离心分离机设计04

中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 1 3 卧式螺旋离心机结构设计 性能指标 ： 本设计针对的是工业 热轧污水处理 ，处理量为 340 50 /mh ， 转鼓直径400mm， 长径比为 3， 转速 0-3000 r/min，差速 5-50 r/min。 3.1 转鼓设计 转鼓部件是卧螺离心机的主要部件。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，卧螺离心机可以按转鼓的形状分为圆柱形、圆锥形、圆柱 -圆锥形和双锥形等类型 4-20。转鼓的参数一般包括最大内直径、总长度、锥形部分的锥角和溢流环的直径等。 3.1.1 转鼓内 径的选取 转鼓的内径是离心机的主要结构参数，转鼓内径越大，其处理量也越大。但由于受材料强度、加工制造难度等因素的影响，转鼓直径增大时，离心机的转速必然降低，分离因数趋小。目前生产、使用较多的是转鼓直径为 200 1000mm的卧式螺旋卸料沉降离心机。 转鼓直径 D的确定要考虑离心机系列型号的标准尺寸，单机生产能力的物料性质。转鼓直径是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 3 2 1.26i 来确定的。在 L/D一定情况下，生产能力大致与 3D 成正 比。 通过查阅相关资料、调查研究国内外离心机的技术参数及国内外制造水平的差异，确定了转鼓的内径为 400mm21。 转鼓形状：柱锥形 材料： 1Crl8Ni9Ti不锈钢 3.1.2 长径比 的选取 长径比即离心机转鼓的轴向有效长度与其直径的比值。长径比越大，沉降区越长，分离效果越好，但轴功率也越大。应根据不同悬浮液的性质 (主要是沉降性能 )选择不同长径比，同时要与转速结合考虑。用于固液分离的卧式螺旋卸料沉降离心机，为了提高单机容量，一般 取值为 1 4。 对于易分离的物料，长径比为 1 2，一般在 1.5左右；对于难分离的物料，长径比为 2.5 4，一般在 3左右；长径比超过 4时，在制造上有困难，但它是未来发展的方向。考虑直径较大的特点，如果长径比过长，则整机的长度尺寸较大，易发生振动影响使用寿命，并出于安全方面的要求。 由于本设计针对的是工业 热轧污水处理 ， 其中有较难分离的物料，在此长径比初 选为 3，即转鼓的有效工作长度为 1200 。 3.1.3 转鼓转速 N和分离因数 Fr的检验 转鼓转速和分离因数的选取根据离心机工作原理，分离因数与转鼓半径的平方成正比，转速越高，分离因数越大，转鼓转速越高分离效果 越好、沉渣越干、澄清液越清、轴功率亦越大，但实际操作中并不是说转速越高越好。一般来说，对于易于沉降的物料，转速提高轴功率增大，容易引起机械故障或推渣困难，造成物料堵塞。因此要根据进料状况和分离效果等因素来选择合适的转速 (分离因数 )。 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 2 分离因素：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，称为分离因数rF，即： 22crF m r rFG m g g 式中 m 离心力场中 物料的质量（ kg） 转鼓角速度： r 转鼓内半径： 初选转鼓转速 n=3000r/min， D=400mm，转鼓材料为 1Cr18Ni9Ti，转鼓直径与允许的最大转速和分离因数的关系见表 3-1。 由于602 N,grFr 2（其中 离心机的角速度； F r 为离心机的分离因数； r 为转鼓的内半径。 ） 计算得到 =314.16rad/s， F r =1282.3。 由表 3-1 可知转鼓直径与允许的最大转速和分离因数之间的关系。由于 F r =1282.3 2890，并且根据表 3-2 可知转速 N=3000r/min 在允许的范围内，所以可以初步证明本设计中转鼓转速 N 和分离因数 F r 在强度方面的选取是正确的 22。 表 3-1 转鼓直径与允许的最大转速和分离因数的关系 转鼓直径 m 0.2 0.35 0.4 0.45 0.6 0.8 1.0 最大转鼓转速r/min 7200 4100 3600 3200 2400 1800 1400 最大分离因数 5700 3300 2890 2550 1900 1400 1150 表 3-2 国内外主要的卧式螺旋卸料离心机的基本参数 离心机型号 转鼓直径 mm 转鼓转速 r/min 分离因数 LW400 400 2200 3550 1080 2810 LW450 450 2000 3400 1000 1900 LW500 500 2000 3200 1120 2860 LW600 600 1400 2500 660 2100 LW630 630 1400 2500 690 2200 LW800 800 1250 2000 700 1790 3.1.4 转鼓半锥角 这里设计的转鼓是双锥角结构，有 锥角变化点， 如图 3-1所示，两个锥角分别为 1 、 2与 ，双锥角的好处是 使沉渣输出液池之后在平缓的坡度上稳定移动，而在液池下采用大锥角使得回流力减小，因此沉渣回流现象也变小。由于第一锥段锥角大，使得第一锥段轴向距离变短，在离心机总长不变时，第二锥段相应变长。故可以适当增大双锥角卧 螺离心机液池深度，而不会使得转鼓的干燥距离变短。同时液池深度的增大使得转鼓沉降面积增大，根据生产能力与沉降面积成正比的关系，双锥角卧螺离心机生产能力也增加了。 一般 半锥角的 取值范围 5 18 ； 大于 8为推送较难输送的沉渣。 400mm左右的卧螺中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 3 离心机是为热轧污水处理中固液分离而设计的，由于热轧污水中含有油，综合考虑油对固体沉渣的影响 本设计采用双锥角结构，选取半锥角：取 1 15 ， 2 8 。在设计结构时候可以用 10的单锥角计算。这样取的好处是，当 1 、 2 与 的 差 值 不一样时候，锥段长度也不一样。为了使大椎段长度短些，取较大的大椎角。先求出 r1， r2， L2 等 参数，根据几何方法列两个二元一次方程可以分别得到 a 的值和 b 的值。 以提供以后转鼓的加工参数。如图 3-121-22-23。 图 3-1 双锥结构图 找几何关系： a+b=L2 ； atan15 +btan8 =r2-r3 根据 前面 计算结果：其中 L2=397mm； r1-r3=70mm。计算出： a=110mm b=287mm 3.1.5 转鼓长度 现取长径比 /LD=3，则转鼓长度 L =400 3=1200 mm。 当转鼓直径 D、总长度 L 、锥段小端出渣口直径 D3 一定时，沉降区长度受液层深度 h和半锥角 变化的影响。如图 3-2所示当 L、2r、3r不变，将实线所示的 、 h改为虚线所示尺寸时，可以看出沉降区长度的变化是很大的。因而 h值和 角值的选择对悬浮液处理能力有影响。 24 这里采用双锥角结构，为了方便计算，采用中间值 =10计算。如图 3-2。 取 1=15， 2=8。则 =10。 从图可知 柱筒段沉降区长度： 2 3 312 1( 2 )t a n t a nr r kLL L r D 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 4 式中3 3 2/k r r，一般常用 值3k=0.60.7，取3k=0.65 将上述各数据代入可得： 锥段小端出渣口半径： 图 3-2 转鼓结构简图 L 柱锥段总长度： L=1200mm 1L 柱筒段沉降区长度 2L 锥段长度 3L 锥筒段沉降区长度 1r 物料环内径 2r 转鼓内径：2 200r mm3r 锥段小端出渣口半径 h 液层深度： 21h r r 1 圆锥段大半锥角 2 圆锥段小半锥角 mm13020065.0323 krr柱筒段沉降区长度（即转鼓柱筒段长度）： mm80310t a n 1302001200t a n 321 rrLL 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 5 则转鼓锥段长度 ： mm397803120012 LLL 液层深度 h=30mm 则物料环内径： mm170302001 r 锥筒段沉降区长度： mm1 7 010t a n 30t a n3 hL 则沉降区长度： mm97317080331 LLL 沉降 3.1.6 转鼓转速 又因转鼓材料为 1Crl8Ni9Ti不锈钢，这种材料的各种转鼓直径的最大允许转速和分离因数如表 3-1所示。 从表中可以看出：当转鼓直径为 D=400mm时， 允许 达到的最大转速为 3600 r/min， 现选取转速 n=3000 r/min 合适。 3.1.7 池深与转鼓半径比 规定范围为 0.05 0.2，现取 0.15。 由于转鼓半径为 200mm，所以得到池深 h=30mm。 1.1.8 设计参数汇总 通过前面的计算，我们可以得到转鼓的主要涉及参数，如表 3-3，至于其它的具体尺寸在零件图中有具体的体现。 表 3-3 基本参数及主要计算数据 基本参数 单位 内容 转鼓转速 r/min 0-3000 差转速 r/min 5-50 转鼓大段内径 mm 400 转鼓壁厚 mm 6 转鼓长度 mm 1200 长径比 3 平均半锥角 10 沉降区长度 mm 973 转鼓直段长度 mm 803 转鼓锥段长度 mm 397 物料粘度 cp 0.81 物料固相密度 kg/m 1600 物料液相密度 kg/m 1360 物料颗粒度 m 15-300 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 6 3.2 螺旋输送器设计 螺旋输送器是卧螺 离心机的关键部件，其性能直接决定着离心机的分离效果、生产能力和使用寿命。随着对卧螺离心机生产能力和分离因数的不断提高，大型、高转速螺旋输送器的固有特性和强度直接关系着输送器的安全与可靠性，已成为设计中的关键问题 25。其中，螺旋输送器的受力分析是强度分析的基础， A W Roborts等人分析了悬浮液的涡旋流动对螺旋输送器受力的影响 26比 Wallaca W-F L Bung等人研究了污泥脱水用卧螺离心机的螺旋输送器所承受扭转力矩的计算方法 27-28。在掌握了输送器受力计算和分析方法的基础之上，瑞 典阿尔法一拉法公司的 N ComerWally 二又通过试验方法研究了螺旋输送器扭转力对固相离心产物含湿量的影响。 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并排出机外，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。螺旋输送器的筒体与转鼓同心安装在轴承上，螺旋输送器边缘所形成的回转外廓通常同转鼓的形状相同。即有单锥、筒锥、双锥等形式。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 (一般转差为转鼓转速的 0.2 3%)，此转差是由 行星差速器来实现的 29-30。 螺旋输送器推料叶片的形式很多，有连续整体螺旋叶片、连续带状螺旋叶片喝间断式螺旋叶片等。最常用的是连续整体式螺旋叶片，这种螺旋叶片制造比较容易，同时亦适用多种物料分离。本方案设计采用连续整体式螺旋叶片。 螺旋叶片头数，根据使用要求可以是单头螺旋、双头螺旋、也可以是多头螺旋。与单头螺旋相比，双头螺旋能保证沉渣在转鼓内较均匀地分布，运转平稳，并且双头螺旋有较高的沉渣输送能力。脱液型螺旋卸料沉降离心机一般采用双头螺旋，而澄清型离心机大都采用单头螺旋 31。本方案设计采用双头 螺旋。 内筒一般是焊接或铸造而成的空心筒体。内筒的形状一般有单锥、柱 -锥或由大小柱筒组合而成的形式，筒内用横隔板分隔成一个或两个以上有加料孔的加料隔仓，以适应因液层深度改变后，沉降区长度的变化而引起加料位置的变化。这是因为过去认为最适宜的加料位置是在脱水区与沉降区的交界处。但目前认为加料位置放在转鼓柱锥段交界处较适宜，可避免对沉渣的冲刷，分离效果反而更好。这样，不管液层深度如何变化，只有一个加料位置，只需一个加料隔仓，可简化内筒结构。本方案设计采用大小柱筒组合，在柱锥交界处开加料孔。 螺旋叶片材料一般与转鼓 材料相同。但是，当分离物料中的固体粒子磨蚀性很大时，叶片表面很容易被磨损。螺旋叶片磨损后，通常会使螺旋的输渣能力降低，造成沉渣含湿量增大。如果沉渣与螺旋叶片的摩擦力大于沉渣与转鼓内表面的摩擦力，则沉渣就粘附在螺旋叶片上并和螺旋一起旋转，于是沉渣就不能从转鼓中卸出，并逐渐塞满转鼓。为防止这种现象发生，就要求叶片材料必须具有高的硬度和耐磨性，提高螺旋叶片表面的硬度和耐磨性。本方案设计采用 螺旋叶片上 喷镀 碳化 鸽 和堆 焊 硬 质 合金技 术 。 因此设计的螺旋输送器特点如下： 1. 整体式螺旋叶片，垂直于转鼓轴线，同时采用 螺旋叶片上 喷 镀 碳化 钨 和堆 焊 硬 质 合金技术。 2. 双头螺旋，螺距在澄清段是定值，干燥 段 是变值。 3. 采用大小柱筒组合， 出料孔开在柱锥交界处，对称布置四个出料孔。在每一圈叶片开设均匀的开有四个叶片孔，转鼓壁上开有一个以上对称布置的泄露孔。 设计的螺旋输送器主要参数如表 3-4。 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 7 (1)螺距 这里采用变螺距设计，即 澄清段叶片部分的螺距 S=，为常数；干燥段叶片部分的螺距 S= -K，为常数， K为常数或不断增加的变量并且 K值小于值。这里取澄清段螺距60mm，干燥段螺距为 60-k，（ k=5）。 表 3-4 螺旋输送器参数 长度 L/mm 澄清段螺距 S1/2 /mm 干燥段螺距 S2/2 /mm 叶片厚 h/mm 叶片与转鼓内壁间隙 t/mm 平均半锥角 / 转速 n/mm 1200 60 60-k(k=5) 8 2 10 3000 如图 3-3。 图 3-3 螺旋输送器结构简图 (2)叶片厚度 叶片厚度的变化只对正压力及摩擦力载荷产生的应力构成影响，由离心力载荷产生的应力儿乎不变，螺旋输送器的应力强度最大值在 3种载荷条件下均随螺旋叶片厚度的减小而增大。当叶片厚度为 6mm 时，最大应力值为 198Mpa 接近钢材的许用应力值 32。各 种工况下的应力云图显小，应力强度最大值均出现在圆柱段叶片的根部。 上述位 置易产生断裂或塑性变形，在进行结构设计时应采取增加叶片根部的焊接 尺寸或改善焊缝质量等措施以避免应力集中。 卧螺离心机结构参数化分析 所以这里保守取叶片厚度 h=8mm。 (3)半锥角 半锥角的变化只对正压力及摩擦力载荷产生的应力构成影响，而不影响由离心力载荷产生的应力的大小。在维持其它结构参数不变的条件下，随着半锥角的增大，应力强度呈增大趋势。在设计螺旋输送器时，增大半锥角可以增加离心机的有效沉降而积，从而提高生产能力，但应注意，增大半 锥角的同时也增大了螺旋输送器的应力强度值。所以设计时应在螺旋输送器强度许可的范围内合理设置半锥角的大小。这里我们选择平均半锥角为 10。 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 8 H1 H2 a1 a2 b1 b2 D d 1 4 2 5 6 7 3 (4)叶片与转鼓内壁间隙 一般要求叶片与转鼓内壁间隙不小于 1mm，同时不大于 5mm33。这里取 t 为 2mm。 3.3 差速器设计 差速器为行星轮减速器，它由外转子通过空心轴带动旋转，使螺旋推料器的转速比锥形转鼓快一定的转速，这个差值一般是转鼓转速的 0.2%-3% ，通常称为差转速。差转速使螺旋推料器的螺旋叶片与转鼓内壁间有相对运动，因而螺旋推料器可以推送固体物料。当 悬浮液从右端进料连续加入时，由于转鼓回转产生的离心力的作用下，物料聚集在转鼓大端，形成一沉降区。在沉降区里，悬浮液中的固相物料受离心力的作用而沉降到转鼓内壁上，并被螺旋推料器送到转鼓小端的干燥区，最后从卸渣口甩出。锥形转鼓大端的端面上开有圆形口，达到一定的深度的澄清液从溢流口流出，这样就实现了固、液的分离 34- 35。 本方案设计采用超越离合器和差速器组合机构。重点还是差速器部分的参数设计。 3.3.1 差速器和超越离合器组合机构 1 主电机； 2 离合器星轮； 3 螺旋输送器； 4 输入轴； 5 离合器外圈； 6 差速器行星轮； 7 转鼓 图 3-4 超越离合器和差速器组合机构简图 下面我们分析下这种行星轮的实现原理和特点： 如图 3-4 所 示，己知转速 4 2 1annn ， 5 6 7 1 2bbn n n n n ， 12Hann ， 23Hnn 。当连续进料时，只启动主电动机，通过带传动带动差速器齿壳 6转动 ，即 : 6 /n n i 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 9 式中 : i 主电机带传动比 n 主电机转速 在 2K一 H传动中，有 : 2 2 2 2222 2 2H a H babb H an n zi n n z 以 2bn 除以上式左端的分子和分母，得 : 2 2 2 2 222221H a b H babHbiii i 可以得到： 22 2 2 2 222 222 1HH a b a bab Habiiii （ 3-1） 在图中的 2K 一 H传动中，有 1 1 1 1111 1 1H b H aaba H bn n zi n n z 因为： 1 1 11 1 1 1 1 11111 ,1a a HH b b H b aabHi i ii 则有 111 11111111 1aHb HbHbaaHi nninn （ 3-2） 将（ 3-2）带入（ 3-1）整理得到： 2111 2 2 1 17 8 2 2 2 2 1 1( 1 ) (1 )(1 ) 1HHaa a b b abH a b b aiiii （ 3-3） 将 2 2222H babazi z1 1111H aabbzi z带入（ 3-3）得 11 117 3 2 22 2 2 1 2 1/1 / / 1aa abbH b a b a a bzzii z z z z z z 最后化简得到： 12 2 2 1 1 2 1 2 1 2 2 1( ) ( )ab H H a a a b b a b a bi n n z z z z z z z （ 3-4） 由于超越离合器的外套 5 为主动件 ，所以有 25nn ，即 12abnn 。若使等式（ 3-4)成中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 10 立，则 21Hann , 6 5 1 2aHn n n n 此时，差转速 620Hn n n ，即差速器处于 0差速运转，无沉渣输出。当沉渣积累到一定厚度时，启动副电动机，即 : 41( / )n D d n 式中 :D， d 分别为副电动机所带动的主从动轮直径。 而主电机仍然以原速 6n 运行。 当 46nn ，即 25nn 时，离合器自动脱开。 因为 1 212221a babHHanni 得到差速： 16 2 2 1 2 2( ) ( 1 )aH b a H bn n n n n i （ 3-5） 因为 46nn ，也就是 12a nbnn 12 2 2 1 1 2 1 2 1 2 2 1( ) ( ) 1ab H H a a a b b a b a bi n n z z z z z z z 所以 620Hn n n 即卧螺离心机的螺旋输料器导前于转鼓。 又因为 602 n,grFr 2得到 主电机传动比 30 /rFginr 由公式（ 3-5）得： 12 1221ab aHbnnn i最后得到副电机传动比： 112230 / ( ) /1r aHbFg ni d D nri （ 3-6） 根据初选差转速 5 5 0 / m i nnr ，初选副电机转速 1 0 1 4 6 0 / m i nnr ，选择 NC3行星轮差速器，公称传动比 i=57，带入（ 3-6）得到： 1.639i 。去 1.64i 带入（ 7）可以得到 n =78.4 r/min。所以完全可以达到所要的差转速范围。由于采用了共直流母线中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 11 交流变频调速系统，所以通过变频器可以得到不同的主电机的辅助电机的速度，从而实现所需要的差转速。 36 3.3.2 渐开线行星齿轮差速器形式的选择 渐开线行星齿轮差速器有各种型式，如 2K-H、 3K和 K-H-V等。在特定的工作条件下，正确选择螺旋卸料离心机的差速器，是设计差速器必须首先解决的问题。 选择 传动型式时，必须遵循一系列的准则，其中以传动的外廓尺寸、重量、效率、传动对制造技术的要求等，是选择传动型式的最重要的准则。 螺旋卸料离心机上应用最广的 是 2K-HI 型。当齿数比小于 8 时，适当选择行星齿轮数，且行星轮间负荷分配均匀时， 2K-HI型的外廓尺寸和重量很小。在速度、功率和工作条件方面都没有限制。为了满足螺旋卸料离心机工艺上提出的要求，常设计成双极 2K-HI型差速器。 综上所述，欲得到外廓尺寸小，重量轻，效率高，制造、装配简单等优良指标的传动，根据选择传动类型式的准则综合考虑，推荐选用双极 2K-HI型传 动作为螺旋卸料离心机的差速器。 因此本设计选用： NC 系列齿轮行星差速器 。 表 3-5 2K-HI 型差速器参数 3.3.3 NC系列齿轮行星差速器的结构原理 NC 型齿轮 行星差速器由两级 NGW 行星齿轮机构组成 (图 4.1) 25 - 26 ， 内齿圈 B1， B2 连接的外壳和离心机转鼓固联，并与主传动皮带轮连接，输入主传动转速。 输出轴以花键轴头和离心机的螺旋卸料器轴连接 ， 一级中心轮 A1 由辅传动皮带轮通过扭矩离合器和输入轴 ! 输入辅传动转速，由行星轮架 (系杆 ) X1 自带的二级中心轮 A2 耦合到第二级行星传动机构 ， 进一步减速输出。 主传动转速1n和辅传动转速2n的转速差为12n n n。 若一级中心轮齿数为1AZ，一级内齿轮齿数为1BZ， 二级中心轮齿数为2AZ，二级内齿轮齿数为2BZ，则输出轴 (即离心机的螺旋卸料器 ) 和转鼓的转速差为设计考虑了输出转速差小于 2 r/ min 的情况 ， 行星机构的传动比设计为 35， 57， 93 和 159 几个 公称传动比。当传动比大时，由于中心轮直径很小 ， 行星轮个数受临界条件限制，因此 i 57 的情况，可采用 2 个行星轮，而其他采用 3 行星轮结构 。 行星机构还有一个显著的优点 ， 即可以根据实际需要，很方便地改变各级齿轮的配齿方案 ， 得到所需的各种传动比。 传动型式 传动比范围 效率 工作时最大功率 备注 2K-HI(二级 ) 8 i 60 0.97-0.996 不限 用于任何工作条件下的大、中、小功率传动。制造方便、轴向尺寸小。 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 12 图 3-5 NC 差速器结构原理图 3.3.4 NC系列行星齿轮差速器的基本参数 NC 系列行星齿轮差速器的基本型式如图 3-5， 这种差速器在国内生产的 LW， WL 各种型式离心机上配套应用，经过长期运转考验，达到了较好效果。可配用的转鼓直径为 180800 mm，转鼓转速 3500 5500r/ min，输出差转速为 2 80 r/ min，所配离心机的分离因素可达到 4400 5500，具体性能参数如表 3-6。 表 3-6 市场上已经存在的 nc 差速器型号及参数 机座号 型号规格 公称传动比i 额定输出转矩N-m 最高输入转速r/min 驱动功率Kw 适配主机转鼓直径mm 重量 2 NC2 23， 57 3000 4500 3-5.5 360 90 3 NC3 23， 57 4000 4000 4-7.5 500 100 4 NC4 90， 80 5500 3500 5.5-11 600 170 5 NC5 90 7000 3500 55-15 800 200 NC5A 47 10000 3500 30 200 6 NC6 35, 55 15000 2500 30-45 900 250 因此，本设计选用 NC3型。再配合上一个超越离合器。即可满足设计要求 。 3.5 离心机的功率计算 离心机的功率消耗与离心机的类型、操作方式和离心机的结构有关，一般情况下，离心机所需的功率包括以下几个方面 37： 3.5.1启动转鼓等传动件所需功率 N1； 3.5.2启动物料达到操作转速所需功率 N2； 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 13 3.5.3克服轴与轴承摩擦所需功率 N3； 3.5.4克服转鼓、物料与空气摩擦所需功率 N4； 3.5.5卸出物料所需功率 N5； 3.5.1 启动转鼓等传动件所需功率 N1 欲使离心机转鼓等转动件，由静止状态达到工作转速具有一定的功能，必须由外界作功，该功为： p dmrdmrdm 2222222121 221 PJ式中 v 转动件线速度， m/s； dmrJ p 2 为转动件绕轴旋转的转动惯量， kg m2。 启动转动件的平均功率 N1为： 1211 2000 TJTAN pp KW （ 3-7） KWTdmrN1221 2000 kwKW6.131102000)60 23000(7502.0 22式中 1T 启动时间， S； m 转鼓总质量，估算 m 750kg； 离心机的角速度， 1/s。 转动件的转动惯量pJ，主要考虑转鼓、皮带轮、制动轮等质量 较大、半径较大的转动件的转动惯量。此外还有一些较小的转动件，启动时也需要功率，可不逐一计算，只要将上述计算的功率增加 10%20%即可。 由公式 (3-7)可以看出，选择不同的1T值可计算出不同的启动功率。按启动时间计算所需启动功率如表 3-7所列： 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 14 表 3-7 启动转动部件所需功率1N列表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1/( )Ts10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 / ( )N kW131.6 65.8 43.9 32.9 26.32 21.9 18.8 16.5 14.6 3.5.2 启动物料达到操作转速所需功率 N2 加入转鼓中的物料有静止状态达到工作转速时也需要外界做功，它与加料方式有关。 加入的物料被分离为滤渣和滤液（过滤式离心机），或沉渣和分离液（沉降式离心机），或沉渣、轻液和重液（分离机）等组分。可分别求出某一种分离操作中每种组分所需的功率，然后求和。 假设某种分离操作，单位时 间内排出的 z 个组分中，各组分的质量im（ kg/s），各组分在转鼓内卸出位置半径为ir（ m），则使加入的物料达到工作转速 所需功率 2N 为： zi ii rmN 1 222 2000 KW （ 3-8） 2 1 222 2000i ii rmN kwN 7.72000)2.031013.034()2603000( 2222 式中 z 物料被分离的组分数 im 单位时间被分离各组分处理量 , 固相：1 1 .3 3 3 3 /m k g s，液相：2 3 .3 3 3 3 /m k g sir 转鼓内各组分旋转半径： 固相：1 0.13rm，液相：2 0.2rm3.5.3 克服轴与轴承摩擦所需功率 运动件由于摩擦所消耗功率，应为 摩擦力与摩擦面之间的线速度之积。 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 15 2 0 0 0 )(1 0 0 0 )( 221122113 dFdFfvFvFfN KW （ 3-9） 式中 f 轴与轴承间的摩擦系数；滑动轴承 f =0.05 0.1，滚动轴承 f 0.005 0.02 1v 、 2v 分别为轴颈表面的线速度， m/s； 1F 、 2F 分别为两轴承处支反力， N； 1d 、 2d 分别为两轴承处轴颈直径， m。 关于轴承支反力 1F 、 2F ，应考虑在转子的静载荷与动载荷作用下轴承的支反力。静载荷为转鼓及其它转动件总质量0m（这里初步估计0m=1500kg）为由于转动件偏心产生的离心惯性力。一般按偏心距1000De（ D 为转鼓直径）计算。所以轴上的总载荷 F 为： e= 4.01000400 )( 20 egmF N )2603000(104.081.91500 23 F)47.3981.9(1 5 0 0 F NF 73920 由总载荷 F 计算出支反力 21,FF ，代入（ 3-9）式中求出3N。 由图可知： F1+F2=73920 N F1 =F2=36960 N 这里设计的 左右支撑轴承处轴径为： 120 .1d d m求得： kwN 87.33000)1.0369601.036960(260300001.03 3.5.4 克服转鼓、物料与空气摩擦所需功率 离心机工作时，转鼓外表面、物料层内表面与空气摩擦消耗功率，可根据下式计算： )(103.11 4140364 RRLN a N （ 3-10） 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 16 )17.0()206.0()2603000(75.029.1103.11 44364 N N kwN 894.04 式中： L 转鼓的长度， m； 转鼓的旋转角速度， red/s； 0R 转鼓外半径， m； 1R 转鼓中物料层内半径， m； a 空气密度，常压下取a=1.29kg/m3。 3.5.5 卸出物料所需功率 对于螺旋卸料离心机，螺旋卸料是将沉渣从转 鼓上某处推送到卸料口卸出机外，故卸料功率应包括： (1) 克服沉渣的离心惯性力沿转鼓母线的分力消耗功率； (2) 克服沉渣与转鼓壁摩擦所消耗功率； (3) 克服沉渣与螺旋叶片摩擦消耗功率。 计算时将卸料功率分为锥段和柱段两部分，分别计算圆锥段消耗功率5N和圆柱段消耗功率5N，则总的卸料功率可以表达为： 5 5 5 N N N（ 3-11) （ 1） 圆锥形转鼓段推料功率计算 对于双螺旋叶片的螺旋卸料离心机，由圆锥段的推料公式可计算出圆锥段转鼓的推料功率，其计算公式如下： 222 23 3 2 2 2 235 3 3 32221 2 0 . 5 ( 1 ) ( ) 11 0 0 0 3 2sfLLmf RrN R r f R r f f R rL R r (3-12) 式中 sm 每秒获得的湿沉渣质量： 1 0 1 6 0 0 4 . 4 /3600sm k g s； 2f 沉渣与转鼓壁间的摩擦系数：2 0.12f ； 3f 沉渣与螺旋叶片间摩擦系数：3 0.10f ； 2L 圆锥段转鼓长度：2 0.397Lm； 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 17 R 圆锥转鼓大端半径， 0.2Rm ； r 圆锥转鼓小端半径， 0.13rm ； 螺旋导程， 0.13m ； g 重力加速度， 29.8m / sg 。 将上述各值代入式 （ 3-12） 可得圆锥段转鼓的推料功率： 2335 220 . 1 2 0 . 3 9 70 . 3 9 7 14 . 4 3 1 4 . 1 6 2 0 . 10 . 2 0 . 1 3 0 . 2 0 . 1 31 0 0 0 3 0 . 1 30 . 3 9 7 0 . 2 0 . 1 3N 2 2 2 20 . 1 30 . 5 ( 0 . 1 1 ) ( 0 . 2 0 . 1 3 ) 0 . 1 0 . 1 1 0 . 2 0 . 1 32 5.59W （ 2） 圆柱段转鼓推料消耗功率计算 2 2 2 21 2 3522( 4 )1 0 0 0 2sm R L f f RNfRf （ 3-13） 式中 1L 全部圆柱段长度：1 0.803Lm； R 圆柱段转鼓内半径： 0.2Rm ； 2f 沉渣与转鼓壁间的摩擦系数，对圆柱段2 0.06f ； 3f 沉渣与螺旋叶片间的摩擦系数，对圆柱段3 0.05f 。 则将上述数值代入式 （ 3-13） 可得圆柱段 转鼓的推料功率： 2 2 2 254 . 4 3 1 4 . 1 6 0 . 2 0 . 8 0 3 0 . 0 6 0 . 0 5 ( 0 . 2 4 0 . 2 ) 0 . 0 61 0 0 0 2 0 . 2 0 . 0 6 0 . 2N 4.46 kW 所以将上述计算结果代入式 （ 3-11） 可得总的卸料功率： 5N=5N+5N 5 . 5 9 4 . 4 6 1 0 . 0 5 kW 3.5.6 卧螺离心机功率确定 离心机的功 率可以分为两种状态，一种是离心机启动状态下消耗的功率，另一种是离心机运转过程中消耗的功率。 在启动阶段消耗的总功率为： 1 3 4 111 3 1 6 1 3 1 63 . 8 7 0 . 8 9 4 4 . 7 6 4oN N N N TT 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 18 则由上式可知启动时间不一样启动功率也不一样，启动时间越短，消耗的功率就越大，启动时间越长，消耗的功率越小。在实际生产中要根据现场情况确定启动时间和启动功率以符合现场装置的要求，启动时间不能太长，否则会影响现场各装置的运转效率；而启动时间也不能太短，启动时间太短会导致启动功率偏大，会导致装置电器线路负荷过重，而且从经济型 来讲启动功率偏大也不符合节能的要气，因此对启动时间和启动功率应根据实际情况确定一个合适的范围，以满足装置各方面的要求。 在实际的启动时间选择时，选择启动时间1T为 60秒较合适 ，故 在启动阶段消耗的总功率为： 1 3 4 1316 4 . 7 6 4 2 6 . 6 9 760oN N N N kW 在运转阶段消耗的总功率为：2345 7 . 7 3 . 8 7 0 . 8 9 4 1 0 . 0 5 2 2 . 5 1 4rN N N N N kW 由上述计算可以看出，离心机在启动阶段所消耗的功率大于在操作转速下运转消耗的功率，新词，离心机的额定功率主要还是 参照启动功率来确定。 以上几节介绍的公式是理论功率计算公式，但其计算结果与实际情况会有一定出入。克服沉渣的离心惯性力沿转鼓母线的分力消耗功率、克服沉渣与转鼓壁摩擦所消耗功率、克服沉渣与螺旋叶片摩擦消耗功率等等，要得到考虑较全面、实用的公式是比较困难的，一般都采用理论计算并参考生产实际数据来合理的确定电机功率。 卧螺离心机工作时的启动顺序为：启动辅助电机一运转平稳后一启动主电机一空载卧螺离心机达到额定转速一启动进料电机供料一正常运转。考虑到卧螺离心机正常运转后，只需较小的功率即可维持其正常运转，以上介绍的功 率 计算方法得出的卧螺离心机功率较实际所需功率大，不利于节约能源，但在合理的范围内。 在本项设计中，离心机的额定功率为： 30N kW。 3.6 电机选型 3.6.1 主电机 电动机类型和结构型式的选择： 按已知的工作要求和条件，选用 Y系列三相交流异步电动机（ JB/T10391-2002）。 1 带传动效率 0.96 2 一对滚动轴承效率 0.99 估算传动系数总效率 : = 1 2=0.96 0.99 =0.9504 上文 计算中可以得到启动转鼓等传动件所需功 率 N1如表 3-7。 那么取序号 4到序号 6之间比较合适。 则取 Pw=21.9 kw。 工作时电动机所需功率为： Pd= Pw/ =21.9/0.9504 =23.04 kw 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 19 表 3-7 启动转动部件所需功率1N列表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1/( )Ts10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 / ( )N kW131.6 65.8 43.9 32.9 26.32 21.9 18.8 16.5 14.6 本设计方案采用的是共直流母线交流变频调速系统。 电机参数如表 3-8。 表 3-8 部分三相异步电动机参数 型 号 额定 功率 额定 电流 转速 效率 功率 因数 堵转转矩 堵转电流 最大转矩 噪声 振动 速度 重量 额定转矩 额定电流 额定转矩 1 级 2 级 kW A r/min % COS 倍 倍 倍 dB(A) mm/s kg 同步转速 3000r/min 2 级 Y160L-2 18.5 35.5 2930 89.0 0.89 2.0 7.0 2.2 82 87 2.8 145 Y180M-2 22 42.2 2940 89.0 0.89 2.0 7.0 2.2 87 92 2.8 173 Y200L1-2 30 56.9 2950 90.0 0.89 2.0 7.0 2.2 90 95 2.8 232 Y200L2-2 37 69.8 2950 90.5 0.89 2.0 7.0 2.2 90 95 2.8 250 Y225M-2 45 84 2970 91.5 0.89 2.0 7.0 2.2 90 97 2.8 312 Y250M-2 55 103 2970 91.5 0.89 2.0 7.0 2.2 92 97 4.5 387 满足 Pe Pd 条件的 Y系列三相交流异步电动机额定功率取为 30kW。 选择电机 Y200L1-2比较合适，既满足功率要求，又可以有较大的效率和较轻的重量。 由机械设计课程设计手册（第三版） 38表 12-2 查得电动机中心高 H=200mm；轴伸出部分用于装联轴器轴段的直径和长度分别为： D=55mm 和 E=110mm。得到电机基本数据： H=200mm D=55mm E=110mm 3.6.2 辅助电机 一般来说辅助电机所需转速为主电机的一半左右，配合差速器就可以实现转鼓和螺旋输送器的差速。 同时根据所设计差速器驱动功率小于 7.5kw。选择 Y160M-4比较合适。 由机械设计课程设计手册（第三版） 38表 12-2 查得电动机中心高 H=160mm；轴伸出部分用于装联轴器轴段的直径和长度分别为： D=42mm和 E=110mm。得到电机基本数据： H=160mm D=42mm E=110mm 中国地质大学（北京） 2012 届本科毕业设计 20 表 3-9 部分三相异步电动机参数 型 号 额定 功率 额定 电流 转速 效率 功率 因数 堵转转矩 堵转电流 最大转矩 噪声 振动 速度 重量 额定转矩 额定电流 额定转矩 1 级 2 级 kW A r/min % COS 倍 倍 倍 dB(A) mm/s kg 同步转速 1500r/min 4 级 Y132S-4 5.5 11.6 1440 85.5 0.84 2.2 7.0 2.3 70 78 1.8 68 Y132M-4 7.5 15.4 1440 87.0 0.85 2.2 7.0 2.3 71 78 1.8 79 Y160M-4 11 22.6 1460 88.0 0.84 2.2 7.0 2.3 75 82 1.8 122 Y160L-4 15 30.3 1460 88.5 0.85 2.2 7.0 2.3 77 82 1.8 142 Y180M-4 18.5 35.9 1470 91.0 0.86 2.0 7.0 2.2 77 82 1.8 174 3.7 带传动设计 3.7.1 主电机带轮 这里采用窄三角带大功率增速传动，由于电机所能达到最大速度为 2950 r/min，效率90%。