卧式双螺带混合机设计【说明书+CAD+SOLIDWORKS】
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Static Mixer Principles of Operation Introduction The Cleveland static mixer is a new design from the EMI Mixing Technology group. It is a shape that has been optimized for mixing performance and rapid and reproducible production. Engineers now have an efficient, price competitive device that can be applied in many process duties. In maximizing the benefits of motionless mixers, computerized manufacturing techniques have been utilized. The unit will completely blend, disperse or react two or more fluids in short lengths of piping. To achieve these results, the mixer relies on the principles of radial momentum transfer, flow division and shear plane reversal. These transport phenomena combine to eliminate concentration, velocity and thermal gradients. While many geometrical shapes have been used to create homogenous flow, the degree of energy and mixing efficiency has been inadequately addressed. By using an elliptical shape, smooth transitions are possible and no energy is wasted in back-mixing. Triangular risers are used to connect the angled elliptical shapes to prevent eddy dissipation at the element edges and further energy loss. The elements are made in two patterns. The left-handed inclined ellipse (LH) provides clockwise rotational flow. The right-handed inclined ellipse (RH) provides counter-clockwise rotational flow. The elements are connected at 90 angles to each other, and furthermore, the two element patterns are alternated in series (i.e.; RH, LH, RH, LH.). This arrangement assures mathematically predictable results. Transport Phenomena Since static mixers operate in a pipeline, it is necessary to understand the inside story. Fluids proceed axially through the line in a flow regime defined by the degree of turbulence. Turbulence is characterized by the dimensionless, Reynolds Number. It specifies the ratio of inertial forces to viscous forces as follows: Static Mixer Principals, 1 3157 (s.g.) (Q) Nre = (M) (d) Laminar flow is defined as having no turbulence, i.e. Nre 500, Transitional flow as 500 2000 and fully developed turbulent flow as Nre 2000. The three mixing actions work independently or together. Depending on the flow regime present, they create the complete mixture desired. In addition, pipeline velocity plays an important role in the degree of uniformity achieved due to its influence on shear, and thus mass transfer. Flow Division When in laminar flow, two or more fluids will remain adjacent to each other indefinitely unless disrupted. By inserting mixing elements, the fluids are divided and reoriented 180 before the next element. This process proceeds geometrically to produce fluid layers of fine proportions that insure complete mixing. (see figure 2) 1 2 3 4 5 6 FLOW DIVISION Figure 2 The number of layers can be determined as follows: Equation 2 NL = 2n Where NL = Number of layers X = Number of elements Equation 3 LT = d/NL Where LT = Layer thickness (inches) D = Pipe I.D. (inches) NL = Number of Layers Radial Momentum Transfer As fluid encounters the ellipse in transitional or turbulent flow, it begins to rotate in a helical pattern. Micro-shear at the film boundary is caused by frictional resistance from the elements and pipe wall. Momentum is transferred to adjacent film layers. The directional components of the momentum correspond to the shape of the resistance, i.e. the element. Static Mixer Principals, 2 This fluid layer momentum transfer continuously forces material to rotate about its hydraulic center. Mass at the pipe wall and the element centerline transfer positions constantly effect homogeneity. This momentum transfer in the radial plane eliminates the parabolic velocity profile normally seen in open pipe flow (see Figure 3). This action now approximates true plug flow, and is desirable for reactor performance since all fluid elements are undergoing a chemical reaction for equal residence times. Conversions of reactant to product are more uniform and equal. Inertia Reversal Throughout the and fully turbulent flow zones, fluids encounter a dramatic directional change at the inter element connection. As the elements change from left-hand to right-hand orientation, the rapid reversal at the interface enhances the mixing effect. Here, two opposite forces of inertia come into play. Synopsis Knowing the basic transport phenomena involved in pipeline flow leads to an understanding of static mixing principles. To apply this basic understanding in more detail another technical report has been provided. Ask for CSM-2 SIZING AND DESIGN OF STATIC MIXERS. Static Mixer Principals, 3 全世界经济发展的同时，我们周围的环境在不断恶化。在我国尤其如此，近二十年经济的迅猛发展给环境带来严重影响。我国境内的河流受污染情况十分严重，大多数河流的水质都出现了不同程度的下降。地球上的淡水资源是有限的，在我国的北方大部分地区水资源是缺乏的，因此我国实施了南水北调工程。日益严重的水污染与水资源短缺，使得有效的水处理技术变得越来越重要，人们从不同的方向改进着水技术。其中，混凝技术是一种常见的水处理技术，得到广泛的认可和推广。水的混凝机理十分复杂，一直得到广大学者的关注。一般认为:混凝过程中包含凝聚和絮凝两个步骤，其中凝聚是在瞬间内完成的，它是指化学药剂与水接触形成小颗粒的过程，在水处理过程中表现为使用各种混合设备将药剂与水均匀地混合，其均匀的程度关系着混凝效果优劣;絮凝是指凝聚过程中形成较小颗粒后，它们之间相互碰撞形成较大颗粒并沉降的过程。 影响混合效果的因素主要有三方面:一、废水水质，包括废水中浊度、PH值、水温及共存杂质等;二、混凝剂，包括混凝剂种类、投加量和投加顺序等;三、水利条件，主要指混合的方式。混合方式有:管式混合、水力混合、机械搅拌混合以及水泵混合等。其中管式混合主要形式有管式静态混合器、孔板式、文氏管道混合器、扩散混合器等;机械搅拌混合是在池内安装搅拌装置，以电动机驱动搅拌器将水与药剂混合;水泵混合是将药剂投放在水泵吸水管或吸水喇叭口处，利用水泵叶片的高速旋转来达到快速混合。 在水处理过程中，管式静态混合器具有高效混合、节约用药、设备小等特点，它是由一组组混合元件组成，而混合元件组数的确定应根据水质、混合效果而定。在不需外动力情况下，水流通过混合元件时可以产生较大范围对流、返流和漩涡等运动，这些均能促使药剂均匀的分布(图1-1所示)。在选择管式静态混合器时，其管内流速应控制在经济流速范围内，当水流量较大所选管径大于500毫米时速度范围可以适当地放宽。混凝剂的入口方式以较大的速度，射流进入混合器管道内为佳。实际应用中管式静态混合器的水头损失一般在0.4-0.6米范围内，条件允许时可将管径放大50-100毫米，可以减少水头损失。本文的主要研究对象即为管式静态混合器。2静态混合器 静态混合器(static mixer)是一种没有运动部件的高效混合设备，它在管道内加入静止元件，其主要包括三类:一类对流体起切割作用、二是使流体发生旋转、三是使流道形状与截面积变化(图1-2至1-6)，然后依靠流体自身的动力(压力降)，在流经元件的时候实现对流体的混合，被誊为是一种“虽然非常简单，却能发挥巧妙的作用”的工业元件。它可以在很大的流体粘度范围内，不同的流动状态下应用，既可间歇的又可连续的操作。其能使不同的流体达到均匀混合，根本原因在于混合元件使流体产生分流、拉伸、旋转、合流等运动，过程中增强了湍动，这些均极大地促进了对流扩散和紊动扩散，从而造成完善的径向混合效果。静态混合器有许多优点，与动态混合器相比，其结构简单、能耗低、安装维修简便、混合性能好、连续工作等。有学者早在1983统计，静态混合器的应用使美国增加了1400万美元工业产值。 静态混合器最早是在60年代由美国的Kencis公司研制成功，近年来由于其良好的性能和较广的应用范围得到人们越来越多的关注，同时出现了许多新型混合元件，但能够制作成商业产品得到广泛引用的较少。目前比较成熟且应用广泛的静态混合器主要有以下六种:美国的Kenics型、Ross型，瑞士的Sulzer SMV型、SMX型和SMXL型，口本的Hi型。国内对于静态混合器的应用与开发起步较晚，无论从规模还是从发挥效益看，都远远没有达到国外的水平，静态混合器的应用价值没有得到充分的挖掘。国内的静态混合器主要为仿制国外的混合器形式，拥有自主产权且广泛应用的静态混合器很少，所以国内的静态混合器的开发与应用还有很大的前景。国内静态混合器根据对国外的筛选，主要类型有:SV, SH, SK, SX和SL型等五种。 内置翼片静态混合器(又称HEV静态混合器)是由美国Chemineer公司于20世纪90年代研发成功的一款产品。它的元件为翼片形状(图1-7)所起的作用为增大剪切、改变流道面积。这种混合器被认为具有内部结构简单、流动阻力小、压力损失小以及加工制造相对容易等特点。3国内外学相同，主要有实验研究、理论研究、数值计算三种。实验研究的优点是获取数据可靠，其缺点是成本高、实验周期长、数据有限。理论分析是利用简化的流动模型假设，给出所研究问题的解析解或简化方程，其结果准确但由于混合器内流动往往是复杂的湍流，给出合适的数学描述十分困难，所以应用较少。计算流体动力学作为一种新的研究方法近年来取得了长足进步，它的优点是成本低、获取数据快捷、获得数据量丰富、对复杂几何形状的适应能力强，它的缺点是对计算模型的依赖比较大。 在近期的国内外研究中，静态混合器的混合机理、流体力学性能研究、混合效果研究、物性对混合影响等是人们主要关注的内容。 在混合机理研究方面主要内容为液滴的破碎过程与传递现象。周建军等对液液非均相混合的液滴行为作了总结，指出液滴破碎的两个原因:1)速度梯度引起的粘性剪切力;2)湍流产生的瞬时剪切力和局部压力波动，同时指出混合过程中还存在着液滴聚并，聚并的发生与否取决于接触时间与聚并时间的相对大小。Z.Jaworski等人用CFD方法研究了Kenics混合器内部液滴破碎过程，在CFD的方程中加入了Population balance equation，结果与预测相一致，液滴的尺寸沿着混合器和压力降低的方向不断地减小，最终的液滴尺寸分布及最大粒径与实验所得数据具有很好的一致性。对传递现象的研究集中在强化传热和强化传质两方面。强化传质是静态混合器内发生的主要过程，同时也是混合器工作的主要目的。陈晋南对传质过程进行了综述，介绍了分子传质、对流传质的基本机理，给出了描述传递过程的基本方程。王松平通过研究流体内场与外场间的关系，得出强化对流传质关键在于控制内场与外场的协同关系，从唯象上阐述了强化对流传质的机理，提出在对流传质区域内，施加和控制各种力场的方向，各种场量方向之间相互配合可使对流传质加强。Rui. Ruivo 研究了高压状态下Kenics静态混合器内流体力学特性和质量输运过程，在不同的压力、温度、入流方式和主次相流量比下测量了混合器内部的质量传递速率，回归得出质量传递速率与无量纲参数的函数关系式。而对强化传热的研究主要针对混合器在这方面的应用，研究静态混合器在强化传热过程中减少边界层厚度、增加扰动、增加边界层速度梯度等作用，同时也从侧面证明了其强化传质的作用。吴剑华等采用Fluent计算软件对四叶片组合静态混合器内湍流换热进行数值模拟并与SK型静态混合器进行对比，结果表明，在104Re105范围内，前者的传热效率比后者提高约20%。过增兀等运用场协同理论分析了强化传热和传质过程，发现所有的强化措施最终均是增强场协同性。 在静态混合器内流场研究方面，主要研究速度、湍动能、压降等参数的分布，进而分析它们的影响。再此基础上可以有根据地进行混合器优化，通过改变结构、入口条件等参数改变流场特性，进而优化静态混合器性能。Hyun-Seob Song等对KENICS静态混合器的压力场做了数值模拟与实验研究，发现摩擦系数、雷诺数、混合元件的长径比对压力分布有着重大影响。赵建华等对SMV静态混合器流场作了数值模拟与实验研究，得出对称面上的速度分布，模拟与实验所得的速度场吻合较好。S.Hirschberg等对SMX静态混合器的结构进行了改进，改进后的混合器混合效果类似改造前的情况时，压降减少了50%，用CFD方法得出新型混合器的压力场、混合效果和停留时间分布，并用实验做了验证，两者一致性较好。AlbertRenken等人研究发现，混合元件摆放位置的周期性变化，可以使流动产生周期性的流向变化，这将极大地促进混合效果，即实现无序混合。 物性对混合效果的影响主要集中在混合物质间粘性比、密度比等对混合效果的影响。孟辉波等根据流体动力学、非线性动力学及Ottino理论，建立了高勃度流体在SK型静态混合器内的流体流动的改进模型，用Poincare映射方法对静态混合器内的蠕动流的动力学行为进行了数值仿真研究，得出SK混合器内高粘度流体径向流动存在混沌特性。Christian Lindenberg研究了主次相不同粘性比下的混合耗时，指出在低雷诺数情况下，混合所需时间随粘性比增大而减小，在高雷诺数下情况相反，最后总结得出混合耗时是速度、流体进口尺度、粘性的函数。 对混合效果的研究则是直接用数值模拟获得出口的体积分数分布，或在实验中使用有色试剂观察出口分布情况。苗圃等对PDMS微流体混合器的混合器效果进行了实验研究，将离子水和红墨水按相同比例注入混合器，用照相机拍摄管内流动，称量混合液的密度并以此验证混合效果。刘素芬对SOR混合器性能的研究通过直观的罗丹明和去离子水的混合实验来进行，研究了混合单元数目和流量影响，确定了混合效果与压损的合理结合点。Chandra MouliR等对kenics公司KMX静态混合器气液两相流动作了实验研究，对停留时间和流体阻力进行了分析。实验表明peclet数随着纯液体流速的增加而增加，而黏度增加将引起peclet数减小;流动阻力实验表明其是气液两相速度的函数，同时与流体的物性参数有很大的相关。 内置翼片静态混合器(图1-7自从其推出以来由于其结构简单、混合效果较好得到广泛应用，有许多学者对该混合器进行研究:张鸿雁等对该类混合器内三种翼片的混合效果进行了大涡模拟，纵向偏转角度、翼片间距等参数一致的情况下得出长翼片类型可以达到混合效果和能量损失的最佳结合。金文改变了混合器内的翼片排列方式，比较顺排和错排两种情况下的混合效果，结果表明错排情况下效果较好些。尹红霞对混合器内翼片的摆放进行了变化即进行了错排，错排的角度逐渐发生变化，从300至600逐渐变大，结果显示变化后取得了更好的混合效果。陈晓春以流动方向为基准对倾斜角度进行优化，纵向偏转翼片，分别计算了300，450，600三种角度下的混合过程，结果表明倾斜角度在300时，压力损失小，并且混合效果好。Hakim Monhand Kaci等用实验和数值模拟方法研究内置翼片静态混合器流向涡对湍流混合的影响，在雷诺平均方法下使用了不同的湍流模型并与实验相对比，结果表明K-模型是精度与计算量的最佳方法，模拟和实验均显示在叶片后产生了流向涡对流体的混合具有较强的促进作用。Charbel Habchi等改变内置翼片静态混合器的叶片摆放，对修改前后的混合器进行数值模拟和实验研究，结果表明周期改变叶片摆放位置有利十加强湍流强度，促进混合。R. Wadley使用激光诱导技术测量内置翼片静态混合器的混合效果，观察得出主、次相流量比并不影响混合效果，而混合器长度、次相流入方式、雷诺数对混合有着重大影响。T.Lemenand对内置翼片静态混合器内不相溶的两相(油与水)流动中油滴破碎作了理论与实验研究，理论计算的最大粒径与实验相差在15%以内，同时得出翼片后是油滴破碎的主要区域。张正成改变了次相入流方式，研究发现入流方式对混合效果有着很大影响，对于二股流体的混合，入流方式不同，即使其它条件(如混合器规格、流率比、表观线速度等)均相同，混合质量也不同。在管壁、垂直入流两种方式中，发现垂直入流效果较好且容易实现。 从研究现状可看到，在对静态混合器各种研究方法中，数值模拟是研究静态混合器内部流场及混合效果的重要手段之一，通过数值模拟可以得到与实验相近的结果，数值模拟有许多优点主要为: （1)成本低:在实际问题研究过程中，数值模拟所需成本只是几台计算机，几乎不再需求其它任何设备，其相对于实验研究的成本要低几个数量级。在实验研究前，可以用计算所得的解预测所研究物理问题的结果，为实验研究做好铺垫。 (2)速度快:数值计算对一种方案的研究时间很短，且可以同时对多个方案进行计算研究，而实验研究中多方案同时进行则需大量的设备和投入，几乎不可能实现。 （3)资料完备:主要指实验研究中测量数值时，某些区域实现正确的测量较为困难其获得的数据不是十分可信。而数值模拟可以提供计算区域内所有变量 (如速度、温度、湍流耗散率、浓度、紊流强度等)的值，在计算中可以达到区域内所有位置。 （4)能够模拟真实条件:主要指在创建所研究问题的几何模型时，可以依据其实际尺寸来创建，不需要放大或缩小。 （5)能够模拟理想条件:当研究物理问题时，由于实际问题往往较为复杂，在不影响结果准确性的前提下，人们希望通过若干理想化的条件(如绝热表面)简化问题。这些理想化条件在数值模拟中很容易实现，而再精确的实验也很难实现。XX大学毕业论文（设计）中期检查记录表2016年4月18日学生姓名 班级 课题名称卧式双螺旋混合机的设计课题完成进度（学生自述） 1.三维图已经基本完成； 2.二维图用solidworks软件导出尚未开始修改； 3.毕业设计说明书已经开始，已将部分装置的设计写出存在的问题及整改措施（学生自述）1. 三维图中传动系统处的带轮传动没有画出，后期需要将其补充完整；2. 由于二维图是用三维软件导出，存在一定的问题，后期需要进行仔细的修改；3. 毕业设计说明书不全，缺少计算和参考文献，后期需要继续完成指导教师意见（课题进展情况、优缺点、整改措施等）指导教师签名 年 月 日学院意见负责人签名 年 月 日XX大学毕业论文（设计）任务书学院机械电气化工程学院班级 学生姓名 学号 课题名称卧式双螺带混合机起止时间年 月 日 年 月 日（共 14 周）指导教师 职称课题内容 本课题在国内外混合机的研究与发展的基础上，设计了一种新的带有搅拌和振动排料功能的卧式混合机结构设计方案以进行用于食品工业的面粉搅拌操作。对卧式混合机的基本结构、基本尺寸进行了详细设计，并利用SOLIDWORKS对混合机结构进行三维建模和运动仿真，以便更直观地展现设计思想和进行结构分析；然后，对设计零件进行了分析校核，保证混合机的可靠运行。拟定工作进度（以周为单位）第1周第2周 通过查找文献资料，了解混合机的国内外现状。第2周第5周 设计卧式双螺带混合机的总体方案。第6周第9周 对卧式双螺带混合机的结构进行具体设计。第10周第12周 撰写设计说明书，对部分问题修改、调整。第13周第14周 整理资料准备答辩。主要参考文献任务下达人（签字） 年 月 日任务接受人意见任务接受人签名 年 月 日注：1、此任务书由指导教师填写，任务下达人为指导教师。2、此任务书须在学生毕业实践环节开始前一周下达给学生本人。3、此任务书一式三份，一份留学院存档，一份学生本人留存，一份指导教师留存。16 届毕业设计卧式双螺旋混合机设计学生姓名 学 号 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 农业机械化及其自动化 班 级 指导老师 日 期 2016.05 机械电气化工程学院2前 言搅拌设备使用历史悠久，大量应用于化工、石化、轻工、医药、食品、采矿、冶金等行业中。搅拌设备可以从各种不同角度进行分类，如按照搅拌装置的安装形式简单的可分为立式和卧式，其中卧式是指搅拌容器轴线与混合机回转轴线都处于水平位置。本课题在国内外混合机的研究与发展的基础上，设计了一种新的带有搅拌功能的卧式混合机结构设计方案，以用于食品工业的面粉搅拌操作。该卧式混合机具有的传动系统，采用V带和齿轮传动实现搅拌任务。本文对卧式混合机的基本结构、基本尺寸进行了详细设计，并利用SOLIDWORKS对混合机结构进行三维建模，以便更直观地展现设计思想和进行结构分析；并对设计零件进行了分析校核，保证混合机的可靠运行。关键词：卧式；混合机；混合；食品工业目 录1 绪论11.1课题研究意义11.2混合机国内外发展现状11.3卧式混合机发展趋势31.4论文主要完成的工作32 卧式混合机总体方案设计42.1卧式混合机总体结构方案42.2混合机性能指标的设定53 卧式混合机结构设计63.1驱动元件的选择与计算63.2 传动系统的结构设计83.3搅拌部分结构设计114 安全性计算与校核134.1轴承的校核134.2轴的校核14总 结15致 谢16参考文献1717 毕业设计 1 绪论1.1课题研究意义理论上把任何状态（固态、液态、气态和半液态）下物料均匀掺和在一起的操作称为混合，但习惯上常把固态物料之间掺和或者固态物料加湿的操作称为混合；而把固态、液态或气态物料与液态物料混合的操作称为搅拌1。搅拌与混合操作是应用最广的过程操作之一，大量应用于化工、石化、轻工、医药、食品、采矿、造纸、农药、涂料、冶金、废水处理等行业中。近年来，搅拌与混合技术发展很快、搅拌与混合设备向着大型化、标准化、高效节能化、机电一体化、智能化和特殊化方向发展。在这种形式下，技术人员如何借鉴已有经验，掌握新的变化情况，正确设计与选用不同工艺条件下操作的搅拌与混合设备，使其满足安全、可靠、高效和节能的要求，就变得十分重要了。搅拌混合设备是各种工业反应不可或缺的重要机械。然而，由于搅拌目的多样性和混合反应的复杂性，当前，搅拌混合技术还存在着一些问题。例如搅拌效率低，功耗大，铸造成本高，在自动化选型和设计问题上，长期以来一直依靠专家根据经验知识人工完成，智能化水平不高，设计周期较长，资金和人力物力消耗巨大等。因此研制新型搅拌装置和采用先进流场测量技术一直是搅拌过程所研究的主要课题。1.2混合机国内外发展现状在食品工业中，混合是指两种或两种以上不同物料互相混合，成分浓度达到一定程度均匀性的单元操作2。混合机应用于谷物混合、粉料混合、面粉中加辅料与添加剂、干制食品中加添加剂与调味粉及速溶饮品的制造等操作中，目的是使两种或两种以上的粉料颗粒通过流动作用，成为组分浓度均匀的混合物。近年来，随着科学技术的发展和相关理论的完善进一步成熟，混合机的设计和制造获得了飞速发展。但是，它也面临着必需满足合理利用资源、节能降耗和对环境保护要求的严峻挑战。混合机在服从装置规模经济化和品种多样化的同时，正日趋大型化。基于节能要求，开发出变频调速电机、小剪切阻力桨叶、以新型密封代替机械密封和填料密封，以磁力驱动代替机械驱动。基于降低产品总体成本、减少维修保养成本和提高设备品均维修间隔时间的要求，大大提高设备运行寿命。基于满足卫生和降低清洗和杀菌成本的要求，实现CIP（就地清洗）和SIP（就地杀菌），提高自动化水平，避免人与产品接触，减少人工操作和待机时间，大大提高产品卫生水平。这些都是现代新型搅拌装置的研究方向，其中有许多方面已经取得丰硕成果，有些方面还在进一步研究当中3。传统的混合机密封装置基本有四种，填料密封、机械密封、液压密封和唇状密封。前两种密封同泵的密封类似。液压密封最简单，在混合机中用得最少。唇状密封只适用于低压、防尘、防蒸汽的密封，这种密封，结构也很少采用，最常用的密封是前两种。其中机械密封成本较高，但泄漏率低，维修频度是填料密封的二分之一到四分之一。磁力驱动混合机的特点是以静密封结构取代动密封，混合机与电极传动之间采用磁力偶合器联结，不存在接触传递力矩，能彻底解决机械密封与填料密封的泄漏问题。在国内威海自控反应釜公司、开原化工机械磁力反应釜厂、温州中伟的磁密封设备厂等均生产磁力混合机。国外的瑞典NA型磁力搅拌反应釜，混合机安装在反应釜底部，混合机与釜底齐平，易于拆卸，可靠、耐用和便于维修。磁力混合机的缺点是对于一些粘稠液体或有大量固体参加或生成的反应尚不能顺利使用，此时必须使用机械混合机作为驱动能源。在新型搅拌桨叶的开发方面，很多公司都在积极开发具有适合于高黏度物料的桨叶的混合机，其中美国ROSS公司开发的新型双行星式混合机是其中之一。同传统的矩形长条形行星桨叶(见图1-1 a)不同，新型的高黏度搅拌桨叶(见图1-1 b)有一个精确的空间角度，使桨叶的转动轨迹不但有力地推动高黏度物料向前运动，而且推动它向下运动，不产生爬升，而且比传统的行星式垂直桨叶的阻力要小得多。传统的行星式垂直桨叶有两组，每组两片垂直的扁长桨叶，当这两片桨叶在容器里面转动时，产生极大剪切阻力，功耗大增，电流猛升。这个问题一直是传统行星式垂直桨叶的要害所在。 （a） 传统的行星式桨叶 （b） 新型HV桨叶图1-1 新旧搅拌桨叶对比新型HV桨叶由于是螺旋式设计，两组HV桨叶在交替转过一个截面时几乎是连续地在切断物料，负荷是连续地处于平衡状态，从而消灭了电流的浪涌迹象。德国INOTECH公司采用锥形搅拌原理的搅拌头，既可搅拌低黏度，也可搅拌黏度高的物料，其形状如图1.2所示。图1-2 搅拌低粘度和高粘度物料的慢速转动的搅拌头这种搅拌头的显著优点是:以比较慢的速度搅拌，但搅拌时间短，搅拌时未吸入空气，不起泡沫，无须加热，对物料的动作比较柔和的，节省能量，一次完成，便于安装，既可用于搅拌化学品，也可用于搅拌食品。在新型转子-定子搅拌技术方面进展也很迅速，转子-定子搅拌技术可制造亚微米级的各种乳化剂，美国ROSS和IKA公司生产的这种混合机，其产量约比相同功率的胶体磨或均质机大十倍。其原理是令转子在极高速度下转动，使转子尖端速度极大，由于转子和定子之间的速度差，在转、定子间隙中产生极大的剪切能，可使物料在被搅拌的同时，被破碎到亚微米级。多功能化和搅拌过程的自动化是二十一世纪提高搅拌产品质量、产量和满足环境保护要求的主导方向，目前有如下几个发展趋势4 ：（1）多轴搅拌机，它配备三套独立传动的搅拌装置。一套是沿着搅拌容器周边慢速转动的三翼锚式搅拌桨，使物料产生激烈的轴向和径向流动，促使物料良好的混合和传热；第二套是定/转子式剪切装置和高速分散头。（2）双行星混合机与变速驱动装置的组合，这一构想使得即使在极低转速下也可获得极大扭矩。而低转速搅拌对于制造高性能的硅胶、树脂、橡胶添加剂、牙科材料、金属和陶瓷粉等是非常重要的。（3）行星桨叶与高速分散器的组合，采用这种组合的混合机，被处理物料的黏度可高达120万厘泊。行星桨叶和分散在环绕容器转动时各有自己的转轴，行星桨叶将物料传送到分散头。高速分散则对物料施加剪切力。（4）自动卸料和互换搅拌容器，由于粘稠材料人工卸料很困难，很多厂家都采取自动卸料措施。自动卸料系统大大减少了人工卸料的停机时间。不但大大提高了产量，减小次品，还保证了产品质量的一致性。同时操作人员与产品的接触大大减少，产品不受污染的安全性也大大提高了。1.3卧式混合机发展趋势随着近几年科学技术的迅猛发展和相关理论的进一步完善，完全可以相信混合机的设计和制造将会取得更大发展，其在社会生产中也会发挥越来越重要的作用。并且混合机在服从装置规模经济化和品种多样化的同时，未来的新型产品也会越来越满足合理利用资源、节能降耗和对环境保护的众多要求。1.4论文主要完成的工作卧式搅拌装置主要由两个部分组成：主传动部分、搅拌叶片。主传动部分包括一个异步电机和减速系统。搅拌叶片为螺带式搅拌叶片，为的是能让物料在搅拌过程中更高效率的混合。本论文的主要研究内容如下：（1）总体方案设计通过对国内外混合机发展现状的研究，以及对食品设备设计原则的学习，在吸取宝贵经验的同时也加入了自己的一些改进措施，制定自己的设计方案。（2）卧式混合机的结构设计有了总体的设计方案，将混合机的结构分成主传动系统、搅拌部分和机架三大部分，然后分别对这三部分进行详细设计。 （3）零件安全性校核当完成各部分的零件设计后，还要进行安全性校核。本论文主要对处于最复杂受力状态下的轴、轴承、键以及电机进行了校核计算举例，其他各个零件的校核计算并没写到论文中。2 卧式混合机总体方案设计2.1卧式混合机总体结构方案卧式混合机的搅拌容器轴线和混合机回转轴线都处于水平位置；其结构简单，造价低廉、卸料、清洗、维修方便，可与其他设备配合完成连续生产，但占地面积一般较大。这类机器生产能力（一次调粉容量）范围大，通常在25-400kg/次左右，如面包，饼干，糕点及一些饮食行业的面食生产中均得到了广泛应用。 2.1.1传动方式确定（1）混合机形式选择，本设计要求卧式混合，考虑卧式混合与目的，采用容器固定式卧式混合机。（2）传动方案确定，因对搅拌速度要求不高，市场上已有的成熟产品混合速度约为60r/min，过高的转速并不会产生良好的搅拌效果，相反还会造成能量的浪费。但是虽然转速低，启动转矩却很大，选用符合启动要求的电机，电机转速约2840r/min，因此传动系统要采用较大减速比，考虑机器尺寸和振动噪声要求，采用带传动和齿轮传动组合机构。初步设定的传动机构示意图如图2-1所示1.小带轮 2.大带轮 3.搅拌轴 4.大齿轮 5.小齿轮 6.电机图2-1 传动系统机构简图2.1.2基本尺寸的确定本设计为小型混合机，根据其工作容量和操作人员的最佳操作位置，混合机的外形尺寸为mm，其中搅拌轴轴线高度600mm，混合容器下半部分为直径500mm的半圆筒，上半部分为mm的长方体，筒壁厚8mm，混合机叶片边缘与筒壁间隙2mm，为了实现更好的搅拌效果，采用双螺带混合机，搅拌轴直径30mm，长1000mm，大螺带直径480mm，带宽40mm，小螺带直径240mm，带宽30mm。还有设定进料方式和出料方式，容器桶上部设盖子装填物料，下部开口卸放物料，有了以上尺寸设定，合理布局电动机的位置，传动装置的布局，完成总体结构方案的设计，绘制机构简图。总体机构简图如图2-2所示。1.主电机 2.小带轮 3.大带轮 4.齿轮 5.搅拌容器 图2-2 总体机构简图2.2混合机性能指标的设定混合机工作参数不仅反映其所能胜任的工作，更重要的是决定设计方向和一些设计参数的选择范围。对于主传动系统，设定正常工作转速60r/min，启动时加速时间4s，稳定运行时间5min，减速时间6s，停歇时间2min。搅拌容器为半圆柱形，尺寸如图2-3所示。容器固定型搅拌装置的装料系数一般为0.5-0.6，本设计取0.58。图2-3 搅拌容器外壳尺寸3 卧式混合机结构设计3.1驱动元件的选择与计算3.1.1驱动元件选择原则搅拌设备的搅拌轴通常由电动机驱动，电动机选用一般依据以下几个原则：根据搅拌设备的负载性质和工艺条件对电动机的启动、制动、运转、调速等要求，选择电动机类型。(1)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，合理选择电动机容量，并确定冷却通风方式。(2)根据使用场所大的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯和腐蚀及易燃易爆气体等，考虑必要的防护方式和电动机的结构形式，确定电机的防爆等级和防护等级。(3)根据搅拌设备的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的性能要求，以及机械减速的复杂程度，选择电动机的额定转速。除此之外，选择电机还必须符合节能要求，并综合考虑运行可靠性、供货情况、备品备件通用性、安装检修难易程度、产品价格、运行和维修费用等因素。根据上述原则，综合考虑本设计的工作条件要求，确定电机类型为异步电机，防护方式防尘、搅拌以及防异物伸入。3.1.2电机的选择及电机参数的确定1）搅拌功率的计算在正常情况下，混合设备运转时所消耗的功率包括以下几部分：使容器内的粉粒体运动消耗的功率。（1） 轴承、减速装置和传动装置摩擦消耗的功率。（2） 连续驱动容器本身或搅拌桨叶等回转消耗的功率。（3） 其他附属装置，如控制器等消耗的功率。对于容器固定型混合设备，当这类混合设备的螺带叶片或搅拌桨叶回转时，对于流动良好的粉粒体，可以通过实验得到轴力矩。 （3-1）式中：K-实验系数，查表取K=45；-粒子直径，m，查表取m；-表观密度，kg/m3，查表取kg/m3；-内摩擦系数，查表取=1.19；Z -接触螺带粉粒体层的高度或长度，m，本设计Z=0.78m；d-叶片外径，m，本设计d=0.48m；s-螺带的节距，m，本设计s=0.78m；b-叶片宽度，m，本设计b=0.04m；f-装料系数，本设计取值f=0.58。 参考已有实验测出的参数表格，选择机型为卧式螺带，则指数值如下：=0；=1.0；=1.2；=1.0；=3.3；=-0.3；=0.7；=1.2；对于本设计，物料设定为面粉和砂糖的混合物，搅拌叶片与搅拌桶内壁间隙为2mm，根据查询的资料，估算混合物料的表观密度，粒子直径等参数，最后计算数值确定如下：大螺带转矩而对于小螺带，计算时只需将叶片外径d这一参数值替换为0.24即可，小螺带的转矩搅拌轴上总转矩搅拌轴功率 （3-2）式中各参数 P-功率，W； n-回转速度，r/s，本设计取值n=1r/s； T-搅拌轴力矩，。所以搅拌轴功率2）电动机额定功率的计算电动机额定功率是根据它的发热情况来选择的，在允许范围内，电动机绝缘材料的寿命为15-25年。如果超过了容许温度，电动机使用寿命就要缩短。而电动机的发热情况，又与负载大小及运行时间长短有关。搅拌设备的电动机功率必须同时满足混合机运转及传动装置和密封系统功率损耗的要求，此外还需考虑在操作过程中出现的不利条件造成功率过大等因素。电动机额定功率可按下式确定： （3-3）式中各参数： PN-电动机功率，kW； P-混合机功率，kW，由前面计算P=0.852447kW； PS-轴承装置的摩擦损失功率，kW； -传动装置的机械效率。轴封装置摩擦造成的功率损失因密封系统的机构而异，一般来说，填料密封功率损失大，机械密封的功率损失相对较小。但是考虑到设计的目标功能与成本有机结合，最终采用了填料密封，作为粗略的估算，填料密封功率损失约为混合机功率的5%-10%，本次计算取5.8%，轴承摩擦损失功率为传动机构的效率是齿轮轴承带这些零部件的效率乘积，开放式圆柱齿轮传动效率取0.9，带传动效率取0.96，滚动轴承效率取0.99，所以电机额定效率3）电动机的选择为保证系统满足启动要求和稳定运行要求，选择的电机额定功率为1.5kW，具体参数如下表3-1所示表3-1 交流异步电机的部分技术参数名 称额定功率kW额定电流A额定转速r/min效率%质量kgY2-90S-21.653.42840792.31.5223.2 传动系统的结构设计电动机已经初步选定，转速2840r/min，搅拌轴的转速60r/min，考虑到电机和搅拌轴的距离以及整个搅拌机的体积，采用一级带轮传动，传动比初定为3，两级传动比为4的齿轮传动。下面将进行详细计算。3.2.1基本结构的确定与选材对于传动比为3的带传动，传动比不是很高，传递的功率也不是很大，使用普通V带轮，材料HT200；齿轮传动比为4，材料40Cr5。3.2.2带轮的详细设计1）带轮的详细设计为计算带传动的结构参数，首先设定一些工作条件，本设计载荷变动微小，带负载启动，每天工作小于10小时。（1）计算带轮的计算功率6 （3-4）式中 -计算功率，kW； -动载荷系数，查表选取1.1； P -电机额定功率，kW。所以（2）选择带型，普通V带Z型，节宽bp=8.5mm，顶宽b=10mm，高度h=6mm，截面积A=47mm2（3）初选小带轮的基准直径，因此外径，转速为=2840r/min，验算带的速度其中的取值范围是25-30m/s。（4）确定V带的根数 （3-5）式中 所以， （5）V带轮设计，关于V带轮的形式：当带轮基准直径小于等于2.5倍的轴径时，带轮一般采用实心式；当带轮基准直径小于等于300mm时可以采用腹板式；当带轮基准直径大于300mm时，可以采用轮辐式。带轮槽型Z型，基准宽度，基准线上槽深，下槽深，槽间距，第一槽对称面至端面的距离，最小轮缘厚，轮槽角小带轮34，大带轮38。所以，带轮宽小带轮设计，小带轮轴径d=34mm，采用实心式。 以下图3-1 和图3-2所示为小带轮的设计结构 图3-1 小带轮结构尺寸 图3-2 小带轮三维仿真大带轮设计，由于其基准直径已经非常大，为了减少质量，更重要的是降低转动惯量，采用孔板式。以下图3-3和图3-4所示为大带轮的设计结构图3-3 大带轮结构尺寸 图3-4大带轮三维仿真 3.2.3轴的结构设计通过以上计算，传动零件计算完毕，现在进行传动系统中轴的计算，轴的最小直径由下述公式确定轴径最大值必然会小于100mm，而且在某些截面上会有键槽，根据规定，最小轴径要增大5%-7%，即最小轴径在9.5-9.68mm之间，在设计时将轴的最小直径设计为24mm，设计出安装带轮、联轴器以及轴承所需要的轴肩和键槽。大带轮所用的轴就是前面涉及过的齿轮轴。所以大齿轮所用的轴的材料为45号钢，调质处理，A0取最大值126，功率。转速，所以齿轮轴的最小直径截面会有一个键槽，最小轴径增大7%，以此为依据设计轴的结构。 （3-6）考虑到小带轮厚度大于驱动电机轴伸出的长度，小带轮在这需要设计一根轴，材料定为45号钢，调质处理，查表可知A0的取值范围在126-103，本设计取112，则小带轮轴的最小直径3.2.4传动系统的支架设计通过以上计算，主传动系统的主要零件设计完毕，合理布局各传动件的位置，然后设计减速系统的支架，设计时除了要考虑安装方便与否外还要考虑铸造加工的难易程度，最终经过仔细的设计之后，再利用SOLIDWORKS进行了整个传动系统的组装，这样可以更直观地表达出设计理念，并且也更容易看出其中的问题来。图3-5为传动系统的三维结构外观图。图3-5 传动系统三维结构3.3搅拌部分结构设计搅拌部分包括搅拌桨、搅拌容器以及附属的止动扳手、联轴器等零件。搅拌桨是机械搅拌设备的关键部件，搅拌操作涉及流体的流动、传质和传热，所进行的物理和化学过程对搅拌效果的要求也不同7；搅拌容器是物料搅拌操作的场所，设计时要求体积符合工作需要，但是质量不能太大，否则会造成不必要的材料浪费和功率损失；止动扳手是用来限制搅拌容器运动的机构；联轴器是用来连接搅拌桨和传动系统输出轴的，以下为设计过程。3.3.1搅拌桨机构设计至今对混合机的研究还不够，因而混合机的设计工作均带有一定的经验性，从已有的产品选用或适当改进。混合机的选用设计应从以下几方面考虑：有类似应用，而且搅拌效果较满意的可以选用相同混合机；生产过程对搅拌有严格要求又无类似混合机型式可以参考时，则应对工艺、设备、搅拌要求、经济性等作全面评价，找出操作的主要控制因素，选择合适的混合机型式；生产规模较大或新开发的搅拌设备，需进行一定的试验研究，寻求最佳的混合机型式、尺寸及操作条件，并经中试后才能应用于工业装置中8。为了获得较好的混合效果，本设计采用了双螺带混合机，因为此种混合机有较好的循环性能，使得整个容器内的混合效果比较好9。搅拌的大桨叶半径240mm，搅拌的小桨叶半径120mm，桨叶倾角27.36，螺距240mm10，结构设计如下图3-6所示图3-6 双螺旋搅拌结构中间的轴铸造，轴上的支撑架焊接上去，带由不锈钢板弯曲后焊接到支架上，焊接后对接缝处进行处理，使表面尽可能的光滑11。3.3.2搅拌容器的结构设计搅拌容器作用是为物料搅拌提供合适的空间，搅拌容器的几何尺寸主要指容器的容积V，筒体的高度H、内径D，以及壁厚等。前面在设定工作参数时已经初步确定了容器的容积，在这里以前面的设定为基础进行详细的设计，由于搅拌叶片运转起来是一个圆柱形的工作空间，而且为了达到较好的搅拌效果，桨片与容器壁之间的距离又不能太大，一般是在25mm之间，本设计属于中小型机械，取用2mm的间隙，容器底部大致为一个半圆柱形状；为了装料方便，容器上面采用揭盖式结构；为了出料方便省力，在容器底部设置出料口；为了减轻容器的重量同时还要保证必要的强度，取用10mm的壁厚12；容器采用铸造的制造方式，最后表面镀上防腐金属材料13。5433.3.3联轴器的选用本设计结构需要使用两个联轴器。第一个是主传动系统中电机与小带轮之间，因为小带轮对电机轴伸出部分而言较长，所以小带轮的轴和电机两个轴与轴需要连接联轴器，这里没有什么特殊结构上的要求，使用普通联轴器即可；第二个联轴器用在搅拌轴和主传动系统之间，此处为了主传动系统的拆装方便以及系统内各个零件的灵活拆装，搅拌轴和主传动系统之间有较大的距离，这么长的距离如果使用一根轴就要求加工和安装精度很高，否则轴上就会产生很大的附加约束力，因此在此处将轴断开，用一个弹性联轴器联结，这样对两个轴的同轴度要求降低了，并且还有吸震作用，降低了传动系统中齿轮受到的冲击力14。3.3.4止动扳手的机构设计本设计的搅拌容器是可以摆动的，但是在搅拌运动进行时是不需要也不允许搅拌容器摆动的，因此需要设计一处止动装置，使得混合机在运转时，搅拌容器被固定，当搅拌运动结束后，打开装置，容器能够恢复运动。3对于自动化程度没有要求的设计产品，此功能可以简单的由一个扳手实现，此结构图如下图3-7所示456211.搅拌桶 2.支架 3.扳手支座 4.弹簧 5.插销 6.扳手图3-7 止动扳手结构图中状态搅拌容器没有被卡住，可以摆动，当扳手向右或左扳动时，扳手的转轴与弹簧安装底座的距离就会拉小，销在弹簧力的作用下就会向左移动，深入到容器壁的孔中去，搅拌箱体被卡住，当扳手复位后，销又伸出来，搅拌容器的运动又恢复正常。4 安全性计算与校核4
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