机械毕业设计（论文）-自同步立式振动离心机设计【全套图纸】.doc

中国矿业大学2008届本科生毕业设计目 录1 绪论11.1煤脱水的意义11.2煤的性质与脱水效果的关系11.3煤脱水的方式21.4离心机在工业上的应用与分类21.4.1离心机的应用及其发展21.4.2、离心机的分离过程及分类31.5离心机工作原理42 方案确定62.1传统的卧式振动卸料离心机62.1.1传统的卧式振动卸料离心机的结构62.1.2传统卧式振动离心机的主要特性参数82.1.3传统卧式离心机激振器和及特点92.1.4传统卧式振动离心脱水机的优缺点92.2 VC型立式振动离心机的介绍102.3设计方案的确定103 各种工艺参数对离心机工作的影响123.1颗粒在筛篮上的受力分析123.2筛篮的半径和筛面倾角的影响153.3筛篮转速的影响153.4振幅和频率的影响164 离心机运动学和动力学分析174.1物料的运动学分析174.1.1物料的受力分析及运动方程式174.1.2滤渣停留时间的计算194.2振动系统动力学分析234.2.1自同步原理234.2.2振幅分析275 VVC离心机结构分析及其设计315.1 VVC离心机的总体分析315.1.1 VVC离心机的总体结构分析315.1.2 VVC离心机的质量325.2筛篮结构分析及设计325.2.1筛篮的结构分析325.2.2筛篮主要结构参数的确定335.2.3离心机筛篮表面积、离心因数、滤渣层平均高度的计算375.3传动系统及其支承装置的设计395.3.1传动系统及其支承装置的总体结构设计395.3.2回转电机的选型405.3.3 V带传动的设计415.4 激振器的设计425.4.1等效参振质量的计算425.4.2振动电机的选型435.4.3偏心块的设计455.4.4轴承的选择计算495.4.5轴的设计及校核495.5主轴的设计及校核555.6碟形弹簧的设计605.6.1碟形弹簧的介绍605.6.2碟形弹簧的设计625.7主轴轴承的校核645.8橡胶弹簧的设计645.8.1支承橡胶弹簧655.8.2减振橡胶弹簧675.8.3定位橡胶弹簧685.9键的校核696 VVC离心机设计思考与展望726.1对设计中带传动的思考726.2对设计中振动部分的思考726.3对设计中筛篮的思考736.3.1传统筛篮结构的不足736.3.2新型筛篮的特点和工艺措施74结论76参考文献77翻译78英文原文78中文译文：83致谢87全套图纸，加153893706 中国矿业大学2008届本科生毕业设计 第14页1 绪论1.1煤脱水的意义煤的水分是指单位质量的煤中水的含量。煤的水分有内在水分和外在水分两种。外在水分足指在开采、运输、洗选过程中附着在煤颗粒表面和裂缝中的水；内在水分是指吸附或凝聚在煤颗粒内部毛细几中的水。外在水分可以借助机械方法脱除；内在水分只有热力干燥才能脱出。煤的水分是评价煤炭经济价值的基本指标。煤的内在水分与煤的煤化程度和内部表面积有关，一般来说变质程度超低，煤的内部表面积越大，水分含量越高，经济价值越低。煤的水分对其贮存、运输、加工和利用均有影响。在贮存时，水分能加速煤的风化、碎裂、白燃；在运输中，会增加运输量，加大运费并会增加装斗、卸车的困难。在西北、东北、华北等寒冷地区，水分大的煤在长途运输中会冻结，给卸车造成极大困难。煤的水分在燃烧时要消耗一定的热量，在炼焦时要延长结焦时间，而且影响焦炉的寿命。脱水和干燥是固体和液体分离的过程。绝大多数选煤厂分选过程是在水中进行的，因而选煤产品在出厂前需进行脱水。以满足用户和运输要求，现行产品目录规定精煤水分一般不超过1213，个别用户煤、出口煤和高寒地区湿煤冬运要求精煤水分在89以下。水是煤中的杂质，不仅对用户使用和冬季运输带来困难，而且降低货运量和浪费运输能力，增加运费。因此，选煤厂的出厂产品必须尽量降低水分。1.2煤的性质与脱水效果的关系（1）孔隙度一般把物料中孔隙部分与总容积之比值叫做孔隙度。物料间孔隙愈大，积存水量愈多，但毛细管作用较弱，脱水较容易。孔隙愈小，毛细管作用愈强，脱水愈困难。（2）比表面积比表面积用单位质量物料所具有的总表面积表示。显然物料的比表面积愈大，表面吸附水愈多，脱水愈因难。（3）润湿性物料表面硫水性愈强，物料与水的相互作用愈弱，脱水愈容易。（4）细泥含量物料中细泥充填刁：物料扎隙间或吸附于物料表面上增加了毛细管仍：用力、物料的比表面积和吸水强度会使物料脱水因难。（5）粒度组成物料的粒度组成决定物料的间隙，进而影响到含水多少和脱水难易，颗粒越大，脱水越难。毛细管和比表面积愈大脱水越易。1.3煤脱水的方式脱水方法可大致分为重力脱水、离心脱水、过滤脱水、压滤脱水。用离心力来分离固体和液体的过程称为离心脱水。离心脱水可以采用两种不同的原理：离心过滤和离心沉降。离心过滤是把所处理的含水物料加在旋转的锥形筛面上，由于离心力的作用，团体紧贴在筛面上随转子旋转，液体则通过物料间隙和筛缝甩出。离心沉降是把煤泥水加在筒形(或链形)转子中，由于离心力的作用，团体在液体中沉降，沉陷后的物料进一步受到离心力的挤压挤出其中水分过滤式主要用于较粗颗粒物料的脱水，如末煤和粗煤泥的脱水；沉降式主要用于细颗粒物料的脱水，如尾煤和细煤泥的脱水。也有两种兼有的离心沉降过滤、多用于浮选产品的脱水或煤泥回收。1.4离心机在工业上的应用与分类1.4.1离心机的应用及其发展在现代工业中，固液系统（包括悬浮液和乳浊液）分离的目的是：（1）回收有价值的固相，排掉液相；（2）回收液相，排掉固相；（3）固、液两相都回收；（4）固、液两相都排掉（如污泥脱水）。达到固-液分离的主要操作方法有重力沉降、过滤和离心分离。利用离心力来达到固-液、液-液、以及液-液-固分离的方法通称为离心分离。实现离心分离操作的机械称为离心机。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，并且具有连续运转、自动遥控、操作安全可靠和占地面积小等优点。因此自1836年第一台工业用三足式离心机在德国问世，迄今近两百年以来已获得很大发展。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，专用机种越来越多。现在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。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。离心机基本上属于后处理设备，主要用于脱水、浓缩、分离、澄清、净化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相应发展起来的。例如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世纪之后，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，以便使重油当做燃料油使用，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，因此促使卧室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，特别是卧室螺旋卸料沉降离心机的发展尤为迅速。 离心机的结构、品种及其应用等方面发展很迅速，但其理论研究落后于实践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，往往仍然要凭借经验或试验。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缩非常容易变化，沉降速度、渗透率、孔隙率以及若干其它参变数，都随着悬浮液的物理性质的改变而改变。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，这就需要用科学的观察和测试手段，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。随着现代科学技术的发展，固-液分离技术越来越受到重视，离心理论研究迟缓落后的局面也正在积极扭转。离心机是固液分离技术的主要设备之一，其发展前途大有可为。1.4.2、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。而与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，可以理解为包括加料、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在原则上是相近似的，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。一般情况下，离心沉降过程是指含有中等及大量固体颗粒的悬浮液的工艺分离过程。对于容积浓度不超过5%的低浓度悬浮液的分离，习惯上称为离心澄清过程。当离心沉降过程用于分离两种重度不同，而又互不相溶的液体所形成的乳浊液时（包括含微量固体颗粒的乳浊液，即液液固），称为离心分离过程。这种名称上的区别以及浓度的界限是相对的和人为的，实质上悬浮液或乳浊液中固体颗粒沉降过程的运动学和动力学规律是一样的。这里必须强调指出，分离过程的描述仅仅是整个离心分离作用机理的一部分。在离心过滤和离心沉降分离固体颗粒的过程中都具有“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孔隙，反而有助于降低沉渣的含湿量。离心机的分类方法很多，可按分离原理、操作目的、操作方法、结构形式、分离因素、卸料方式等分类。1.5离心机工作原理离心过滤是把所处理的含水物料加在转子的多孔筛面上，由于离心力的作用，固体在转子筛面上形成固体沉淀物，液体则通过沉淀物和筛面的孔隙而排出。由于液体是通过物料的孔隙排出，而脱水物料的粒度组成影响着孔隙的大小，所以，脱水效果受粒度组成的影响很大。离心脱水机是利用离心力进行固液分离的，其离心力要比重力场中的重力大上百倍，甚至上千倍，通常用分离因数表示这关系，亦称离心强度，用z表示。物料的脱水过程，由于离心力的作用而得到强化。离心力的大小影响着脱水的效果。分离因数就是表示离心机中物料所受离心力大小的一个指标。所谓分离因数是指物料所受的离心加速度和重力加速度的比值。可用下式表示：分离因数是离心机性能的一种指标。分离因数越大、物料所受的离心力越强，团体和液体分离的效果也越好。改变离心机转筒的半径和转速，就能改变分离因数的大小。由于分离因数是与转速的平力正比，所以，为了提高分离因数，改变转速的效果比改变半径的效果要大得多。因此。在一般离心脱水中都是通过改变转筒的回转速来提高其分离因数的。但是。对选煤用的离心机，不适当地提高其分离因数，会引起不利的影响。离心力提高更容易把煤粒破碎，从而增加煤在滤液中的损失；而同时动力消耗也要相应地加大对设备的强度要求更高。因此，应当全面考虑这些因素来决定所采用的分离因数。在选煤厂，采用过滤原理的离心机，分离因数一般为80200，采用沉降原理的离心机，分离因数为500-1000左右。近期发展趋势是降低离心机转速，增加离心机的转子半径，使分离因数在改进，目前已趋完善。虽然机型很多，但各机型之间的主要差别是振动系统和激振方法不同。目前生产的振动卸料离心脱水机其分离因数一般在60一140之间，适用于013mm的物料脱水。振动卸料离心脱水机的传动机构使筛篮方面绕轴作旋转运动，另一方面又沿该轴作轴向振动，因此，强化了物科的离心脱水作用，并促使筛面上的物料均匀地向前移动。物料层在抖动时，还有助于清理过滤表面，防止筛面被颗粒堵塞，减轻物料对筛面的磨损。由于具有以上特点，使振动卸料离心脱水机得到了日益广泛的应用。振动卸料离心脱水机又分卧式和立式两种。前者有wzL1000型、WZL一1000A型、TWz一1300型等6后者有美国VC48和VC56型，国产的TZ一12型、TZ14型和LZI1000型等。2 方案确定2.1传统的卧式振动卸料离心机2.1.1传统的卧式振动卸料离心机的结构振动卸料离心机是指附加了轴向振动或周向振动的离心力卸料离心机，前者称作轴向振动卸料振动离心机，后者称作扭转振动卸料离心机。轴向振动卸料离心机又分为立式和卧式两种，目前多向卧式发展。（图2-1，图2-2）是我国生产的WZL-1000型振动离心机的结构图，装有筛篮的主轴通过轴承支承在惯性激振器的壳体内，后者由三个环形剪切弹簧支撑在壳体的弹簧座上。主轴由主电机经皮带轮带动旋转，使主轴筛篮产生轴向振动，并由冲击板限制其轴向位移。操作时，物料由料管加入，经旋转的布料斗，被抛在筛篮小端的筛网上，在离心力的作用下液体通过筛网由排液口排出，其固体物料在离心力和振动力的联合作用下，沿筛篮表面向筛篮大端移动，最后从出料口排出。离心力是由回转电机带动回转系统旋转而产生的，同时可以看出激振器是振动离心机的一个很重要部件，作用是产生激振力，使筛篮产生轴向振动。因此，物料在筛篮上的运动状态不仅取决于筛篮的结构参数和转速，而且和激振力的大小和频率有直接的关系，目前比较成熟的离心机大多都采用的是双振子惯性激振器，这样只产生单向激振力。图2-1WZL-1000振动离心机主视图图2-2WZL-1000振动离心机侧视图1-筛篮 2-给料管 3-主轴套 4-长板弹簧 5-机壳 6-机架 7-冲击8-短板弹簧 9-轴承 10-偏心轮 11-激振用电动机 17-胶带轮 18-三角胶带图2-1，图2-2是WZL-1000振动离心机的双振子激振器工作原理图2.1.2传统卧式振动离心机的主要特性参数WZL-1000振动离心机的特性参数如下：筛篮直径5001500筛篮锥角2036 0分离因数60180振动频率2537 Hz筛篮振幅1.510 mm处理物料直径200 mm悬浮液浓度3040%最大固体产量400t/h2.1.3传统卧式离心机激振器及特点这种离心机主轴套3上装有一对偏心轮10，四个偏心轮的质量及偏心距相等，激振电机11经剖分式皮带轮带动主动轴旋转，并借助一对齿数相同的齿轮，使从动轴作反向同步旋转。因此，偏心质量所产的离心力，在垂直方向互相抵消，在水平方向的合力使筛篮产生轴向振动。当偏心轮转到某一位置时，激振力在垂直和水平方向的分力为： （2-1）式中：偏心轮的总偏心质量（）e偏心轮的偏心距（m）激振频率（角频率,弧度/s）P0激振力幅值（N）该激振器的特点是：每个偏心轮上有3个圆孔，可对称地塞入圆柱形质量以增加偏心质量，从而调节激振力和筛篮振幅的大小。通过改变剖分式从动皮带轮中间垫片的厚度，可改变从动皮带轮与传动带的接触轮径，从而可调节激振频率和调节筛篮的振幅。传动齿轮用夹布胶木制成，可减少由于传动冲击而产生的噪音。2.1.4传统卧式振动离心脱水机的优缺点该卧式振动离心脱水机是利用轴向振动强化离心脱水的设备。这种轴向振动，既可以使筛面上的物料均匀地向前移动，以可使筛面上的物料层松散，促使所含的水分更易分出。同时，物料层抖动还可以防止筛缝被颗粒堵塞。改变振幅和频率可以调节物料的移动速度，从而控制物料在离心机中的脱水时间。因而这种离心机具有生产能力高，脱水效果好，耗电少，颗粒破碎小同时易于控制的等优点。但是该类型卧式振动离心机存在的不少问题是：如图所示，由于其结构比较复杂，激振电机通过齿轮传给另一轴，由于高速齿轮传动，须采用稀油润滑，因而需要专门的润滑系统。同时由于密封等原因，极易造成漏油等现象，使维修工作量大。经过最近几年的实践证明，不仅成本较为昂贵，而且故障频繁，维护费用高，已不能适应生产需求，有被逐渐淘汰的趋势。2.2 VC型立式振动离心机的介绍由CMI公司生产的VC型振动离心机利用振动脱水与离心力脱水相结合对物料进行脱水。物料经溜槽进入机器的上部，在旋转筛篮的底部均匀分布，给入的物料由耐磨板和以前被加速的物料的摩擦力缓慢加速到筛篮的表面。加速后固体物料依靠振动输送向上到筛篮表面，当物料在筛面向上移动，离心力使液体通过筛缝流出，同时使固体物料向上运动到卸料区域。当物料短暂停留在离心机内，振动和料层松动增加了固液分离。离心液汇集于槽内，由开口处流出。固体料从筛篮的上部卸出，缓慢地保持固体料到外壳的边上，并落到设备底部运出。已生产出VC56，VC48直径的离心机。这种八十年代从美国引进的立式振动离心机，现已得到了大量的推广，但在使用中机械故障很高，由于设计不合理，造成维修量极大。每年我国都要从国外引进近亿元的离心机产品，投资大，配件供应困难，困扰着选煤行业。2.3设计方案的确定离心脱水机是选煤厂最重要的设备，也是加工精度和技术含量较高的设备。我国选煤业从50年代后期起步，用于煤泥和末煤的离心脱水机主要有立式螺旋刮刀离心机、卧式振动离心机、沉降离心机、沉降过滤离心机等。这些机器5060年代从波兰、苏联、德国等国引进并国产化后，曾对我国选煤业发展，起到了巨大的作用。但由于结构落后，制造粗糙，进入90年代以后，这些离心机已经不能满足选煤业的迅速发展，于是国家又从美国引进VC48、VC56立式离心机。这两部离心机结构复杂，维修特别困难，淘汰呼声很高。进入21世纪，我国又相继从德国、韩国、澳大利亚引进离心机，这些机子价格昂贵，有些单位要国产化，但成功率不高。在充分分析和理解传统振动离心机的原理、优缺点后，本设计本着发展民族工业，走自已创新之路的精神，在徐州大陆振动公司专利(专利2607200)的基础上并结合其专利产品DWL-1000单振子卧式振动离心机和CMI公司生产的VC立式振动离心机，设计了此自同步双振子立式振动离心机。本设计克服了VC48、VC56立式离心机结构复杂，维修特别困难等缺点，同时解决了DWL-1000单振子卧式振动离心机在使用中存在的问题，并参考上述传统振动离心机，在设计出VVC自同步立式振动离心机(处理能力为250t/h)。该立式振动离心机，与现有技术相比，在结合传统振动离心机生产效率高，脱水效果好，易于控制优点的同时，简化其结构，使其结构紧凑合理，运转更为可靠，而且不需专门的润滑系统，并设计了专门的方便维修管理的通道，方便了维修，具有广泛的实用性。该立式振动离心机是目前世界上结构最为简单的离心机，造价也最低，最适用于浮选精煤和煤泥的脱水，可用于80mm以下的物料脱水，也可取代高频筛做煤泥脱水用。其结构简图如下图：1-减振弹簧； 2-皮带轮； 3-支撑弹簧； 4-偏心块； 5-轴； 6-筛篮； 7-机架图23 VVC自同步立式离心机原理图3 各种工艺参数对离心机工作的影响离心机的工艺参数(如筛篮倾角、振幅、频率、回转速度和回转半径等)影响物料在筛上的运动状态而物料的运动状态在很大程度上决定着机器的脱水效率。所以，在设计或使用离心机时，都需要适当地选择离心机的工艺参数。由于离心机除回转外又加入了振动，物料在振动离心机中的运动和在一般的过滤式离心机上不一样。要正确地解决这个问题，先要了解这些工艺参数和物料运动状态的关系。我们研究单个颗粒在筛篮上的运动情况。3.1颗粒在筛篮上的受力分析当颗粒与筛篮一起回转时，作用在颗粒上的力有四种，如图3-1所示。图3-1颗粒在筛篮上的受力分析颗粒随筛篮回转而产生的离心力C，其计算公式为 （3-1）式中： m颗粒的质量kg -筛篮的回转速度rads；r一颗粒的回转半径，m。颗粒的重力G，其计算公式为 Gmg式中 ： g重力加速度，ms。颗粒随筛篮作轴向振动而产生的惯性力P，其计算公式为： P式中： 筛篮轴向振动的角频率 (相当于激振偏心轮回转的角速度)，rads；A筛篮轴向振动的振幅，m；振动的相位角(即激振器偏心轮回转的相位角)，t；T偏心