毕业设计（论文）lw450fn卧螺离心机结构设计x

本科生毕业论文（设计）题目LW450F-N卧螺离心机结构设计学院化学工程学院专业过程装备与控制工程学生姓名学号年级指导教师教务处制表二Ο一二年月日LW450F-N卧螺离心机结构设计专业:过程装备与控制工程学生:指导教师:摘要：卧式螺旋卸料沉降离心机是一种广泛应用于过程工业的分离悬浮液的离心分离机械。具有自动、连续操作、应用范围广、结构紧凑、单机生产能力大等优点。现在已广泛应用于化工、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。本课题的任务为设计一台卧式螺旋推料离心机，用于甲醇净化。首先概述课题选择的意义及国内外卧螺离心机的研究现状。然后对其主要部件转鼓和螺旋输送器进行设计与计算，并对离心机的生产能力和各功率作了研究；对辅助部件，如差速器、电机、轴承等，进行选型，并完成传动设计和密封装置的设计。再者，对转鼓大端盖进行强度校核。最后对当今国内外卧式螺旋离心机的研究发展状况进行了总结和展望。关键词：卧式螺旋卸料沉降离心机；结构设计；传动设计；强度校核StructuraldesignofLW450F-NhorizontalscrolldecantercentrifugeMajor:processequipmentandcontrolengineeringStudent:Teacher:Abstract：Horizontalscrolldecantercentrifugeisacentrifugemachinewhichiswidelyusedinprocessingindustrialseparationofslurry.It

hasautomation,a

continuousoperation,wideapplicationrange,compactstructure,largesinglecapacityofproduction

andothercharacteristics.Nowitalsohasbeenwidelyusedinchemical,petrochemicalindustry,oilrefining,lightindustry,medicine,food,textile,metallurgy,coal,mineral,marine,environmentalprotection,militaryandotherfieldsofsolid-liquidseparation.Thetopicforthetaskistodesignahorizontalscrolldecantercentrifugewhichdrumdiameteris450mmformethanolpurification.Firstly,sketchoutthemeaningofthetaskandtheresearchstatusofhorizontalscrolldecantercentrifugeinChinaandothercountriesintheWorld.Thendesignandcalculatethemainpartsofthecentrifuge,likethebowlandthehelicalconveyor,alsostudytheproductioncapacityandthepower.Forotherassistparts,suchasdifferential,electricalmachine,Bearingsandsoon,selectthemodel;accomplishtransmissiondesignandsealingequipment.Moreovercheckthestrengthofthebigend.Finally,thesituationofcurrentdomesticandforeigncentrifugeresearchanddevelopmentissummedupandexpected.KeyWords:horizontalscrolldecanter;structuraldesign;transmissiondesign;strengthcheck目录0概述 1选题意义 1研究路线及方法 11甲醇简介 31.1甲醇的性质 31.2甲醇的一些物性参数 3纯甲醇的一些物性参数 3工业用甲醇的物性参数 3甲醇的用途 4甲醇生产工艺 4国外甲醇生产技术 5国内甲醇生产技术 5甲醇的需求 5甲醇净化的意义 62离心机概述 7离心机发展历程 7离心机的分类 7卧螺离心机 8卧螺离心机简介 8卧螺离心机主要性能和技术参数 8卧螺离心机工作原理 8卧螺离心机优缺点 9卧螺离心机国内外研究情况 10国内研究 10国外研究 10国内外技术的比较 11密闭防爆卧螺离心机 113卧螺离心机参数选择 13给定的设计条件 13主要参数 13有关沉降区参数的选择 13液池深度的选择 14转鼓半锥角的选择 14转速差的选择 14沉降区长度 15有关脱水区参数的选择 15螺旋角的选择 15螺距的选择 15脱水区长度 15转鼓材料的选择 154工艺计算 17转鼓壁的厚度计算 17生产能力的计算 17进料管设计 19离心机主要部件的质量及转动惯量的计算 19转鼓 19螺旋输送器 20物料的质量 20卧螺离心机物料输送的功率计算 20启动转鼓等转动件所需功率 21启动物料达到操作转速所需功率 21克服轴与轴承摩擦所需功率 22克服空气摩擦所需功率 23卸出物料所需功率 24卧螺离心机功率确定 255主要辅助部件 26电机的选型 26主电机的选型 26辅电机的选型 26差速器的选型 26皮带轮设计 27小端皮带轮设计 27转鼓大端皮带轮设计 28密封装置 306强度计算 31转鼓应力分析 31圆柱段应力分析 31圆锥段应力分析 31转鼓大端盖的强度计算 32螺旋所受轴向力的计算 35轴承选取及校核 36转鼓小端轴承的选取及校核 36转鼓小端轴承的选取及校核 377结论与展望 39参考文献 40致谢 410概述选题意义甲醇是重要的化工原料，也是洁净燃料，其用途广泛，不仅如此，还可以作为原料生产甲醛、对二甲苯、二甲醚等多种下游产品。近年来新兴的甲醇汽油，因其环保高效，得到了大力推广。因此，我国每年需要生产大量的甲醇，才能满足各个领域的需求。甲醇生产原料采用天然气和煤的较多，我国又是煤丰富的国家，目前产量几乎各占一半。此课题针对煤制甲醇工艺中，由于煤灰等颗粒物的存在，夹杂在甲醇中，致使甲醇纯度不高，影响质量，所以提出用离心机分离固液混合物的方法，来对最终产物甲醇进行净化，分离出甲醇。又因卧式螺旋离心机具有自动，连续操作，无滤网和滤布，能长期运转，维修方便，应用范围广，对物料的适应性较强，结构紧凑，易于密封，单机生产能力大等优点，更使其成为净化甲醇的首选。甲醇是易挥发、易燃、有很强毒性的物质，在用卧螺离心机进行甲醇净化的时候，还要考虑到防爆设计，以确保生产过程的安全性。研究路线及方法查相关资料，得到分离液的物料参数，固相和液相成分，及其在室温下的相关物性参数，为后续计算做准备。并由已知条件推得离心机的角速度和分离因数；根据标准，进行转鼓参数设计，合理选取转鼓的半锥角、溢流口内径、液池深度，从而得到转鼓筒体的结构。并按照相关要求设计出转鼓大小端盖、液位调节装置；螺旋推进器的设计，合理选取螺旋头数、螺旋角和螺距，并根据相关参数完成螺旋叶片、内筒、加料隔仓、左右轴颈的设计计算；选取转鼓材料，查取相关参数，按照国家标准进行转鼓圆柱段和圆锥段的强度设计，得到转鼓的厚度；按照悬浮液生产能力公式计算卧螺离心机的生产能力，并计算启动转鼓等传动件所需功率、启动物料达到操作转速所需功率、克服轴与轴承摩擦所需功率、克服转鼓、物料、与空气摩擦所需功率及卸出物料所需功率；根据计算出来的离心机总功率值，确定主电机的型号，根据卸出物料功率，确定辅电机的型号；差速器的选择，比较各种差速器的优缺点，合理选取差速器的类型，确定传动比，然后根据传动特点完成设计；传动设计，按照《机械设计》书中相关设计标准，完成主皮带轮和辅皮带轮的设计；根据转鼓大小端处轴的直径和转速，选择轴承的样式和型号，然后进行校核；确定密封装置；转鼓锥段和柱段的应力分析；转鼓大端盖的强度校核；完成离心机的总结构设计。1甲醇简介1.1甲醇的性质甲醇是最简单的饱和醇，化学式是CH3OH，相对分子质量，常压沸点℃，常温常压下是无色透明、略带乙醇香味的挥发性液体。甲醇与水能够互溶，在汽油中也有较大溶解度。甲醇剧毒，易燃烧，其蒸汽与空气的混合物在一定范围内会发生爆炸，爆炸极限为6.0%~36.5%（体积分数）。甲醇的一些物性参数纯甲醇的一些物性参数条件下，纯甲醇的密度，粘度。工业用甲醇的物性参数工业用甲醇的技术要求见下图：图1工业用甲醇的技术要求由于工业生产的甲醇大都是一等品，所以此处取甲醇悬浮液的密度为，也即是要净化的固液混合液的密度。甲醇的用途甲醇是重要的化工原料，主要用于生产甲醚，此项生产所需用甲醇量约占甲醇消耗总量的30%~40%；其次作为甲基化剂，用于生产甲胺、甲烷氯化物、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、对苯二甲酸二甲酯等。再者甲醇羰基化可生产醋酸、酸酐、甲酸甲酯、碳酸二甲酯等。随着碳一化工的发展，由甲醇出发合成乙二醇、乙醚、乙醇等工艺正在日益受到重视。甲醇作为重要原料在敌百虫、甲基对硫磷、多菌灵等农药生产中，在医药、染料、塑料、合成纤维等工业中有着重要的地位。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白，用作饲料添加剂。其用途细分如下：碳一化工的支柱有机化工的主要原料精细化工与高分子化工的重要原料染料工业中的应用合成树脂与塑料工业中的应用橡胶工业中的应用化纤工业中的应用农药工业中的应用医药工业中的应用生物化工制单细胞蛋白新一代燃料甲醇掺烧汽油纯甲醇用于汽车燃料甲醇制汽油甲醇制甲基叔丁基醚甲醇生产工艺合成甲醇的原料路线在过去几十年中经历了很大的变化。20世纪50年代以前，甲醇生产多以煤和焦炭为原料，采用固定床气化方法生产的水煤气作为甲醇原料气。20世纪50年代以来，天然气和石油资源大量开采，由于天然气便于输送，适合于加压操作，可降低甲醇装置的投资和成本，在蒸汽转化技术发展的基础上，以天然气为原料的甲醇生产流程被广泛采用，至今仍为甲醇生产的最主要原料。20世纪60年代后，重油部分氧化技术有了长足进步，以重油为原料的甲醇装置有所发展。估计今后在相当长的一段时间内，国外甲醇生产仍以烃类原料为主。从发展趋势来看，今后煤炭为原料生产甲醇的比例会上升，煤制甲醇作液体燃料将成为其主要用途之一，也满足绿色环保的要求。液体原料石脑油和渣油、固体原料煤炭、气体原料天然气和油田气等经部分氧化法或蒸汽转化法可制得合成气CO和H2。在不同的催化剂存在下，选用不同的工艺条件，可以合成甲醇，将合成后的粗甲醇经预精馏脱除甲醚等副产物，精馏而制得成品甲醇。由于我国是煤炭储量大国，因此以煤炭为原料生产甲醇的比例几乎达到了一半。目前煤制甲醇的方法有单产甲醇法和合成氨联产甲醇法（联醇法），其中单产甲醇法又包括高压法、低压法和中压法。国外甲醇生产技术国外甲醇多以天然气为原料，采用低压法工艺，主要有ICI、Lurgi、等方法，前两种被认为是当今较为先进的甲醇生产技术，约80%的甲醇采用这两种方法生产。近十多年来，国外甲醇生产技术发展很快，除了普遍采用低压法操作以外，在生产规模、节能降耗、催化剂开发、过程控制等领域都有新的突破。1.4.2国内甲醇生产技术我国甲醇工业发展较晚，同发达国家相比，在生产技术和下游产品的开发利用方面都存在着较大的差距，但在生产工艺技术和产品利用开发上也都有了许多新的进步。改革开放后，甲醇工业发展也较迅速。目前，国内甲醇装置规模普遍较小，且多采用煤头路线；单位产能投资高，约为国外大型甲醇装置投资的2倍，成本较高。据了解，我国有近200家甲醇生产企业，但其中10万t/a以上的装置只占20%，最大的甲醇生产装置产能也只有60万t/a，其余80%都是10万t/a以下的小规模装置。国内甲醇生产大致可分为3种生产工艺：高压法工艺、低压法工艺、中压联醇工艺。甲醇的需求近年来，随着甲醇应用领域的拓展，各国对甲醇工业的发展都非常重视。如此众多的领域需要甲醇，而且需求量很大，所以看得出生产大量甲醇的必要性。甲醇燃料的兴起，更是增大了甲醇的需求量。发展大型煤制甲醇，并加工为烯烃和替代燃料，以煤代替石油，是国家能源安全的需要，也是化学工业高速发展的需要。如此大的需求，随着煤气化技术，甲醇合成技术和设备、机械加工技术的进步，甲醇的装置规模均在2000t/d~3000t/d，最大已达7000t/d。甲醇净化的意义在甲醇生产中，煤制甲醇工艺仍然占主要地位，但是煤制甲醇法中，不可避免的会产生煤灰等微小颗粒，会夹杂在甲醇中，致使甲醇纯度不高，影响质量，也影响其使用效果。因此提出运用分离机分离固液混合物的原理，从甲醇中分离出固相颗粒，以净化甲醇，从而得到高浓度的甲醇，用于各方面的需求。而卧式螺旋卸料离心机作为分离机械，因其诸多优点，而成为甲醇净化的首选。2离心机概述离心机发展历程在现代工业中，固—液系统（包括悬浮液和乳浊液）分离的目的是：（1）回收有价值的固相，排掉液相；（2）回收液相，排掉固相；（3）固、液两相都回收；（4）固、液两相都排掉（如污泥脱水）。达到上述分离效果的主要操作方法有重力沉降、过滤和离心分离。利用离心力达到固—液、液—液、液—液—固分离的方法通称为离心分离。实现离心分离操作的机械称为离心机。自1836年第一台工业用三足式离心机在德国问世，迄今一百多年以来已获得很大的发展。现在离心机已广泛应用于化工、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。例如湿法采煤中煤炭的回收，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。离心机已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，需要把水、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的进一步发展，特别是卧式螺旋卸料沉降离心机的发展尤为迅速。离心机的分类离心机按分离原理可以分为两大类，即过滤式离心机和沉降式离心机。过滤式离心机包括三足式、上悬式、卧式刮片卸料、卧式活塞推料、离心力卸料、振动卸料、进动卸料、螺旋卸料、螺旋卸料沉降——过滤组合式等。沉降式离心机包括撇液管式、螺旋卸料、管式、室式、碟式等。离心机的分类方法还有很多，除了上述按分离原理的分类外，也可按分类原理、操作目的、操作方法、结构型式、分离因数、卸料方式等分类。卧螺离心机卧螺离心机简介最初的卧式螺旋卸料沉降离心机（简称卧螺离心机）是由两对开式齿轮传动获得转鼓与螺旋之间的转速差，以输送沉渣的并用于淀粉工业。真正具有现代实用价值的第一台卧螺离心机是1954年制造的，并且该机首次使用了二级行星齿轮差速器。螺旋卸料离心机也有沉降和过滤两种形式，它是连续运转、进料和卸料的离心机，目前应用较多的是沉降式，由于其卸渣过程中经过一段干燥区，所以排出的沉渣含湿量较其他一些沉降离心机为小，一般螺旋卸料离心机的分离因数都较前几种离心机为高，所以它能分离含更细颗粒的悬浮液。中国的螺旋离心机发展比较晚，但近年来发展速度较快。目前国内已能生产的卧螺离心机有200、350、380、450、600、800、1000等规格。卧螺离心机主要性能和技术参数固相浓度~2毫米悬浮液容积浓度1~50%生产能力最大可达190米3/时（悬浮液）转鼓直径160~1600毫米转鼓长径比1~转鼓半锥角5°~13°液池深度与直径的比~转鼓与螺旋的转差转鼓转速的~3%2.3.3卧螺离心机工作原理在机壳内，转鼓和螺旋输送器由两个同心轴承相连接，主电机通过皮带轮带动转鼓旋转，转鼓通过左轴承处的空心轴与行星差速器的外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓作同向转动，但转速不一样，从而产生转速差。悬浮液从右端的中心进料管连续进入转鼓内，在离心力的作用下转鼓内形成一环形液池，重相固体粒子离心沉降到转鼓内表面而形成沉渣，由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓的小端的干燥区，送出液面并从排渣孔甩出。在转鼓的大端盖上开设有若干溢流孔，液相便从此处流出，从而完成固液分离。如下图所示：图2卧式螺旋离心机工作原理示意图2.3.4卧螺离心机优缺点优点：自动、连续操作，无滤网和滤布，能长期运转，维修方便。对物料的适应性很大，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，能照常分离的很好。能适应各种浓度悬浮液的分离，浓度的波动不影响分离效果。应用范围广，能完成固相脱水、液相澄清、可分离固相重度比液相轻的悬浮液、液—液—固分离、粒度分级过程。单机生产能力大（当量沉降面积可达10000米2，生产能力可达190米3/时），分离质量比较高，操作费用低，占地面积小。结构紧凑、易于密封，某些机型能在加压和低温条件下操作。缺点：结构比较复杂，造价较高。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。沉渣的洗涤效果不好。2.4卧螺离心机国内外研究情况2国内研究七十年代，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，已测绘德国FIOTTWE公司、美国SHAPLESS公司、法国GUINARD公司、瑞典ALFA-Laval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。九十年代我国在已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，WLl000，LWB500，LWG500等型号的产品。现在国内己能生产的螺旋卸料沉降式离心机有WL200，WL350，WL450，WL600，LW800，DLW430，LW350，LW400，LW500，LW620等。现列举国内几家企业的研究成就如下：成都天保公司与美国圣骑士合作研发的大长径比卧螺离心机技术参数国内领先，并达到了国际同类产品的先进水平。目前天保公司卧螺心机最大转鼓直径可达1000mm，最大长径比达。重庆江北机械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。金华铁路机械厂近来已推出最新机型LW355x1460，LW400x860，LW500x1250，LWG500x1250。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LW500x1250，LW500x1250的最大处理量能达到50立方米。2国外研究为了让卧螺离心机有更高的分离能力，国外学者对卧螺离心机的结构进行了研究和改进。下面就结构改进方面举例如下：1988年日本SourokuSuzuki研制了双锥角卧螺离心机。1997年Woon-FongLeung等在转鼓锥段排出口附近的内筒上安装流动控制结构。2004年日本TetsuoOhinata等开发了直筒压榨式卧螺离心机。德国Westfalia公司的DiscDecanter，它首次在卧螺离心机中融合了蝶式分离机技术。英国Euroby公司推出的CentriDry离心机，它将离心脱水和热烘干技术集合在一台机器上。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。2国内外技术的比较（1）材料方面：此方面国内与国外技术基本相同，主要部件都采用不锈钢制造，只有在处理特殊介质时，才采用其他适合材质。（2）差速器方面：此方面基本相同，一般多为双级2K-H，3K，K-H-V等形式行星渐开线齿轮差速器或采用行星摆线针轮及渐开线齿轮差速器的组合形式。（3）螺旋的密封方式：此方面也比较相像，螺旋的密封方式大多采用机械密封或迷宫式密封。（4）分离因数方面：近年来，随着科技的进步，国内外卧螺离心机的分离因数也在不断提高，一些离心机分离因数可达到4000~5000，部分国外小机型甚至超过10000。（5）制造方面：因为技术或成本问题，国内厂家多数采用锻、铸件车削加工或不锈钢板卷绕焊接方式，这样使得结构材料的均匀度、强度、耐腐蚀性、抗荷载能力等不是很好。而国外大多数厂家采用离心浇铸的方式，有效地保证了结构的强度和抗载荷能力等要求。（6）驱动方式：国内离心机驱动方式通常较为单一，采用最多的驱动方式是双电机结构，即一台电机通过皮带直接驱动转鼓产生转动，另一台电机通过减速器驱动螺旋。而进口设备中往往可提供除常用的双电机系统驱动方式外的多种驱动方式，如单电机驱动形式，另外一种常见驱动方式是采用液压驱动。（7）磨损保护：国内外主要厂家的离心机在与污泥接触的螺旋叶片外缘采用了烧结耐磨合金片或陶瓷片镶嵌工艺，可方便更换，但整体更换成本较高。部分厂家对螺旋叶片外缘进行碳化钨热喷涂处理，成本较低，但寿命较镶嵌工艺短。（8）自控方式：日前国内外的主流控制方式是PLC(可编程逻辑控制器)控制。国外离心机的控制技术比国内领先数年，部分厂家早在10年前就己开始使用工业计算机或DCS控制系统。虽然我国卧螺离心机工业起步较晚，但在某些性能方而，已经达到了国际先进水平，目前已有部分厂家的离心机在某些专项技术上达到甚至超过了国外离心机。但不可否认的是，我国离心机制造行业的整体水平与国外的离心机还存在一定的差距，尤其体现在整机可靠性、稳定性、使用寿命、装配精度、操作的灵活性、人性化以及某些新技术的应用等方面。因此还是需要努力不断缩小差距。密闭防爆卧螺离心机对于具体分离对象来说，有的有毒性，有的有腐蚀性，这样就需要设计出不同类型的离心机用于不同性质的物料。在密闭防爆或者加压操作的工艺条件下，就要求离心机工作空间与外界环境隔离，对离心机的密封性有特殊要求。例如聚丙烯的分离，考虑物料的特性，若易挥发组分——己烷泄漏出来，会增加消耗定额，更重要的是容易引起爆炸，这样就要求整个操作在密闭条件下进行，就需要密闭防爆离心机。卧螺离心机有三处泄露点，即转鼓两端的转轴与不动的机壳之间，以及在回转的螺旋输送器内筒和不动的加料管之间，这三处需要进行密封处理，安装三个高速密封装置即可。目前普遍采用的离心机的氮气保护，在机壳上设置了一个氮气进气管，一个氮气出气管，离心机在工作时，对内腔中充入氮气，并设置在线氧气检测装置和压力变送传感器，对运行过程中的离心机内腔的氧气浓度进行检测，控制其含量在安全范围以内，也即保证机内的氧气浓度在易燃易爆介质的爆炸极限之外。这样既方便简单，可靠性又高。3卧螺离心机参数选择3.1给定的设计条件转鼓直径为450mm转鼓长径比为4转速为3500rmp操作温度为室温操作压力为微正压3.2主要参数卧螺离心机的主要参数包含有转鼓直径、转鼓长度、转鼓回转速度和分离因数。由设计任务所给出的数据知，转鼓的直径，长径比，则转鼓长度。转鼓转速，则角速度分离因数。3.3有关沉降区参数的选择沉降区参数包括沉降区长度、液池深度、半锥角、转速差。图3转鼓尺寸简图液池深度的选择，，一般常用值，选取转鼓圆锥小端出渣口的半径，即；，一般工业用沉降离心机的，选取转鼓圆柱段大端溢流口的半径，即；可得液池深度。转鼓半锥角的选择澄清用螺旋沉降离心机，脱水用螺旋沉降离心机，前者用于高分散低浓度和难分离悬浮液，后者用于中粗粒子和高浓度较易分离的悬浮液。由于本课题所设计的离心机是用于甲醇净化，属于澄清用螺旋沉降离心机，所以选取转鼓半锥角。转速差的选择当转鼓转速大于螺旋输送器的转速时，为正差，有利于沉降分离；当转鼓转速低于螺旋输送器的转速时，为负差，有利于沉渣的输送，且能降低差速器的功率，综合考虑，选取转速差。沉降区长度柱段沉降区长度：锥段沉降区长度：3.4有关脱水区参数的选择脱水区参数包括半锥角α、螺旋角β、θ、脱水区长度LG和转速差∆n。螺旋角的选择对处理较易分离的中粗粒子而磨蚀性又不严重的材料时，现在工业脱水用离心机所用或者；对于输送条件较差的物料，一般均取小值，即。一般工业用螺旋沉降离心机，除特殊情况外，绝大多数机型均选用螺旋叶片母线垂直于转鼓母线，即的结构。本设计中，选用的结构，所以。螺距的选择由于甲醇中所含的固体颗粒量比较小，所以可取小一点的值，选取，即，则螺距。脱水区长度脱水区长度。3.5转鼓材料的选择转鼓的最高许用转速，受转鼓材料机械强度的限制。鼓壁应力与转速或者圆周线速的二次方成正比。对于一定材料而言，其允许的最大圆周线速度有一定的限度。不同材料制成的各种直径转鼓的最大允许转速和分离因数都有定值。选取00Cr17Ni14Mo2不锈钢材料，即316L不锈钢，查表得，。为转鼓材料的许用应力，在按无力矩理论计算转鼓时，其指选取下面两个值中较小值，。式中：、——设计温度下材料的屈服限和强度限，；——屈服限的安全系数，一般；——强度限的安全系数，一般；由JB/T8051《离心机转鼓强度计算规范》行业标准的规范知，则，，则。，得到。此离心机的转速和分离因数均满足要求，所以选取00Cr17Ni14Mo2即316L不锈钢为转鼓材料。4工艺计算4.1转鼓壁的厚度计算圆筒形转鼓鼓壁厚为：圆锥形转鼓鼓壁厚为：圆锥形转鼓，其径向应力和周向应力均在大口端最大，因此强度校核只需校核圆锥大口段的鼓壁应力，即——转鼓填充系数，，其中为转鼓内物料层内半径。为焊缝强度系数，此处焊缝100%探伤，取则根据钢板的标准厚度，考虑到圆筒及圆锥部分的加工制造方便和腐蚀裕量等，取。生产能力的计算颗粒的沉降速度为式中：——临界粒径，即小于它的颗粒随溢流排走；——两相密度差（kg/m3）；——液相粘度（kg/m.s）；25oC时，甲醇的粘度为，密度；25oC时，煤灰的密度为，临界粒径取为。则其中，一般工业用离心机的。则从以上各式可以看出：沉降离心机的生产能力取决于物料性质和离心机的技术参数。上述计算是以单个粒子离心沉降进行计算的。实际离心机沉降过程中，固相粒子间相互影响，流体流动的影响及卸料方式等因素的影响都使生产能力有所降低，实际生产能力为：为修正系数，它于机器的结构、操作及物料有关。进料管设计则式中为物料流速，取值为m/s则根据管子的标准，选取管子规格为4.4离心机主要部件的质量及转动惯量的计算4.4.1转鼓转鼓的质量左枢轴：左端盖：左端法兰：锥形筒体：柱形筒体：右端法兰：右端盖：右枢轴：转鼓的总质量为：转鼓绕轴的极转动惯量转鼓绕轴的极转动惯量：转鼓的重心距左轴承的距离4.4.2螺旋输送器螺旋输送器的总质量螺旋叶片的质量：内筒的质量：左轴颈的质量：右轴颈的质量：螺旋输送器的总质量为。4螺旋输送器绕轴的极转动惯量螺旋输送器绕轴的极转动惯量。4.4.3物料的质量圆柱段物料的质量：圆锥段物料的质量：物料总质量为卧螺离心机物料输送的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，并根据算出来的各功率，可以合理地确定主、辅电动机的功率，进而确定电机及差速器的型号。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）克服轴与轴承摩擦所需功率；；（4）克服转鼓，物料与空气摩擦所需功率；；（5）卸出物料所需功率；。.1启动转鼓等转动件所需功率欲使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功能，必须由外界作功，该功为：式中：——转动件线速度，m/s；——转动件绕轴旋转的转动惯量，kg·m2，此处的转动件主要包括转鼓、螺旋、传动轴和减速器，因此估取极转动惯量为启动转动件的平均功率为：式中：——启动时间，s，一般在30秒到120秒之间，此处取；——转鼓角速度，；.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。假设某种分离操作，单位时间内排出的个组分中，各组分的质量为，各组分在转鼓内卸出的位置半径为，则使加入物料达到工作转速所需的功率为：式中：——单位时间被分离各组分处理量；已知液相密度，固相密度，混合液密度，设为固相所占体积分数，则，得到。单位时间处理固相的质量：单位时间处理液相的质量：——转鼓内各组分旋转半径；固相：液相：——物料分离的组分数；克服轴与轴承摩擦所需功率克服支撑轴承摩擦所需的功率可以认为是加载支撑轴承上的摩擦力与摩擦表面间的相对速度之积。支撑轴承上的摩擦力可以由摩擦力公式求得，其为作用在支撑轴承上的支反力与摩擦系数的乘积，相对速度则可由轴承接触处轴径和轴旋转的角速度求得，所以，克服支撑轴承摩擦所需的功率就可以由如下公式来表达：式中：——轴与轴承间摩擦系数，对于滚动轴承取~，此处取；、——分别为轴颈表面的线速度，m/s；、——分别为两轴承处的支反力，N；、——别为两轴承处的轴颈直径，m；关于轴承支反力、，应考虑在转子的静载荷与动载荷作用下轴承的支反力。静载荷为转鼓及其它转动件总质量，动载荷为由于转动件偏心产生的离心惯性力。估算由于加料转鼓的不平衡产生的动载荷时,通常假设转动件的重心对其回转中心线有一个偏移量。对于连续运行的沉降式离心机式中为转鼓半径（米）。所以轴上的总载荷可按如下公式计算：转动件总质量估取则作用在轴上的总载荷为：左轴承侧悬臂梁受力，简化为皮带轮和差速器的重力作用于一点，皮带轮质量取2kg，则总质量为。其受力简图如下：图4离心机受力简图作用在两轴承上的支反力为：两式联立解得，由设计图纸可知，左右支撑轴承处轴径为：则将上述各数据代入式（5.4）可得克服支撑轴承摩擦所需的功率：.4克服空气摩擦所需功率卧螺沉降式离心机工作时，转鼓外表面、物料层内表面都会因克服空气摩擦阻力而消耗一定的功率，由于影响空气摩擦阻力的因素很复杂，想要精确的计算不容易达到，因此一般工程计算中根据经验，都习惯采用一些近似的计算方法，在这里克服空气摩擦所需的功率可以由如下公式来计算：式中：——氮气密度：常压下取；——转鼓的长度：；——转鼓角速度：；——转鼓外半径：——转鼓中物料层的内半径:。将上述各值带入，可得克服空气摩擦所需功率：.5卸出物料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，故卸料功率应包括：(1)克服沉渣的离心惯性力沿转鼓母线的分力消耗功率；(2)克服沉渣与转鼓壁摩擦所消耗功率；(3)克服沉渣与螺旋叶片摩擦消耗功率。因为此离心机的螺旋叶片垂直于转鼓母线，则克服沉渣的离心惯性力沿转鼓母线的分力消耗功率为：kw克服沉渣与转鼓壁摩擦所消耗功率为：克服沉渣与螺旋叶片摩擦消耗功率为：式中：——每秒获得沉渣质量，；——转鼓平均内半径，；——沉渣与转鼓壁间的摩擦系数，取；——沉渣与螺旋叶片间的摩擦系数，取；——螺旋叶片圈数，。则由于离心机的螺旋采用的是垂直于转鼓壁的形式，故螺旋输送器推卸沉渣所消耗的总功率为：卧螺离心机功率确定离心机的功率可以分为两种状态，一种是离心机启动状态下消耗的功率，另一种是离心机运转过程中消耗的功率。在启动阶段消耗的总功率为：在运转阶段消耗的总功率为：由上述计算可以看出，离心机在启动阶段所消耗的功率大于在操作转速下运转消耗的功率，因此，离心机的额定功率主要还是参照启动功率来确定。在本设计中，离心机的功率为：。5主要辅助部件5.1电机的选型5.1.1主电机的选型根据离心机的总功率，并由JB/T5271-1991、JB/T5272-1991，选择主电机型号为Y180L-2，额定功率为37kw，转速为2939r/min。5.1.2辅电机的选型根据卸出物料所需功率选择辅电机型号为Y2-801-2，额定功率为0.75kw，转速为2840r/min。5.2差速器的选型在卧螺卸料离心机中，由于转鼓与螺旋输送器之间的转速差，导致二者相对运动，进而推动物料沿转鼓内表面运动，直至到出渣口被卸出。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，因此卧螺离心机从电动机到工作机之间都需要一个传动装置。转鼓跟差速器的外壳相连，带动差速器以相同的速度旋转，差速器的输出轴与螺旋输送器相连，从而带动螺旋输送器旋转，因而得到转鼓和螺旋输送器之间的转速差。由于差速器高速回转，需传递的转矩大，润滑条件又差，当转矩达到一定值时，对差速器寿命影响很大，故对各零件在组装过程中的间隙调整要求特别高，公差要求非常精密，间隙太大或太小均不利于差速器的运行。差速器的种类很多，一般差速器采用周转轮系结构，目前卧式螺旋离心机常用的差速器为摆线针齿行星差速器。这种差速器具有体积小、重量轻、结构紧凑的特点。因为此差速器中凡是有相对运动的地方，均采用了滚动摩擦，对主要传动零件进行了精磨，具有高精度和高的表面光洁度，所以效率高，可达。本设计中的卧螺离心机根据卸出物料所需功率，选择差速器型号为XW8125型。其功率为0.75Kw，传动比为29。其相关参数如下：输出端输出端5.3皮带轮设计5小端皮带轮设计与差速器输入端联接的皮带轮转速为与辅助电机所联的皮带轮为小带轮，转速为传动比5.3选择V带型号由《机械设计》书中工作情况系数表，取工作情况系数根据和，由《机械设计》书中普通V带选型图，选带型号为Y型。Y型带参数：顶宽节宽高度带质量轮缘尺寸：5.3确定带轮基准直径取小带轮直径，其中取，则，取。5.3验算带速一般情况下，带速在5~25m/s之间为宜，取值合适。5.3确定中心距及带的基准长度对于V带传动，中心距一般可取为，即，估取。则带的基准长度选取标准基准长度值。则5.3验算小带轮包角5.3确定V带根数其中：——单根V带所传递的功率——功率增量——包角修正系数——带长修正系数查相关对应的表知，，，。代入数值，得到，取整为。带轮的宽度。5.3确定带的初拉力5.3计算带轮轴上所受压力5.3.2转鼓大端皮带轮设计与转鼓联接的皮带轮转速为与电机所联的皮带轮为小带轮，转速为传动比5.1选择V带型号由《机械设计》书中工作情况系数表，取工作情况系数根据和，由《机械设计》书中普通V带选型图，选带型号为SPA型。SPA型带参数：顶宽节宽高度带质量轮缘尺寸：5.2确定带轮基准直径取小带轮直径，其中取，则，取。5.3验算带速5.4确定中心距及带的基准长度对于V带传动，中心距一般可取为，即估取则带的基准长度选取标准基准长度值。则5.5验算小带轮包角5.6确定V带根数其中：——单根V带所传递的功率——功率增量——包角修正系数——带长修正系数查相关对应的表知，，，代入数值，得到，取整为带轮的宽度5.7确定带的初拉力5.8计算带轮轴上所受压力密封装置用于甲醇净化的卧式螺旋卸料离心机，在设计过程中需要考虑介质的特性，由于甲醇是易燃、易爆物质，在净化过程中，要避免其泄露到空气中，以防发生安全事故。并且从课题中的F就可以看出，此课题设计的离心机是防爆离心机。在密闭、防爆工艺条件时，要求离心机工作空间与外界环境隔离，根据其要求程度，隔离效果可以有所不同，有的要完全隔离，不能有一点的泄露，有的则可以允许小范围的溢出。要达到密闭，必须在三个泄露点，即转鼓两端的转轴与不动的机壳之间，以及在回转的螺旋输送器内筒和不动的加料管之间，安装三个高速密封装置。可以使用迷宫式密封，并充以惰性气体来达到密封的目的，但因为其充气的消耗量大，所以大多数情况下采用机械密封。一般都采用双端面机械密封结构加冲洗封液，这样有助于改善润滑、冷却条件和提高密封性能。对于材料的选择，摩擦副的材料一般选用硬质合金与浸渍石墨组对，高速旋转的动环采用硬质合金，静环采用浸渍石墨。为了尽量缩短机械密封的轴向尺寸，弹性元件一般采用小螺旋弹簧或波形圈弹簧。典型工况下机械密封材料选取截取部分内容如下：名称醇浓度/%95温度沸点以下静环石墨浸渍树脂、酚醛塑料、填充聚四氟乙烯动环碳化钨、45刚、铸钢、碳化硅、氮化硅辅助密封圈丁晴、氯丁、聚硫橡胶、乙丙、丁苯、氟橡胶、聚四氟乙烯弹簧3Cr13、4Cr13根据上述因素，选取机械密封的静环材料为浸渍石墨，动环材料为碳化硅，弹簧为3Cr13。6强度计算转鼓应力分析圆柱段应力分析鼓壁自身质量引起鼓壁的应力由于转鼓壁自身质量产生的离心力的方向和转鼓轴线相垂直，因此它在鼓壁上不会产生经向应力，即；鼓壁上产生的周向应力。式中：——转鼓材料的密度，kg/m3——转鼓的内半径——转鼓的角速度物料质量引起鼓壁的应力鼓壁的经向应力式中：——转鼓内物料的密度，kg/m3——转鼓填充系数，——转鼓的壁厚鼓壁的周向应力。圆锥段应力分析鼓壁自身质量引起鼓壁的应力由于鼓壁质量离心惯性力的方向始终沿着半径向外垂直于轴线，无轴向分力，故不会产生经向应力；鼓壁上产生的周向应力式中：——圆锥形转鼓壁上任取的半径由此可知，在圆锥段不同位置处所受的周向应力不同。6.1.2.2.物料质量引起鼓壁的应力鼓壁的经向应力鼓壁的周向应力在圆锥形转鼓的小口上，，则，；在圆锥形转鼓的大口上，，则，。6.2转鼓大端盖的强度计算转鼓大端盖受物料离心压力的作用，简化成沿外周边铰支在板面上作用有按抛物线分布的载荷的环板。其力学模型如下：图4转鼓大端盖受力简图其中环板单位面积上的载荷用下式表示：将有压力作用和无压力作用部分分为两个区域进行计算。为区域I，为区域II。在区域I中径向应力：周向应力：在区域I中径向应力：周向应力：式中：其中：则在端盖的内周边时，，则径向应力为周向应力为在端盖的外周边时，，则径向应力为周向应力为由此可见，转鼓大端盖在外周边所受的周向应力最大则经过计算，取大端盖的厚度为。6.3螺旋所受轴向力的计算螺旋在输渣过程中，所受的轴向力，是计算轴承时所需的载荷数据。螺旋所受轴向力为设沉渣沿鼓壁滑动方向与垂直于转鼓轴线的径向平面间的夹角可得时，式中知道螺旋也片的升角；脱水区轴向长度离心机的湿渣生产能力沉渣与转鼓壁之间的摩擦系数沉渣与螺旋叶面之间的摩擦系数脱水区平均半径转鼓与螺旋的角度差沉渣在叶面上的滑动方向与切线方间的夹角的求解公式如下：代入各已知参数的值，得到，又两式联立，解得沉渣与转鼓之间的相对角速度脱水区的平均分离因数则6.4轴承选取及校核6.4.1转鼓小端轴承的选取及校核6.4小端轴承的选取根据转鼓小端轴直径为，转速为，初选轴承为深沟球轴承，型号为SKF6026，其参数如下：内径外径厚度基本额定动载荷基本额定静载荷为6.4小端轴承的校核当量动载荷的计算公式是式中：——径向载荷，——轴向载荷，——径向动载荷系数——轴向动载荷系数，由《机械设计》书中滚动轴承当量动载荷计算的、值表中查得查得则，滚动轴承的基本额定寿命计算公式如下：式中：——轴承的转速，——轴承的额定寿命（小时）——轴承的额定动负荷，——轴承的当量动载荷——寿命指数，球轴承，滚子轴承，则6.4.2转鼓小端轴承的选取及校核6.4大端轴承的选取根据转鼓小端轴直径为，转速为，初选轴承为圆柱滚子轴承，型号为SKFNU1026，其参数如下：内径外径厚度基本额定动载荷基本额定静载荷为6.4小端轴承的校核的圆柱滚子轴承只承受径向力，当量动载荷滚动轴承的基本额定寿命计算公式如下：式中——轴承的转速，——轴承的额定寿命（小时）——轴承的额定动负荷，——轴承的当量动载荷——寿命指数，球轴承，滚子轴承，则7结论与展望本课题的任务是设计卧螺离心机，并用于甲醇净化。结合给定的已知条件，首先进行工艺设计，设计出转鼓和螺旋输送器的结构，包括半锥角、液池深度、转鼓小端直径、转鼓的厚度、转速差、螺旋叶片的螺距、所用材料等，进而计算出离心机