机械 毕业论文 高压均质机机械传动部分设计

本科毕业设计（论文）第1页共45页1引言1.1均质机的现状与发展均质技术是一项应用相当广泛的细化分散技术，广泛应用于乳品、饮料、食品、化妆品和化工行业等。所谓均质，就是将液态物料中的固体颗粒打碎，使固体颗粒实现超细化，并形成均匀的悬浮乳化液的工艺过程。多年来．均质技术一直未有重大的突破，应用最多、最广泛的仍然是高压均质技术，其原因是高压均质技术比较成熟．物科经均质后，平均粒径一般可以达到lUm以下，效果较好。均质机的作用主要有：提高产品的均匀度和稳定性、增加保质期、减少反应时间从而节省大量催化剂或添加剂、改变产品的稠度改善产品的口味和色泽等等，均质机广泛应用于食品、乳品、饮料、制药、精细化工和生物技术等领域的生产、科研和技术开发。随着我国国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，我国均质业得到了飞跃发展，已经成为我国国民经济的支柱产业。但是我国研制并生产均质机械比较落后，国外相比，起步晚、发展比较慢。至今，许多行业仍普遍采用传统的高压均质机。我国的均质机研制并生产是从50年代开始的，直到80年代才开始逐渐的生产均质机，而且大多是传统的高压均质设备。水平相对比较低，无论是材料选择，加上精度、使用寿命、规格品种、应用领域及能源消耗，都与国际先进水平有着不小的差距，这显示我国均质机产业的发展任重而道远。中、高压均质机，因加工工艺和材料等原因，在我国一直是空白。随着奶制品、饮料、化工、制药等行业新产品研制、生产的需要,上海科技大学七十年代末在国内率先进行了高压均质机的研制工作，八十年代初研制成功。从此，我国均质机生产逐步步入了快速发展时期。国产低压、中压、高压各种规格的均质机相继投放市场，极大地满足了我国各行各业的生产需求。随着人们对均质乳化作用的不断认识和研究，均质技术得到了迅猛的发展，相应地出现了多种不形式的均质机，其中典型的有高低压均质机、离心式均质机、胶体磨、超声波均质机和剪切式均质机。它们已在食品、制药、化妆品等行业中得到广泛应用，不同形式均质机的使用范围有所不同，我们可以根据物料的浓度、粘度等特性的不同，选择相应的均质设备。离心式均质机、超声均质机由于其结构复杂、成本高、能耗大、维修不方便等缺点，使得它们的应用有一定的局限性。近年来，高压均质机，以其独特的本科毕业设计（论文）第2页共45页剪切分散机理和低成本、超细化、高质量、高效率等优点在众多的工业领域中得到普遍应用，并在某些领域逐渐地替代传统的均质机。基于此，有必要对均质技术投入更多的研究和探讨。1.2高压均质机的工作原理及课题设计要求1.2.1高压均质机的工作原理高压均质机以高压往复泵为动力传递及物料输送机构，将物料输送至工作阀（一级均质阀及二级乳化阀）部分。要处理物料在通过工作阀的过程中，在高压下产生强烈的剪切、撞击和空穴作用，从而使液态物质或以液体为载体的固体颗粒得到超微细化。如图1所示。图1高压均质机的工作原理相对于离心式分散乳化设备（如胶体磨、高剪切混合乳化机等），高压均质机的特点是：1)细化作用更为强烈。这是因为工作阀的阀芯和阀座之间在初始位是紧密贴合的，只是在工作时被料液强制挤出了一条狭缝；而离心式乳化设备的转定子之间为满足高速旋转并且不产生过多的热量，必然有较大的间隙（相对均质阀而言）；同时，由于均质机的传动机构是容积式往复泵，所以从理论上说，均质压力可以无限地提高，而压力越高，细化效果就越好。2)均质机的细化作用主要是利用了物料间的相互作用，所以物料的发热量较小，因而能保持物料的性能基本不变。3)均质机能定量输送物料，因为它依靠往复泵送料。4)均质机耗能较大。5)均质机的易损使较多，维护工作量较大，特别在压力很高的情况下。本科毕业设计（论文）第3页共45页6)均质机不适合于粘度很高的情况。1.2.2本课题设计要求本课题要研究或解决的问题：在工业生产中，均质机占有很重要的地位，均质技术与人们生活息息相关。本次毕业设计主要是设计小型高压均质机中的传动部分及辅助部分，进行性能计算及结构设计。主要技术要求：1)所设计的均质机能够完成对两种流体物料的均质与乳化。2)额定压力为一级60Mpa、二级20Mpa3)尺寸规格为1446×1220×1435mm4)额定流量为2000L/h本科毕业设计（论文）第4页共45页2总体方案确定及工作原理2.1方案确定本课题主要设计的是小型高压均质机的传动及辅助部分。高压均质机的传动及辅助部分主要包括电动机、皮带轮传动、减速器、曲轴、连杆及柱塞泵。主要通过曲轴连杆机构和变速箱将电机高速旋转运动变成低速往复直线运动，采用皮带轮变速。变速后，使柱塞往复运动的速度控制在130~170r／min。这种速度下，机器运转稳定、噪声低，柱塞及其密封耐用性好。其中电动机可根据参数计算选择型号，皮带轮及减速器同样由计算得出。具体计算见第三章。工作过程可参见示意图2。1泵体2柱塞3连杆4曲轴图2均质机的工作过程2.2工作原理在图2所示中，柱塞的一段伸入到泵体的泵腔内．在传动机构的带动下柱塞在泵腔内往复运动。当柱塞向右移动时泵腔内形成低压，排料阀关闭进料阀打开，物料被吸入。当柱塞向左移动时泵腔内形成高压．进料阀关闭，排料阀打开，物料被排出。由于曲轴使连杆相位差为120，它们并联在一起，使排出的流量基本平衡柱塞随曲轴旋转作往复运动。在主泵体内通过进料阀、出料阀以及均质阀，完成进料一压缩一泄放一进料一1234本科毕业设计（论文）第5页共45页压缩一泄放⋯⋯周而复始运行。对于每一个柱塞泵来说，进料和泄放都是间歇的。管道的液流必然是脉冲状态，即使是多柱塞合成的液流也成脉动状态。这个脉冲(动)频率会引起管道的振动．如果柱塞运行速度130～170r／min，柱塞每一个行程周期仅0.36～0.46S，进出料单向阀开启时间仅0.18～0.23S。表明主泵体在短时间内完成进料、压缩和泄放全过程首先必须具备稳定进料速度和进料压力。实践中，选择合理均质机的进、出料管径，输送泵和缓冲管，是十分必要的。本科毕业设计（论文）第6页共45页3主要传动部件的设计计算与分析3.1均质机的功率和电动机的选择3.1.1均质机的有效功率在单位时间内，均质机排除的液体由均质机所获得的能量成为均质机的有效功率，也就是均质机对排除的液体所做的有效功。均质机的有效功率可以根据全压力和实际流量进行计算。由于高压均质机的全压力和均质压力（即排除压力）基本接近，所以，一般均依照均质压力和实际流量按下式计算：1000pQNp式中pN——均质机的有效功率，kW；p——均质机的均质压力，Pa；Q——均质机的实流量，m3/s。将p=60103Pa、Q=2000L/h带入上式中得pN=33.33kW3.1.2均质机的输入功率均质机的输入功率也就是均质机(高压泵）的轴功率是原动机（如电动机）传给均质机输入轴上的功率。当均质机与原动机直接连接时，均质机输入功率就等于原动机的输出功率。由于存在机械摩擦等损失，均质机的输入功率大于有效功率。输入功率可按下式计算：PNN式中N——均质机的输入功率，kW；pN——均质机的有效功率，kW；——均质机的效率。本科毕业设计（论文）第7页共45页均质机的效率的计算方法很难确定，只能用试验方法确定。在进行均质机设计时，通常要根据均质机的结构型式和参数以及加工质量等预先选取，一般=0.80~0.90。流量较大，压力较低，制造质量高，介质含气量较少时，可选较大值。反之则选较小值。根据此次课题的要求选=0.85。计算的N=85.03.33=39.18kW3.1.3电动机功率及电动机的选择上面所述均质机的效率只包括均质机输入轴后面机构的机械损失，并不包括电动机至输入轴之间传动机构的机械损失，所以，电动机的功率应按下式进行计算dN=dpN式中dN——电动机功率，kW；pN——均质机的有效功率，kW；——均质机的效率；d——均质机输入轴前传动装置效率。d的取值可根据电动机至均质机输入轴采用的传动装置而定。直联时，d=1；采用三角带传动时，d=0.90~0.96；齿轮传动（闭式)时，d=0.95~0.99；蜗轮传动时（闭式），d=0.70~0.94。式中d又称为均质的整机效率。对均质机整机效率要求见表1。表1均质机整机效率均质机压力（MPa）2020~3232~50整机效率0.840.830.80本科毕业设计（论文）第8页共45页计算d查表机械传动和摩擦的效率概略值，确定各部分效率为：联轴器效率1=0.99，滚动轴承传动效率（一对）2=0.99，三角带传动效率3=0.96，闭式齿轮传动效率4=0.97d=12243=0.90则dN=85.090.03.33=43.53kW考虑到均质机的流量是脉动的，载荷也是脉动的，其瞬时功率和平均功率差别较大，而且不同类型的均质机，差别程度也不同，特别是单柱塞均质机，差别最大。此外，在柱塞密封处的机械摩擦损失等也很难精确确定，为使均质机在世纪运转中不致超载，在选择电动机时，应有一定的裕量，这一裕量称为储备系数eK,则实际选择的电动机功率为dN=deNK式中dN——实际选择的电动机功率，kW；eK——储备系数；dN——电动机（计算）功率，kW。储备系数eK可按表2选取。表2电动机功率储备系数eK电动机功率dN（kW）26102020eK21.51.251.151.10由于dN=43.53kW，故选取eK=1.10则dN=1.10×43.53=47.88kW本科毕业设计（论文）第9页共45页因为载荷平稳，电动机额定功率cdN略大于dN即可。查手册选用型号为Y315S-8的Y系列三相异步电动机（见图3）。参数见表3。表3电动机参数电动机型号额定功率/kW满载转速/（r/min）额定转矩堵转转矩额定转矩最大转矩同步转速750r/min，8极Y280S-8557401.62.0图3三相异步电动机Y280S-83.2柱塞泵的工作原理及设计3.2.1结构原理往复式柱塞泵由液力端及传动端两部分组成。液力端视均质聊也的过流部分，通常由缸体、柱塞及密封件、媳妇和排除阀组成；传动端是传递动力的部分，主要由机体、曲轴、连杆、润滑和冷却等部分组成。柱塞泵的工作原理是当柱塞向右运动时（见图4），缸腔容积扩大而腔内压力降低形成低压，贮槽内的液体考压差而冲开吸入阀门而进缸体内达到完成吸入工作过程。柱塞向左运动时，由于缸体容积缩小而压缩液体，达到工作压力冲开排除阀完成排液过程。由于柱塞的往复运动是通过曲柄连杆机构实现的。因而柱塞泵的平均流量恒定，而瞬时流量成脉动变化；柱塞泵是容积泵，它的排出压力仅决定于管路的水力特性，与流量无本科毕业设计（论文）第10页共45页关。在理论上，只要原动机有足够的功率，泵体强度足够时，高压泵的排出压力可不受限制。图4柱塞泵结构图3.2.2柱塞泵的选取通常用泵在一转中的流量maxQ和平均流量pQ之比表示流量的不均匀程度，称为不均匀度，以m表示。m=pQQmax式中maxQ=maxFV=602nFr=fFrn2m3/s对单作用泵pQ=60Fsn=fFrn2m3/s所以m=ffFrnFrn22=14.3对于双柱塞泵，柱塞的相位差为180时，它的不均匀度m为m=ffFrnFrn42=257.1对于三柱塞泵，柱塞相位差互成120时柱塞本科毕业设计（论文）第11页共45页m=pQQmax=ffFrnFrn62=047.13流量的不均匀度越大，其最大流量与平均流量的差越大，流量就越不均匀，泵的操作也就越不稳定。由以上不均匀度的计算表明，三柱塞泵流量最稳定，得到广泛应用。故选用三柱塞往复泵。图5为三柱塞往复泵的示意图。图5中，常见的三柱塞往复泵的柱塞泵是由3个工作室、3个柱塞、3个单向的进料阀和3个单向的出料阀等组成。3个工作室互不相连，但进料管和排料管相通。在设计上曲轴使连杆相位差为120°，它们并联在一起，使排出的流量基本平衡。图5三柱塞往复泵3.2.3柱塞的设计柱塞的作用是使吸入过程中缸体内形成低压，而在排出过程中形成压力，将液体压出。柱塞在工