三足式离心机机械设计

1、三足式离心机机械设计一、离心机简要介绍1、 离心机的类型目前工业用过滤离心机有间歇和连续操作两大类，其中连续式的机种发展较快，适合于大工业生产中固液相的分离；间歇操作的离心机，由于在操作中引进了现代化的计量与控制技术，在局部范围内能与连续式的相抗衡。间歇离心机的最大特点是具有操作弹性，因此有可能在一定程度上进行有效的过程控制；而连续式的离心机用于过滤、洗涤和甩干的时间，其调节余地很小，在过程控制上受到相当限制。而且连续式的所有操作都在一个恒定的转速下进行，至于间歇式，它的每个操作的持续时间和转鼓速度都能调节，这就便于所处理的产品质量最佳化，也有利于调整产品参数。多台间歇式离心机联合起来，配以可

2、控制的进、出口部件的调压室，可使间歇操作成为连续过程。最常用的间歇式离心机有三足式、上悬式和卧式刮刀卸料式，这些机种在化学工业、制糖工业、制药、食品等轻工业方面用得较多；至于连续式过滤离心机，由于其处理量大，适用于固体粒子较粗的物料，所以在原料处理工业如矿砂、煤炭工业方面应用较广。本设计的内容为三足式离心机的机械设计。三足式离心机有过滤式和沉降式两种。目前常见的多为过滤式；近年来，具有无孔转鼓的沉降式三足离心机，也开始成功地应用于污泥脱水等部门，但所占比例不大。2、 三足式离心机的特点三足式离心机结构上的重要特征是：转鼓悬挂支承在机座的三根支柱上。在各种过滤式离心机中，三足式离心机是最早出现的

3、一种，直到目前它仍被广泛地应用于各个工业部门中。其主要原因在于三足式离心机具有以下优点：（1） 对物料的适应性强。选用恰当的过滤介质，可以分离粒径仅为微米级的细微颗粒，也能用来使成件产品脱液。通过调整分离操作的时间，能适用于各种难分离的悬浮液。对滤饼洗涤有不同要求时也容易适应。（2） 人工卸料式的结构简单，制造安装、维修方便，成本低，操作容易掌握。停机或低速下卸料，易于保持产品的晶粒形状。（3） 弹性悬挂支承结构，能够减少由于不均匀负载所引起的振动，机器运转平稳。（4） 整个高速回转机构集中在一个可以封闭的壳体之中，易于实现密封防爆。三足式离心机的主要缺点是：间歇式分离、周期循环操作；进料阶段

4、需起动、增速，卸料则在减速或停机时进行；生产能力低；人工上部卸料的机型劳动强度大，操作条件差，因而，只适用于中小型的生产。3、 三足式离心机的结构及类型最简单的三足式离心机，仅由一个底部封闭的圆筒形转鼓、垂直的主轴及驱动装置等所组成。操作时，料液从机器顶部加入，经布料器在转鼓内均布。滤液受离心力作用穿过过滤介质，从鼓壁外收集。而固体颗粒则积留在滤布上，逐渐形成一定厚度的滤饼层。卸料时需要停机，靠人工除去滤饼及更换滤布。机器运转及分离过程均为间歇式。近年来，随着各种新技术的相继应用，国内外出现了很多新型、自动操作的三足式离心机。通过采用时间继电器以及数字程序控制的方法，使机器适时调速、连续运转。

5、加料阀门及卸料机构的动作，均由电动、液动元件控制。整个操作可以在完全自动的周期性循环过程下进行。4、 主要部件的结构分析（1） 转鼓的结构三足式离心机的转鼓主要由鼓底、鼓壁及挡液板三部分组成。在鼓壁内侧衬有支承滤布的金属网，以利排液；滤布则常形成袋形铺在金属网上。为了防止从滤布与鼓壁间的间隙漏渣，有时在转鼓与滤布上下两端压紧的部位制出环形槽；用压条压紧滤布，形成迷宫式密封。转鼓各部分结构主要因卸料方式不同而异。鼓底上部卸料的转鼓鼓底为封闭的，转毂位于中部。下部卸料的鼓底则为环形的，在中空部分有轮辐状的筋板与轮毂相联；各筋板之间形成了扇形的落料口。为了在卸料时，刮刀旋转进刀、退刀方便，并能沿转鼓

6、全高充分刮料，所以环状鼓底多制成平板行。为了提高离心机主轴的临界转速，应使转鼓质量中心在轴向尽量靠近轮毂内轴承的支承中心；即应使轮毂尽量伸入转鼓内部，成凹式转鼓。通常多将轮毂与鼓底铸造或焊接成整体结构。轮毂中的轴孔通常制成1：10的锥孔，以利对中。轮毂的长度一般为孔径的1.2倍。鼓壁三足式离心机的圆筒形鼓壁，多用钢板卷焊。直径较大时，在鼓壁外侧常增加几道加强圈。鼓壁上开有很多圆形小孔。鼓壁开孔率的大小，应根据转鼓的转速及所处理的物料性质而定；由于滤液从开孔处流出时，在离心力的作用下具有很高的流速（与过滤速度比较）。所以滤液流经开孔时，只需很小的流通面积即可满足滤液的流量。我国现有的三足式离心机

7、开孔率约为5%左右。转鼓开孔孔径的大小，应以孔径小、孔数多的原则为宜。在开孔率一定时，这有利于减少滤液在鼓壁上的交错流动，使滤液更及时地排出。另一方面，孔径小孩可减少开孔对鼓壁强度的削弱。但开孔过小、数量过多，会增加制造的麻烦；同时也容易产生阻塞，使清理困难。目前采用较多的孔径为610毫米。鼓壁开孔的排列，有四方形和三角形两种。为了减少对鼓壁强度的削弱，通常开孔多按三角形排列。一般取孔间距。此外，还应注意在焊缝处不应开孔，孔的中心线与焊缝中心线间的距离应大于12倍的转鼓壁厚。当转鼓直径一定时，转鼓（鼓壁）高度h的大小直接影响转鼓的有效容积和过滤面积。然而h值增大，会使回转质量中心对转轴支承点的

8、偏心距加大；增加了臂长效应对主轴临界转速的影响。另外转鼓太高，装拆滤布、操作也不方便。为此一般取h=（0.40.6）d。挡液板挡液板系在转鼓顶部设置的环形盖板。它可以挡住悬浮液，不使其从顶端溢出鼓外、混入滤液。并在转鼓内形成一定容积的容渣空间。当转鼓的直径及高度一定时，环状挡液板内径d1的大小决定了容渣空间的大小，也即限定了滤饼的最大厚度。内径d1越小，滤饼厚度越大、有效容积越大。但d1值太小，滤饼太厚会使过滤阻力增加。另一方面，d1值太小，转鼓顶部开口面积减小。为了便于设置加料、卸料等机构，就应保证有足够的顶部开口面积，即应使d1足够大。对于机械下部卸料的转鼓，挡液板的内径还应与环状鼓底的内

9、径相对应。对于鼓底中央设有转鼓，为了使下卸料时排渣通畅，环状底的内径（即排料口的外径）不能太小，所以，相应的挡液板内径也不能过小。确定挡液板的内径，既应考虑机构设置及操作的方便，又应1、 转鼓的计算1、 转鼓壁厚的设计计算根据开孔圆筒形转鼓壁厚计算式为：式中（其中为转鼓壁材料1cr18ni9ti的密度，=7.85×103kg/m3）由于该离心机实用滤布过滤，其厚度可以忽略，取=0。考虑到焊接处不能开孔，故取被分离物料（即滤饼）密度考虑到实际情况，取转鼓壁的长度l=032m=320mm转鼓的许用应力计算如下：查得 取 则 取将上述各值代入壁厚计算公式得：考虑腐蚀等因素，取标准钢板s=5

10、mm2、 分离因数计算2、 主轴设计计算1、 主轴结构设计1） 与主轴联接件的转动惯量计算与轴相连的连接件包括转鼓、转鼓底和带轮，因此，对其应分别计算。a、 转鼓转动惯量的计算如图5所示，转鼓体积公式 图5其中：r转鼓的内径,l转鼓的高度,h转鼓的壁厚,代入公式得由于在转鼓上必须开设一系列的小孔，并且开孔率为0.075，因此，转鼓的实际体积应为除去所开的小孔之后的体积。即=由于我们选取转鼓的材料为1cr18ni9ti,其密度约为7.85×10-3kg/cm3,故由质量公式m=×v=7.85×10-3×2930.9=23 kg根据圆筒的转动惯量公式其中：m

11、转鼓的质量，取m=23 kg；r转鼓的内半径，取r=30；则得i转鼓=23×302=20700 kg·cm2=2.07 kg·m2因此转鼓的转动惯量为2.07 kg·m2。b、转鼓底转动惯量的计算：由于转鼓底并不是规则形状的几何体，因此在计算其转动惯量时必须将其分割成几块进行计算，如图6所示 图 6abcd为a1段 cdef为a2段efgh为a3段 ghrj为a4段rjkl为a5段 klmn 为a6段a1 段： 图7如图7所示，a1段可以近似看作一个圆台内挖去一个圆柱体而得到的图形。但是对于圆台的转动惯量求起来就比较麻烦的，因此为了简便我们可以将ac、b

12、d反向延长交于点形成圆锥体pcd。从而将段的转动惯量里转化为求圆锥pab、pcd及圆柱体o1o2o3o4的转动惯量。由已知条件oa=50,o1c=78,oo1=42,o1o=2.8先求出po2则由于三角形paopco1得即 1） 求锥体pcd的转动惯量由锥体转动惯量公式=其中r=co1=7.8,h=po1=11.7,=6.4×10-3kg/cm3故i11=锥体pcd的质量：=4.77kg故锥体pcd的转动惯量i11=0.087kg·m2，质量2)求锥体pab的转动惯量由锥体的转动惯量公式=其中r=5,=6.4×10-3kg/2,h=7.5故i12=锥体pab的质量

13、：=1.256kg故锥体pab的转动惯量i12=0.000942kg·,质量m12=1.256kg3)求圆柱体的转动惯量由柱体转动惯量的公式ib=其中r=2.8,=6.4×10-3kg/cm3,h=4.2=0.5×3.14×2.84×4.2×6.4×10-3=0.000026kg·柱体的质量：综合（1）、（2）、（3）可知a1段的转动惯量：a1段的质量：a2段：如图8所示，a2段可以近似看作是在圆台cdef内部挖出圆台o1o2o3o4而形成的，但由于圆台的转动惯量不容易计算，故采用延长ce、df、o1o3、o2o4

14、交于p和p1点。故a2段可以简化为求锥体pef、pcd、p1o1o2、p1o3o4的转动惯量。 图8已知：oc=7.8,eo1=10.5cm,o1o=3.6cm,o3o1=6.1cmpo1=16cm,po=12cm,p1o1=14cm,p1o=5.4cm1) 求锥体pef的转动惯量：根据公式 =其中i21=0.1×3.14×10.54×6.4×10-3×16=390.83kg·cm2=0.039083kg·锥体pef的质量：=1/3×3.14×10.52×6.4×10-3×1

15、6=11.816kg因此锥体pef的转动惯量i21=0.039083kg·,质量m21=11.816kg2) 求锥体pcd的转动惯量根据公式 i22=其中r=7.8cm,=6.4×10-3kg/cm3,h=12cm=87.03kg。2 =0.0087kg·锥体pcd的质量：=1/3×3.14×7.82×6.4×10-3×12=4.891kg因此锥体pcd的转动惯量i22=0.0087kg·,质量m22=4.891kg由1）、2）可知圆台cdef的转动惯量：圆台cdef的质量：3) 求圆锥p1o3o4的转动

16、惯量由圆锥转动惯量公式=其中r=6.1cm,=6.4×10-3kg/cm3,h=14cm因此i23=0.004452kg·圆锥p1o3o4的质量：=3.49kg故圆锥p1o3o4的转动惯量：i23=0.004452kg·,质量m23=3.49kg4) 求圆锥po1o2的转动惯量由圆锥转动惯量公式其中r=3.6cm,=6.4×10-3kg/cm3,h=5.4cm因此圆锥po1o2的质量：=0.489kg故圆锥po1o2的转动惯量i24=0.00039491kg·,质量m24=0.489kg。由3）、4）可知圆台o1o2o3o4的转动惯量i211=

17、i23-i24=0.004452-0.00039491=0.004057kg·圆台o1o2o3o4 的质量：m211=m23-m24=3.49-0.489=3.001kg由1）、2）、3）、4）可知ia2=i21-i211=0.030383-0.004057=0.026326kg·=0.026kg· ma2=m21-m211=6.952-3.001=3.92kga3段：如图9所示，a3段可已看作是圆台efgh内部挖去一个圆锥，但由于圆台efgh的转动惯量不容易求，故可以延长eg、fh交于p点，转化成为求圆锥pgh、pef及圆柱o1o2o3o4的转动惯量。已知：eo

18、=105mm=10.5cm,go1=bo=13cm1） 求锥体的转动惯量 由公式 i31=其中：r=13cm,=6.4×10-3,h=20cm 图 9锥体ghp的质量=22.64kg故锥体ghp的转动惯量i31=0.1148kg·m2,质量m31=22.64kg。2)求锥体pef的转动惯量：由公式=其中：r=10.5cm,=6.4×10-3kg/cm3,h=16cmi32=0.0391kg·求锥体pef的质量求图中所示圆柱体的转动惯量：由公式=11.816kg其中：r=2.8cm,=6.4×10-3,h=4.1cmi33=0.000255kg&

19、#183;求此圆柱体的质量=3.14×2.82×6.4×10-3×4.1=0.646kg由1）、2）、3）可知a3段的转动惯量i3=i31-i32-i33=0.1148-0.0391-0.000255=0.07545kg·cm2a3段的质量m3=m31-m32-m33=22.641-11.816-0.646=10.179kga4段：如图10所示，a4段是求一个圆台ghrj内部挖去一个圆台o1o2o3o4的转动惯量。因此我们可以通过求锥体pgh,prj,p1o3o4和p1o3o4的转动惯量进行简化。 图10已知：og=13,ro1=18,由铸造时

20、的条件可知o1o2=9.8cm1) 求锥体rjp的转动惯量：由公式其中：r=18,=6.4×10-3kg/cm3,h=29.8cm=0.62866kg·cm2求锥体prj的质量：锥体prj的转动惯量i41=0.62866kg·,m41=64.677kg2） 求锥体pgh的转动惯量由公式 其中：r=13cm,=6.4×10-3kg/cm3,h=20cmi42=0.172189kg·cm2求锥体pgh的质量=22.641kg由1）、2）可知圆台ghrj的转动惯量i41=i41-i42=0.62866-0.172189=0.456471kg·

21、;圆台ghrj的质量m41=m41-m42=64.677-22.641=42.036kg由于是铸造件，因此可知o1o=10.5cmo3o1=16.2cmp1o=16cm3) 求锥体p1o3o4的转动惯量由公式其中：r=16.2cm,=6.4×10-3kg/cm3,h=25.8cmi43=0.3571kg·m2求锥体p1o3o4的质量4) 求锥体p1o1o2的转动惯量其中：r=10.5cm,=6.4×10-3kg/cm3,h=16cm i44=0.039083kg·m2求锥体的质量=11.816kg由3）、4）可知o1o2o3o4的转动惯量：i411=i4

22、3-i44=0.3571-0.039083=0.318017kg·cm2o1o2o3o4的质量：m411=m43-m44=45.356-11.816=33.34kg由1）、2）、3）、4）可知a4段的转动惯量i4=i41-i411=0.456471-0.318017=0.1384kg·a4段的质量m4=m41-m411=42.036-33.54=8.496kga5段如图11所示，a 5段的分析方法同a4段一样即转变为求锥体pmn、prj、p1o1o2及p1o3o 4的转动惯量：由于是铸造件，故由铸造件可以得出的尺寸为or=18cm,o1o=16.2mo1=29.9,o3o1

23、=27.9op=7.6,op1=6.8oo1=3.7 图111) 求锥体pmn的转动惯量由公式：其中：r=29.9cm,=6.4×10-3kg/cm3,h=13.3cmi51=2.13kg·锥体pmn的质量：=79.64kg2) 求锥体prj的转动惯量由公式其中：r=18cm,=6.4×10-3kg/cm3,h=7.6cmi52=0.160329kg·锥体prj的质量由1）、2）可知圆台rjmn的转动惯量i51=i51-i52=2.136-0.160329=1.98kg·圆台rjmn的质量m1=m51-m52=79.649-16.495=63.

24、154kg3） 求锥体p1o3o4的转动惯量由公式 其中：r=27.9cm,=6.4×10-3,h=12.4cmi53=0.828kg·锥体p1o3o4的质量4） 求锥体p1o1o2的转动惯量由公式其中：r=16.2cm,=6.4×10-3kg/cm3,h=6.8cmi54=0.173013kg·锥体p1o1o2的质量由3）、4）可知圆台o1o2o3o4的转动惯量i511=i53-i54=0.828-0.173013=0.655kg·圆台o1o2o3o4的质量=64.657-11.954=52.703kg综上所述，由1）、2）、3）、4）可知a

25、5段的转动惯量=1.96-0.65=1.91kg·a5段的质量=63.154-52.702=10.451kga6段： 如图12所示求圆筒的体积 图12其中：r0=29.9cm,r1=27.9cmh=3.5cmv1=1720.44cm3由于板上开孔，开的小孔的体积为：v孔=其中：=29.9-27.9=2cmv孔=3.14×0.42×2×36=36.1728cm3则 v 开孔后=v1-v孔=1270.444-36.1728=1234.2712cm3由公式 =7.9×10-3×1234.2712=9.751kg根据圆筒的转动惯量公式=9.7

26、5×0.2792=0.7589kg·综上所述，由a1、a2、a3、a4、a5、a6的计算结果可知：=0.0077+0.026+0.07545+0.1384+0.7589+1.3208=2.59kg·=2.852+3.924+10.179+8.496+10.45+9.75=45.651kg因此转鼓底的转动惯量i=2.59kg·,质量m=45.651kg。c.皮带轮转动惯量的计算: 选皮带轮的材料为铸铁。密度为:.如图13所示。 图 13d. 轴上的总转动惯量(空车转动)因为主轴螺帽部分按主轴来计算进去，故以（2-5） 折舍，取折舍率为：5%故： 2.物料转

27、动惯量的计算：a. 分离出滤饼90kg/次时重量，转动惯量，重心，则滤饼的重量，因而滤饼质量。根据离心机的机械性能，可以得出滤饼形状是空心圆柱体。可以求出滤饼重心：转动惯量： 其中：ms=90kg r1=30cm滤饼内层半径r22为：则 把上列计算结果各数据代人，得：b. 分离滤饼90kg/次时对应的滤液的转动惯量： 滤液的重量为：。 =10 2） 轴功率及扭矩的计算离心机轴功率计算，是离心机设计中的重要组成部分。当离心机总体设计方案确定之后，就可以根据离心机的工作要求进行功率计算，以便合理地确定电动机的功率，选择电机。三足式离心机主轴所需功率包括以下几个方面：启动转鼓等主动件所需功率n1；启

28、动物料达到操作转速所需功率n2；克服轴与轴承摩擦所需功率n3；克服转鼓、物料与空气摩擦所需功率n4；停机时主轴所需功率n5。以上这些功率计算，理论上可以进行，但与实际情况往往有出入。一般采取理论计算与实际试验相结合，或参考生产实际数据来合理地确定电机功率。下面分别讨论各种功率的计算。启动转鼓等转动件所需功率其中t1启动时间，s； 离心机的角速度，1/s。启动物料达到工作转速所需功率其中：t2为每次平均装料时间；n为装料次数，考虑到在最后几次加料时不能达到78.5kg，故取n=12次；m总为总的滤液量，滤液比1：8，。克服轴与轴承摩擦所需功率n3式中：f轴与轴承间的摩擦系数，取f=0.01；取d

29、1=45mm=0.045m，d2=40mm=0.040m；f1、f2为轴承所受的力，其值将在后文轴的强度校核部分求的，f1=fr1=2726.6n，。则克服转鼓、物料与空气摩擦所需功率n4上述离心机的功率不都是在同一时间内存在的，因而在确定离心机功率时，不能把它们全部叠加起来。三足式离心机是间歇操作的离心机，它在启动阶段消耗的总功率为：而其在全速运转阶段消耗的功率为：（2） 扭矩的计算启动阶段需要的扭矩t1全速运转阶段需要的扭矩t2刹车阶段需要的扭矩t3因： 所以：则： 而故： 其中所以：3） 确定轴的最小直径主轴材料采用45钢，查手册知45钢调质处理后的许用扭切应力的范围为3040mpa，取

30、=38mpa。对于圆截面轴，其强度条件为：式中：为轴的扭切应力，mpa；t为转矩，n.mm；t为抗扭截面系数，mm3；对于圆截面轴，d为轴的直径，mm；为许用扭切应力，mpa。则：故可取轴的最小直径d=30mm。2、 传动系统的设计1） 初选电机由前文离心机轴功率计算部分知：离心机需要的轴功率为n=2.685kw，留一部分余量，可选y100l2-4型号电机，此型号电机额定功率为3kw，可以满足离心机工作要求。2） 校核轴上键的强度选择键的尺寸为：b=10mm，h=8mm，l=45mm。键的材料为45钢，查得其受冲击时的许用挤压应力为6090mpa，取p=80mpa;由平键连接的挤压强度条件得:

31、由前面计算知轴上最大扭矩t=183.2n.m故键的选择符合强度要求。3、 主轴强度校核（1） 轴的结构确定（2） 转动件重心位置求解物料的质量按最大的情况来考虑，则m物料=100kg。前面已求得：m转鼓壁=23kg， m转鼓底=45.651kg。假设物料完全成圆筒形附着在转鼓壁上，则转鼓壁和物料的重心重合，都在位置处。简化转鼓底为平截空心圆锥体，则其重心位置在。转鼓简化模型设总的重心在z处求的z1z2=94.75mm由（m转鼓壁+m物料）z1z=m转鼓底（z1z2-z1z）求得则重心位置在距离轴的上端轴承34.5mm处。（3） 轴的强度校核已知：转动件及物料的总重为g=1653n，其产生的离心

32、力为：其中重力g可转化为轴向力fa和弯矩m，其的值为：，由静力平衡方程，得轴向：径向： 求危险截面的当量弯矩：za段：ab段：以上两方程的最大值都在x=0.0345处，其值为：m（max）=78.1n.m由图（c）可知，a-a截面最危险，其当量弯矩为：，由于三足式离心机需要频繁停开机，可认为轴的转矩是脉动变化的，取=0.6，则 计算危险截面处轴的直径：轴的材料为45钢，查得，则而危险截面处直径取45mm，故轴满足强度要求。主轴最小直径处强度校核主轴最小直径前面已初步确定为30mm，现在作一下校核。主轴最小直径部分在图上b点右边，而b点右边轴截面的当量弯矩为：则部分的直径为：可知原来确定的最小直

33、径符合强度要求。4、 轴承校核（1） 上端轴承的校核该轴承初步选用深沟球轴承6309。其承受力为径向力fr1=2726.6n。由于只承受径向力，则其当量动载荷为：。设其使用寿命为10000h，取fp=1.6，ft=1，对于球轴承，则径向基本额定动载荷为：查手册可知6309轴承的径向基本额定动载荷为，则该轴承选择合适。（2） 下端轴承校核该轴承选用交接触球轴承7308ac，其承受轴向力fa=1653n，径向力fr2=492.6n。查手册有x=0.41，y=0.87，故其当量动载荷为：由轴承的工作情况知该轴承承受中等冲击载荷，取;工作温度正常，取，所以查手册得轴承7308ac的径向基本额定动载荷为：，则该轴承选用合适。5、 临界转速计算一阶临界转速计算公式为：式中各符号单位如下：(cm),a(cm),e(kgf/cm2),g(kgf),j(cm4),d(cm).其中：查手册知：则