立式过滤沉降离心机总体设计及外壳部件设计说明书(1).doc

盐城工学院本科生毕业设计说明书 2007
目 录

1前言 1
2国内外研究现状及发展动态 2
3 立式过滤沉降离心机的总体设计 4
4具体设计说明 5
4.1转鼓的设计计算 5
4.2离心机驱动功率的计算。 10
4.3电机的选择 12
4.4带轮的设计计算 12
4.4卸料口的设计 14
4.5电机的固定机架调节机构的设计 16
4.6 柱脚部件减震机构的设计 16
5 结 论 17
参 考 文 献 18
致 谢 19
附 录 20

1前言
离心机自1926年问世以来，已被广泛用于工业、农业、国防、生物医学工程、动植物研究及医疗卫生等各个领域。离心机能有效地分离、纯化所需样品，因而深受人们的重视。
本课题为立式过滤沉降离心机(总体设计及外壳部件设计),课题为两人,本人主要负责总体设计。本课题来源于盐城市制药厂，现今市场上用于固液分离的沉降离心机工作时，由于滤渣在转鼓内的移动是籍其内的一套与转鼓同轴线的差动机构而实现的,故其结构复杂，制造成本高；其被分离出来的滤液流出转鼓前都经过出料端的滤网再行过滤，由于滤网容易被堵塞，致使脱液过程中必须定时清理或更换滤网，造成运行操作成本上升和产品质量不稳定。本设计旨在消除这一弊端，将转鼓改成内外两层，让滤渣籍其自身所受的离心力而流向出渣端（被分离出来的滤液则沿着与离心力相反的方向流经滤网，实现了滤液和滤渣各行其道，彻底分开），从而可将其差动机构取消，也克服了滤网被堵塞的现象。本设计旨在提供一种解决上述缺点和弊端的新机型---立式过滤沉降离心机。
此设计的立式过滤沉降离心机的结构比较简单，采用一台电机作为动力源，采用V带传动。在设计中使离心机满足下列要求。
a、离心机为立式机构，转鼓由内外不同锥度的圆锥组成，其外圆锥为无孔的沉降圆锥，内圆锥为安装了过滤网的过滤圆锥；该两圆锥之轴线均呈立式安置；
b、该立式过滤沉降离心机能使滤料在转鼓内进行固，液沉降分离的同时，对被分离出来的滤液再次进行过滤分离，从而提高分离效果；
c、本机工作时滤料由离心机上部料斗的进料口进入转鼓内圆锥，同时经由转鼓底座的径向均布的通道进入转鼓外圆锥的小端；电机起动运转；滤料在高速旋转的转鼓内外圆锥的夹层内同时进行沉降和过滤分离，被分离的滤液和滤渣分别经离心机的出液口和出渣口被引出机外；整个操作过程是在全速、连续运转下自动进行；
d、进料口直径不小于50mm；生产率为每小时排出渣3立方米；
e、该离心机的转鼓内圆锥能延其轴线作稍小轴向移动，以调整其大端与转鼓外圆锥之间隙以适应不同滤料之需；
f、本机工作可靠，运行平稳，产品质量稳定，操作维护简单；
g、本机结构紧凑，其进料口、出液口和出渣口便于连接到自动生产线上。

2 国内外研究现状及发展动态
当今市场上的沉降式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，其中以螺旋卸料沉降式离心机应用最为广泛． 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。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。在各种国际展览会上，各种各样的螺旋离心机，是所展示出的离心机中最吸引人的机型，可见各国对螺旋离心机的重视。
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，己测绘美国SHAPLESS公司、法国GUINARD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、WIJ350、WL450、WL600、LW800、LW350、LW400、LW50O、LW620等。
随着化学工业的飞速发展，各化工生产厂家对高精度、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:
a、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GUINARD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，我国目前生产的螺旋卸料沉降离心机的直径最大为1000mm，长径比还不到 2。
b、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型离心机，转鼓直径310mm，转速达7600r/min，这样高的转速，目前我国还不能达到。
c、目前国外离心机正向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。我国目前己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。
d、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。
近来由于石油化学工业的迅猛发展，以及污水治理的需要，使卧螺沉降式离心机得到了进一步的发展。例如在合成塑料(聚氯乙烯、聚丙烯)及合成纤维(聚对苯二甲酸乙二脂)生产分离设备中，卧螺沉降式离心机是关键设备之一，在聚乙烯醇的生产中也要使用螺旋离心机;在污泥脱水中使用了高分子絮凝剂，是螺旋离心机的固相回收率大大提高，因而它成为污水治理的有效分离设备。在连续离心机中，卧螺沉降式离心机是对物料适应性较好、应用范围较广的一种离心机．
通过对市场上的卧螺沉降式离心机研究发现现今市场上用于固液分离的沉降离心机工作时，由于滤渣在转鼓内的移动是籍其内的一套与转鼓同轴线的差动机构而实现的,故其结构复杂，制造成本高；其被分离出来的滤液流出转鼓前都经过出料端的滤网再行过滤，由于滤网容易被堵塞，致使脱液过程中必须定时清理或更换滤网，造成运行操作成本上升和产品质量不稳定。本设计旨在消除这一弊端，将转鼓改成内外两层，让滤渣籍其自身所受的离心力而流向出渣端（被分离出来的滤液则沿着与离心力相反的方向流经滤网，实现了滤液和滤渣各行其道，彻底分开），从而可将其差动机构取消，也克服了滤网被堵塞的现象。
为解决上述弊端，为克服现行沉降式离心机的缺点，本设计旨在提供一种解决上述缺点和弊端的新机型—立式过滤沉降离心机。

3 立式过滤沉降离心机的总体设计
由于此次设计的立式过滤沉降离心机重在内部结构的设计，因此总的设计路径应是从内部结构开始进行设计，再根据设计完成的各机构，结合结构和设计要求，进行其它外部零部件的设计。
该离心机为立式机构，转鼓由内外不同锥度的圆锥组成，其外圆锥为无孔的沉降圆锥，内圆锥为安装了过滤网的过滤圆锥；该两圆锥之轴线均呈立式安置；该立式过滤沉降离心机能使滤料在转鼓内进行固，液沉降分离的同时，对被分离出来的滤液再次进行过滤分离，从而提高分离效果；本机工作时滤料由离心机上部料斗的进料口进入转鼓内圆锥，同时经由转鼓底座的径向均布的通道进入转鼓外圆锥的小端；电机起动运转；滤料在高速旋转的转鼓内外圆锥的夹层内同时进行沉降和过滤分离，被分离的滤液和滤渣分别经离心机的出液口和出渣口被引出机外；整个操作过程是在全速、连续运转下自动进行；进料口直径不小于50mm；生产率为每小时排出渣3立方米；该离心机的转鼓内圆锥能延其轴线作稍小轴向移动，以调整其大端与转鼓外圆锥之间隙以适应不同滤料之需；本机工作可靠，运行平稳，产品质量稳定，操作维护简单，具体结构如图3-1所示。
整个机体的所有部分都由三个支撑脚(三足式)来支撑，三个支撑脚安装在底盘上，底盘则通过地脚螺钉来定固。转鼓体用螺栓固定于转盘，转盘安装于主轴上，由电机通过V带把动力传递到主轴上带动转盘转鼓高速旋转。

图3-1 离心机结构原理图

4 结构设计
立式沉降过滤离心机，由内转鼓、外转鼓、主轴、壳体、带传动组件（皮带轮及皮带等）组成。
立式沉降过滤离心机的基本参数包括：转鼓的直径、转鼓的的工作转速、转鼓的一次最大加料量、物料密度、物料的固液比、离心机由静止到达工作转速所需要的启动时间等。对于这些参数，设计过程中可以通过查阅有关资料和老师所给的设计要求中找到所需要的参数。
4.1转鼓的设计计算
离心机转鼓优化设计的目标函数选为转鼓的质量。质量为最小，不仅可节省机器造价还可以降低离心机的启动功率，降低消耗。
离心机的转鼓是离心机的关键部件之一。一方面，转鼓的结构对离心机的用途、操作、生产能力和功率等均有决定性影响。另一方面，转鼓自身因高速旋转（其工作转速通常在每分钟几百转至几万转之间），受到了离心力的作用，在离心力的作用下转鼓体内会产生很大的工作应力，一旦发生强度破坏，必将产生极大的危害，尤其是有时由于应力过高发生的“崩裂”，常会引起严重的人身伤害事故。同时，对于高速旋转的转鼓而言，转鼓的刚度同样非常重要。若转鼓刚度不足，工作中转鼓的的几何形状将会发生明显的变化，轻则会出现转鼓与机壳撞击、摩擦，损坏零部件；重则同样会引起转鼓的爆裂，甚至出现人生伤害事故。多年来，由于转鼓的设计不当、转鼓制造质量不高等原因导致重大事故的现象频频发生。这已引起了设计人员、制造厂家和使用部门的重视，经常进行三足式离心机事故原因的诊断、分析与研究。因此，对离心机转鼓部件的设计计算的分析研究也是十分必要。
由于本人此次主要负责总体设计，转鼓部件由另一位一同学设计，因此转鼓部件的壁厚计算和强度校核的计算这里不再重述，这里主要对转鼓的质量进行计算。
4．1．1外转鼓的设计
A) 外转鼓的壁厚设计
由于所设计的离心机转鼓是锥形。
所以， （4-1）

（4-2）
式中：，——转鼓厚度和筛网当量厚度；
——转鼓中心内半径；
——转鼓内物料的填充系数；
——筛网质量。
（4-3）
——转鼓的密度；
——旋转角速度。

许用应力为

在生产过程中有腐蚀，焊接等因素的影响，取S=7mm。
B) 外转鼓质量的计算
a.转鼓的质量的计算
圆台 （4-4）
所以外转鼓体积：

b.法兰的质量的计算

4．1．2内转鼓的设计
A 内转鼓开孔及计算
保证内转鼓有一定的开空率（一般为10%～15%），现定空直径为10mm，空与空之间平均距离不小于25mm，且如图（4-1）所示，孔的中心线与焊接处相差。
图4-1 内转鼓展开图
开孔分上下两部分，下面部分有中心线
(180°-4×5°)/2.5°=64
在这64条中心线中，32条上孔是4个，另32条上孔是5个
上面部分孔数是

在上面部分中心线数
（180°-4×5°）/1.25°=128
这128条中心线上有5个空，上面部分孔数

转鼓总面积
（4-5）
式中——内转股大径
——内转鼓小径

所有孔的面积

内转鼓开孔率为

B 内转鼓的厚度计算
转鼓是锥形

（4-6）
式中：，——转鼓厚度和筛网当量厚度；
——转鼓中心内半径；
——转鼓内物料的填充系数；
——筛网质量
（4-7）
式中：——转鼓的密度
——旋转角速度

许用应力为

在生产过程中有腐蚀，焊接等因素的影响，取=6mm。
C 内转鼓质量的计算
a.转鼓的质量的计算
圆台 （4-8）
所以内转鼓体积

=0.00747m3

b.法兰的质量的计算

4.2离心机驱动功率的计算。
离心机所需要的功率主要包括以下几个方面的功率：a.启动转鼓等转动部件所需要的功率；b.启动物料达到操作转速所需要的功率所需要的功率；c.克服所支撑轴承摩擦所需要的；
a. 起动转鼓及其他回转件消耗的功率
离心机起动时，克服转鼓的惯性力所需的功率：
1＝ kw （4-9）式中: —转鼓重量，kgf；
—起动时间，s；
＝＋

Kg
1＝

=16.8Kw
b.加入转鼓内的物料达到工作转速所消耗的功率
悬浮液物料所消耗的功率N2为沉渣和分离液所需功率之和由于该离心机为连续工作离心机，通过查表选用以下公式。
（4-10）
式中： 1—滤渣（沉渣）卸出位置的半径，m；
2—滤液（分离液）排出口的半径，m；
3—按滤渣（沉渣）计的最大生产能力，Kgf/s；
4—按滤液（分离液）计的最大生产能力，Kgf/s；
查《机械工程手册》第78篇表78.1-1选取过滤离心机的滤渣最大生产能力为10t/h,混合液浓度为80%。
3=10t/h=2.8Kg/s
4=2.8Kg/s0.25=0.7Kg/s
所以

=0.0645Kw
c.轴承及机械密封摩擦消耗的功率
轴承摩擦消耗的功率
（4-11）式中：—轴承的摩擦系数。对于滑动轴承为0.05～0.1，对于滚动轴承为0.005～ 0.02
主轴承受到的载荷
（4-12）
式中：—转鼓等转动件与转鼓内物料的总重量，kgf；
—转鼓等转动件与转鼓内物料的质心对转鼓回转轴线的偏心距，m；
对于连续操作沉降离心机和连续操作过滤离心机
e=0.7×10-3
大约为123.19Kg
所以

=674N×0.7
=471.8N

机械密封摩擦消耗的功率
（4-13）
式中： —摩擦副窄环端面内半径，m；
—摩擦副窄环端面宽度，m；
—密封端面的摩擦系数，一般可取为0.02～0.2；
—密封端面的比压力，Pa；
—动环线速度，m/s；

=0.103Kw
d.离心机所需要消耗总功率：
=1+2+3+4
=16.8KW+0.645KW+0.049KW+0.103Kw
=17.0165KW<22Kw符合设计说明书要求。
4.3电机的选择
电机的容量（功率）选用是否合适，对电机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时，电机不能保证工作装置的正常工作，或电机因长时间过载而损坏；容量过大则电机的价格高，能量不能充分利用，且因经常不在满载下运动，其效率和功率因数都较低，造成浪费。所以通过计算电机选用Y180L-6型电动机，定功率为18.5KW，步转速r=1000r/min。
4.4带轮的设计计算[11]
a.选择V带型号
（1）确定计算功率Pca
查表4.6得工作情况系数KA=1.1
Pca=KAP （4-14）
=1.1×18.5Kw
=20.35 Kw
（2）选择V带型号
按Pca=20.35Kw，n12000r/min查表4.11，选C型V带
b.确定带轮直径dd1,dd2
（1）选择主动带轮dd1
参考图4.11及表4.4选取主动带轮直径dd1300mm
（2）验算带速
（4-15）

=15.7m/s
在5～25m/s之间，故合适。
（3）确定从动带轮直径dd2
i==2.05
dd2= dd1/i=300/2.05=146.34mm。
查表4.4可知dd2=150mm
（4）计算实际传动比i
i==0.5
（5）验算从动带轮实际转速n2
n2= n1/i=975/0.5=1950r/min
100%=0.0256%<5%
所以此设计符合。
c.确定中心距a和带长Ld
0.7(dd1+dd2)a02(dd1+dd2)
0.7(300+150)a02(300+150)
315a0900
所以中心距可取a0=600mm。
（1）求带的计算基准长度L0
L0=2a0+ （4-16）
=2
=1915.875
查表4.2，得Ld=2000mm。
（2）计算中心距

（3）确定中心距调整范围

d.验算小带轮包角

=>
e.确定V带根数z
（1）确定额定功率P0
由dd1=300mm，n1=975r/min，n2=1950r/min ，查表4-5得单根C型V带的额定功率为

=10.93Kw
（2）考虑传动比的影响，额定功率的增量，由表4-7查得
=1.76Kw
（3）确定V带的根数z
（4-17）
查表4.8得，查表4.2得

=1.898根
所以，z取2根合适。
f.计算单根V带初拉力F0
查表4.1，得q=0.3kg
由式F0= （4-18）
F0=

g.计算对轴的压力FQ
（4-19）

h.确定带轮的结构尺寸，绘制带轮工作图
4.4卸料口的设计
由于该离心机内部没有设计刮刀、活塞等卸料装置，所以我在机架上设计了4个扇形的喇叭口形状的出料口如图4-2所示，滑道与底面的夹角要大于物料的最小滑移角度，从而物料能够靠自身的重力很容易的滑出机外。

图4-2 机架图
最小滑移角度的确定:如图4-3所示
图4-3 物料受力分析示意图
摩擦力
假设此时为物料的最小滑移角，此时物料为匀速滑落
所以

=f
查表物料与机架的摩擦系数为0.6～0.8，为了使物料更容易的滑落选取物料的摩擦系数为1
所以 =1
=
现在选取出料口最高点的高度高为200mm，这样可以算出物料的滑移角度大约为大于，这样物料可以很容易滑出。
4.5电机的固定机架调节机构的设计
当机器使用一段时间后会发现皮带和带轮之间产生打滑的现象，这是带传动的主要失效形式之一，主要是由于带的松动所造成的。这种打滑不仅造成能量的浪费而且还不能保证所要求的传动比，因此必须坚决避免。解决这个问题的办法是采用一种能很方便调节带的松紧结构――在安装电机的固定板时采用一根带螺纹的可调节拉力杆，而电机的另一面用一根主销杆将其和机架联结，电机可以绕着主销杆作摆动，这样，当皮带发生松动时就可以利用可调节拉力杆上的调节螺母来调节带轮之间的距离从而达到张紧的效果。
4.6 柱脚部件减震机构的设计
由于整个机器的所有连接部分均属于刚性联结，而离心机在工作时将会因为转鼓转动所产生的离心力而导致机器的摆动，如果机器摆动超过一定程度，将会引起机器的运转不平稳，更严重的将会造成事故。因此，可以设计弹簧减震器来实现机器的减震。弹簧减震器具有自振频率低且性能稳定的独特优点，在振动强烈或隔振要求高的场合是最佳的选择。具体结构形式如图4-4所示：

图4-4 柱脚部件示意图

5 结 论
本设计是一台立式过滤沉降离心机的设计，该机器结构简单，运行平稳，维护简便。通过转鼓的高速运转，让滤渣籍其自身所受的离心力而流向出渣端（被分离出来的滤液则沿着与离心力相反的方向流经滤网，实现了滤液和滤渣各行其道，彻底分开）达到过滤沉降的目的，从而可将其差动机构取消，也克服了滤网被堵塞的现象。该设计思路新颖，结构简单， 通过创新使过滤过滤沉降同时进行，相信通过不断改进相信在市场上能占有一席之位。
设计初，在指导老师的带领下，进行毕业实习，收集相关的设计资料。然后，对所收集的相关资料进行加工整理，初步拟定设计方案。将拟定好的方案转化为实际成果，即绘制好该方案的图纸，并参考各方面的资料，不断的修正完善该设计方案。最后，完成该方案的设计说明书。
为期两个半月的毕业设计已结束，回顾整个过程，我觉得收益匪浅。毕业设计是检查学生综合设计能力的一个重要环节，是对学生独立设计能力的一次考验，使理论与实践更加接近，该设计使我对绘图软件的运用的熟练程度有了很大提高，加深了我对理论知识的理解，强化了毕业设计中的感性认识，提高了独立设计能力，深入了解机械产品生产的全过程及新技术、新设备在机械制造业中的应用，但同时也发现了自身的不足，体会到理论联系实际的必要性，书本知识与实践还有很大的差距，而缩短差距的方法只有到实践中去不断学习。即将走上工作岗位的我应努力从实践中汲取知识。
总的说来，这次毕业设计，使我在基本理论的综合运用及正确解决实际问题等方面得到了一次较好的锻炼。提高了我创新设计的能力，锻炼了我认真工作的作风，为将来走上工作岗位打下了良好的基础。

参 考 文 献
[1] 徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1991.
[2] 机械工程手册，电机工程手册编辑委员会.机械工程手册[M].北京：机械工
业出版社，1995.
[3] 徐灏.新编机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社，1995.
[4] 胡家秀.机械零件设计手册[M].北京：机械工业出版社，1999.
[5] 李益民.机械制造工艺设计手册[M].北京：机械工业出版社，1995.
[6] 全国化工设备设计技术中心站机泵委员会.工业离心机选用手册[M].北京：
化学工业出版社，1999.
[7] 余国宗.化工机械[M].天津：天津大学出版社，1987.
[8] 孙启才，金鼎五.离心机原理结构与设计计算[M].北京：机械工业出版社，1987.
[9] 黄继昌，徐巧鱼，张海贵，范天保，季炳文.实用机械机构图册[M].北京：
人民邮电出版社，1996.
[10] 王茂忠.常用调速设备技术手册[M].北京：机械工业出版社，1994.
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[12] 周建方.材料力学[M].北京：机械工业出版社，2002.
[13] 王宗荣.工程图学[M].北京：机械工业出版社，2001.
[14] 陈秀宁、施高义.机械设计课程设计[M].浙江大学出版社，2002.

致 谢
通过这次毕业设计，我基本掌握了800型立式过滤沉降离心机设计的方法和步骤以及设计中应该注意的问题等，另外还熟悉运用查阅各种相关手册，选择使用工艺设备等。
本次设计得到了有关领导和老师的亲切关怀,尤其是在设计的过程中,指导老师刘仲威辛勤地给我进行指导，及时地指出我在设计过程中的错误之处并指导我进行更正，在此表示我由衷的谢意！本设计虽然已经顺利完成，但由于本人水平有限，缺乏经验，设计中难免存在一些不当和错误之处，在此恳请诸位专家老师不吝提出指正！

附 录
序号 图名 图号 图幅
1 立式过滤沉降离心机机装配图 LLC800-00 A0
2 底 盘 LLC800-01 A1
3 柱脚部件图 LLC800-04 A1
4 柱 脚 LLC800-04-01 A1
4 拉 力 杆 LLC800-04-02 A4
5 球头垫圈 LLC800-04-05 A4
6 柱 脚 罩 LLC800-04-09 A4
7 外壳部件 LLC800-08 A1
8 主动带轮 LLC800-22 A3
9 出 料 口 LLC800-37 A3
11 马 达 板 LLC800-42 A2

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