卧式螺旋离心机的理论计算与分析硕士论文.pdf

北京化工大学 硕士学位论文 卧式螺旋离心机的理论计算与分析 姓名 刘忠明 申请学位级别 硕士 专业 化工过程机械 指导教师 范德顺 20040520 北京化工大学硕士学位论文 卧式螺旋离心机的理论计算与分析 摘要 差速器是卧式螺旋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 而振动问题是离心机械常见的问题 对其进行计算是非常必要的 本文主要是就这两方面进行研究分析 本文第一部分对卧螺沉降式离心机1 2 0 0 的差速器中行星齿轮进 行了有限元分析计算 采用p r o e 实体建模导入a n s y s 在a n s y s 中对行星轮系轮齿的整个啮合过程进行应力分析 找出了啮合应力分 布状况 得出齿轮的接触应力当接触点位于主动轮单齿接触区靠近齿 根部位时达到最大值 提供了差速齿轮传动的理论分析依据 本文第二部分对卧螺沉降式离心机的转子动力特性进行分析 运 用p r o e 来采集振动分析中的力学模型计算所需数据 用m a t l a b 软 件对卧螺沉降式离心机的双转子系统的振动特性进行编程 计算了卧 螺沉降式离心机1 2 0 0 的前几阶临界转速和各个位置的不平衡响应并 与a n s y s 模态分析结果进行了对比分析 计算得到的卧螺沉降式离 心力1 2 0 0 工作转速远远小于第一阶临界转速 在正常工作条件下不 会产生共振 找出了不平衡响应中振动幅度最大的位置位于卧螺沉降 式离心机的脱水区 这对于整机平衡 减小振动很有现实意义 本文 的振动计算对于以后卧螺沉降式离心机的振动研究 以及同类双转子 系统的动力学计算 具有一定的参考价值和实用价值 北京化工大学硕士学位论文 关键词 卧螺沉降式离 i i 机 差速器 振动特性 p r o e a n s y s 北京化工大学硕士学位论文 t h e o r yc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s o fh o r i z o n t a ls c r e w d e c a n t e rc e n t r i f u g e a b s t r a c t p l a n e t a r yg e a rd i f f e r e n t i a l i st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nh o r i z o n t a l s c r e wd e c a n t e rc e n t r i f u g ew h i c hc a l ld e c i d e st h eo p e r a t i o n a lc a p a b i l i t yo f c e n t r i f u g e t h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e ri st h ef i r r i t ee l e m e n ta n a l y s i so fp l a n e t a r y g e a rd i f f e r e n t i a l i nh o r i z o n t a ls c r e wd e c a n t e rc e n t r i f u g e i tb u i l d se n t i t y m o d e li np r o et h e nl e a di tt oa n s y s a n a l y s e ss t r e s so fm a t i n gp r o c e s s o f p l a n e t a r yg e a rd i f f e r e n t i a la n df i n d s t r e s sd i s t r i b u t i o n i tr e a c h e st h e m a xs t r e s sw h e nt h ec o n t a c tp o i n t sl o c a t ei nw h e r e t h es i n g l eg e a rc o n t a c t a r e ao fd r i v eg e a ri sn e a rt h er o o t t h i sp r o v i d e sg o o de x a m p l e i nt h e o r y a n d a n a l y s i so f p l a n e t a r yg e a r d i f f e r e n t i a l t h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e ri st h ea n a l y s i so f r o t o rd y n a m i c so f h o r i z o n t a ls c r e wd e c a n t e rc e n t r i f u g e1 2 0 0 i tc o l l e c t sd a t a o fm e c h a n i c a l m o d ei np r o eu s e di nv i b r a t i o n c o m p i l ep r o g r a m o fv i b r a t i o nc h a r a c t e r o fh o r i z o n t a ls c r e wd e c a n t e rc e n t r i f u g ei nm a t l a b i tc a l c u l a t e st h e p r e v i o u s o n e sc r i t i c a l s p e e do fr e v o l u t i o n s a n du n b a l a n c er e s p o n s ea t h i 北京化工大学硕士学位论文 e v e r yl o c a t i o na n dc o m p a r e s i tw i t ht h er e s u l to f a n s y s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e w o r k i n gs p e e d o fh o r i z o n t a ls c r e w d e c a n t e rc e n t r i f u g e12 0 0i sf a rb e l o wt h ef i r s t c r i t i c a l s p e e da n dt h e r e s o n a n c ev i b r a t i o nw i l ln o to c c u r i tf i n d st h em a xa m p l i t u d eo f v i b r a t i o n i nu n b a l a n c er e s p o n s ei sa td e w a t e r i n ga r e at h ev i b r a t i o nc a l c u l a t i o ni n t h i sp a p e rh a saa c t u a la n dr e f e r e n c ev a l u ei nf u t u r er e s e a r c hi nh o r i z o n t a l s c r e wd e c a n t e rc e n t r i f u g ea n ds a m e t w o r o t o rs t r u c t u r e k e yw o r d h o r i z o n t a ld e c a n t e rs c r e wc e n t r i f u g e p l a n e t a r yg e a r d i f f e r e n t i a l v i b r a t i o nc h a r a c t e r p r o e a n s y s w 北京化工大学 学位论文原创性声明 y 6 0 1 9 9 1 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的 指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明 引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担 学位论文作者签名 刭离明 工o o 斗年f 月卫 日 北京化t 大学坝1 学化玲文 1 1 概述 i i 1 离心机的发展概况1 1 第一章绪论 离心分离是利用离心力对液一固 液 液 固 液 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 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 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 1 1 2 离心机的分离过程及分类 1 离心分离根据操作原理可区分为两类不同的过程一离心过滤和离心沉降 而 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原理在原则上相近似 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 在离心过滤和离心沉降分离固 北京化1 人学硕 学位论文 体颗粒过程中都具有 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空隙 反而有助于降低沉渣的含湿量 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 见图l 一1 1 1 1 3 离心机的特点及应用范围 图l i 离心机的分黄 离心机的主要特点 一是使用范围广 二是对物料的适用性较强 三是产品 的规格多 变形多 离心机一般是工艺流程中的后处理设备 直接关系到产品的 最终质量 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 2 北京化t 人学硕i 学位论义 液相 而且具有节省劳力 减轻劳动强度 改善劳动条件 并且有连续运转 自 动遥控 操作安全可靠和占地面积小等优点 因此自1 8 3 6 年第一台工业用的三 足式离 心机在德国问世 迄今一百多年来已获得很大的发展 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 专用品种越来越多 现在离心机已被广泛应用于化工 石油提炼 轻工 医药 食品 纺织 冶金 煤炭 选矿 船舶 环保 军工等各个部门 如湿法采煤的煤粉回收 石油开采的钻井泥浆净化回用 铀同位素的浓缩 污水 处理的污泥浓缩和脱水 石油化工产品的精制 抗菌素 农药的提取 牛乳 酵 母 啤酒 果汁 砂糖 桔油 动植物油 米糠油淀粉等食品的制造 织品纤维 脱水 润滑油 燃料油的提纯等都需要使用离心机 离心机已成为国民经济各部 门广泛应用的一种通用机械 过滤介质作为过滤分离机械的心脏材料 其质量直接决定者整个机器设备的 性能 过滤介质有很高的性能要求 要保证较高的过滤速度 较低的滤液浓度 较少的物料损耗 同时 介质应该拥有较好的再生能力和较长的使用寿命 目前我国的过滤材料年需求量约5 0 0 0 万平方米 生产量约4 0 0 0 万平方米 生产中尚需进口部分国外滤布 目前用于分离机械的传统的过滤材料主要有涤 纶 丙纶 尼龙 腈龙 粘胶纤维和棉花等 在一些特殊的工作条件下 如过滤 浓酸 浓碱或在高温下工作 这就需要功能性极强的材料傲过滤介质 1 适合于这些物料过滤的材料有新型的玻璃纤维滤布和聚四氟乙烯滤布等 此 外 采用水微孔陶瓷 微机树脂 烧结金属材料和无机晶须等新型的过滤材料在 很大程度上得到了开发 有的已经进入应用阶段 另外 膜过滤技术包括反渗透 超滤和微滤也得到了广泛应用 i n 夕i 在过滤材料研究 生产 应用中 都已形成了一个较完整的系统 其材 料开发朝非织布过滤材料 复合膜技术的过滤材料方面发展 朝高技术 高性能 的材料如玻璃纤维 聚四氟乙烯 芳香族聚酯胺纤维 碳纤维 金属纤维的方面 发展 在工业发达国家如美国和日本 非织造滤布材料占总滤布材料的5 5 以 上 西欧的非织造过滤材料占7 5 由于世界工业的发展面临如何节省能源 有效利用资源 加强环境保护 因 北京化t 人学硕i 学位论义 此 过滤与分离机械方向正朝着下面几个方向发展 1 1 大型化 高参数 由于能源 资源 环保等工业的发展都是需要单机能力大 所以大型化 高 参数的设备主要表现为 1 卧式螺旋卸料离心机 出现直径为1 1 5 m 以上及分离因数为1 0 0 0 0 的螺旋离心机 碟片离心机直径为1 5 0 0 m m 2 刮刀离心机 a l f a l a v a l k r a u s s m a 自f i 公司的普通型与虹吸型刮刀卸 料离心机均有2 m 左右的产品 r o b o t a l 公司生产的刮刀卸料离心机转鼓直径d 2 1 0 0 m m 功率1 1 0 k w 3 三足离心机直径达3 m 大直径 自动卸料 密闭液压刮刀 自动清洗 虹吸三足离心机 2 节能型 复合型 随着分离机械向大型化发展 如何降低单位处理量能耗是当务之急 因此离 心机如何用最小的能耗提高其滤饼脱水效果得到最干的滤饼 或为后续的干燥工 艺节能 因此 有大量的节能型过滤与分离设备出现 1 螺旋离心机增加挤压段 2 各种离心机普遍采用变频 双变频 或液力传动 比干燥脱液大大节 能 有适宜的分离因数 启动阶段的功耗合理 3 过滤 洗涤加干燥三合一 3 增加过滤分离推动力 刮刀卸料离 i i 机 三足离心机增加虹吸作用 增加虹吸作用后可增加推动力 提高过滤速度 处理量 调节生产周期 滤 i i e 反面均可洗涤 带式真空过滤机 在过滤带的卸渣端增加简易的压榨装置 使滤饼更干 回转真空过滤机增加蒸汽 加压装置 使过滤推动力为真空与加压 同时有蒸汽可以强化对滤饼水分的蒸发 作用 4 机械化 自动化 智能化 最典型的是板框及厢式加压过滤机 其优点是能适应多种操作工艺 缺点是 劳动强度大 从它改迸为厢式到增加压榨隔膜 同时在自动拉板 自动振打 自 动洗涤 刮去残余滤饼 自动压紧 自动补偿装置等全面自动化 机械化及改善 北京化t 人学硕 学位论义 劳动条件等方面有了长足进步 实现了无人操作 在设计上 完美设计型 模块 化设计等十分普及 i i 4 螺旋卸料沉降式离心机的概况 1 l p q 寻2 j 螺旋卸料沉降式离心机是高速运转 连续进料 分离分级 螺旋推进器卸料 的离心机 螺旋卸料沉降式离心机分立式螺旋卸料沉降式离心机和卧式螺旋卸料 沉降式离心机 本文研究的是卧式螺旋卸料沉降式离心机 现该离心机已广泛用 于石油 化工 冶金 煤炭 医药 轻工 食品等工业部门和污水处理工程 它 利用离心沉降法来分离悬浮液 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 最初的卧式螺旋卸料离心机是由两对开式齿轮传动获得转鼓与螺旋之间的 差转速 以输送沉渣并被应用于淀粉工业上 真正现代的有实用价值的第一台螺 旋离心机首次使用了二级行星齿轮差速器 卧螺离心机出现后 由于具有突出的 优点而得到了迅速的发展 在各种国际展览会上 各种各样的螺旋离心机 是所 展示出的离心机中最吸引入的机型 可见各国对螺旋离心机的重视 螺旋卸料沉降式离心机是国际上五十年代发明的机械 七十年代 我国开始 引进 国产化一些机型成为原化工部七五科技攻关项目 八十年代我国就开始测 绘 已测绘德国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 l a v a l 公司等国外著名公司生产的多种规格的离心机 并进行仿制 国家当时在全国组织6 个生产厂家进行仿制生产 现国内已能生产的螺旋卸料沉 降式离心机有w l 2 0 0 w l 3 5 0 w l 4 5 0 w l 6 0 0 l w 8 0 0 d l w 4 3 0 l w 3 5 0 l w 4 0 0 l w 5 0 0 l w 6 2 0 等 随着化学工业的飞速发展 各化工生产厂家对高精度 高质量设备的需求量 不断增加 当前各种类型的离心机品种繁多 各具特色 并且都向提高技术参数 系列化 机电一体化方向发展 螺旋卸料沉降离心机由于能够连续出料 生产能 力大 对物料的适应性强 结构紧凑 占地面积少等特点 因此应用越来越广泛 目前其发展速度很快 但从总的趋势看 1 为了提高单机生产能力 采取加大转鼓直径 增加长径比的方法 如 g u i n a r d 公司的1 9 型螺旋卸料沉降式离心机 转鼓直径最大的为1 5 0 0 m m 长径比 北京化i 人学坝l 学位论文 为4 7 我国目前生产的螺旋卸料沉降离心机的直径最大为1 0 0 0 长径比还不到 2 2 为了分离固相颗粒比较细 粘度大的悬浮液 采取提高转速度方法 如 阿法拉法公司生产的4 5 0 0 离心机 转鼓直径3 1 0 转速达7 6 0 0 m i n 这样高的 转速 目前我国还不能达到 3 目前国外离心机正向着机电一体化方向发展 已实现在离心机上对分离 物料的自动检测与调节 机械性能自动保护 振动的随机检测和自动报警 过载 保护分离反馈等 我国目前已开始注意机电一体化的研究与应用 但在离心机方 面也只是刚刚起步 4 适应不同物科及工况的需要 目前国内外离心机制造厂又推出来许多不 同型号的防爆型离心机 用于易燃易爆场合的物料分离 本课题主要研究的对象是卧式螺旋卸料沉降式离心机 以下简称卧螺沉降式 离心机 近来由于石油化学工业的迅猛发展 以及污水治理的需要 使卧螺沉降 式离心机得到了进一步的发展 例如在合成塑料 聚氯乙烯 聚丙烯 及合成纤 维 聚对苯二甲酸乙二脂 生产分离设备中 卧螺沉降式离心机是关键设备之一 在聚乙烯醇的生产中也要使用螺旋离心机 在污泥脱水中使用了高分子絮凝剂 是螺旋离心机的固相回收率大大提高 因而它成为污水治理的有效分离设备 在 连续离心机中 卧螺沉降式离心机是对物料适应性较好 应用范围较广的一种离 心机 1 2 卧螺沉降式离心机的结构特点及工作原理1 1 1 1 2 1 卧螺沉降式离心机的工作原理 卧螺沉降式离心机的主要构件有转鼓 螺旋推进器 变速器 过载保护装景 卸渣装置 如图1 1 工作原理是这样的 在机壳内 转鼓和螺旋推进器由两个同心轴承相连接 主电动机通过三角皮带轮带动转鼓旋转 转鼓通过左轴承处的空心轴与行星差速 器的外壳相连接 行星差速器的输出轴带动螺旋推进器与转鼓作同向转动 但转 速不一样 若以珊 表示转鼓的绝对转速 以m 表示螺旋推进器的绝对转速 a m 北京化t 人学碗 j 学位论文 表示二者的差转速 若螺旋推进器超前转鼓即为正差转速 反之为负差转速 工 程上常用转差率表示 一般 国 0 2 3 采用正转差率 物料所获得的离心 惯性力为转鼓转速与差转速所产生的离心惯性力之和 有利于沉降分离 而采用 负转差率时 有利于沉渣的输送 而且可以减少由减速器传送的功率 本课题的 卧螺沉降式离心机是采用的负差转速左旋 悬浮液从右端的中心加料管连续送入 机内 经过螺旋推进器内筒加料隔仓的进料孔进到转鼓内 在离心力的作用下转 鼓内形成 环形液池 重相固体颗粒离心沉降到转鼓内表面而形成沉渣 由于螺 旋叶片与转鼓的相对运动 沉渣被螺旋叶片推送到转鼓的小端 送出液面并从排 渣孔甩出 在转鼓的大端盖上开设有若干溢流孔 澄清液便从此处流出 通过调 节溢流挡板溢流口位置 机器转速 转鼓与螺旋推进器的差速 进料速度 就可 以改变沉渣的含湿量和澄清液的含固量 当过载或螺旋推进器意外卡住时 保护 装置能自动断开主电动机的电源停止进料 防止事故发生 09876543 2i 1 1 1 2 l 进料管2 皮带轮3 右轴承4 螺旋推进器5 进料孔6 机壳7 转鼓 8 座轴承9 差速器l o 过载保护装置l l 溢流孔1 2 排渣孔 图卜l 卧螺沉降式离心机简图 1 2 2 卧螺沉降式离心机的内部结构 转鼓的形状有圆筒形 圆锥形 筒锥结合形 圆筒形有利于固相脱水 圆锥 形有利于液相澄清 筒锥结合形兼有两者特点 本课题所研究对象是筒锥结合形 在转鼓内表面为了减少筒壁的磨损和防止沉渣打滑通常焊有筋条或锉上沟槽 转 鼓的全长同直径的比对分离来说是个很重要的参数 愈难分离的物料需要的比值 就愈大 另外 转鼓锥体部的锥角也对物料的输送有很大的影响 对愈难输送的 7 北泉化t 大学顺i 学位论史 沉渣 转鼓的锥角也就愈小 因为这可以避免产生回流现象 以便顺利排渣 但 是 转鼓的锥角越小卧螺沉降式离心机的沉降面积越小 使用效率也就越低 值 得一提的是一种转鼓结构即双锥结构 它既能增大沉降面积又能使沉渣顺利排 出 这种双锥结构大大的增加了物料在转鼓内的停留时间 这就非常有利于分离 沉降能力差的难分离物料 因为对这种物料来说决定其生产能力的主要因素是物 料在转鼓中停留的时间 而且 双锥结构还可以用作轻 重液体和固体的三相分 离 双锥结构使转鼓的长度变短 处理量变大 液池变深 节约了用于克服空气 阻力和其它阻力的动力及其它能耗 在转鼓的排渣口处 为了使出了液面的沉渣 继续脱水 并且不让离心出来的液体随沉渣一起从排渣口排出增加排出沉渣的含 湿量 在排渣口处设置一个挡板结构 挡板形式多种多样 此处暂介绍一种可以 控制滤饼流动的可调阀门 这个阀门安在液池的上部位 它的底部固定在输送器 上 它的顶端与转鼓壁形成的空间供沉渣流动 这使得只有靠近转鼓的沉渣才能 排除去 靠近转鼓的沉渣受到覆盖在其上沉渣的压榨 使得这一部分沉渣成为所 有沉渣中最干燥的一部分 在表顽上的那些较湿的沉渣将被输送回液池 在最终 作为干沉渣排出之前作反复循环 这些回流量主要与受阻滤饼的高度 物料输入 量 沉渣干燥程度 及其流变性有关 在实际操作条件下的最佳阀门开启位置根 据现场调整而定 螺旋推进器也是卧螺沉降式离心机一个主要部件 它的主要作用是输送沉渣 和顺利排掉滤渣 它由螺旋叶片 内筒和进料管组成 它的螺旋叶片为了平衡通 常是双头螺旋 螺距需根据实际情况而定 叶片的材料具有高耐磨性 叶片的倾 角0 一般有两种 一种是螺旋叶片垂直于转鼓母线 在转鼓锥简段 叶片倾角等 于转鼓锥段的半角 另一种是叶片母线垂直于转鼓的回转轴线 但是经过试验有 时在锥段也可以采用叶片倾角大于转鼓锥段的半角的设计结构 这种结构的输渣 效果好而且省功 减少磨损 叶片采用板材 按一个导程通过计算展开 下料 成型组装焊接而成的 螺旋叶片的下料展开可以用图解展开法和计算展开法 在 螺旋推进器处设置一些压榨结构 可以形成一种新型的卧螺沉降式离心机即压榨 式卧螺沉降式离心机 一般有在螺旋简体上设置压榨板 在螺旋槽内设置压榨棍 在螺旋简体上设置压力囊 在螺旋叶片推料面上设置压力囊几种情况 对于这种 机型需要注意防止固相沉渣的阻塞 因此都带有差转速自动控制系统 8 北京化e 人学颤l 学位论义 内简的主要作用是接受分布和加速悬浮液 内筒为了使悬浮液进入转鼓内的 沉降效果更好 可以采用多种设计方案 它的主要方法是让悬浮液在内简的出口 处的径向速度最小 这样就使得悬浮液在径向停留时间加长 有利于悬浮液的沉 降分离 目前 有一些国外专利就内筒的设计做了专门的探讨 差速器一般是摆线针轮行星变速器和渐开线行星齿轮差速器 使转鼓和螺旋 推进器之间保持一定的差转速的同向旋转 过载保护装置有机械式 机械液压式 和电控机械式等 1 2 3 卧螺沉降式离心机的技术参数及优缺点 螺旋卸料沉降离心机主要操作参数为 转鼓转速 转鼓与输料螺旋间的差转 速 溢流口位置和进料速度 主要结构参数为 转鼓大端内直径d 转鼓长度l 和转鼓长径比l d 转鼓半锥角n 以及输料螺旋的螺旋头数和螺距 螺旋卸料沉降离心机参数范围 转鼓直径 1 6 0 衄 1 6 0 0 m m 转鼓长径比 l 4 2 转鼓半锥角 5 1 8 差转速转鼓转速的0 2 3 固相粒度 0 0 0 5 2 m m 悬浮液固相浓度 1 5 0 液池深度与直径比值 o 0 5 2生产能力最大1 9 0 立方米 时 螺旋卸料沉降式离心机的主要优点 l 自动连续操作 不需要用滤布 能长期连续运行 维护简便 2 应用范围广泛 可用于固体脱液 液体澄清 固体颗粒按粒度分级 以 及用于液一液一固分离 3 对物料的适应性大 能分离的固体粒度范围0 0 0 5 2 m m 悬浮液的体积 浓度范围2 4 0 浓度波动对分离效果影响不大 4 结构紧凑 容易实现结构上的密闭 密闭式机器可在一定的正压下操作 5 单机生产能力大 分离质量比较高 操作费用低 占地面积小 螺旋卸料沉降离心机的缺点是 沉渣的含湿量一般比过滤式离心机稍高 大 致与真空过滤机相等 虽能对沉渣进行洗涤 但洗涤效果不好 结构较复杂 机 器造价较高 北京化t 人学坝f j 学位论义 1 3 卧螺沉降式离心机的新型驱动方式介绍 传动装置是卧螺沉降式离心机中最为复杂而又极为重要的部件 传统的类型 很多 有机械式 液压式 电磁式等 其中行星传动最为广泛 液压最为先进且 可无级调速 随着卧螺沉降式离心机技术的飞速发展 新型的传动方式以及结构 得到了广泛的发展和应用 在传统的基础上 发展出了例如双重电机驱动 零转 速差差速器 改进型液压马达驱动 可控制扭矩的感应电磁式差速器等新技术 下面就这几项技术作简要介绍 1 双重电机驱动 1 随着离心机转鼓尺寸的增大和工作转速的提高 电动机的负载将增大 为了 达到离心机的工作转速 需要克服离心机的惯性 空气阻力 摩擦阻力等 这使 得驱动电机产生高电流及较长的启动时间 并在电机上产生较大的热载荷和热应 力 如果离心机的启动功率超过电机的极限 就要采用重型电机等特殊形式 采 用附加结构和特殊的抵抗内热的材料 然而电机的尺寸和支架的重量将相应的 增大 i 图i 一3 双重电机驱动示意图 1 0 北京化1 人学碗卜学位论义 而双重电机驱动是由两个电机协同工作 至少是在启动时两电机配合 提供 启动所需的能量 并相应的减少每个电机上的电压和电流 也就是减少了电机上 的热载荷 在达到操作转速后 第一个电机继续驱动离心机 而第二个电机可能 处于闲置状态 2 零转差 差速器o 转鼓与螺旋叶片的转速差是螺旋卸料离心机的主要参数之一 其值直接影响排 渣能力 螺旋转矩及澄清效果 由于螺旋叶片与转鼓之间有相对运动 进入转鼓 的液体除沿转鼓轴向作层流运动外 处于螺旋转鼓壁处的液体还具有与螺旋一样 的相对于转鼓的角速度和轴向速度 螺旋搅动产生湍流 使已经沉降的粒子重新 浮起 对分离产生不良的效果 零转差 差速器是在传动装置中增加了一个超越离合器 将摆线针齿与超越 离合器制成一体 这种装置改变了离心机的工作方式 在工作中连续进料 分离 排液与卸渣交替进行 在进料并进行固液分离过程中 采用零转差工作 通过离 合器的作用使差速器整体旋转 此时 转鼓与螺旋以相同的速度同向旋转 在分 离过程中连续进料和排出分离液 当沉降在转鼓内的沉渣层累积到一定厚度 停 止迸料 启动辅助电机 此时 螺旋与转鼓以一定的差速度同向旋转 完成卸渣 这种结构的离心机 由于分离液在分离和排液过程中 转鼓与螺旋无相对运动 液体沿螺旋通道流动时沿转鼓轴向作层流运动 延长了液体在转鼓内停留的时 间 避免了已沉降的粒子重新浮起 分离效果显著提高 卜 u j j d l l 翰 由2 竹墨日电3 h 春q 幸p 齿拳t l 暑蚓 宅 o 输出 h 图1 4 零转差 差速器示意图 北京化1 人学坝l 学位论艾 3 液压马达的改进 1 该装置的目的是用一个液压系统同时加速和控制转鼓的转动并为差转速装置 的液压马达提供液压介质 与传统的液压驱动差速器的装置相比 它不必再用另 一个装置来提供液压马达的液压介质 从而减少驱动的功率 为了达到上述目的 该装置在主电动机和转鼓之间附加一个泵 泵的压力管路 提供给差转速装置的液压马达以液压介质 在液压马达和泵之问有一个调节阀 当转鼓转速降低 离心力降低时 调节阀可以调节液压介质的进给量 从而使差 速器装置的扭矩降低 4 可控制扭矩的感应电磁式差速器 1 感应式螺旋输送器的电机直接或间接与螺旋输送器相连 感应式电机由一个速 度一扭矩控制器控制 速度一扭矩控制器有一个测速计 该测速器分别连接着螺 旋输送器和转鼓 以测量转鼓和螺旋输送器的速度 速度一扭矩控制器还包括一 个矢量控制反转器 它可以独立的控制感应式螺旋输送器电机的励磁电流和转矩 电流 矢量控制反转器可以根据测速器的速度状态对电机的转速做出相应的调整 并使扭矩保持不变 也就是说如果螺旋输送器的扭矩增大 则差转速增大 固体 的传输速度增大 物料的处理速度加快 相反的 如果螺旋输送器的扭矩减小 差转速减小 使得固体的输送速度减小 所以物料的处理速度变慢 因此 使固 体在转鼓内的停留时间变长 固结的作用增强 从而达到使扭矩保持恒定的目的 该技术的优点在于螺旋输送器的独立旋转 与转鼓没有任何动力学上的联系 因此并不需要齿轮差速器和液压马达 减轻了整个设备的重量 使得速度一扭矩 控制器可以对速度和扭矩进行精确的控制 该装置并不需要过载保护装置 感应 式电动机进行单独的支承 因而可以提高轴承的使用寿命 1 4 课题来源 本课题属于高金吉院士的离心机课题组项目中的一个环节 主要任务是对新型 离心机故障治愈调控系统中的核心部件卧式螺旋沉降式离心机进行主要部件的 设计和计算 北京化t 人学碗f 学位论文 1 5 课题研究的内容和意义 本课题中的卧式螺旋沉降式离 i i 机是p t a 装置的关键设备之一 用来分离氧 化浆料中的粗对苯二甲酸 脱水前p t a 的含水量达5 0 6 0 左右 而经过离 心脱水后 滤饼含水量在2 0 3 0 本文作者绘制了卧式螺旋离心机3 5 0 系列和1 2 0 0 系列大量的图纸 其中包 括螺旋输送器以及转鼓等主要零部件 对卧式螺旋离心机的内部结构达到了很熟 悉的程度 查阅了国内外大量的相关文献 了解了有关卧螺沉降式离心机的理论 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 这些有助于熟悉 卧螺沉降式离心机的整体结构和具体部件 为本课题的开展准备了理论基础和实 践基础 卧螺1 2 0 0 系列离心机技术特性如下表 主电机功率k w2 6 0允许物料密度 转鼓转速r p m 9 0 0工作介质p t a 浆液 螺旋推进器差转速 2 6转鼓最大直径m m1 2 0 0 设计温度 1 8 5分离因数5 4 3 3 设计压力 v i p a o 5 2 主轴承跨距 n n l 3 4 0 0 最大处理能力 8 6 t h设备总重量 2 4 0 0 0 k g 由于差速器是卧式螺旋离心机中最重要的传动部件 从整个离心机的运行上 来看 差速器既要使转鼓和螺旋形成差转速 又要传递扭矩实现螺旋推料的作用 从而完成最终的固液分离 因此差速器的正常运行是卧式螺旋沉降式离心机的关 键所在 本文对差速器中齿轮的啮合时 各齿轮轮齿的应力情况进行了分析计算 提供了差速齿轮传动的理论分析依据 振动问题是离心机械常见的问题 严重时影响机器设备的正常工作 因此 对其进行分析计算是非常必要的 在对卧式螺旋离心机的振动进行分析计算时 采用p r o e 建摸 在该模型的计算分析里面找出重心位置 以及相应的参数 本课题的一个难点是 对已有的模型进行分析计算 虽然目前有许多商业软件适 合转子动力学的分析 但由于该卧螺沉降式离心机的结构特点 用这些软件来计 北京化r 人 学坝l 学位论义 算卧螺沉降式离心机整机的动力特性并不完全适合 不是软件本身的缺陷 就是 目前没条件应用一些软件 因此 这需要编程来实现 本编程过程中 通过对多 种编程语言比如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 当前 离心机已成为固液分离技术的主要设备之一 因此对离心机的使用也 提出了许多更高的要求 要求其适应于更多种类的物料 型号 规格更具多样性 尤其是其自动化程度及生产能力都应当有大幅度的提高 近几年 离心机在这些 方面的发展尽管是很有成就的 但远远不能满足要求 从国内来看 我国已经加 入世贸组织 离心机的国内外市场必将前景广阔 同时 对离心机的技术理论的 合作与交流也必将越来越多 这正是对离心机的理论和实践发展难得的契机 随 着离心机应用市场容量的不断扩大 卧螺沉降式离心机的应用也必将越来越广 研究 开发这种离心机 不仅可以从实践上积累更多的经验 在理论研究上必将 为设计制造部门提供可靠的理论依据和计算方法 这正是本文研究的目的 北京化f 人学硕f 学位论义 第二章行星齿轮差速器 2 1 卧式螺旋离心机差速器的主要类型及特点 1 1 j 在卧式螺旋离心机中 离心沉降分离出的沉渣沿转鼓内壁表面上的纵向移 动 是靠螺旋相对转鼓导前或滞后的旋转运动来实现的 为了保证转鼓和螺旋以 不同的角速度同向旋转 并达到最佳的差转值 因此 卧式螺旋离心机从电动机 到工作机之间都需要 个传动装置 已不再采用简单传动组成的开式运动链 为 了避免功率上的大量损失 以及得到紧凑的轻结构 故现代卧式螺旋离心机的传 动装置都广泛的采用了以行星传动为基础 由转鼓 物料和螺旋间形成的摩擦而 构成的封闭运动链 差速器是卧式螺旋离心机中最复杂而又极为重要的传动部件 其性能和质量 往往决定着整个机器的工作能力和可靠性 要设计出体积小 重量轻 可靠耐用 效率高的差速器 就必须正确选择传动类型 精确合理进行结构设计和强度计算 精密制造齿轮 行星轮轴承和转臂等主要构件 并进行严格的动平衡 常用的差 速器有两类 1 摆线针轮行星差速器 如下图 图2 1摆线针轮行星差速器 1 一转鼓2 一螺旋a 一摆线齿轮b 一针轮 h 一转臂w 一输出机构v 一输出轴 这种羞速器是一种行星传动装置 内齿传动轮的针轮 针轮与转鼓相连a 行 北京化r 人学坝l j 学位论立 星轮是摆线轮 它通过w 机构由v 轴与离心机螺旋2 相联 这类差速器的体积小 重量轻 结构较简单紧凑 其传动比大 一级传动的传动比可达9 9 7 传动效率 较高 达0 9 0 9 5 主要缺点是输入轴上的转臂轴承在高速重载条件下工作 寿命较短 这类差速器主要用于中小功率的卧式螺旋沉降式离心机 2 渐开线行星齿轮差速器 如下图 图2 22 k 州渐开线行星齿轮差速器 1 一转鼓2 螺旋a 卜第一级太阳轮a 2 一第一级内齿圈 一一第一级转臂 一级系杆 h 2 一第二级转臂 二级系杆 a 2 一第二级太阳轮b 2 一第二级内齿圈 这类差速器有多种结构形式 其中普遍应用的是双级2 k h 结构 差速器外壳 内装有两级半联的2 k h 行星齿轮传动 两内齿轮b 1 和b 2 及差速器外壳与离心机转 鼓相联 第二级传动的转臂h 2 与螺旋相联 渐开线行星齿轮差速器属多分流对称 结构的传动装置 充分利用了内齿轮的空间并将功率分为多股传递 另外内啮合 本身还具有承载能力大和内齿轮内的空间可以利用 使结构比较紧凑 因此这类 差速器的承载能力大 体积小 重量轻 传动比大 噪声小 便于维修等优点 其传动效率达0 9 9 对大 中 小功率的各种卧式螺旋沉降式离心机均通用 通过以上可以看出 两种差速器都具有一定的优点 从长期的使用情况来看 渐开线行星齿轮差速器更具有优势 其使用更加可靠 而且寿命较长 故障率较 低 因此目前国内外螺旋沉降离心机所使用的差速器大都为渐开线行星齿轮差速 器 比如l w 5 0 0 型离心机差速器 l w f 3 8 0 n 型离心机差速器 l w 6 3 0 型离心机差 6 北京化t 人学坝i 学他论文 速器都是渐开线行星齿轮差速器 这种差速器的适用范围很广 适合于大 中 小型各种功率 而摆线针轮行星差速器却不适合于大功率离心机 具有一定的局 限性 为了使很小粒径的固体颗粒得到快速沉降 离心机必须造成足够的离心力场 将微颗粒强迫沉降 而所需的离心力则依靠离心转鼓的高转速产生 因此 转鼓 的高转速 仅仅标志着对悬浮液分离难度的有效性 离心机更重要的性能要求是 把沉降下来的固相物料有效的收集 在分离过程中使超细颗粒不能被澄清液带 走 而且使收集的固相物料含湿量尽可能的低 这就要求卸料装置 螺旋输送器 的转速要与转鼓合理配置 这些技术问题 都有赖于其驱动装置一差速器的合理 设计 2 22 k hi i 型行星齿轮差速器的校核与计算 2 2 1 行星传动的运动掣1 1 6 1 在轮系中 至少有一个齿轮的轴线是绕另一个齿轮的固定几何轴线传动者 称为行星轮系 行星轮系由中心轮 行星轮和转臂 系杆 组成 图2 3 所示的行星轮系中 齿轮a 和b 为中心轮 h 为转臂 齿轮g 为行星轮 行星轮g 一方面绕自身的几何轴 线d 回转 自转 同时又随转臂h 绕固定几何轴线0 回转 公转 在行星轮系 中 若有一个中心轮固定 其活动度为l 这位普通行星轮系 若中心轮不固定 其活动度为2 则为差动轮系 北京化t 人学坝卜学位论立 h h 缭孓 夕 图2 3行星齿轮传动机构示意图 卧螺沉降式离心机1 2 0 0 采用的差速器传动形式是渐开线行星齿轮差速器 2 k h i i 型 如上图 在这种行星轮系中 由两个中心轮 k 转臂h 作为输入轴 或输出轴 它可以由圆柱齿轮或锥齿轮组成 可以采取外啮合或内啮合的方式 齿轮传动实质是两弹性体的啮合传动系统 要精确模拟轮齿在啮合过程中的 载荷及应力变化过程 不仅应考虑轮齿齿面的弹性接触 摩擦作用和表面载荷等 还应考虑齿轮运动变化而产生的轮齿同时啮合齿对数 单 双齿啮合 改变 轮 齿接触区域改变和齿轮几何位置改变等 计算接触问题有许多方法 例如罚函数 拉格朗日乘子法等 其中罚函数法 由于其经济和方便而得到了广泛的应用 过去使用点点接触单元 求解接触问题 对于像齿轮类接触 模型构造很麻烦 计算结果精度和准确性很难保证 随着计 算机和有限元法的发展 新的接触单元精度更高 更有效 功能更强大 其中接 触单元能非常有效地求解接触非线性问题 新的通用接触单元特别适合于计算齿 轮接触问题 在计算机上实现对齿轮接触仿真分析 1 8 北京化j i 大孝坝1 学位论文 2 2 2 运用p r o e 建立2 k hi i 型行星齿轮差速器的简化模型 由于2 k hi i 型行星齿轮差速器内部结构十分复杂 所以在建模过程中采取简 化的方式 只选取双级2 k h 结构中第一级进行建模分析 如图2 4 由于齿轮的 轮廓线为渐开线形状 齿根过渡曲线部分由于加工方式不同而形状各异 这在多 图2 42 k hi i 型行星齿轮差速器简化模型示意图 数的c a d 软件中很难精确的表现出来 由于c a d 技术的发展 出现了p r o e 等大型优 秀的c a d 软件 其主要功能在于可进行强大的参数化设计 使得复杂的实体造型 成为可能 鉴于上述原因 本文采用p r o e 2 0 0 0 i 对行星齿轮系进行精确的三维建 模 并在a n s y s 7 1 平台上通过p r o e 与a n s y s 的接口导入模型 对行星轮系的应力 进行有限元分析 2 2 2 1p r o e 软件介绍 1 2 i p r o e n g i n e e r 简称p r o e 是一套由设计至生产的机械自动化软件 是新 代产品造型系统 是一个参数化 基于特征的实体造型系统 并且具有单一数据 库功能 由于它能快捷地实现三维实体建模 并能方便地得到任何实体的几何参 数 转动惯量 任意截面的截面力学特性 因此 本文运用此软件来进行建模工 作以及后面的振动分析中求解转子的每一段的参数 它的特点如下 9 北京化丁人掌顺f 学位论义 1 参数化设计和特征功能 p r o e n g i n e e r 是采用参数化设计的 基于特征的实体模型化系统 工程设计人 员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型 如腔 壳 倒角及圆角 可 以随意勾画草图 轻易改变模型 这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从 未有过的简易和灵活 2 单一数据库 p r o e n g i n e e r 是建立在统一基层上的数据库上 不象一些传统的c a d c a m 系统建立在多个数据库上 所谓单一数据库 就是工程中的资料全部来自一个库 使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作 不管他是哪一个部门的 换言之 在整个设计过程的任何一处发生改动 亦可以前后反应在整个设计过程的相关环 节上 例如 一旦工程详图有改变 n c 数控 工具路径也会自动更新 组装 工程图如有任何变动 也完全同样反应在整个三维模型上 这种独特的数据结构 与工程设计的完整的结合 使得一件产品的设计结合起来 这一优点使得设计更 优化 成品质量更高 产品能更好地推向市场 价格也更便宜 p r o e n g i n e e r 是软件包 并非模块 它是该系统的基本部分 其中功能包括 参数化功能定义 实体零件及组装造型 三维上色实体或线框造型棚完整工程图 产生及不同视图 维造型还可移动 放大或缩小和旋转 p r o e n g i n e e r 是一个 功能定义系统 即造型是通过各种不同设计专用功能来实现 其中包括 筋 r i b s 槽 s l o t s 倒角 c h a m f e r s 和抽空 s h e l l s 等 采用这种手段来 建立形体 对于工程师来说是更自然 更直观 无需采用复杂的几何设计方式 这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸 不像其他系统是直接指定 些固定数值于形体 这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系 任 何一个参数改变 其也相关的特征也会自动修正 这种功能使得修改更为方便和 可令设计优化更趋完美 造型不单可以在屏幕上显示 还可传送到绘图机上或一 些支持p o s t s c r i p t 格式的彩色打印机 p r o e n g i