设备管理_设备设计与选型课件

设备设计与选型 设备工艺设计的主要内容设备设计的基本原则通用设备的选型非标设备的工艺设计 4 1设备工艺设计的内容 1 确定单元操作的设备类型2 确定设备的材质3 确定设备的设计参数4 确定标准设备 定型设备 的型号 数量5 已系列化的设备确定设备的标准图号和型号6 确定非标准设备的设计条件和设备草图7 编制工艺设备一览表8 工艺设备设计图纸的会签 4 2设备工艺设计与选型的原则 1 满足工艺过程的要求 生产能力 工艺条件 环境条件 可靠稳定 2 经济合理 技术先进和成熟统一 投资和操作成平衡 3 操作 控制 维修方便4 采购 供货方便5 考虑生产的波动 决定设备的富余能力和备用要求 4 3通用设备的选型 4 3 1生物工程常用的通用设备 1 物料输送设备1 固体输送设备 带式输送机斗式提升机 螺旋输送机液力输送设备气力输送设备2 液体输送设备 离心泵3 气体输送设备 压缩机风机 固体物料破碎工艺流程 1 粗颗粒粉碎机6 流化床气流粉碎机11 后冷却器2 5 预冷器 兼螺杆加料器 8 除尘捕集器12 冷冻干燥机3 盘式粉碎机9 高压引风机13 引风机4 7 旋风分离器10 空气压缩机14 锁风阀 1 带式输送机 通用固定式带式输送机是化工 煤炭 冶金 建材 电力 轻工 粮食及交通运输等部门广泛使用的运输设备 适用于输送容量为0 5 2 5吨 米3的块状 粉状等散状物料 带式输送机的结构水平带式输送机 倾角带式输送机 带式输送机组成 1 输送带2 驱动装置 提供驱动力 电机 减速机 驱动辊3 张紧装置 补偿带长变化 重锤式 螺旋式 弹簧式4 机架和托辊 橡胶带 钢带钢丝网带帆布带链板带 主要参数 带宽B 衬布层数i 带长m 带速V 倾角 抗拉强度 K 单层单位宽度的许用工作应力N 安全系数 1利用导向轮增大包角2利用两个驱动轮增大包角3利用压紧带增大牵引力 驱动滚筒布置方案 带张紧的原因带传动须保持在一定的张紧力状态下工作 长期张紧会使带产生永久变形而松弛 导致张紧力减小 传动能力下降 因此带传动要控制和及时地调整张紧力 常用的控制和调整张紧力的方法是 调节中心距 水平或接近水平的布置时用调节螺钉1使装有带轮的电动机沿滑轨2移动 图a 垂直或接近垂直的布置时用螺杆及调节螺母1使电动机绕小轴2摆动 图b 若中心距不能调节时 可采用具有张紧轮的传动 图c 它靠重锤1将张紧轮2压在带上 以保持带的张紧 a拉力螺杆b压力螺杆c重锤式d弹簧调节 拉紧装置 托辊形式 1弹簧式2三辊槽式3双辊式4带边辊式 2 斗式提升机 离心式无定向自流定向自流斗式提升机卸料方式 带传动的优点 适用于中心距较大的 传动带具有良好的弹性 能缓冲吸振 尤其是V带没有接头 传动较平稳 噪声小 过载时带在带轮上打滑 可以防止其它器件损坏 结构简单 制造和维护方便 成本低 带传动的缺点 传动的外廓尺寸较大 由于需要张紧 使轴上受力较大 工作中有弹性滑动 不能准确地保持主动轴和从动轴的转速比关系 带的寿命短 传动效率降低 带传动可能因摩擦起电 产生火花 故不能用于易燃易爆的场合 根据图示几何关系 包角 和带长L 2 已知带长时 由上式可得中心距 带长 带传动的受力分析 安装带传动时 传动带以一定的张紧力F0紧套在两轮上 由于F0作用 带和带轮的接触面就产生了正压力 带传动不工作时 传动带两边的拉力相等 都等于F0 图a 带传动工作时 图b 在带与带轮的接触面间便产生了摩擦力Ff 由于摩擦力的存在 传动带两边的拉力相应发生了变化 带绕上主动轮的一边被拉紧 称为紧边 其拉力由F0增加到F1 带绕上从动轮的一边被放松 称为松边 其拉力由F0减少到F2 如果近似的认为带的总长度不变 则带紧边拉力的增加量F1 F0应等于松边拉力的减少量F0 F2 即 带两边拉力之差称为带传动的有效拉力 带轮接触面上各点摩擦力的总和Ff 也就是带所传递的圆周力F 即F F1 F2 圆周力F N 带速v m s 和传递功率P kW 之间的关系为 将前式代入上式 可得 由上式可知 带的两边拉力F1和F2的大小 取决于张紧力F0和带传动的有效拉力F 在带的传动能力范围内 F的大小和传动功率P及带的速度v有关 当传动功率增大时 带的两边拉力的差值F F1 F2也要相应的增大 带的两边拉力的这种变化 实际上反映了带和带轮接触面上摩擦力的变化 带的应力分析 带传动工作时 带中应力由以下三部分组成 紧边和松边拉力产生的拉应力紧边拉应力 松边拉应力 离心力产生的拉应力如图13 8所示 当带绕过带轮时 在微弧段dl上将产生离心力dFNc 此离心力使带中产生离心拉力Fc qv2 N 离心力只发生在带作圆周运动的部分 但由此引起的拉力却作用于带的全长 故离心拉应力为 弯曲应力带绕过带轮时因弯曲变形而产生弯曲应力 V带中的弯曲应力如图所示 由上式可知 b与y成正比 与d成反比 当y一定时 d越小 带的弯曲应力 b就越大 故带绕在小带轮上时的弯曲应力 b1大于绕在大带轮上时的弯曲应力 b2 由材料力学公式得带的弯曲应力 为了避免弯曲应力过大 应对带轮最小直径有一定的限制 不同带形有最小直径值要求 图13 10所示为带的应力分布情况 各截面应力的大小用自该处引出的径向线 或垂直线 的长短来表示 最大应力发生在紧边与小轮的接触处 由图可见 带是在变应力状态下工作的 当应力循环次数达到一定值后 将使带产生疲劳破坏 实验表明 众所周知的疲劳曲线方程也适用于经受变应力的带 即 mmaxN C 最大应力可近似地表示为 max 1 b1 c 带传动设计 1设计带传动的原始数据传动用途 载荷性质 传递的功率P 带轮的转速n1 n2 或传动比i12 以及对传动外廓尺寸的要求等 2设计内容选择合理的传动参数 确定V带的型号 长度 根数和传动中心距 确定带轮的材料 结构和尺寸等 3设计方法及步骤1 确定计算功率Pc 2 选择带的型号 3 确定带轮的基准直径d1和d2 4 验算带的速度 5 求带基准长度Ld和中心距a 6 验算小带轮包角 1 7 求V带根数z 8 确定带的初拉力F0 9 求作用在带轮轴上的压力FQ 10 带轮结构设计 3 螺旋输送机 破碎设备 2 气体输送设备 按压力分类 压缩机0 3MPa以上鼓风机0 015 0 03MPa通风机0 015MPa以下按结构原理分类 往复式活塞式 膜片式容积式回转式滑片式 螺杆式 转子式速度式轴流式 离心式 混流式 大气压 表压 绝对压 真空度 绝对压 V型空气 氢气 压缩机 压缩比在4以上 终压在300kPa 表压 以上 分为 低压压缩机 表压在2 10kPa 中压压缩机 表压在10 100kPa 高压压缩机 表压在100一1000kPa L型空气 氢气压缩机 鼓风机压缩比小于4 终压在14 7 300kPa 表压 通风机压缩比在1 1 15间 终压不大于14 7kPa 表压 真空泵用于减压操作 终压相当于当时当地的大气压力 压缩机系统 工业上常用的通风机主要有离心通风机和轴流通风机两种型式 轴流式通风机所产生的风压很小 一般只作通风换气之用 用于气体输送的 多为离心通风机 性能参数与特性曲线 1 风量按进口处的气体状态计的单位时间内从风机出口排出的气体体积 以Q表示 单位为m3h 1 2 风压单位体积的气体流过风机时所获得的能量 以HT表示 单位为J m 3 3 轴功率与效率 离心通风机特性曲线示意图 3 液体输送设备 泵 1 泵的类型及特点离心泵ns30 300叶片泵 混流泵ns300 500轴流泵ns5000 1000活塞泵容积泵回转泵 离心泵的性能参数 1 流量 指离心泵在单位时间内排入到管路系统内的液体体积 以Q表示 其单位为L s 1或m3 h 1 2 扬程 指泵给予单位重量液体的有效能量 以H表示 其单位为m 3 效率 反映泵对外加能量的利用程度 以 表示 4 轴功率 指泵轴所需的功率 以P表示 而每秒钟泵对输出液体所作的功 称为泵的有效功率 以Pe表示 单位为W或kW 即 泵的比转数 qv He曲线离心泵的扬程随着流量的增大而下降 qv Ne曲线离心泵的功率随着流量的增大而升高 qv 曲线效率开始时随流量的增大而增加 达到最大值后 如继续增大流量 则泵效率反而下降 离心泵的选用 离心泵的选用 通常可按下列原则进行 1 确定离心泵的类型2 确定输送系统的流量和扬程3 确定离心泵的型号若有几种型号的泵同时满足管路的具体要求 则应选效率较高的 同时也要考虑泵的价格 4 校核轴功率当液体密度大于水的密度时 必须校核轴功率 5 列出泵在设计点处的性能 供使用时参考 离心泵的安装高度 汽蚀现象泵内液体汽化 汽泡形成和破裂的过程中使叶轮材料受到损坏的现象称为汽蚀现象 产生原因 p叶轮 pv 使液体汽化 危害 1 叶轮遭到剥蚀 2 产生噪音和振动 3 流量不稳定 显著下降 严重时不能送液 工程上规定 当泵的扬程下降3 时 认为进入了气蚀状态 预防措施 p入口 pv即p入口 或pv 1 pv T 操作稳定 2 p入口 Hg hf 允许安装高度确定 方法 允许汽蚀余量法允许汽蚀余量 泵吸入口处动压头与静压头之和比被输送液体的饱和蒸汽压头高出的最小数值 工程上从根本上避免气蚀现象的方法是限制泵的安装高度 避免离心泵气蚀现象发生的最大安装高度 称为离心泵的允许安装高度 也叫允许吸上高度 随Q增大而增大 越大 抗汽蚀性能越差 求取 实验测定 由泵性能中查取 影响因素 2 允许安装高度Hg确定允许安装高度Hg 指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离 列贮槽液面0 0 与泵的吸入口1 1 两截面间的柏努利方程式 式中Hg 允许安装高度 m p0 吸入液面压力 Pa pv 输送温度下液体的饱和蒸气压 Pa 被输送液体的密度 kg m3 流体流经吸入管的阻力 m 返回 3 水泵振动原因 1 机械故障 转子不均衡 泵轴弯曲 轴承磨损或损坏 轴瓦间隙过大 2 操作和工艺原因阀门开度过小 水泵选型不当单泵选型不当 水泵扬程与所需水压相差较大 为了控制水压 水泵运行时出水阀开启小 压力差靠阀门来调节 两种型号不匹配的水泵并联 扬程范围相差很大的两台水泵并联易引起整个管网压力波动 水流在管道内形成水击现象 引起水流紊动致使管道剧烈振动 3 通道不畅 出水管路有空气在出水管的较高处或大的出水阀上部有空气 形成气囊 使管路中水流阻力增大 压力急剧变化 形成水击现象 引起管道振动 所以 在设计安装泵房时 应考虑到在出水管高处设排气阀 便于检修 管道进气或有杂物 一般为吸水管漏气 或吸水管口淹没深度不够 使水泵吸入空气 引起振动 出水阀门掉板或没有开启检修水泵时管道中水已排尽 起泵后压力升高 当水流到达阀门时 紧靠阀门的一层水突然停止流动 产生水击压强 以后与之相接的第二层及其后续多层水相继逐层停止流动 压强逐层升高 并以弹性波的形式由阀门迅速传向水泵出口 形成水击波而使管道振动 4 叶轮汽蚀 汽蚀是水力机械中一种异常现象 水泵的汽蚀是指水泵在运行时 由于某些原因使泵内局部位置的压力降低到水的饱和蒸汽压力 此时水就会汽化 汽化时从水中离析出的大量汽泡随着水流向前运动 到达高压区时受到周围液体的挤压而溃灭汽泡内的汽体又重新凝结成水 汽蚀使水泵产生强烈的局部水锤 且汽蚀过程不稳定 引起水泵强烈振动和噪声 同时由于汽蚀汽泡堵塞叶轮槽道 导致流量 扬程均降低 效率下降 严重时会使水泵断流 防止汽蚀的措施 确定水泵的安装高度 设计泵站时 应使装置汽蚀余量大于水泵的允许汽蚀余量 要充分考虑水泵装置可能遇到的各种工况 以便正确地确定水泵的安装高程尽量减少进水管路水头损失 可适当加大进水管直径 缩短进水管长度 减少管路附件 通流部分断面变化率力求小 提高管壁的粗糙度 具有良好的进水条件 进水池内的水流要平稳均匀 不产生漩涡 进水流道设计要合理 使进入叶轮的水流速度和压力分布均匀 避免局部低压区 调节工作点 在水泵运行过程中 可通过调节工作点减轻汽蚀 离心泵可适当减少流量 以降低汽蚀欲量或增大允许吸上真空高度 降低水泵的工作转速 降低水泵的工作转速可以减轻汽蚀程度 4 泵的配置例子 2 1混用的配置方案 齿轮机构的特点和类型 齿轮传动是用来传递任意两轴间的运动和动力的 它是应用最为广泛的一种机械传动 1 主要优点1 适用的圆周速度和功率范围广 2 机械效率高 3 可实现准确的传动比 且传动平稳 4 寿命长 5 工作可靠 6 可实现平行轴 相交轴 交错轴之间的传动 7 结构紧凑 2 主要缺点1 要求有较高的制造和安装精度 成本相对较高 2 不适宜于远距离两轴之间的传动 按照两轴的相对位置和齿向 齿轮机构分类 一 齿轮各部分名称齿顶圆 齿顶所确定的圆 其直径用da表示 齿槽 相邻两齿之间的空间 齿根圆 齿槽底部所确定的圆 其直径用df表示 齿厚 在齿轮任意直径dK的圆周上 轮齿两侧齿廓间的弧长 用sK表示 齿槽宽 齿槽两侧齿廓间的弧长 用eK表示 齿距 相邻两齿同侧齿廓间的弧长 用pK表示 二 齿轮的基本参数齿轮各部分尺寸由齿轮的基本参数来决定 这些基本参数是 齿数 一个齿轮上轮齿的总数 用z表示 模数 特定圆 分度圆 上齿距p与 的比值 用m表示 并规定为一些简单的数值 使之标准化 单位为mm 分度圆 为了便于齿轮各部分尺寸的计算 在齿轮上选择一个作为计算基准的圆 渐开线齿轮的切制原理 一 成形法成形法 仿形法 是用渐开线齿形的成形铣刀直接切出齿形 常用的刀具有盘形铣刀和指状铣刀等 成形法切齿方法简单 不需要专用机床 但加工的齿轮精度底 同时由于加工不连续 生产效率也底 二 范成法范成法又称展成法或包络法 它是利用齿轮啮合的原理来切制齿廓的 设想将一对相互啮合传动的齿轮之一变为刀具 而另一轮作为轮坯 并使两者仍按原来的传动比转动 这样刀具的齿廓便将在轮坯上包络出与其共轭的齿廓 这就是展成法切齿的基本原理 1 齿轮插刀图4 11所示为用齿轮插刀切齿的情形 2 齿条插刀图4 13为齿条插刀齿廓在水平面上的投影 图所示为齿条插刀切齿的情形 4分离设备 XMZ200 1500厢式自动压滤机 板筐压滤机系统组成 1 机架2 滤板组3 加热装置4 抽吸装置5 挤压装置6 滤饼收集装置 改性聚丙烯板聚丙烯板采用层压板机械加工而成 板材用30丝的薄片在高温高压下铸成板 因而能起工程塑料的作用 比重1 1 2 1 3Kg抗拉强度 200Kg cm2静弯曲强度 350Kg cm2冲击强度 40Kg cm2维卡软化点 140 工作温度 5 80 工作压力 5Kg cm2 主要技术参数 管式过滤机 工艺流程图 a 接压缩空气b 空气净化器c 贮气罐d 压缩空气反吹e 压缩空气正吹f 料液进口g 反洗供水h 滤清夜i 料液回流j 进料泵k 主机 1 打开进料阀1 出料阀5 6 7 2 关闭反吹阀2 3 4 回流阀8 3 开启进料泵 正常过滤 过滤结束 4 关闭进料泵 阀1 打开回流阀8回流完毕 5 关闭回流阀8 打开气阀2正吹 正吹结束 6 关闭正吹阀2 开启出料阀6 反吹卸渣 7 关闭反吹阀3 打开反洗阀4反洗 8 下一过滤周期开始 管式离心机 自动卸料离心机工作过程 键联接和花键联接 一 键联接的类型键主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩 有些类型的键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动 键是标准件 分为平键 半圆键 楔键和切向键等 设计时应根据各类键的结构和应用特点迸行选择 平键联接平键的两侧面是工作面 上表面与轮毂槽底之间留有间隙 图10 34 平键定心性较好 装拆方便 常用的平键有普通平键和导向平键两种 普通平键的端部形状可制成圆头 A型 方头 B型 或单圆头 C型 如表10 9所示 圆头键的轴槽用指形铣刀加工 键在槽中固定良好 但轴上键槽端部的应力集中较大 方头键用盘形铣刀加工 轴的应力集中较小 单圆头键常用于轴端 普通平键应用最广 导向平键较长 需用螺钉固定在轴槽中 为了便于装拆 在键上制出起健螺纹孔 图10 34b 这种键能实现轴上零件的轴向移动 构成动联接 半圆键联接半圆键也是以两侧面为工作面 它与平键一样具有定心较好的优点 半圆键能在轴槽中摆动以适应毂槽底面 装配方便 它的缺点是键槽对轴的削弱较大 只适用于轻载联接 锥形轴端采用半圆键联接在工艺上较为方便 楔键联接和切向键联接楔健的上下面是工作面 如图10 36所示 键的上表面有1 100的斜度 轮毂键槽的底面也有1 100的斜度 把楔键打入轴和毂槽内时 其工作面上产生很大的预紧力Fn 工作时 主要靠摩擦力fFn传递转矩T 并能承受单方向的轴向力 由于楔键打入时 迫使轴和轮毂产生偏心e 因此楔键仅适用于定心精度要求不高 载荷平稳和低速的联接 楔键分为普通楔键和钩头楔键两种 钩头楔键的钩头是为了拆键用的 切向健是由一对楔键组成 图10 37a 装配时将两键楔紧 键的窄面是工作面 工作面上的压力沿轴的切线方向作用 能传递很大的转矩 当双向传递转矩时 需用两对切向健并分布成120 130 二 平键联接的强度校核键的材料采用强度极限 B不小于600MPa的碳素钢 通常用45钢 当轮毂用非铁金属或非金属材料时 键可用20或Q235钢 键的截面尺寸应按轴径d从键的标准中查取 键的长度L可参照轮毂长度从标准中选取 必要时应迸行强度校核 见表10 9 平键联接的主要失效形式是工作面的压溃和磨损 对于动联接 除非有严重过载 一般不会出现键的剪断 设载荷为均匀分布 由图10 38可得平键联接的挤压强度条件 对于导向平链联接 动联搂 计算依据是磨损 应限制压强 即 式中 T为转矩 N mm d为轴径 h为键的高度 l为键的工作长度 mm p 为许用挤压应力 p 为许用压强 MPa 见表10 10 若强度不够时 可采用两个键按180 布置 考虑到载荷分布的不均匀性 在强度校核中可按1 5个键计算 轴和轮毂孔周向均布的多个键齿构成的联接称为花键联接 齿的侧面是工作面 由于是多齿传递载荷 所以花键联接比平健联接具有承载能力高 对轴削弱程度小 定心好和导向性能好等优点 它适用于定心精度要求高 载荷大或经常滑移的联接 三 花键联接 花健联接按其齿形不同 可分为一般常用的矩形花键和强度高的渐开线花键以及用于薄壁联接的三角形花键 花键联接可以做成静联接 也可以做成动联接 一般只验算挤压强度和耐磨性 销联接 销的主要用途是固定零件之间的相互位置 并可传递不大的载荷 销的基本形式为圆柱销和圆锥销 还有大端具有外螺纹的圆锥销或小端带外螺纹的圆锥销等许多特殊形式 销的常用材料为35 45钢 图10 42a是带槽的圆柱销 销上有三条压制的纵向沟槽 图b是放大的俯视图 其细线表示打入销孔前的形状 实线表示打入后变形的结果 这使销与孔壁压紧 不易松脱 能承受振动和变载荷 使用这种销联接时 销孔不需要铰制 且可多次装拆 4换热设备 1决定选型的影响因素工作温度和温度的可调范围 压力范围和阻力损失 使用寿命和可靠性 抗腐蚀 结垢程度及除垢性能 安装和检修方便程度 安装场地和现场布置条件 低压低温 压力低于3MPa 温度低于200 板式换热器属于首选型式 运行在高压高温时 选择管壳式换热器或套管式换热器 高压 小容量时选套管式 应用在中压 高温时最佳方案是选波面板壳式换热器 2 流体性质对换热器选型影响 流体腐蚀性强 选择高抗腐蚀材料 如石墨或玻璃换热器 卫生要求高 优质不锈钢314 316 316LD 板式换热器需要预防内漏 选择螺旋板式换热器 工程上常用的冷流体 水和空气 常用的热流体有蒸汽 热水 烟气和导热油高温高压下的汽 水换热场合 采用管壳式或波面板壳式换热器 低温低压下的水 水换热场合 采用板式换热器 以热水作为热流体 其密度和比热都较大 换热系数也较高 而且热 冷流体都处低压 低温 热水温度小于150 下 对密封要求不高 因此选用板式换热器最为适宜 3 运行参数的合理选取 换热器运行参数由生产工艺条件决定 对于一台选定的换热器 应决定流体的流速 温度以及换热器管程和壳程的配置等 1 流速的选取无相变换热 换热负荷一定时 流速越高 对流传热系数越大 换热面积减小 节省材料 设备紧凑 不易结垢 流速提高 压降增大 泵功率随增加 一般压降增大速率大于对流传热系数增大速率 为了使压降不致过大 则流速不宜过高换热器中水的流速范围换热流体流速管程流速P mPs 壳程流速P mPs 循环水1 0 2 00 5 1 5新鲜水0 8 1 50 5 1 5 2 温差确定 热流体温度过高 冷流体过低 可以加大温差 增加传热效率 减小换热器体积 介质温度过高或过低易使传热面结垢 物料沉积和结晶 导致传热恶化 介质温度及温差影响壁面材质的选用 流体工作温度和换热终温一般经验 热端温差不小于20 冷端温差不小于5 3 冷热两种流体的管程壳程配置 1 粘度大或流量小的流体应走壳程 2 当换热器为刚性结构 两流体温差较大时 换热系数大的流体走壳程 两流体温差小 传热系数差值又较大时 换热系数大的流体走管程 3 与外界温差大的流体走管程 减小对环境的热损失 使壳体温差影响小 4 允许压降小的流体应走壳程 5 换热过程中 有凝结相变的流体应走壳程 利于排除凝结液体 6 有毒介质走管程 双套管式换热器 有毒介质走内管 防泄漏 7 易结垢 易沉积及含有杂质的不清洁流体应走管程 8 高温 高压和腐蚀性强的流体应走管程 发酵罐设计 随着生化技术和生化产品的不断发展 制药设备越来越严格的GMP要求 对发酵罐的大型化 结构设计 搅拌通气效率以及防止发酵罐的染菌也提出了越来越高的要求 在发酵罐的设备设计中