卧式螺旋卸料沉降离心机设计【6张CAD图纸+PDF图】
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安徽工业大学 毕业设计说明书 1 绪论1.1 磁性材料1.1.1 磁性材料工业现状1、 产品产量和产值不适配 目前，我国的磁性材料工业在产量方面已经初具规模，根据本行业协会的统计，1998年我国的永磁铁氧体销售量约11.5万吨（其中粘结铁氧体0.5万吨），出口约6.5万吨。软磁铁氧体销售量约4.2万吨（其中偏转磁芯约1万吨），出口约1万吨。稀土钕铁硼成品销售约4100吨，铝镍钴约2000吨。中低档产品占据了较大的国际市场，但在高档产品方面还没有形成较强的实力，缺少国际竞争能力。从行业整体来看，我国的磁性工业与国外先进国家相比，存在着管理水平低、制造工艺落后，产品质量差和产品档次低的问题。2、磁性产品性能偏低 国内的磁性材料产品的大部分集中在低档次，缺少参与国际市场竞争的能力。另外，价格低廉，赢利极微薄。永磁铁氧体以扬声器磁体为主，产品性能在Y30以下。电扬磁瓦的性能在Y30H1，但大批量生产时性能不够稳定。软磁铁氧体的产品集中在消费类产品，工业类磁芯的产量较少。大批量生产的功率铁氧体材料的性能相当于日本TDK产品的PC30版号；高磁导率铁氧体的在6000左右。少数企业能小批量生产PC40牌号和磁导率达到10000以上的产品。钕铁硼磁体的生产性能一般在N35左右（磁能积为35MGOE），N40以上和高矫顽力牌号N38H。N32SH的只有少数企业能生产。国外推出的新牌号已经达到N50，N48H。3、生产工艺和设备相对落后 目前，我国的磁性材料专用设备销售总额达到1.43亿元，能提供成套成线的磁性材料生产设备。“十五”期间我国磁性材料的性能和档次将会有新的提高，同时，由于国内外竞争激烈，要求产品成本不断降低。为此，磁性材料专用设备应开发自动化程度高，低能耗和高效率的设备。工装设备的改善，可使磁性产品提高一个档次，采用自动化程度高的连续生产线，能减少人为因素的影响，保证产品的一致性。1.1.2 我国磁性材料工业发展前景 磁性材料是各种电子产品主要的配套产品，无论是消费类家电产品和工业类整机,如计算机、通讯设备、汽车以及国防工业均离不开磁性材料。据专家分析，世界磁性材料市场将以15%的年增长率发展，我们在表2列出各类磁性材料世界增长情况。今后5年内，中国的磁性材料工业主要将在质量和性能方面得以提高，在产量方面增长的速度会较慢。同时，一些发达国家以及港台地区的磁性材料工业向中国转移。总产量要突破预测的数字。1、世界磁性材料市场发展 现在世界汽车产量为4900万辆左右，按每辆汽车使用电机数从目前的20只，到2005年增加到30只，预测需要电机从8亿只增加到16亿只。随着汽车生产量和使用扬声器数量的增加，汽车用的扬声器产量从目前的1.6亿只增加到2.3亿只，增加的量均在1倍左右。预测需要铁氧体永磁从目前的15万吨增加到25万吨。从发展看，亚太地区的产量将增加较快。 由于汽车向小型化和轻量化发展，以及为了保护环境采用非汽油驱动汽车，需要应用新材料提高电机的功能和减小尺寸，促使各向导生粘结钕铁硼磁体的发展将会加快。假如，汽车中有50%采用粘结钕铁硼磁体，如雨刷电机、窗冲洗电机、反光镜电机、门锁和座位调节电机等方面应用，就需要粘结钕铁硼磁体102克辆。到2005年，世界生产汽车以5540万辆计算，就需要粘结钕铁硼磁体5540吨。估计到2005年世界永磁体的产值将超过100亿美元。 计算机发展带动了相关配套元件的发展，磁盘、光盘驱动器和打印机驱动头是西使用钕铁硼最大的一个方面。显示器需要各种高档次铁氧体软磁、多媒体音响对永磁材料的需求量也是很大的。随着信息时代到来，近几年工业发达国家正形成计算机进入家庭的热潮。据美国市场调查，1996年全世界家用PC机总销量达2000万台，2000年将达4000万台，2005年约达8000中。通讯业的发展，电话和移动电话装置需要越来越多的抗干扰磁芯、片式微型化电感，以及传声器和扬声器，这对软磁和永磁材料带来了良好的市场。 总之，从市场发展看，到21世纪全球市场发展将比目前翻一番，相应的磁性材料发展前景是乐观的；但是，信息产业革命的发展需求是高档磁性材料配套，所以落实技术创新战略，开发高档磁性材料产品占领国际市场是当务之急的头等大事。 2、国内磁性材料市场发展 根据原电子部的21世纪规划目标来看，电子产品的趋势大约总体在15%。规划目标程控交换机80000万线、移动通信电话手机3000万部、彩电6000万台、黑白电视机15001600万台、录像机440万部。根据汽车行业的发展，规划“九五”末产量达400万辆，其中轿车120130万辆，预计配套电机1500万套。品种有摇窗电机、空调电机、油泵电机、仪表电机、门锁电机、刮水器电机、散热风扇电机、起动电机及发电机。预计2005年摩托车总产量突破1500万辆，需要起动电机1000万套年。据电声行业的发展规划，21世纪初国内市场将需扬声器12亿只，受话器3.6亿只，耳机300万付。世界电声器件市场需要配套扬器33亿只，送受话器约4亿只，传声器约2.9亿只,要满足和达到配套能力，磁体需要量是很大的。 随着环境保护的要求，发展无油汽车、摩托车是世界发展方向，这将对稀土永磁体的发展带来广阔的市场。为了减少发电厂二氧化硫的排放量，国际上实施“绿色照明工程”来节电，从而达到减少发电量；所以节能灯的应用在国外发展很迅速，这也是我国的一项重大工程。节能灯的发展，需要使用大量高档的铁氧体软磁滤波磁芯、抗干扰磁芯等；根据专家分析，如我国全面推广使用节能灯，需求量将在5亿支左右。 根据本行业的专家分析，2005年本行业铁氧体永磁市场将达到21万吨左右，铁氧体软磁市场将达到9.4万吨左右，稀土磁体约8000吨。按行业的发展来看，这些指标有可能达到。 总之，21世纪是中国磁性材料工业发展的世纪。根据市场发展的需要，今后中国的磁性材料工业应该重视以下几点。 （1）消费类产品有市场，但价格将下降随着消费类产品的价格影响，磁性材料行业的价格竞争将很激烈，会淘汰一些小企业，大型集约化公司在竞争中联合组建增多。扬声器用的中低档磁体预计需量增加,彩电用的UE型磁芯和小磁芯出口量会增加，但价格下降。 （2）工业类产品是主导市场汽车、通讯、计算机工业发展，带动国内高档磁性材料的发展。企业应该重视科技进步和技术改造，使产品的档次能上一个新台阶。铁氧体永磁要有陶8以上的产品,铁氧体软磁应有PC40产品和高导磁材料（大于1000），钕铁硼磁体要生产N38以上材料，另外粘结磁体的开发生产要加快发展。1.1.3 磁性材料的生产工艺 图1湿法生产车间工艺示意图磁性材料的生产方法一般有两种,主要是干法生产和湿法生产。磁性材料湿法生产的装置布置原理如图1，其各装置布置顺序关系如图2。磁性材料湿法生产和干法生产的主要工艺流程分别如图3、图4所示，两种生产工艺的主要区别在于是否加水和匀，其次是原料上的区别。相比较，干法生产和湿法生产的主要优缺点与区别，如下： 图2 湿法生产车间布置图铁鳞添加剂球磨机(粉碎及和匀) 造球(加少量的水) 链靡机(预氧化) 回转窑(烧结成型) 直径为68毫米的球体 图3 磁性材料干法生产主要工艺流程铁红添加剂一次搅拌桶(加85%90%的水) 球磨机(粉碎及和匀) 二次搅拌桶胶泵(定量) 回转窑(烧结成型) 直径为68毫米的球体图4 磁性材料湿法生产主要工艺流程一、 干法生产的缺点：1.由于其原料主要是连铸机和初轧机的氧化铁皮，主要成分是四氧化三铁，而铁氧体的主要成分是三氧化二铁；所以原料的纯度不高。直接经球磨机粉碎和匀，达到的效果比较差。2.最后所得的直径为68毫米的球体，大小相对并不均匀，导致生产出的磁性材料性能并不稳定。3.预氧化用的链靡机在工作中会产生大量的灰尘，造成严重的环境污染。二、 湿法生产的优点：1.由于其原料主要是冷轧酸洗后产生的废物，所以原料的性能很稳定。2.球磨机粉碎和匀的前后都加水充分搅拌，即湿法球磨的和匀磨碎效果很好。3.最后所得的直径为68毫米的球体，大小均匀，生产出的磁性材料性能也稳定。在现代的新湿法生产工艺中，又在回转窑烧结成型前加入了沉降离心机，经离心机离心分离后，含水量减少到3035，大大节省了烧结蒸发中所需的能源，对节能与环保作出了巨大的贡献。1.2 离心机概况1.2.1 离心机的应用及其发展离心分离是利用离心力对液一固、液一液一固、液一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液相，而且具有节省劳力、减轻劳动强度、改善劳动条件，具有连续运转、自动遥控、操作安全可靠和占地面积小等优点。因此，自1836年第一台工业用三足式离心机在德国问世，迄今一百多年以来己获得很大的发展。各种类型的离心机品种繁多，各有特色，并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，专用机种越来越多。现在，离心机己广泛用于化工、石油化工、石油炼制、轻工、医药、食品、纺织、冶金、煤炭、选矿、船舶、军工等各个领域。例如:湿法采煤中粉煤的回收，石油钻井泥浆的回收，放射性元素的浓缩，三废治理中的污泥脱水，各种石油化工产品的制造，各种抗菌素、淀粉及农药的制造，牛奶、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、食用动物油、米糠油等食品的制造，织品、纤维脱水及合成纤维的制造，各种润滑油、燃料油的提纯等都使用离心机。离心机己成为国民经济各个部门广泛应用的一种通用机械。离心机基本上属于后处理设备，主要用于脱水、浓缩、分离、澄清、净化及固体颗粒分级等工艺过程，它是随着各工业部门的发展而相应发展起来的。例如:18世纪产业革命后，随着纺织工业的迅速发展，1836年出现了棉布脱水机。1877年为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20世纪之后，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，50年代研制成功了自动排渣的碟式活塞排渣分离机，到60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，因此促使卧式螺旋卸料沉降离心机、碟式分离机和三足式下部卸料沉降离心机有了进一步的发展，特别是卧式螺旋卸料沉降离心机的发展尤为迅速。离心机的结构、品种机器应用等方面发展迅速，但理论研究落后于实践是个长期存在的问题。目前在理论研究方面所获得的知识，主要还是用来说明试验的结果，而在预测机器的性能、选型以及设计计算，往往仍要凭借经验或试验。但随着现代科学技术的发展，固一液分离技术越来越受到重视，离心分离理论研究迟缓落后的局面也在积极扭转。1.2.2 离心机的分类离心分离根据操作原理可区分为两类不同的过程离心过滤和离心沉降。而与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。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。具体分类见图5。1.2.3 螺旋卸料沉降式离心机国内外研究现状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，现该离心机己广泛用于石油、化工、冶金、煤炭、医药、轻工、食品等工业部门和污水处理工程。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。伴随着我国经济的迅速发展，螺旋卸料沉降式离心机有着广阔的市场。例如:城市的建设得到了迅速发展，城市的规模扩大，人口增加，水环境污染成了一大难题。据专家统计，我国城市污水排放量年增加为3亿立方米左右，加快城市污水厂的建设步伐势在必行。城市污水处理厂的污泥脱水设备应用比较广泛的是带式压滤机和螺旋卸料沉降式离心机。但是，由于螺旋卸料沉降式离心机的技术明显优于带式压滤机，螺旋卸料沉降式离心机将逐步取代带式压滤机。1954年国际上出现了真正具有现代实用价值的第一台螺旋卸料沉降式离心机。根据不同的分离物料，设计者根据物料特点进行专门的设计。现就不同的应用领域，己有相应的螺旋卸料沉降式离心机出现，在国际上，该技术己相当成熟。处理气一液一固三相混合物的螺旋卸料沉降式离心机、处理固相密度比液相密度比小的螺旋卸料沉降式离心机、粒子分级用螺旋卸料沉降式离心机、逆流洗涤螺旋卸料沉降式离心机、并流式螺旋卸料沉降式离心机、污泥脱水用螺旋卸料沉降式离心机。在国际上的发达国家，污泥用的螺旋卸料沉降式离心机已标准化、系列化。近几年还图5离心机的分类在其结构上根据应用的实践进行了许多改进，出现了一些新的结构设计方面的专利。例如最近推出了一种叫，“nxono”的螺旋卸料沉降式离心机，它的适应性非常强，能处理多种不同尺寸和形状大小的材料，操作方便，用计算机控制。瑞典阿尔法公司新开发的NX型螺旋卸料沉降式离心机，其结构尺寸根据不同尺寸、形状的颗粒而调整其型号，还可以根据新的材料要求，设计新的螺旋卸料沉降式离心机。它的动平衡和静平衡处理非常好，能在负载下高速运转，其输入和输出口的设计有效地防止物料阻塞。该螺旋卸料沉降式离心机与固体物料有摩擦的部位涂以合金有效防止了磨损，旋转部位用不锈钢材料，使整个运转过程处在一个封闭的系统里，其自动装置充分保障了工作安全。该卧螺离心机能有效分离纤维、粒子等，其处理颗粒的尺寸范围可从1微米到5毫米，而且处理量大，能达到每小时50000加仑流量。瑞典阿尔法在螺旋卸料沉降式离心机的理论研究和制造设计己经处于世界先进水平，从螺旋卸料沉降式离心机的结构设计、使用材料、防腐措施、应用范围、自动控制和密封装置研究的都很透彻。因此，它的机械设备广泛应用于世界各地的各个领域。国外较著名的离心机生产商有德国FIOTTWE公司、美国SHAPLESS公司、法国GUINARD公司、瑞典ALAF公司等。我国在螺旋卸料沉降式离心机的理论研究方面也取得了相当不错的进展。80年代，我国开始重视螺旋卸料沉降式离心机的发展，一些科研工作者开始研究国外螺旋卸料沉降式离心机的发展动态，机械工业部通用机械研究所翻译了大量英文和俄文资料，为我国卧式螺旋沉降离心机的设计提供了理论基础。我国在九十年代己能自己研制生产螺旋卸料沉降式离心机，国家在1979年便在工厂进行螺旋卸料沉降式离心机的生产，成功的生产出WL200，WL1000，LWB500，LWG500等型号的产品。重庆江北机械厂是国家最早投入螺旋卸料沉降式离心机生产厂家之一，为我国第一批螺旋卸料沉降式离心机生产作出了较大贡献，为我国离心机理论提供了不少数据和实验。现在该厂引进法国坚纳公司技术，并严格按法国坚纳公司技术标准生产具有国际水准的新产品D(LW)系列产品。该系列产品性能卓越具有完善的工作特点和传动装置，它的差速器可实现无级变速，它是与计算机完美结合的典型，在计算机的屏幕上，我们可看到其主要参数，其自动装置和密封系统也比较先进。金华铁路机械厂通过二十多年的研制生产，也拥有比较雄厚的技术力量，该厂设计制造的螺旋卸料沉降式离心机是在引进、消化、吸收国外先进分离机械的基础上，结合我国石油、地质勘探的需要而研制开发的系列产品，近来己推出最新机型有LW355x1460，LW400x860，LW500x1250，LWG5001250。它们的主要特点是能去除泥浆中的有害粗颗粒，调整泥浆比重，降低粘度，其中LW500xl250，LW500xl250的最大处理量能达到50立方米。1958年成立的上海离心机研究所，近些年来通过与国际著名离心机制造公司的密切合作，己生产出大长径比的螺旋卸料沉降式离心机系列产品，使转鼓的沉降区域物料分离时间延长，从而显著提高固液分离效果，并在此基础上成功的研制了国内第一套污泥脱水成套设备和首辆污泥脱水成套设备工程车;一些高等院校也在这些方面做了不少工作。 1.2.4 螺旋卸料沉降式离心机的概况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。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。 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，己测绘德国FIOTTWE公司、美国SHAPLESS公司、法国GUNIARD公司、瑞典ALAFLaval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。现国内己能生产的螺旋卸料沉降式离心机有WL200，WL350，WL 450，WL600，WL800，DLW430，L W350，LW400，LW500，LW620等。随着工业的飞速发展，各行业对高精度、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GUNIARD公司的D型螺旋卸料沉降式离心机，转鼓直径最大的为1500mm，长径比为4.7。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4500离心机，转鼓直径310mm，转速达7600/min，这样高的转速，目前我国还不能达到。3、目前国外离心机正朝着机电一体化方向发展，己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、适应不同物料及工况的需要，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。1.2.5 卧螺离心机的主要优点1、自动、连续操作，无滤网和滤布，能长期运转，维修方便。2、应用范围广。它能完成下列分离过程：（1）固相脱水：对易分离物料，其脱水效果与过滤式离心机一样好。对含有可压缩固相的悬浮液，在过滤离心机上分离效果很差，甚至无法分离；用卧螺离心机能完成此分离过程。（2）液相澄清：它对液相的澄清效果虽然不如分离机，但是可获得比分离机干得多的沉渣，而允许的悬浮液固相浓度比分离机高的多。（3）可分离固相重度比液相轻的悬浮液：通常这种物料是用过滤式离心机来分离的，但是当固相是可压缩的物料或滤布清洗、再生有困难时，只有依靠这种结构上稍加改进的卧螺离心机进行分离。（4）液液固分离：固相含量大于14%的液液固混合物，在碟式分离机上就难以分离。一般分离这种物料要先进行液固分离，再进行液液分离。然而，用卧螺离心机可以直接把固相和轻、重液相一次分离。（5）粒度分级：通过卧螺离心机可以将固相按颗粒大小进行分级。3、对物料的适应性较大，能分离的固相粒度范围较广，并且在颗粒大小不均匀的条件下，能照常分离得很好。能适应各种浓度悬浮液的分离，浓度的波动不影响分离的效果。4、结构紧凑、易于密封，某些机型能在高压和低温条件下操作。5、单机生产能力大(当量沉降面积可达10000平方米，生产能力可达190立方米每小时)，分离质量比较高，操作费用的，占地面积小。1.2.6 卧旋离心机的主要缺点1、沉渣的含湿量一般比过滤离心机稍高，大致与真空过滤机相等。2、沉渣的洗涤效果不好。3、结构比较复杂，造价高。2 卧式螺旋卸料沉降离心机的生产能力计算2.1 生产能力概述悬浮液自进料口进入沉降离心机转鼓后，液相沿转鼓轴向流动至溢流口处溢出转鼓外，其中的固相粒子随液相作轴向移动外，还在离心力作用下沿径向沉降。较细的粒子由于沉降速度较慢，沉降到转鼓壁所需的时间较长。如悬浮液进料量过大，轴向流速过快，使较细粒子在转鼓内的停留时间少于沉降所需时间，则细粒子将随液流溢出转鼓外而不能被分离。因此，沉降离心机的生产能力，应理解为能将所需分离的最小固相粒子沉降在转鼓内，而不致随分离液带出的最大悬浮液流量。这样，分离因素一定的同一离心机，对于不同的物料或同一物料在不同的分离要求下，生产能力也将是不同的。2.2 生产能力计算沉降离心机的生产能力取决于液体的轴向流速和粒子的离心沉降速度，前者由于不同的流动理论而有不同的计算方法，因而得出不同的生产能力计算方法。（1）按理论计算生产能力；（2）按层流理论计算生产能力； （3）按线性理论计算生产能力；此处以理论计算卧螺沉降离心机的生产能力。理论是由安布勒（Ambler）于1952年提出的，由于其表达式简单，概念明确，一直沿用至今。在保证具有一定澄清度条件下的生产能力Q(m/h)，按照理论，对于具有圆锥形转鼓的螺旋型离心机，实际生产能力的计算公式可表达为： Q= （1）式中 Q实际生产能力，m/h；分离效率系数； 悬浮液中固相颗粒的重力沉降速度，m/s； 当量沉降面积, ；2. 柱锥形转鼓的当量沉降面积的计算 D LLLrh 图6 柱锥形转鼓的几何形状尺寸= （2）式中 分离系数； D转鼓大端公称直径，m； 转鼓圆柱段的沉降区长度，m；转鼓锥段的沉降区长度，m； L转鼓沉降区总长度（+），m； h液池深度，m； r转鼓内径，m； 取2h/D；LW4001200逆流型的主要性能参数可知如下：最大分离因素为2580最大转速为3400 r/minD=0.4m，=0.542m， 转鼓锥角=8液池最大最小深度分别为0.0826m和0.0542m.且分离因数与转鼓转速的平方成正比，取转鼓转速n为2800r/min,则此时分离因数:=2580=1736.2当h=0.0826m时：=2h/D=0.4132, =h/sin8=0.5935mL=（+）=1.1355m则 = =1353.72. 悬浮液中固相颗粒的重力沉降速度= （3）式中 阻滞情况下的沉降速度修正系数；固相（氧化铁）密度，/；液相（水）密度，/；悬浮液的动力粘度，；悬浮液中固相颗粒的计算直径，；悬浮液中固相颗粒的粒子形状修正系数。其中 =（1+4.5） 上式中 悬浮液中液相动力粘度，；固相单位体积浓度；取 =0.008，=0.15；则 =0.008（1+4.50.15）=0.0134由表3-7与3-8可取:=510 =2.12 =0.48,查表115得：=2.410/ =1.010/由上参数数值，有： =0.48 =1.44710/s3. 分离效率数可按下列经验公式求得： =16.42 （4）式中 沉降区计算长度，m。对于柱锥型转鼓：=+ =0.542+0.5935 =0.839m其它参数意义同上。 =0.2247结合以上各参数的计算可得， 生产能力Q=1.585 m/h同理，当h=0.542m时，3 卧式螺旋卸料沉降离心机的功率计算与电机选择3.1 功率计算卧螺离心机的功率计算及电机选择是卧螺离心机设计中的重要组成部分。根据卧螺离心机的工作要求进行功率计算，可以合理地确定主、辅电动机的功率，选择电机及差速器。卧螺离心机的功率消耗与卧螺离心机的类型，操作方式和卧螺离心机的结构有关，一般情况下，卧螺离心机所需功率包括下几个方面：（1）启动转鼓等转动件所需功率；（2）启动物料达到操作转速所需功率；（3）螺旋输送沉渣所需功率N。3.1.1 启动转鼓等转动件所需功率欲使卧螺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动能，必须由外界作功，该功为A= （5）式中 A外界所作的功，J；v 转动件线速度，m/s；J转动件绕轴旋转的转动惯量，kg.启动转动件的平均功率，为： = （6）式中 启动转动件的平均功率，kW；t启动时间，s；卧螺离心机的角速度，rad/s。而=303.7 rad/s1. 计算转动件绕轴旋转的转动惯量J 圆柱段转鼓的转动惯量J由表1-1-85公式J= （7）式中 J圆柱段转鼓的转动惯量，kg.；m旋转体的质量，kg； K系数，见表中； 旋转体的飞轮计算直径，m。由表，取K=0.5, =式中 转鼓圆柱段的外径，m； 转鼓圆柱段的内径，m；取=0.42m, =0.40m, m=80 kg则 =0.3364J=3.5743 kg. 圆锥段转鼓的转动惯量J由Soliworks 2006 作出长度为625mm，大小端直径分别为424mm和390mm，拔模角为8，厚为15mm的圆台壳体。再由质量分析得出下列相关参数：零件( Part Configuration - 默认 ) 的质量特性输出坐标系 : - 默认 -密度 = 0.01 克/立方毫米质量 = 83869.57 克体积 = 10752508.36 立方毫米表面积 = 1299409.01 平方毫米重心 : ( 毫米 )X = 0.00Y = 0.00Z = 283.82惯性主轴和惯性力矩 : ( 克 * 平方毫米 )由重心决定。 Ix = (0.00, 0.00, 1.00) Px = 2301548159.95 Iy = (0.00, -1.00, 0.00) Py = 3811901499.34 Iz = (1.00, 0.00, 0.00) Pz = 3811901499.34惯性张量 : ( 克 * 平方毫米 )由重心决定，并且对齐输出的坐标系。Lxx = 3811901499.34Lxy = 0.00Lxz = 0.00Lyx = 0.00Lyy = 3811901499.34Lyz = 0.00Lzx = 0.00Lzy = 0.00Lzz = 2301548159.95惯性张量: ( 克 * 平方毫米 )由输出座标系决定。Ixx = 10567760827.14Ixy = 0.00Ixz = 0.00Iyx = 0.00Iyy = 10567760827.14Iyz = 0.00Izx = 0.00Izy = 0.00Izz = 2301548159.95由上分析可得，其转动惯量P=2.3015 kg.考虑到转鼓内设的筋条，取k=1.1,则J= k. P=2.53 kg.转鼓的转动惯量为J= J+ J=5.64 kg.考虑到螺旋叶片、螺旋轴、螺旋叶片轴等转动件的转动惯量，J=kJ此处取k=1.35所有转动件绕轴旋转的转动惯量J=kJ=7.614 kg.2、启动时间取启动时间t=20s综上，启动转动件的平均功率=17.5567kw3.1.2 启动物料达到操作转速所需功率 对于连续进料卧螺离心机，加入的物料被分离为沉渣和分离液等组分，可分别求出操作中每种组分所需的功率，然后求其和。假设此种分离操作，单位时间内排出分离液（水）和沉渣（氧化铁）2个组分，各组分的质量分别为m、m（kg/s），各组分在转鼓内卸出的位置半径分别为r、r(m)，则使加入物料达到工作转速所需的功率为：= （8）物料每分钟移动的距离S为： S=L式中 L叶片距，m； 转速差，r/min。已知L=0.08m, =20 r/minS=L=1.6m/min排渣能力可按下式计算：/60 （9）式中 G排渣能力，kg/h； 沉渣的厚度，m；其它的参数同上。已知G=1800 kg/h,D=0.38m,=2.4kg/m则代入上式便得：-0.38+0.002488=0从中可解出=0.0067m又 =-式中 液池的平均厚度，m； 液池中水的厚度，m；已知=0.065m,则=-=0.0583m r=D/2-/2=0.1745m r= D/2/2=0.1962m根据排渣能力的定义，可得m=0.5 kg /s 由物料中分离液与沉渣的体积比，可得m=式中 固相单位体积浓度；固相（氧化铁）密度，/分离液（水）的密度，kg/m。其中, =0.15，=2.4kg/m，=1.0kg/m m=1.181kg /s 综上可得，启动物料达到操作转速所需功率= = =2.546kw3.1.3 螺旋输送沉渣所需功率 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，螺旋输送沉渣时所需功率大小与螺旋叶片和转鼓轴线的相对位置有关，本机中螺旋叶片垂直于转鼓回转轴线，故卸料功率应包括：1、 克服沉渣产生的离心力沿转鼓圆锥段母线的分力所消耗的功率： kW （10）2、 克服沉渣与转鼓壁摩擦所消耗的功率： kW （11）3、 克服沉渣与螺旋叶片摩擦所消耗的功率： kW （12）螺旋输送沉渣消耗的总功率为以上三项功率之和，即： = kW （13）式中 转鼓圆锥段的平均内半径，m，=； 出渣口处转鼓内半径，m； 转鼓圆锥大端内半径，m； H转鼓的长度，m； Z螺旋叶片的圈数； 沉渣与转鼓壁的摩擦系数，一般为0.30.85； 沉渣与螺旋叶片的摩擦系数，一般为0.150.4； G按螺旋排渣能力计算的生产能力，kg/s。其中，=0.1142m, =0.20m=0.1571mH=1.20m，Z=14，排渣能力G=1800/3600=0.5 kg/s，取=0.6，=0.3综合以上各参数，得螺旋输送沉渣所需功率N： = =4.22kW3.2 电机选择考虑到摩擦与效率，以上，修正为： （14）式中 轴承效率；考虑到克服转鼓物料和空气摩擦的效率；V带传动效率。 式中 各参数同上。式中 摆线针轮减速器的效率；其它参数同上。由表17取=0.98，=0.985，=0.96，=0.92分别计算，：=18.945kW =2.744kW=4.872得该卧旋离心机的计算总功率为： =26.561kW由于离心机是连续工作的，且一般选用满载时较低速的；考虑到以后作业率的提高，要求电机功率要留有一定的余量，则选用电机：电动机型号 额定功率 满载转速Y220L-4-B5， P=30kW， =1470r/min4 V带设计计算4.1 带动转鼓的V带设计计算已知电动机带动转鼓以及物料的功率P=21.698kW，转速 =1470r/min，转鼓转速（从动轮转速）为2800，传动比i=2（增速传动）每天工作10小时以上。1.确定计算功率 =P （21）式中 计算功率，kW；工作情况系数； P传递的额定功率，kW；由表8-6，得工作情况系数=1.4，则：=P=30 kW2.选择V带的带型根据，选用B型。3.确定带轮基准直径并验算带速 (1)8-6表8-8选取小带轮基准直径：=178mm (2)验算带速v：=27.4 m/s30 m/s带的速度合适 (3)从动轮基准直径 = i=355mm4. 确定普通V带的基准长度和中心距根据0.7(+)2(+),初步确定=600mm根据=2+式中 初步确定的中心距，mm。得=2249由表8-2选带的基准长度=2800mm计算实际中心距a: a=+=976mm5、验算从动轮上的包角=180-57.3/a=169.5490故从动轮上的包角合适。6、计算普通V带的根数 （23）式中 单根V带的基本额定功率，kW;计入传动比的影响时，单根V带额定功率的增量，kW;包角系数；长度系数；机械设计手册查表13-1-18得：=5.76kW机械设计手册查表13-1-21,13-1-22得： 得=0.98，=1.05 =5.04取Z=5根7计算预紧力 （24）式中 预紧力，N； q传动带单位长度的质量，kg/m；其它参数同上。由表13-1-23得q=0.17 kg/m =248.92N8、计算作用在轴上的压轴力 （25）式中 作用在轴上的压轴力，N；其它参数同上。则有：=2464.308N结构设计略。4.2 带动螺旋输送器的V带设计计算已知电动机为螺旋输送器提供的功率=4.872kW，电动机的转速=2382r/min, 传动比=1.2174（减速传动），一天运转16小时以上，设计一普通V带传动。由此可知，从动轮的转速=1957r/min。1、 确定计算功率 =由表8-6，得工作情况系数=1.4，故=6.82kW2、 确定普通V带带型 根据、，由图8-8确定选用B型。3、 确定带轮基准直径 由表8-3和表8-7取主动轮基准直径：=170mm。则从动轮基准直径： =206.9mm根据表8-7，取=200mm。验算带的速度： =21.19m/s25m/s带的速度合适4、确定普通V带的基准长度和中心距带所需的基准长度为：=2+根据0.7(+)2(+),初步确定=400mm。 =2+=1382mm由表8-2选带的基准长度=1400mm。计算实际中心距a: a=+=409mm5、验算主动轮上的包角=180+=175.8120主动轮上的包角合适。6、计算普通V带的根数 查表8-5a和表8-5b得： =4.8kW, =0.3kW查表8-8，得=0.99；查表8-2，得=0.90 =1.504由于此V带传动用于离心机，且此离心机的回转速度最高可达到3500r/min，故考虑到此V带的寿命，取其Z=3根。7、计算预紧力由表8-4得q=0.17 kg/m =162.14N8、计算作用在轴上的压轴力 结合以上计算所得各参数的值，得：=972.19N5 转鼓壁厚度校核离心机转鼓是一个每分钟转动数百至数万转以上的高速回转。高速回转时，在离心力的作用下转鼓壁内要产生很大的应力，这些应力是由于高速回转时，转壁金属的自身质量产生的离心力，及在转鼓内壁上所附带着的筛网、物料和液体层所产生的离心力都作用在鼓壁上，使转鼓壁内产生相应的应力。因此，转鼓的强度计算必须同时考虑这几部分离心力所产生的应力。离心机的转鼓是一个组合部件，由筒体、顶盖及鼓底等几部分组合而成的。此卧旋离心机是不开孔的整体转鼓。因此，在转鼓中没有筛网等附件，转鼓内的应力，是由转鼓金属的自身质量及转鼓内物料的质量在高速回转时所产生的离心力而引起的应力之和。对于柱锥型转鼓，在圆锥段，其径向应力及周向应力的最大值均在圆锥的大端。因此，在校核圆锥段转鼓强度时，只需要校核圆锥大端壁内的应力。圆锥大端的径向应力为： = （N/） （15） 圆锥大端的周向应力为： = （N/） （16）令 ，则 （N/）按第三强度理论：。在离心机转鼓中周向总应力为最大，其次是径向总应力，最小者为经向应力，其值等于零。因此，圆锥段转鼓的强度条件为：圆锥段转鼓的壁厚应满足： （m） （17）同理，圆柱段转鼓壁厚应满足： （m） （18）因不大于1，则应优先满足圆锥段转鼓，则整个柱锥型转鼓的壁厚应满足： （m） （19）式中 整个柱锥型转鼓的壁，m；筒体中流体物料的密度，kg/m； 筒体壁金属材料的密度，kg/m； 筒体的回转角速度，rad/s； R筒体的内半径，m； r圆筒体中回转时流体的自由表面半径，m； K转鼓中物料的填充系数，K=； 焊缝的强度系数； 转鼓壁材料的许用应力，N/。其中，许用应力选取下列两值中的较小者：=； = （20）式中 设计温度下材料的屈服极限，N/；设计温度下材料的强度极限，N/；屈服极限的安全系数,一般为22.5；强度极限的安全系数,一般为3.54。由表3-1-7，35（调质），取：=275MPa, =500 MPa 取 =2.3, =3.8则 =119.6 MPa , =131.6 MPa取 =119.6 MPa=1.196 N/根据固相单位体积浓度=0.15:=1.21 kg/m；= 7.85 kg/m；R=0.19m；r取最小值即转鼓内物料最多时，r=0.1115m；取最高转速时的回转角速度，=366.5 rad/s。K=0.656由于此处转鼓是铸造件，取=1=3.81 N/； =0.154=0.00452m=4.52mm由于转鼓实际壁厚为15mm, 此转鼓壁厚满足强度条件，可取6 摆线针轮差速器设计计算6.1 摆线针轮差速器概述 在螺旋卸料离心机中，离心沉降分离出的沉渣沿转鼓内壁上的纵向移动，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回转，并得到最佳的转差值，因此，螺旋卸料离心机从电动机到工作机之间都需要一个传动装置，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，故现代螺旋卸料离心机的传动装置都广泛地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。差速器传动装置是螺旋卸料离心机中最复杂而又极为重要的部件，其性能和质量往往决定着整个机器的工作能力和可靠性。欲设计出体积小、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，精确合理地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，并严格进行动平衡，这样设计制造的传动装置，才能使螺旋卸料离心机在生产中得到正常的运转。摆线针轮行星减速器具有体积小、重量轻、传动比范围大、效率高、工作可靠、寿命长、运转平稳、及过载能力大等优点。由于以上优点，这种减速器在许多情况下可代替二级、三级普通齿轮减速器及蜗杆减速器，在冶金、矿山、石油、化工、船舶、轻工、食品、纺织、印染，起重运输以及军工等许多部门得到日益广泛的应用。图7 摆线针轮行星传动原理摆线针轮行星传动的示意图，如图7所示。假设行星架X不动，则转化机构的传动比为： （26） 针轮P固定时，=0，代入上式得 （27） 这种传动， 即 （28） 当行星轮C不转动时，=0，有 （29）以上各式中 行星架X不动时，转化机构的传动比；针轮P固定时，转化机构的传动比；行星轮C不转动时，转化机构的传动比；行星轮C的角速度，rad/s；针轮P的角速度, rad/s；行星架X的角速度, rad/s；行星轮C的齿数；针轮P的齿数。通常工作状态为针轮P固定，传动比等于行星轮齿数，行星轮C与行星架X的转向相反。当行星架X主动时，行星轮C以绝对转速转动，从而实现减速。为了将行星轮的转速传到固定轴线的从动轴F上去，中间必须加一种传动比等于1的等角速度的传动机构，这种机构称为输出机构（图6中的W）。此设计中是当针轮P固定时：=式中 当针轮P固定时，行星架X的转速，即摆线针轮减速器输入轴的转速，r/min； 当针轮P固定时，行星轮C的转速，即摆线针轮减速器输出轴的转速，r/min。即以针轮P为参考系时，行星架X的转速与行星轮C的转速，此时取行星轮C的相对转速为正，则：=； =式中 转鼓的转速，r/min； 小带轮的转速，r/min； 转鼓的绝对转速与螺旋输送器的绝对转速之差，r/min。取=20 r/min，又=2800 r/min，=1957 r/min=42.15取实际传递比i=-42则 实际转鼓的绝对转速与螺旋输送器的绝对转速之差：=20.071 r/min此处相对于波动误差小于5%故实际转速之差仍可取为=20 r/min。6.2 摆线针轮行星差速器参数的确定已知：输入功率=4.872kW，输入轴转速=943r/min，传动比的大小i=42，每天工作16小时以上，工作平稳。设计一摆线针轮行星减速器。1确定传动的结构形式确定根据使用要求，选用卧式不带电机型（非直联型）；针轮固定。2确定摆线轮、针轮的齿数摆线轮齿数 =47针轮齿数 =483确定主要零件的材料摆线针轮材料G15，5862HRC圆柱销材料G15，5862HRC圆柱套材料G15，5862HRC针齿销材料G15，5862HRC针齿套材料G15，5862HRC针齿壳材料HT200机座材料HT2004. 确定针轮直径=2（0.851.3） （30）T= （31）式中 针轮直径，mm； T输出转矩，Nmm； 输入功率，kW； 输入轴转速，r/min； 摆线针轮减速器的效率。由表17查得=0.92；则 T=2.133 Nmm则：=21.1=283.2mm取 =285mm5. 确定短幅系数和偏心距A= （32）式中 A偏心距，mm； 短幅系数；针轮半径，mm；=4717，故先取=0.65；=/2=142.5mm； A=1.927mm按表16-19圆整取A=2mm则=0.6496. 转臂轴承的选择与寿命计算 初步估算摆线轮内孔直径=(0.40.5)=112140mm初步取摆线轮宽度BB=0.1521mm 计算转臂轴承上的动载荷 （33）式中 C转臂轴承上的动载荷，N； P当量动负荷，N； n轴承转速，r/min； 轴承的寿命，一般5000h。其中 P=R， R= n=式中 动载荷系数，=1.21.4，取为1.2； R名义负荷，N。 R=15418.1NP=R=18501.8Nn=963.1r/min取 =5000h =101263.2N 按，B，及选择轴承根据，B，及选择轴承型号为：502312由表19-11，查得502310型轴承的特性：额定动载荷 C=110.74kN轴承外径 =113mm轴承内径 d=60mm轴承宽度 b=31mm 计算轴承寿命 （34） 代入相关参数值得 =6737.2h 最后确定摆线轮内孔直径和摆线轮宽度摆线轮内孔直径：=113mm摆线轮宽度： B=26mm7. 确定针齿尺寸 计算针齿套直径= （35）式中 针齿套直径，mm； 曲率半径系数。由表11，按插值法得： =0.0413=11.564mm取=14mm 由表11，按插值法得：最小曲率半径系数=0.07534由于=0.0413比小许多，故不会产生根切和尖角。 计算针齿系数= （36）式中 针齿系数；其它参数同上。则 =1.174结合表4，可取=1.2。因较大，故可不抽齿。 计算针齿销直径 =-2 （37）式中 针齿销直径，mm； 针齿套壁厚，一般取25mm。取=2mm， =-2=10mm8. 校核针齿销的弯曲强度 为了防止针齿销的折断，需对针齿销的弯曲强度进行校核。由于支撑宽度较小，采用两点式针齿销。针齿销上的最大弯矩为：= （38）式中 针齿销上的最大弯矩，Nmm； =0.5B+0.5，mm； =1.5B+0.5，mm； LL=+=2B+2+，mm； B摆线轮的宽度，mm； 间隔环的厚度，=b-B； 摆线轮与针齿壳侧面间的间隙，mm； 针齿壳侧面的壁厚，mm； T输出转矩，Nmm。 弯曲应力为： = （39）式中 针齿销上的最大弯曲应力，N/mm； 许用弯曲应力，N/mm；当圆柱销采用G15，=150200 N/mm。根据结构取：=8mm =4mm =b-B=5mm则 =0.5B+0.5=21mm=1.5B+0.5=52mmL=+=2B+2+=73mm =14780 Nmm =147.8N/mm=150200 N/mm。故，针齿销的弯曲强度满足条件。9. 校核摆线轮与针轮的接触强度为了防止齿面发生疲劳点蚀和胶合破坏，需对摆线轮与针轮的接触强度进行校核。 针齿齿廓为圆，摆线轮齿廓是曲线，在摆线轮齿廓的各点上都有相应的曲率。所以，针齿与摆线轮的接触，可认为是两个瞬时圆柱体的接触，可根据赫兹公式，得到摆线针轮传动齿面接触应力的校核式：= （40）式中 摆线轮与针轮的接触应力，N/mm； 接触系数； 许用接触应力，N/mm。用G15或制成针轮的针齿销、针齿套和摆线轮，硬度为5862HRC，单级减速机=10001200 N/mm；对于双级减速器的低速级，因为速度低，载荷小，=13001500 N/mm；其它参数同上。由表11，按插值法得：0.361=681.45 N/mm取=1000 N/mm则有 摆线轮与针轮的接触强度满足条件。10、确定摆线轮的结构尺寸 齿顶圆直径=270mm 齿根圆直径=262mm 齿高h=4mm 齿侧啮合间隙 摆线轮宽度B=26mm 摆线轮内孔直径=113mm 柱销孔中心圆直径取=190mm 柱销孔数目 由表14，取=10 结构上允许的柱销孔最大直径 =2式中 柱销孔的最小壁厚，一般取=0.03，mm； 结构上允许的柱销孔最大直径，mm；则=0.03=8.4mm=2=68.6mm又有 =式中各参数同上。=50.3mm取两者中的较小者，结构上允许的柱销孔最大直径=50.3mm11. 确定柱销、柱销套和柱销孔德直径柱销直径 （41）式中 柱销直径，mm。此处取=150N/mm=24.67mm 柱销套直径先取=26mm=+2式中 柱销套直径，mm。暂取 =4m
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