毕业设计（论文）-自动化制备多层粉体材料系统的设计.doc

目 录目 录摘 要IIIAbstractIV第1章 绪论11.1 研究背景11.1.1 层状金属复合材料的制备方法11.1.2 层状陶瓷复合材料的制备方法31.1.3 层状复合材料组份层厚对其力学性能的影响41.2 本文研究的目的、意义及主要内容51.2.1 研究的目的和意义51.2.2 研究的主要内容6第2章 喷雾装置的设计72.1 喷嘴的设计72.1.1 雾化角的计算82.1.2 喷口参数的计算82.1.3 不同粉体与酒精质量比的计算142.1.4 外部结构设计152.2 喷雾系统设计182.3 本章小结19第3章 搅拌装置的设计203.1 搅拌系统的工艺设计203.1.1 搅拌系统的任务203.1.2 搅拌容器和搅拌器的选型203.1.3 搅拌转速的确定213.1.4 搅拌功率和输入转矩的计算223.2 搅拌系统的机械设计233.2.1 搅拌机设计233.2.2 搅拌容器设计323.3 本章小结33第4章 运动装置的设计344.1 升降装置设计344.1.1 齿轮齿条设计计算344.1.2 电机的选用384.1.3 传动轴的设计、轴承和联轴器的选用384.2 分度装置设计394.2.1 分度装置电机的选择394.2.2 轴承的选用404.2.3 轴的结构设计414.3 本章小结41第5章 干燥装置的设计425.1 干燥装置选型425.2 干燥箱体设计425.3 真空泵的选用435.4 本章小结43参 考 文 献44致 谢46附 录47摘 要自动化制备多层粉体材料系统的设计摘 要随着新技术、新产业的出现，对材料性能的要求日益增高，单一组元材料的性能已经很难满足要求；而复合材料的各组份在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。目前，层状复合材料已经成为材料应用工程领域中一个重要研究方向，其制备方法及相应的装备已成为目前研究的焦点。层状复合材料常用的制备方法有直接叠层法、轧膜成型、流延成型或注浆成型等，这些制备工艺在不同程度上存在制备效率低、层厚比不均匀等缺陷，极大的限制的层状复合材料的制备及应用，基于此，本设计提出粉液混合-喷雾-干燥法制备层状材料的工艺，并设计了相应的自动化实现装备，并对其中的喷雾装置、搅拌装置、运动装置和干燥装置进行了结构设计和计算。这些结果将为层状复合材料自动化制备及装备的研发提供方法及理论指导。关键词：多层状复合材料；自动化制备系统；层厚；结构设计ABSTRACTDesign of Automitic Fabrication System forMulti-layered Composite MaterialsAbstractWith the emergence of new technologies and new industries, the requisition on material properties increases day by day, single component material has been difficult to meet the requirements. Synergistic effects will be formed in the composite materials when composite materials are consisted of different single component materials.Thus, the properties of these composite materials will be superior to that of the single component material, which make these composite materials meet various requirements in engeering applications. Layered composite materials as a kind of composite materials have many surperior properties such as the eolotropy, the machinability, and so on. Therefore, fabrication technologies and fabrication equipments of layered composite materials application have become an important research direction. The fabrication technologies include direct lamination, rolling formation, tape casting and slip casting in recent years which can produce multi-layered materials.These fabrication technologies have many defects, such as low efficiency and uneven thickness ratio, which greatly limits the preparation and application of multi-layered materials. Be views of these, an effective method of preparing multi-layered materials through the fabrication technology of Powder-liquid mixing Spray Drying has been presented and the corresponding automation equipment has been designed. The automation equipment is consisted of spray device, stirring device, movement device and drying equipment. These results will provide a method for automation equipment design and a theoretical guidance for the preparation of multi-layered materials.Key words: Multi-layered composite materials; Automitic fabrication system; Layer thickness; Structure design第1章 绪论第1章 绪论1.1 研究背景21世纪是复合材料的时代，随着科学技术的发展，对各种新技术、新材料的应用越来越广泛。单一的材料或合金已经很难满足现代化生产对材料综合性能的需求。复合材料是解决各种特殊结构、功能要求的重要途径。因此新型复合材料的研制倍受世界各国的普遍重视。复合材料一般可分为层状复合材料、颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料，其中层状复合材料由于其工艺相对简单，具有较高的强度、耐腐蚀性和良好的导电、导热、导磁等综合性能，因而广受欢迎，在航天、石油、机械、化工、汽车、造船、建筑、电力、电子、核能以及家用电器、日常生活用品等领域得到了广泛的应用。层状复合材料按照使用功能要求分为结构复合材料和功能复合材料；按照基体材料的性质，复合材料分为金属基复合材料和非金属基复合材料；按照层状复合材料韧性程度可划分为柔性层状复合材料和刚性层状复合材料。1.1.1 层状金属复合材料的制备方法层状金属复合材料的制备方法有多种，按照工艺属性可划分为：固-固相复合法、固-液相复合法、液-液相复合法。固-固相复合法包括爆炸复合、压力加工复合、电磁复合等力学复合方法；固-液相复合法包括钎焊、铸造、SHS(自蔓延高温合成)、喷射沉积、粉末冶金等冶金方法，以及胶粘、表面喷涂的等化学方法。液-液相复合法主要包括离心浇注法、液-液相铸轧法等。(1) 固-固相复合法爆炸复合法又称金属爆炸焊接，此工艺是借助炸药爆炸产生的高强化学能驱动复板高速碰撞基板，碰撞点产生的瞬间高压不仅破坏了金属板表层的氧化薄膜，露出了新鲜的表面，而且在露出新鲜金属表面上形成了一薄层具有塑性变形、熔化、扩散以及波形特征的焊接过渡区，从而实现强固结合的一种金属焊接的新工艺和新技术。爆炸复合法适用于炸复合法主要适合于单张面积较大、厚的复合板材产品或复合板坯、多层复合板的生产，其最佳的焊接参数的标准是优质的焊接界面，而焊接界面有时由于波形畸变严重，形成漩涡并且呈现熔化后的铸态组织等缺陷，结合强度较低，进而导致其力学性能不佳1。压力加工复合法分为热轧复合法和冷轧复合法。轧制复合法的基本原理是指金属板在受到轧机施加于其上强大压力的作用下，在两层金属的待复合表面发生塑性变形，使表面金属层破裂。随后，洁净而活化的金属层从破裂的金属表面露出，在强大压力作用下，形成平面状的冶金结合。2011年，宋鸿武2在异种金属层状复合材料累积叠轧工艺的研究进展一文中综述了异种材料累积叠轧技术，介绍了累积叠轧的工艺原理及异种材料累积叠轧试样的宏观结构和力学性能研究进展。同种材料累积叠轧后叠轧试样厚度最小的只有0.30.5mm，异种材料最小才0.675mm，累积叠轧技术还并没有深入到0.3mm以下的超薄带领域。轧制复合法具有成本低、界面结合牢固、工艺简单等优点，然而复合板的厚度难控制，生产一致性和稳定性很差只适用于生产较厚的板材1。电磁复合工艺是依靠被焊工件之间强脉冲磁场的瞬间相互作用而产生高速碰撞，来实现金属间的复合连接或焊接(即达到冶金上的连接)的工艺方法，是电磁脉冲加工技术的一种特殊应用形式。该工艺主要适用于用常规的复合或焊接工艺难以实现或达不到要求的场合，并具有很大的灵活性和优越性。尽管电磁复合或焊接技术已应用在很多领域，但设备能量和加工效率均较低，还远不能满足大型零件的需求。(2) 固-液相复合法铸造复合法是将一种基体(固相)和另外一种基体(液相)在铸模内进行熔合,凝固后形成复合材料的技术。铸造复合法的生产特点是连续化、自动化程度高,生产成本低,应用范围大等。这种制备方法对设备制造工艺水平、操作技能及自动化程度要求较高，特别需要控制浇注速度才能使两层金属界面结合良好且稳定3。 钎焊法是将浸润状态下的液态金属相凝固，使两种金属焊合在一起的方法。钎焊工艺简单、操作方便，易于实现异种金属的结合。但钎焊结合部位的硬度不高，易出现小孔、夹渣、偏析等缺陷。喷射沉积法4是将金属溶解雾化后，将其喷射到金属基材上，获得成分均匀，组织细密的复合材料的方法。该方法可以实现梯度复合以减少合成应力，改善复合材料的使用性能，可以制成多层金属复合材料。然而喷射沉积法制备的复合材料气孔率较大且易出现疏松，质量稳定性较差。复合新技术还有SHS(自蔓延高温合成)、粉末冶金等冶金方法，然而由于均具有不同程度的局限性，所以未投入到大规模的生产实践中5。(3) 液-液相复合法离心浇注法是一种传统的铸造方法，主要生产管材和板材。方法是先铸出复合管坯，再进行挤压、轧制成管材；或者将复合管坯纵向剖开制成板坯，再轧制成板材。该方法很好地解决了复合界面的冶金溶合问题，结合强度高。液-液相铸轧法的装置是双辊铸机由上、下两个轧辊组成，在上下辊侧分别装有一个浇注口。上部轧辊向下拉拽金属液体，下部轧辊直接水平拉拽金属液体，在位于双辊铸机入口附近形成混合层。由于在轧辊咬合之前位于下方的薄带并没有完全凝固，当上下轧辊互相咬合时，上面的薄带能被连接到基带上形成复合薄带在轧辊中间轧制成形。其生产可实现连铸连轧、批量生产，生产工艺流程简单，能源消耗少、制造成本低，具有良好的开发前景，因此或将成为复合板生产工艺的主流发展方向。1.1.2 层状陶瓷复合材料的制备方法层状陶瓷复合材料的制备，常采用轧膜成型、流延成型或注浆成型等成型工艺先制备出基体片，然后用浸涂或刷涂的方法将软质料涂覆在基片上，最后将有涂层的基片叠成块体经热压或气压烧结制成层状复合材料6。轧膜成形是将陶瓷粉料及烧结助剂和有机粘合剂、增塑剂、润滑剂混料后在对辊机上反复混练压轧得到一定厚度的坯体。此法制成的薄膜均匀、致密、光洁度好，可以轧制1mm以下的薄片。流延成型将粉料、粘合剂及其他添加剂制成均匀的悬浮液,再均匀地涂布在连续的带子上，经过干燥得到薄层材料。流延成型生产效率高，工艺性能稳定，产品均匀性好，然而也有薄片坯体致密度不高，烧成收缩大，产品中易残留有机物碳化的灰粉等缺点。注浆成形是传统的陶瓷成形方法之一。通过交替在石膏模具中注入不同泥浆，可以得到层状泥坯。控制吸浆时间得到不同的泥层厚度，干燥后得到素坯。此法虽生产工艺简单，但产品收缩大，密度较低。1.1.3 层状复合材料组份层厚对其力学性能的影响层状复合材料是一种仿生结构设计，模拟了自然界中贝壳的微观组织结构。研究发现贝壳中珍珠层的结构与抹灰砖墙结构相似，是由一层层超薄的碳酸钙通过几十纳米厚的有机蛋白基连接在一起，其中碳酸钙约占体积的95%，有机物只占5%，但这5%的有机物引起了碳酸钙力学性能的巨大变化纯粹的碳酸钙很脆，而珍珠层的强韧性却很高，人们从这种结构中受到启发，要克服陶瓷材料的脆性，可以采用层状结构在脆性陶瓷材料中加入耐高温软质材料，制成层状复合材料近年来国内外开展了许多这类研究工作，常选用高强、高硬的陶瓷如Al2O3、SiC等来模拟珍珠层中的硬层,选用硬度较低、弹性模量较小的陶瓷(如石墨、BN等)或金属(如Al、Ni、W)模拟珍珠层中的软层，取得了良好的韧化效果，成为当前国际上陶瓷增韧研究的热点6。广西民族学院的黄奇良和清华大学的潘伟采用流态成型-离心注浆成型、热压烧结制备了Al2O3/W层状复合材料，研究了Al2O3层、金属W层的厚度对层状复合材料力学性能的影响7。得出Al2O3/W层状复合材料的抗弯强度和断裂韧性不仅与Al2O3层、金属W层的厚度有关，而且与Al2O3 /W层厚比有关的结论。Bermejo R8也通过实验证明新兴复合材料GLARE的力学性能与其中的铝层厚度有关。2000年，清华大学的罗永明博士在SiC/W层状复合材料的制备工艺与力学性能一文中提出利用凝胶-浇注结合喷涂法制备SiC/W层状复合材料9。文中指出喷涂法可以使涂层很薄很均匀，层厚可以控制到几到几十微米；还确定了金属喷涂的最佳工艺条件，并叙述了金属层厚度对层状复合材料力学性能的影响，结果指出：SiC/W层状复合材料的断裂韧性随着金属层厚度的增加而增大。2009年刘维良10等以工业碳化硼和硼化钛粉末作为原料，采用水基流延成型和热压烧结方法制备了B4C/TiB2层状复合陶瓷。并研究了层厚比、层数和B4C/(1-X)wt%TiB2+Xwt%B4C层状复合陶瓷的夹层组分与力学性能之间的关系。结果表明：B4C/TiB2层状复合材料的层厚比越小，层数越多，弯曲强度和断裂韧性越高。2012年，北京航空制造工程研究所金属成形技术研究室的盖鹏涛Ti-Al3Ti层状复合材料的研究现状与发展一文中着重论述了两种压力加工复合材料的制备技术，即轧制复合法和热压复合法。同时归纳了Ti-Al3Ti层状复合材料的微观组织及力学性能方面的研究，并指出Ti-Al3Ti层状复合材料的制备及成形工艺还不够成熟，探索新的制备工艺及成形技术，进一步提高材料的性能，降低成本，实现工业化是最重要的研究方向之一11。2013年中国科学院的齐亚娥12等为优化Al2O3层状复合材料的制备工艺及力学性能，选用不同初始粉体为原料，采用铺层-干压法制备了系列Al2O3/Al2O3-ZrO2(3Y)层状复合材料。借助X射线衍射、冷场发射扫描电镜和万能试验机等手段，系统考察了粉体结构和形貌对层状复合材料显微结构和性能的影响。文中指出初始粉体的颗粒尺寸及尺寸分布会显著影响层状复合材料的显微结构及力学性能，以球磨微-纳米复合粉体为原料制备的层状复合材料具有最佳的力学性能，其抗弯强度和断裂功分别可达740MPa及3893J。同时，材料具有较高的层间结合强度，平行于层方向的抗弯强度高达436MPa。综上，层状复合材料各组份的层厚及层厚比是影响其力学性能的重要因素，在层状材料的制备中应严格控制各组份的层厚，以保证层状复合材料获得优良的力学性能，更适合于机械加工，进而应用到更加广泛的领域中去。1.2 本文研究的目的、意义及主要内容1.2.1 研究的目的和意义层状复合材料由于其独特的各向异性、可加工性及成分空间分布可调性，广泛应用在材料工程及机械工程等领域中。但层状复合材料的组份、单层厚度及各组份间的层厚比对层状材料的力学性能有较大影响，因此，为了获得良好力学性能的层状复合材料，有必要对层状复合材料素坯的制备工艺及装备进行研究和设计。本设计将利用液、电、气三方面的控制技术结合粉体的特点，设计高效制备层状复合材料素坯的装备，分析其关键部件的工作原理及性能，其对层状复合材料的高效制备具有重要的实际意义和一定的理论意义，主要体现以下两个方面：(1) 通过对搅拌系统、喷雾系统、干燥系统、工作台运动系统及其与喷杆运动控制系统的设计，将实现层状复合材料素坯的高效制备，体现本设计的实际意义。(2) 建立喷雾量与层厚间及喷雾角和射距与层状材料有效面积的关系模型，为层状复合材料的制备提供理论指导，体现本设计的理论意义。1.2.2 研究的主要内容(1) 制备多层粉体材料机械结构设计。(2) 控制系统的设计。(3) 熟悉粉体的特性。(4) 粉体分层原理。(5) 进行结构受力的计算。61第2章 喷雾装置的设计第2章 喷雾装置的设计在自动化制备多层粉体复合材料系统的设计中，为保证复合材料各组分层厚的可控和各组分间的层厚比、粉体分布的均匀性及素坯的高效制备，其关键在于喷雾系统的设计。喷雾系统主要由喷嘴、泵、阀等组成。为了满足复合材料各组份层厚可控及粉末分布均匀性的要求，需要对喷嘴的雾化角、喷口直径及其他几何参数进行设计；泵和阀等则根据设计任务要求进行选用。2.1 喷嘴的设计喷嘴的流量、喷雾锥角、工作压力及工质物性参数对喷雾性能有较大影响，依据这些参数可确定喷嘴的几何参数，完成喷嘴的设计。喷嘴根据雾化方式可分为机械雾化喷嘴、空气雾化喷嘴、超声波雾化喷嘴和静电雾化喷嘴。其中机械雾化喷嘴多用于非燃烧设备，如干燥、喷漆等；空气雾化喷嘴和超声波雾化喷嘴主要应用于工业炉、锅炉、航空与工业燃机等场合；静电雾化喷嘴主要用于喷漆设备，与机械或空气雾化方法结合使用。本研究采用机械离心式雾化喷嘴。离心式雾化喷嘴的工作原理是利用喷嘴内的旋流器使液体产生旋转，液体在收敛通道内被加速并喷出，形成空心扩散锥状液膜，由于其与外界空气存在高速差而被破碎雾化。旋流器是使液体产生离心力的关键部件，其与旋流室及喷口相连，组成一体，被称为雾化器。图2.1是离心雾化喷嘴的抽象原理图，其主要由进液道、旋流室及喷口三个部分组成。图 2.1 离心式雾化喷嘴示意图表2.1列出了离心式雾化喷嘴的主要参数，其中，喷口直径dc、旋流室内径Dk、旋流室长度H和喷嘴出口长度Lc对喷嘴的喷雾性能影响较大13其中，喷口直径dc、旋流室内径Dk和旋流半径R的值可依据公式计算获得，其他参数可依据表2.1根据工作条件确定。表 2.1 离心式雾化喷嘴各结构尺寸及取值主要结构件主要尺寸对喷嘴性能的影响切向孔数量n，分布均匀，且雾滴细，但难加工切向孔直径太小，易堵，难加工切向孔长度，雾滴变粗旋流室出口锥角，qm，雾滴变细，分布变坏(与旋流半径R一致)内径Dk随着Dk的增大先增大后减小长度LkDkdd喷口直径dc，雾滴粗长度，雾滴变粗2.1.1 雾化角的计算喷雾锥角规定有两种14，一是将喷嘴出口中心点到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角定义为雾化锥角a，由于喷雾炬在离喷口后会有一定程度的收缩，它直接影响到喷嘴喷射面积的大小；二是以喷口为中心，在距喷嘴端面处与喷雾曲面的交点连线的夹角a，称为条件雾化角，的取值在20mm以上，对于小流量喷嘴=4080mm，对于大流量喷嘴=100250mm为宜。在本研究采用第二种规定来设计计算，取=65mm。模具内腔的尺寸：60120及40120。当D=60mm时，根据以下公式(2.1)可得a=493350。当D=40mm时，为使用同一种结构参数的喷嘴，当喷雾锥角为50，喷雾高度=42.89mm。2.1.2 喷口参数的计算喷口的直径对喷雾性能有较大影响，为了获得良好的喷雾性能，考虑粘性对喷雾性能的影响，本研究将依据文献15对嘴喷直径所研究的相关结果，确定的喷嘴直径。在确定喷嘴直径的过程中，首先需要确定混合液的密度、液压、供液量等参数，以下将对这些参数进行分析和计算，最终确定喷嘴的直径。2.1.2.1. 混合液密度的确定混合液的密度即固体粉末与酒精均匀混合后单位体积混合液的质量。为确定混合液的密度，首先要确定混合液的体积及混合液的质量，其确定过程如下：依据设计任务可知模具底面积为S1=2827.4mm2、S2=1256.6mm2，为了确定混合液的密度rlm，本设计以WC作为粉体，其真密度真=15.5g/cm3，以酒精作为液相，设层状材料的每层厚度hs为45mm及每个模具中制备三块试样时总层厚为120mm来确定混合液的密度rlm。将S1=2827.4mm2、hs=45m代入下式：(2.2)可得每层粉体材料的质量Vs：将Vs=127mm3及WC的真密度真=15.5g/cm3代入下式： (2.3)可得每层粉体材料的质量ms：将粉体与酒精按质量比为1:3混合。在本研究中，设固体微粒浸吸的液体较少，几乎不影响混合体积的变化16。将ml=6g、l=0.8g/cm3代入下式：(2.4)可得酒精的体积Vl=7.5103mm3。将上述结果及粉末体积Vs=127mm3代入下式：(2.5)可得混合液体积Vf=7.627103mm3。将Vf=7.627103mm3、S1=2827.4mm2代入下式：(2.6)可得喷嘴一次性喷出混合液体的高度hf=2.70mm。将粉末质量ms=2g、酒精质量ml=6g及混合液的体积Vf代入下式：(2.7)可得混合液的密度f=1.05g/cm3。2.1.2.2. 供液量的确定为了确定供液量，首先要确定喷雾泵的型号及参数，表2.2是所选用泵的型号及参数。表2.2 泵的型号及参数规格型号实际体积流量Q/m3/h口径/电机功率/W重量/kg进口出口CQB16-12-50F0.61612255将Q=0.6m3/h、f=1.05g/cm3代入下式： (2.8)可得混合液的质量流量qmf=630kg/h=0.175kg/s。而混合液的体积流量qvf=Q，那么喷一层所需时间可由下式计算获得：(2.9)当Vf=7.627103mm3时，则t=0.046s。2.1.2.3. 喷嘴参数的计算(1) 填充系数：旋流喷嘴中的液体会形成一个空心锥体，为此，引入一个填充系数，定义为喷嘴出口处流体所占面积与出口面积之比15，即由以上计算的1=50，代入下式15：(2.10)可得=0.74，将=0.74代入下式15：(2.11)可得几何常数K=0.58(2) 排放系数cd理论上，体积流量应当等于喷嘴出口速度V与出口面积A0的乘积，但实际上，流体在出口处并不是充满整个排放口，中心部分有一个空气芯，使实际流通面积变小15。在此引入排放系数cd，定义为实际流量与理论流量之比，采用以下公式15计算排放系数cd：(2.12)将=0.74代入上式可得cd=0.567。(3) 计算喷口直径dc：(2.13)由前面的计算可知qmf=0.175kg/s、cd=0.567、pf=1MPa=106Pa、f=1.05g/cm3代入上式可得dc=2.9mm。(4) 根据下式初步选定旋流室半径R：(2.14)其中m=0.53，取m=3,并将dc=2.9mm代入上式，得到R=8.7mm。(5) 切向孔直径dd：(2.15)将R=8.7mm、dc=2.9mm、n=4及K=0.58代入上式，得到dd=5.3mm。比较式(2.14)和式(2.15)的计算结果可知Rdd/2，其符合设计要求。由于液体的粘性对喷雾性能有较大的影响，因此有必要考虑混合液的粘性对喷嘴结构参数的影响。以下将着重分析混合液粘性对喷嘴结构参数的影响。(6) 计算雷诺数Re： (2.16)将qmf=0.175kg/s、f=1.05g/cm3、酒精的运动粘度=1.510-4m2/s、n=4及dd=5.3mm代入上式，得雷诺数Re=1600。(7) 计算摩擦系数，然后计算修正的几何常数K ：(2.17)将Re=1600代入上式15，得到=0.19。(2.18)将=0.19、R=8.7mm、dd=5.3mm及dc=2.9mm代入上式得K=0.49。将K的值代入式(2.10)，则计算出修正过的：将K的值代入式(2.12)，则计算出修正过的(cd)：(cd)=0.43返回步骤(3)，将式(2.13)中cd的代换为(cd)，其余参数不变，计算出最终的喷口直径dc：得到将dc的值代入式(2.14),并取m=1,得到R=3.3mm。将dc的值代入式(2.15)，式中其余参数不变，得到dd=3.8mm。(8) 假定旋流室中入流与旋流的冲突系数=0.9(通常为0.850.9)，修正后的切向孔直径为： (2.19)(9) 确定了dc、dd，喷嘴的其他几何尺寸，如Dk、Lk、L0、Ld、，可以根据有关系数15由基本尺寸确定：，取Ld=2dd=24=8mm(10) 计算空气芯半径与喷嘴半径的比。在喷嘴出口处的空气芯半径rr比定义所使用的rr 略大，引入 = rr / rc。 (2.20)将(cd)=0.43、K=0.49代入上式，得=0.284，进而得到空气芯半径rr=0.41mm。(11) 计算喷雾锥角：由于最初是从无粘流体出发，因此这里计算出的与给定的1可能不同，这需要将修正后的再代入公式(2.10)，修改角度1。最终得实际喷雾锥角=5212，则实际喷雾高度根据式(2.1)计算得到：当模具内径D=60mm时，l=61.2mm；当模具内径D=40mm时，l=40.5mm。(12) 计算喷雾锥角误差：(2.21)(13) 液膜厚度t：(2.22)其中喷口半径rc=1.65mm、=0.284，计算得到t=1.24mm。(14) 轴向喷射速度*：将(cd)=0.43、K=0.49、=0.284、pf=1MPa=106Pa及f=1.05g/cm3代入下式15：(2.23)可得*=38.7m/s。(15) 雾化粒径(平均直径)：将dc=3.3mm、qvf=0.6m3/h、酒精的表面张力=22.32dyn/cm、*=38.7m/s代入下式：(2.24)可得：(16) 由上述的分析及计算可得喷嘴的相关参数如表2.3及表2.4所示： 表 2.3 喷嘴主要结构参数计算结果主要结构件主要尺寸设计结果切向孔数量n4切向孔直径/ mm4切向孔长度/ mm8旋流室出口锥角/90内径Dk/ mm10.6长度Lk/ mm8.5喷口直径dc/ mm3.3长度/ mm1.65表 2.4 喷嘴的性能参数计算结果旋流半径R/ mm空气芯半径rr/ mm雾化锥角/3.30.4152.22.1.3 不同粉体与酒精质量比的计算以上设计计算是以WC粉体为对象进行的，为达到本系统可利用多种粉体材料制备层状复合材料素坯的目的，现在如前所述计算结果的基础上进行以下推导。喷嘴的直径、排放系数、系统的体积流量、喷射压力已经确定，则分析公式(2.13)可知喷雾系统的喷射效果与混合液的密度有直接关系，且当混合液密度为f=1.05g/cm3时系统的喷雾效果最好，现称f=1.05g/cm3为本喷雾系统的混合液合理密度，其与粉体质量、粉体体积、酒精质量、酒精体积的关系如下：(2.25)式中，真为粉末的真密度(g/cm3)；(cm3)；(cm3)整理式(2.25)可以得到粉体与酒精的合理质量比m的表达式： (2.26)综上，任意粉体按质量比为m与酒精混合即可得到密度为f(1.05g/cm3)的混合液，理论上，此混合液就可在本喷雾系统中得到预期的喷雾效果。2.1.4 外部结构设计本研究中，为保护喷嘴并且实现喷嘴和供液管路的连接，设计和选用了喷嘴的配件，包括：管接头、板孔、螺帽及O形密封圈。同时，对喷嘴的外形尺寸做出修改，以更合理的与配件配合达到喷雾的目的。图2.2是喷嘴套件的装配示意图：图2.2 喷嘴套件装配示意图图2.3是管接头的结构图：图2.3 管接头结构图图2.4是孔板的结构图。图2.4 孔板图2.5是螺帽的结构图：图2.5 螺帽图2.6是喷嘴的结构图：图2.6 喷嘴2.2 喷雾系统设计喷雾系统主要由磁力泵、溢流阀、二位三通电磁换向阀、管路和喷嘴组成，系统示意图如下:图 2.7 喷雾系统图本设计中采用时间控制器控制电磁换向阀的动作，进而控制喷嘴的喷雾时间，以达到控制粉体层厚的目的。现欲制备某粉体材料的素坯，要求层厚为h，则其相应的喷雾时间t可由下式求得：(2.27)式中，V按照合理质量比配备的混合液的总体积，m3；Q磁力泵的实际流量，也即喷嘴的流量，m3/h。将以下式子联立，得到V的表达式： (2.28)式中，S模具底面积，m2；l酒精密度，kg/m3。联立式(27)、(28)，得到喷雾时间h的表达式：(2.29)将l=0.8g/cm3，Q=0.6m3/h代入式(2.29)中，得到喷雾时间t与模具底面积S、粉体真密度真和所要求层厚h的关系式： (2.30)2.3 本章小结本章首先对喷嘴进行了选型和详细的设计计算，得到了符合喷雾要求的离心式雾化喷嘴的结构，并对喷嘴的喷雾效果进行了预估。本章还对喷雾系统进行了总体方案设计，确定了时间控制粉体层厚的控制思想，得到任意粉体利用本喷雾系统制备层状材料素坯时喷雾时间与模具尺寸和所要求层厚的关系。第3章 搅拌装置的设计第3章 搅拌装置的设计本研究中，固体粉末与酒精混合形成悬浊液，根据悬浊液的性质可知悬浊液在静置后会出现分层现象，这种分层现象直接导致固体粉末与酒精的混合不均匀，进而导致喷雾系统不能达到理想的喷雾效果，且干燥后固体粉层达不到所要求的厚度。为解决悬浊液分层的问题，本研究对搅拌系统进行了设计计算。搅拌系统的设计包括工艺设计和机械设计两个部分。工艺设计提出机械设计的原始条件，即给出处理量、操作方式、搅拌型式、搅拌转速与功率。而机械设计则对搅拌容器、传动装置以及内构件等进行合理的选型、强度计算和结构设计。3.1 搅拌系统的工艺设计3.1.1 搅拌系统的设计目标(1) 被搅物料：固体粉末和酒精混合后形成的悬浊液。(2) 搅拌所达到的目的：保证固体粉末和酒精均匀混合，使固体颗粒保持均匀悬浮状态。(3) 被搅物料的处理量：4L。(4) 是否有化学反应：无。3.1.2 搅拌容器和搅拌器的选型3.1.2.1 搅拌容器的选型：搅拌容器又称搅拌釜，包括筒体、换热元件及内构件等，其作用是为物料搅拌提供合适的空间。搅拌容器大多是圆筒形的，两端盖一半采用椭圆型封头、锥形封头或是平盖。搅拌容器通常是立式安置，但是也有一些是卧式安置的。立式釜在常压下操作时，为降低釜体制造成本，一半采用平底釜结构；当物料对环境没有污染，且被搅物料对空气中尘埃的落入不敏感时，釜体上部可设计成敞口型式。本设计中，搅拌操作在常压下进行，为降低成本，故采用平底釜结构；又由于酒精的易挥发性，故不可采用敞口型式。综上，本研究采用立式钢制平底平盖搅拌容器。搅拌容器的容积初步定为4L，则根据下式可计算容器的内腔直径D：(3.1)式中，V搅拌容器的容积，m3；装料系数，通常取0.60.717；HL装液高度，HL=1.3D17。将V=0.004m3、=0.6、HL=195mm代入式(3.1)中，得：D=0.142m。将上述结果圆整为D=0.150m，并将此结果代入下式可算出容器的高度H：(3.2)得到H=0.226m。3.1.2.2 搅拌器的选型：查阅搅拌与混合设备设计选用手册17，查得对于低粘度流体，推进式搅拌器由于循环能力强，动力消耗小，可应用到很大容积的釜中。涡轮式搅拌器应用的范围较广，各种搅拌操作都实用，但是流体粘度不超过50Pas。桨式搅拌器结构简单，在小容积的流体混合中应用较广，对于大容积的流体混合，则有循环能力不足，搅拌容器中有死角等缺点。对于高粘度流体的混合则以锚式、螺杆式、螺带式更为合适。本研究中，液相为酒精，酒精属于低粘度流体。因固体粒子并不溶解于酒精，所以固体微粒的加入对酒精的粘度几乎没有影响16，混合液仍为低粘度流体。本研究的料液处理量为4L,属于小容积的流体混合。因此，本研究可采用二叶平桨式搅拌器。3.1.3 搅拌转速的确定固体颗粒在液体中悬浮的程度分为110等级，本研究中为保证固体颗粒与酒精的充分混合，将悬浮等级定为6级悬浮17，6级悬浮的效果是：使95%料层高度的浆液保持完全离底悬浮。为达到6级悬浮，则搅拌器的搅拌转速必须大于完全离底悬浮临界转速。(悬浮临界转速即容器内悬浮操作达到某指定悬浮状态时，搅拌器所需要的最小转速。)完全离底悬浮临界转速的计算公式18如下：(3.3)式中，Nc完全离底悬浮临界转速，r/min；dp固相颗粒直径，m。粉体颗粒的直径为几到十几微米，取dp=10-5m；X100乘以固-液的质量比，本研究中固-液质量比为0.33左右；液体粘度，mPas；s固体粒子密度，kg/m3；l液体密度，kg/m3；D搅拌容器直径，m；d搅拌器直径，m；g重力加速度，m/s2。将D=0.15m，d=0.075m，dp=10-5m，X=33，=1.2mPas，s=15.5103kg/m3，=0.8103kg/m3，d=0.075m，g=9.8m/s2代入上式，得：Nc=30.6r/min故搅拌器的转速大于30.6r/min时就可以达到6级悬浮状态。为使搅拌器适于多种粉体与酒精的混合液的搅拌，并均能达到6级悬浮状态，现将搅拌转速N定800r/min(=13.3r/s)。3.1.4 搅拌功率和输入转矩的计算搅拌功率是指搅拌时，单位时间输入物料的能量，不包括在传动装置中损耗的能量。计算搅拌功率的目的，一是用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度；二是用于选择电动机和变速器等传动装置。搅拌器的搅拌功率可由下式计算：(3.4)式中，Np为功率准数，根据文献19可知，二叶平桨在湍流条件下的功率准数为1.26。将Np=1.26、f=1.05103kg/m3、N=13.3r/s、d=0.075m代入式(3.4)，可得：Pj=5.67W搅拌器需要的输入转矩为Tj，将Pj=5.67W、N=800r/min代入下式，即可算得Tj： (3.5)得到Tj=0.08Nm。3.2 搅拌系统的机械设计搅拌系统包括搅拌容器和搅拌机两部分，图3.1是搅拌系统的结构图：图 3.1 搅拌系统结构图3.2.1 搅拌机设计3.2.1.1 传动装置传动装置包括电动机、减速器、机架和联轴器四个部分，下面对各个部分进行选型和计算。1. 电动机(1) 选择电动机类型本研究中要求电机的结构紧凑小巧，无需调速。根据直流电机和交流电机结构尺寸特点，可知交流电机的结构尺寸较大，本设计可采用直流电机。直流电机中以永磁式直流电机最为常用，它以自身体积小、结构简单、效率高等优点被广泛应用于便携式电子设备行业、汽车行业以及电气和自动化控制及仪器仪表行业中。永磁式直流电机能满足本设计的使用需要，故可采用。(2) 选择电动机的容量电动机所需工作功率Pd可按下式算出：(3.6)由电动机至搅拌器的传动效率为a：(3.7)式中1、2、3分别是减速器、联轴器、轴承的传动效率。取1=0.97，2=0.98，3=0.98，则可计算得出a=0.93。将a=0.93、Pj=5.67W代入式(3.6)中，可得电动机所需工作功率Pd=6.09W。(3) 搅拌系统所需转矩本章3.1.4节中已经计算出搅拌器的输入转矩Tj=0.08Nm，则所选择电动机的转矩应为此输入转矩的1.11.5倍。本设计中初选搅拌轴转速为800r/min，而永磁直流电机的转速都在3000r/min以上，所以需要采用减速器减速，行星齿轮减速器的结构尺寸小，满足本设计的安装需要，故可初选减速器类型为行星齿轮减速器。行星齿轮减速器的常用减速比为3、4、5、6、8、10，则电动机的转速范围在24008000r/min，在此转速范围内的永磁直流电机常用的有以下几种型号：表 3.1 电动机方案方案电机型号转速/r/min功率/W额定电压/V额定电流/A参考价格/元重量/kg155YZT09250020.4123.21700.75255YZT51300029241.52000.9355YZT55600050273.12500.9比较以上三种电动机，综合考虑电动机的尺寸、重量、价格、功率和转矩，可见方案2比较合适。因此选定电动机的型号为55YZT51，下面为其性能参数：表 3.2 永磁直流电机的性能参数和型号电机型号转矩/mNm转速/r/min功率/W额定电压/V额定电流/A允许顺逆转速差/r/min55YZT5192.3300029241.52002. 减速器减速器是用于原动机和工作机之间独立的闭式传动装置，其主要功能是降低转速，并相应的增大转矩。由于本设计中搅拌轴转速为800r/min，小于所使用电动机的额定转速，故在电动机出口端设置减速器。减速器按传动和结构特点来划分可以分为四大类：圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器。圆柱齿轮减速器和圆锥齿轮减速器均属于齿轮减速器，圆柱齿轮减速器的应用最为广泛，其主要特点是效率高，工作耐久，维护简便，但其结构尺寸通常较大；蜗杆减速器主要应用于传动比较大的场合，具有传动结构紧凑，轮廓尺寸小，工作平稳的优点，但是其效率较低；行星齿轮减速器传动效率高，体积和重量比普通齿轮减速器、蜗杆减速器小得多。根据本设计的工作要求和条件，选用行星齿轮减速器，如下表3.3是其型号和性能参数：表 3.3 微型行星减速器的型号和性能参数减速器型号输出转速/r/min输出转矩/mNm安装方式减速比55PX4A3750260A31:43. 机架本设计中机架分为上机架和下机架。其中，上机架为单支点机架，保证了电动机和减速器的固定，使其能够稳定运行，同时上机架与滚动轴承和小圆螺母配合为搅拌轴提供了一个支点，实现了轴的固定；下机架保证了上机架与安装基座的稳固相连。4. 联轴器联轴器可以连接轴与轴或轴与其他回转件，并且传递运动和扭矩。根据连接的不同要求可分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。本设计中，搅拌功率较小，并采用单支点机架且搅拌釜中无底轴承，故可采用刚性联轴器17。刚性联轴器分为套筒联轴器、凸缘联轴器、夹壳联轴器和紧箍夹壳联轴器。表3.4是几种刚性联轴器的比较：表 3.4 几种刚性联轴器的比较联轴器最高转速/r/min轴径范围/mm特点及应用套筒联轴器20025020100结构简单，制造容易，用于工作平稳的小功率传动轴系凸缘联轴器23001300010180结构简单，制造容易，装拆方便，工作可靠，适用于工作平稳的一般出传动夹壳联轴器38090030110装拆方便，但平衡困难，适用于低速传动的水平或垂直轴系。紧箍夹壳联轴器38090030110与夹壳联轴器相似，但外形简单。适用于径向装配尺寸受限制的场合比较以上几种联轴器，本设计选用凸缘联轴器，查阅机械设计手册20，选用GYS1型凸缘联轴器。3.2.1.2 搅拌轴的设计1. 按扭矩计算轴的最小直径：现根据所选取的电动机和减速器的参数算出搅拌轴传递的最大扭矩Tmax：(3.8)式中，PN电动机的额定功率，kW；Ns减速器输出的转速，r/min；a传动装置的效率。将PN=0.029kW、Ns=750r/min、a=0.93代入上式，得Tmax=0.34Nm。