加，对于生 产装置的生产效率和工作状况又提出了新的要求。本课题中的p 一3 5 0 0 卧螺离心机 是我公司聚氯乙烯树脂生产过程中的关键设备，而差速器是卧式螺旋离心机中最 重要的传动部件。由于该生产装置为日本进口，日方在技术方面进行封锁，在检 修和维护方面资料比较少。如果重复引进的话又要花费大量外汇，从公司的整体 情况和经济效益方面考虑，离心机差速器国产化的设计、制造，用以满足我公司 的生产需求是非常必要的，也是符合现在国家提出的走自主创新路线和建立节约 型社会的要求。p - 3 5 0 0 离心机的研究和开发，不仅可以满足我公司的生产要求， 也可以从实际设计、制造和装配调试中积累更多的设计经验，解决一些关键技术 问题，在理论研究上也必将为设计制造部门提供可靠的理论依据和实践指导，这 是本文研究的目的。 本文作者多年来一直在公司从事卧螺离心机的技术管理和研发工作，参与了 进口设备使用检测和维护的技术工作，并作为主要负责人参加了离心机的国产化 研制工作。绘制了p - 3 5 0 0 离心机的大量图纸，其中包括差速器和转鼓等主要零部 件，对卧螺离心机尤其是差速器部分的内部结构和特性很熟悉。在课题进展中， 作者查阅了国内外大量的相关文献，了解了有关卧螺离心机的理论分析和研究成 果，包括一些在理论和结构上有创新的专利文献。 本文简述了螺旋卸料离心机结构和工作原理，重点分析了离心机差速器的结 构原理，对差速器的整体传动效率和效率损失进行了分析计算，并编制了相关程 3 工程硕士学位论文 第一章综述 序进行数据处理和绘制图表进行分析。在编程过程中，通过多种编程语言的比较 比如f o r t r a n 、c 语言的比较和试验，最后采用方便快捷的m a t l a b 编程实现最终 的计算和分析。 在本文研究转鼓运转和差速器中齿轮啮合时。对转鼓和齿轮轮齿进行了分析 计算，提供了转鼓和差速器齿轮传动的设计依据。在进行齿轮应力分析中，采用 p r e 建模，根据图纸绘制了和实物基本一致的三维模型，然后根据应力分析的重 点进行适当的简化。再将模型导入有限元分析软件a n s y s 进行模态分析，得到前5 阶的固有频率和振型。 1 5 本章小结 本章介绍离心机在各行业的发展状况和在我厂的使用情况，提出了课题研究 的来源，对p - 3 5 0 0 螺旋离心机的国外样机和国产机的性能进行了对比，阐述了课 题研究的重要意义，概括了论文研究的主要工作。 4 工程硕士学位论文 第二章p - 3 5 0 0 离心机主要技术参数确定 第二章尹一3 5 0 0 离心机主要技术参数确定 为了进行离心机差速器的设计，分析确定了离心机相关的主要技术参数，并 且分析了影响离心机分离效果的因素及对策。 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。f 值愈大，物料受的离心力愈大，分离效果也就愈好5 1 。 分离因数只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1 4 1 ，即 e ：竺 g 式中国一转鼓的角速度， r 为转鼓半径； g 为重力加速度。 公式( 2 - 1 ) 缈= 2 翮6 0 ： 显然，分离因数即离, t ) , j n 速度与重力加速度的比值。 分离因数的值一般是以转鼓的转速表示的，为实用起见，将国：婴( 弧度 o u 秒) 代入 上式，换算后得到 c = ( 等) 2 ；1 1 2 xl o - 3 公式( 2 - 2 ) 式中，一转鼓半径； 刀一转鼓的转速。 在p - 3 5 0 0 离心机中，转鼓转速为2 9 7 0 r m i n ，转鼓半径为0 2 1 2 5 m 得到e 1 1 2 x 1 0 3x 0 4 2 5 2 x 2 9 7 0 2 = 2 1 0 0 分析上述( 2 2 ) 式可以找到提高分离因数的途径。由于分离因数e 与转鼓半径 r 成正比，因此增大转鼓尺寸时，f 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e 与转鼓转速聆成平方关系，提高转速 时，e 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无限制的，其极限值取决于转鼓的机械强度。 5 工程硕士学位论文第二章p - 3 5 0 0 离心机主要技术参数确定 2 2 沉降离心机的生产能力 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。 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1 9 5 2 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1 6 i ，由于它的表达式简单，概念明确，所以 一直被沿用至今。 2 2 1 沉降离心机理论生产能力 p - 3 5 0 0 离心机转鼓为柱、锥形沉降转鼓，其生产能力计算分为柱形转鼓和锥 形转鼓两部分。 当粒子的沉降过程处于层流区时，离心机的生产能力( q ) 为： q = u f r a = u s 公式( 2 3 ) 其中，s = 刚为离心机的生产能力指数。a 和f r 均随r 变化，特拉文斯基提 出用两者积分的平均值直接求s 值。 s = 上f a ( r ) f r ( r ) d r公式( 2 4 ) r 2 一1 其中，对于柱形转鼓， a ( r ) = 2 万屿f r ( r ) = 国2 r g ，代入上式， 设吒一吒= 厅，吒= r 2 - h ，d = 2 r 2 ，令五= h r 2 ，贝0 s = 把挚2 毋= f r d i ，( ，讲扣蜊2 埘 对于锥形转鼓，s 在径向上及轴向上均是变化的。液层中任意半径r 处的a ( r ) 6 工程硕士学位论文 第二章1 3 5 0 0 离心机主要技术参数确定 和f r 分别为a ( r ) = 2 万心【( 乞一r ) ( r 2 一) 】、f r ( r ) = 缈2 ，g 。 将彳( ，) 和f r 代入( 2 4 ) 式中，经积分并整理后，可得 s = 乃万必( 主3 名+ 言元2 ) 公式( 2 6 ) 对于柱锥形转鼓，s 值由柱形转鼓和锥形转鼓的s 值相加即得： s = f r d 三。( 1 一名+ 1 3 a 2 ) + 厶( 三一三3 见+ 三4 旯2 ) 】 2 乃万d l ( 1 一三3 兄+ 言五2 ) + 争( 三一1 3 名+ 土1 2 五2 ) 】 公式( 2 7 ) 2 2 2p - 3 5 0 0 离心机生产能力 如图卜1 ，p - 3 5 0 0 离心机中l 1 2 5 9 6 m m ，d = 4 2 5 r m ，r l = 1 9 0 r a m ，乞= 2 5 7 m m 所以办：一- q ：0 2 1 2 5 0 1 9 0 ：0 0 2 2 5 m m ，名：办 ：0 0 2 2 5 ：0 1 0 5 5 8 8 2 3 5 。 u z 量z ) 由( 2 - 7 ) 式计算p - 3 5 0 0 离心机转鼓的s 值： s = f r d 三。( 1 一五+ 1 3 a 2 ) + 岛( 主一三3 a + 丢见2 ) 】 = 2 l 。o 。4 2 5 0 5 9 6 x ( 1 一o 1 0 5 5 8 8 2 3 5 + j 1 ( 0 1 0 5 5 8 8 2 3 5 ) 2 ) + o 2 5 7 ( 三一詈x ( o 1 0 5 5 8 8 2 3 5 ) + 石1 ( o 1 0 5 5 8 8 2 3 5 ) 2 ) 】 = 5 7 6 9 2 0 7 9 3 1 4 8 1 5 4 7 ( m 2 ) 按理论计算的离心机转鼓生产能力比实际的生产能力要大，因此要对该公 式计算的结果加以修诈楦以下公式计笪： q = 善“s 式中 善一修正系数 孝= 1 6 6 4 ( a 岛p ) 0 。3 3 5 9 ( 分6 7 4岛 l p 一固、液相密度差，p = 岛一肛 d - 粒子当量直径 三一沉降区长度 掰g 一重力沉降速度，材g = r d = 面a p 万g 彩 一当量沉降面积， 7 公式( 2 8 ) 工程硕士学位论文第二章p - 3 5 0 0 离心机主要技术参数确定 纠6 胁( 甜3 5 9 ( 焉厂4 - o m 3 7 4 7 3 粒子沉降属于层流， = 0 0 7 3 4 ( m h ) 由( 2 - 8 ) 式计算得离心机的最大体积流量：5 7 6 9 2 0 7 9 3 1 4 8 1 5 4 7 。 o = 孝u s = 0 1 7 3 3 7 4 7 3 x 5 7 6 9 2 0 8 0 0 7 3 4 = 7 3 4 1 7 ( m 3 h ) 图2 - 1p - 3 5 0 0 离心机柱锥形转鼓的结构尺寸简图 2 3 转鼓部件结构尺寸确定 转鼓部件是螺旋离心机的主要部件。转鼓的结构、形状和参数在很大程度上 决定了离心机的特点和工艺效果。一般而言，离心机的转鼓部件结构尺寸是根据 分离过程的要求和经济性原则，综合平衡各种因数进行选择的1 1 1 1 2 1 。选择和确定合 理的技术参数是设计螺旋沉降离心机的首要任务。选择这些技术参数的依据是： 悬浮液的特性( 如固液相密度、固相浓度、粒度分布、液相粘度等) 、处理量q 、 分离效率e r 的要求、沉渣产量g 、渣含湿量、输渣功率n 、输渣效率e 。、螺旋 所受转矩m 和轴向力f o 、转鼓和螺旋的相对磨损程度等。 转鼓直径d 的确定要考虑离心机系列型号的标准尺寸，单机生产能力和物料 性质。转鼓的直径是确定系列型号的主要尺寸数据。系列中转鼓直径的数值是从 优先数系中，选取几何级数公比江v 2 = 1 2 6 来确定的。在l d 一定的情况下，沉 降离心机的生产能力大致与d 3 成比例。转鼓直径的选择还要考虑物料性质，对难 于分离的物料，分离因数要求较高时，限于转鼓材料强度，必须选择较小的直径。 转鼓的长度l 一般是按l d 值来确定，对于易分离物料，l d = i 2 ；对于难 分离物料，l d = 3 - - 一4 。l d 4 以后，制造较难，成本增高，目前较少采用。 p 一3 5 0 0 离心机转鼓的主要几何尺寸和参数1 3 1 ： 转鼓直径：4 2 5 m m ： 8 工程硕士学位论文 第二章p - 3 5 0 0 离心机主要技术参数确定 转鼓壁厚：1 2 5 m m ； 沉降区长度：7 8 0 r a m ； 干燥区长度：4 5 0 r a m 。 2 3 1 转鼓强度计算 转鼓在高速旋转过程中产生很大的应力，为使离心机能够在工况下安全运转， 进行转鼓的强度计算是很有必要的，这也是离心机国产化过程中机械设计的一个 重要环节。许多国家相继制订了关于离心机转鼓强度计算方法的国家标准或规范 性文件。目前各国已经公布的离心机转鼓强度计算方法，有苏联标准0 c t 2 6 - 0 1 - i1 7 0 标准、法国标准n f e 4 0 - 0 0 1 7 6 、英国标准b s 7 6 7 1 9 8 3 、德国标准v d m a 2 4 4 0 、 印度标准i s 4 0 7 2 - 1 9 8 4 以及国际标准i s 0 6 1 7 8 - 1 9 8 4 ，中国于1 9 7 4 年在机械工程 手册第7 8 篇中也提出了离心机转鼓强度计算方法。从各国相继提出的离心机转 鼓强度计算方法内容可以看出，随着科学研究与设计计算、制造、检验等水平的 提高，计算方法及内容正在不断发展与完善。各国计算方法的不同，集中地反映 了各国在科学技术水平( 数学、设计计算、材料、制造、检验等) 以及可靠性验 证方面的差异。 离心机转鼓强度计算，包括转鼓应力计算、系数确定和转鼓强度校核三部分 1 6 。 目前，各国离心机转鼓强度计算方法大体分为两类：一类是中国和苏联等国 家采用的方法；另一类是英国、欧共体和国际标准等采用的方法。( 离心机转鼓强 度设计方法的对比分析及发展前景程金凤等) 。 本文根据化工设计手册计算转鼓强度。 转鼓圆筒部分：空转转鼓时鼓壁内的环向应力计算： q = 1 0 。9 q p l r 2 2 缈2 公式( 2 9 ) 式中q 一转鼓开孔引起的表观密度减小系数，不开孔转鼓的q = l ； 局一转鼓材质密度，p = 7 9 9 c m 3 ； 乃一转鼓壁平均半径或圆锥形转鼓大端平均半径； 缈一转鼓的角速度，r a d s p - 3 5 0 0 离心机中，口= l ，p = 7 9 9 c m 3r z = 2 2 3 5m m ，缈= 2 9 7 0 r r n i n = 9 9 万s 由公式( 2 - 9 ) 式： 矾：1 0 9 1 7 9 x 2 2 3 5 2 ( 9 9 z ) 2 = 3 8 1 3 3 9 m p a 圆柱形转鼓环向应力计算： 已知物料密度岛时 9 工程硕士学位论文第二章p - 3 5 0 0 离心机主要技术参数确定 0 2 ：1 0 - 9 0 ) 2 【丛毫盘1 公式( 2 1 0 ) 式中岛一物料或湿虑饼密度( 最大值) ，g c m 3 ； 一转鼓内半径或圆锥转鼓大端内半径，砌； 一物料环的内半径，m m ； 万一转鼓壁厚度，棚。 p - 3 5 0 0 离心机中，仍= 1 0 8 9 c m 3 ，r m = 2 1 2 8 ，吩= 1 9 0 ，艿= 1 2 5 由( 2 一1 0 ) 式： 以：l o - 9 ( 9 9 万) 2 1 0 8 x ( 2 1 2 8 2 - 1 9 0 2 ) x2 1 2 8 ：8 1 5 8 4m p a 、 z l = z ) 圆锥形转鼓环向应力计算 质量均布的物料产生的环向应力 o 2 = 1 0 - 9 0 ) 2 【锚】 公式( 2 11 ) 式中 岛一物料或湿虑饼密度( 最大值) ，g c m 3 ； ，：一转鼓半径或圆锥转鼓大端内半径，咖； 一物料环的内半径，m m ； 万一转鼓壁厚度，i n t o 。 一圆锥形转鼓的半锥角，( o ) p - 3 5 0 0 离心机中圆锥形转鼓段，p 2 = 1 0 8 9 c m 3 ，= 2 1 2 8 ，r 3 = 1 9 0 ，万= 1 2 5 ， = 5 5 0 由( 2 1 1 ) 求得圆锥形转鼓环向应力 o 2 = 1 0 - 9x ( 9 9 z ) 2xc 鼍黑辩瑚瑚6 强度计算系数的选择 加强箍对转鼓有补增强度的作用，可用加强箍系数z 加以修正。 不用加强箍时取z = l ，装有加强箍时由以下公式计算： z ：i + n l a公式( 2 1 2 ) 6 h 式中a 一加强箍截面积，m m 2 ； m 一加强箍个数； 万一转鼓壁厚度，咖； h 一转鼓有效高度，咖。 l o 工程硕士学位论文 第二章p - 3 5 0 0 离心机主要技术参数确定 p - 3 5 0 0 离心机中，无加强箍，取z = l 。 焊缝系数 若焊缝的机械性能与转鼓材料的机械性能相当，应引入焊缝系数k 来考 虑焊缝处强度的削弱。对于按g bl1 3 4 5 规定进行1 0 0 射线探伤检查或其他等效的 探伤方法进行检查的焊缝，其焊缝系数墨= o 9 5 。 开孔系数 a ：转鼓壁开孔后，会降低鼓壁的表观密度，削弱鼓壁强度，应用开孔系数疋、 表观密度减小系数疋来考虑开孔的影响。 p - 3 5 0 0 离心机转鼓鼓壁没有开孔，由文献， 取k 2 = 1 ，k = 1 ： b ：靠近转鼓底部或靠近上环边的单排孔，孔系数咒由下式确定： 墨：_ h - n d 公式( 2 1 3 ) 疗 式中h 一转鼓有效高度，m i l l ； d 一开孔直径，m m ； 一开孔数目。 p - 3 5 0 0 离心机转鼓鼓壁取疋= 1 。 焊缝区的开孔系数 焊缝区一般不应开孔，焊缝区不开孔时，k 值取k 、如、墨、蜀中的较小者。 p - 3 5 0 0 离心机转鼓焊缝没有开孔。 2 3 2 转鼓的强度校核 为 圆柱形开孔转鼓环向总应力校核 对于质量均布的物料载荷( 如液体、能流动的料浆) ，圆柱形开孔环向总应力q q = 墨挚【仃】 公式( 2 1 4 ) 式中佤一空转鼓旋转时转鼓壁的环向应力，m p a ； 一均匀分布物料所引起的环向应力，m p a ； 吼一筛网或衬里产生的环向应力，m p a ，p - 3 5 0 0 离心机转鼓中 o - 4 = 0 ； k 一焊缝及开孔系数。 p - 3 5 0 0 离心机转鼓中圆柱形转鼓段，由( 2 一1 4 ) 式： q = 型号垫：o - , + 吒：3 8 1 3 3 9 + 8 1 5 8 4 = 4 6 2 9 2 3 m p a 工程硕士学位论文第二章p - 3 5 0 0 离心机主要技术参数确定 h = 黜乏 公式( 2 - 1 5 ) 式中吒一是有明显屈服点钢材的屈服点。对屈服点不明显的钢材吒用产生 0 2 残余深长时的应力a o 2 代替；对奥氏体钢材料的许用应力：吒用产生1 o 残余深长时的应力代替 已知物料密度时 q ：1 簪9 k q p l r 2 2 + p 2 警+ 岛辨h p - 3 5 0 0 离心机转鼓中 q ：羔k + 岛警 馘( 2 - 1 6 ) 式中q = 1 ，k = 墨 圆锥形开孔转鼓环向总应力校核按式q = 鱼睾垒 1 2 1，t l = 。 矿f 公式( 2 - 1 8 ) 式中q 一转鼓壁的环向总应力； 见l 一安全系数； 疋，一转鼓材料的抗疲劳强度极限。 p - 3 5 0 0 离心机转鼓的环向应力o 1 = 4 6 3 2 3 5 m p a ，转鼓材料的抗疲劳强度极限 o r _ l = 8 5 m p a ， 力：垒：旦：1 8 1 2 盯，4 6 3 2 3 5 2 4 螺旋部分结构尺寸确定 螺旋输送器在卧式螺旋卸料沉降离心机中又称之为内转鼓。其工作原理是它 与同轴的外转鼓一起高速旋转，通过差速器使螺旋输送器与外转鼓之间形成一定 的差转速。将离心分离后沉降在外转鼓内壁上的物料同步推出外转鼓，收集到机 壳内，实现其卸料的功能。 螺旋输送器是螺旋卸料离心机的主要部件，它能连续地把沉渣送至排渣口排 出机外。它的结构、材料和参数不仅关系到离心机的生产能力、工作寿命，而且 还关系到分离效果的好坏。螺旋输送器边缘所形成的回转外廊同转鼓的形状相同。 为了输送沉降在转鼓内表面的物料，螺旋与转鼓以相同的方向旋转，但转速不同 ( 转差为5 7 6 r m i n ) 。 螺旋输送器由螺旋叶片、内筒、加料隔仓、左右轴颈等组成，如图1 - 2 所示。 工程硕士学位论文第二章p - 3 5 0 0 离心机主要技术参数确定 图1 - 2 螺旋部件结构图 卜左轴颈2 一螺旋叶片3 一内筒4 一加料隔仓5 - ；自i 速锥6 一右轴颈 p - 3 5 0 0 卧式螺旋离心机螺旋部分技术参数【3 1 ： 螺距：1 8 7 m m ； 叶片厚度：l o m m ； 半锥角：5 5 。； 螺旋方向：左； 螺旋头数：2 。 2 5 驱动功率计算 离心机的功率计算是离心机设计的重要内容之一，也是合理确定电机功率、 正确选择电机型号的主要依据 6 1 。 一般情况下，离心机的功率消耗应包括：启动回转件和物料所消耗的功率， 轴承摩擦消耗的功率，机械密封摩擦消耗的功率，转鼓及物料表面与空气摩擦消 耗的功率，卸渣消耗的功率和和向心泵排液消耗的功率等。 由参考文献，结合p - 3 5 0 0 卧式螺旋离心机的实际工作特点，离心机所需要 的功率主要包括以下几个方面的功率： 启动物料达到操作转速所需的功率， 对于连续加料的离心机，加入转鼓的物料被分离成滤渣和滤液( 过滤式离心 机) ，或被分离成沉渣和分离液( 沉降式离心机) ，或被分离成沉渣、轻液和重液 ( 分离机) 等各种组成成分，这种情况下启动物料的功率。应为各种成分消耗功 率之和，即 1 4 工程硕士学位论文 第二章p - 3 5 0 0 离心机主要技术参数确定 。：争玛矿 鲁2 0 0 0 式中 鸭一单位时间内各组分排出的质量，堙s ； 一各组分从转鼓内排出位置的半径，m ； z 一物料被分离的组分数。 对于p - 3 5 0 0 卧式螺旋离心机， 。：了z m , ，：o z 一1 9 3 2 x0 1 8 0 7 5 x ( 4 9 5 ) 2 2 0 0 0 = 4 2 8 k ：w 克服支撑轴承摩擦所需的功率n 3 ； 肛：f ( p y l + p z v 2 ) ：f 彩( p 1 4 + p 2 d 2 ) 七 。 1 0 0 02 0 0 0 式中 厂一轴承摩擦系数，滑动轴承厂= o 0 5 0 1 ，滚动轴承； f = 0 0 0 5 - 0 0 2 丑，最一两主轴承的支承反力，n ； 一，吃一两主轴颈的圆周线速度，m s ； 4 ，吐一两主轴颈的直径，m 。 丑，是指在转子静载荷与动载荷共同作用下的轴承支反力。静载荷为 转动件及物料的总质量，动载荷为转子偏心产生的离心惯性力，于是，轴承的总 载荷为： p = m o ( g + 鲫2 ) 式中 一转动件和物料的总质量，堙； e 一转动件和物料的质心对转鼓回转轴线的偏心距，通常，间歇 操作的过滤离心机e = 2 x 1 0 r ，间歇操作的沉降离心机和 连e = l x l 0 弓r 续操作的过滤离心机，连续操作的沉降离心 机 e = 0 5 x 1 0 一r ，m ： r 一转鼓内半径，m 。 p - 3 5 0 0 离心机中，转筒壳体组件质量为2 0 0 3 6 k g ； 螺旋输送器质量为