论文卧式搅拌器结构设计

1、卧式搅拌器结构设计第一章 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。搅拌与混合操作是应用最广的过程单元操作之一，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、搅拌与混合设备正向着大型化、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

2、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工具。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 搅拌机国内外发展现状近年来，随着科学技术的发展和相关理论的完善和进一步成熟，搅拌器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

3、严峻挑战。搅拌器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。传统的搅拌器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

4、封。前两种密封同泵的密封类似。液压密封最简单,在搅拌器中用得最少。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。磁力驱动搅拌器的特点是以静密封结构取代动密封,搅拌器与电极传动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。国内,威海自控反应釜公司、开原化工机械磁力反应釜厂、温州中伟磁传密封设备厂等均生产磁力搅拌器。瑞典NA型磁力搅拌反应釜,搅拌器安装在反应釜底部,搅拌器与釜底齐平,易于拆卸,可靠、耐用和便于维修。磁力搅拌器的缺点是对于一些粘稠液体

5、或有大量固体参加或生成的反应尚不能顺利使用,此时必须使用机械搅拌器作为驱动能源。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搅拌器,其中美国ROSS公司开发的新型双行星式搅拌器是其中之一。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 （a）

6、传统的行星式桨叶 （b） 新型HV桨叶行星式垂直桨叶的要害所在。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现象。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:（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）双行星搅拌器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

7、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，采用这种组合的搅拌器,被处理物料的黏度可高达120万厘泊。行星桨叶和分散头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。高速分散头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,消灭次品,还保证了产品质量的一致性。由于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论文主要完成的工作搅拌装置主要由两部分组成：主传动部分和搅

8、拌叶片部分。主传动部分包括一个异步电机和减速系统。为使物料在搅拌过程中更高效率的混合，搅拌叶片选用螺带式搅拌叶片。本论文的主要研究内容如下：（1） 总体方案设定通过对国内外的搅拌器发展现状的研究，以及对塑胶设计要求的了解，吸取经验，制定自己的设计方案。（2） 搅拌机的结构设计有了总体的设计方案，将搅拌器结构分为主传动系统、搅拌部分和机架三大部分，然后分部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（4） 电气控制设计电气控制主要完成能实现搅拌机的启动、停止和调速。 第二章

9、搅拌器总体方案的确定2.1 引言塑胶混合就是将不同种类的塑胶、色粉、母粒或其他添加搅拌机在一起的原料注塑。22搅拌机总体结构方案卧式搅拌器的搅拌容器轴线与回转轴线都处于水平位置；其结构简单，卸料、清洗、维修方便，但占地面积一般较大。这类机器生产能力范围大，在国内工业生产中应用广泛，如化工、医药、食品、造纸等行业均得到广泛应用。2.2.1 传动方式确定（1）搅拌机形式选择，考虑到本设计目的，采用容器固定式卧式搅拌机。（2）传动方案确定，本设计要求搅拌速度为35r/min，对搅拌速度要求不高。虽然转速较低，但其启动转矩很大，需选用符合启动要求的电机，电机转速约为2000r/min，因此传动系统需采

10、用加大的减速比，考虑机器尺寸和噪声要求，采用带传动和齿轮传动组合机构。初步设定的减速机构示意图如图2.1所示2364511-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 传动系统机构简图基本尺寸的确定本设计为中小型搅拌机，根据其工作容量与操作人员的最佳操作位置，暂定搅拌器外形尺寸为600×600×1200 mm，其中搅拌轴轴线高度为800 mm，搅拌器下半部分为直径600 mm的半圆桶，上半部分为1000×600×900mm的长方体，桶壁后8mm，搅拌器叶片边缘与桶壁间隙2mm。为了实现更好的搅拌效果，采用双螺带式搅拌器，搅拌轴直

11、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- 电动机2- 小带轮3- 大带轮4- 齿轮5- 搅拌容器6- 搅拌叶片 图2.2总体机构简图2.3 搅拌器性能指标的设定搅拌器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，根据要求设定正常工作转速35r/min，启动时加速时间4s，稳定运行时间5mi

12、n，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。通常的装料系数可取0.60.85，如果物料在搅拌过程中要起泡沫或呈沸腾状态，可取0.60.7；如果物料在搅拌过程中状态平稳，可取0.80.85（物料粘度较大可取大值）。故本设计取搅拌装置的搅拌系数为0.8。6001000 图2.3 搅拌容器外形2.4 本章小结本章通过分析塑胶混合强制搅拌机的设计制作要求，确定了搅拌机的基本结构方案和基本结构尺寸，并对卧式搅拌机的部分工作参数进行了设定，为下一步详细计算做好准备。第3章卧式搅拌器结构设计上一章对卧式搅拌器的机械结构总体方案进行了分析论证，本章将基于上一章已确定的基本结构和

13、基本尺寸进行详细全面的设计工作，分别对每个部分进行详细的分析设计，确定其具体结构，详细尺寸，绘制零件图，装配图。3.2.1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：（1） 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。（2） 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。（3） 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。（4）

14、 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、防水溅以及防异物伸入。3.2.2主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：（1） 使容器内的塑胶粒子运动消耗的功率。（2） 轴承、减速装置和传动装置摩擦消耗的功率。（3） 连续驱动容器本身或搅拌桨叶等回转消耗的

15、功率。（4） 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回转时，对于流动良好的粒体，可以通过实验等到轴力矩。 （3.1）式中 K实验系数，查表取K=45； Dp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接触螺带的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. 8。 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；=

16、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1525年。如果超过了容许温度，电动机使用寿命就要缩短

17、。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搅拌器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搅拌器功率，kW，由前面计算P=1.25393kW； PS轴封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搅拌器功率的5%10

18、%，本次计算取5.8%，即轴封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、电动机功率的修正计算电动机用于海拔高度超过1000m或环境温度超过40、相对湿度超过95%时，均在订货时注明，并计算功率的降低程度，这是因为海拔高度、温度和湿度都会对电动机的工作产生很大影响。本设计忽略海拔高度和湿度的影响，只考虑环境温度造成的影响，电机额定功率按照下式进行修订： （3.4）式中 校正温度影响后的电动机功率，kW； 电动机额定功率，kW，由前面计算PN=1.644kW； 温度校正系数，根据表

19、格查询对应25时的温度校正系数为1.1。所以电机额定功率4、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2.2kW，方案电动机型号额定功率KW转速r/min电流A效率%最大转矩堵转转矩总传动比1Y100L1-4 2.214305.03812.27.040.862Y112M-6 2.29405.6180.52.06.026.863Y132S-8 2.2 7105.81812.05.520.29综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量和带传动、减速器的传动比，可见第二方案比较适合。因此选定电动机型号为Y112M-6，其主要参数如下；（机械零件设计手册P828）表3.1交流异步

20、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%最大转矩堵转转矩质量kgY112M-62.25.6194080.56645电动机已经初步选定，转速940r/min，搅拌轴的转速35r/min，传动比大约为26.86，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，二级齿轮减速器减速，带轮传动比初定为3，两级齿轮减速器传动比为8.95。下面将进行详细计算。3.2.1带轮的详细计算对于传动比为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40Cr。带轮与齿轮的详细设计1、带轮的详细设计为计算带传动的结构参数

21、，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7 （3.5）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=2880r/min，验算带的速度其中的取值范围是2530m/s。计算从动轮的基准直径查表圆整后，外径。 （4）确定带轮的中心距和带的基准长度初定中心距 （3.6） 初定 带的基准长度取，实际中心距中心距的变动范围 （5）验算主动轮上包角包角满足要求

22、。 （6）确定V带的根数 （3.7）式中 所以， （7）确定带的预紧力。单根V带所需预紧力 （3.8）其中 v带的线速度取最大值，m/s，即大带轮上外缘点的线速度10.55m/s； q传动带单位长度质量，kg/m，查表得数值0.06kg/m。所以，由于新带轮容易松弛，所以对于非自动张紧的带传动，安装新带时的预紧力应为上述预紧力的1.5倍。 （8）计算带传动作用在轴上的力 （9）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

23、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为小带轮的设计结构。 图3.1 小带轮结构尺寸大带轮设计， ,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3.2所示为大带轮的设计结构。 图3.3 大带轮结构尺寸 齿轮的详细计算由计算得二级齿轮减速机的传动比为8.95，查表得（机械设计课程设计指导书P17）查得=3.4，则=/=2.63。齿轮材料锻钢，直齿圆柱齿轮，7级精度。传动系统输入功率小齿轮转速 齿数比u=4，设定工作寿命10年，每年工作300天，每天工作6小时。选择小齿轮材料40Cr（调质），硬度280HBS，大齿轮材料45钢（调质），硬度240HBS，二者材料硬度差40HBS。初定小齿轮齿数Z1=24,大齿轮齿数。按照齿面接触强度设计齿轮。 （3.9）确定其中计算参数，计算应力循环次