水泥攪拌裝置設(shè)計【含圖紙】

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This paper reflects a small cement mixer drive mechanism analysis and design process, designed to meet the needs of small-scale materials cement mixer Key words：Institutional analysis、Transmission design、Two reducer1.1背景技術(shù)水泥攪拌機(jī)是建筑設(shè)備的重要組成部分，由于建筑事業(yè)越來越產(chǎn)業(yè)化，對攪拌機(jī)的要求也越來越高，傳統(tǒng)攪拌機(jī)效率低，運(yùn)輸不便，上料出料麻煩，攪拌量過于有限，沒有自動化控制系統(tǒng)，供水量不便于把握等一系列的不足，以及很難滿足當(dāng)今建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在的建筑事業(yè)越來越對新型攪拌越來越渴求。隨著科技水平的進(jìn)步，發(fā)達(dá)國家看到了水泥攪拌機(jī)落后的現(xiàn)在，正在極力推進(jìn)攪拌機(jī)產(chǎn)業(yè)變革，正極力研究新型攪拌機(jī)，比如高效攪拌機(jī)、新型立式可升降泥漿攪拌機(jī)、移動式自裝料混凝土攪拌機(jī)等。 隨著我國攪拌機(jī)市場的發(fā)展，攪拌機(jī)的技術(shù)的研發(fā)和市場狀況成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)，了解國內(nèi)外攪拌機(jī)技術(shù)發(fā)展和市場狀況對于企業(yè)提高市場競爭力十分關(guān)鍵。攪拌系統(tǒng)由圓槽形攪拌筒和攪拌軸上安裝了幾組結(jié)構(gòu)相同的葉片，但是前后上下都錯開一定的空間，是拌合料在兩個攪拌筒內(nèi)不斷地得到攪拌，一方面將攪拌筒底部和中間的拌合料向上翻滾，另一方面又將拌合料沿軸線分別向前推壓，從而使拌合料得到快速而均勻的攪拌。設(shè)置在兩只攪拌問底部的卸料由氣缸門操縱。立式卸料門的長度比攪拌筒長度短，80%90%的混凝土靠其自重卸出，其余部分則靠攪拌葉片強(qiáng)制向外排除，卸料迅速干凈。2.2傳動機(jī)構(gòu)分析直立式小型攪拌機(jī)是一個組成比較簡單的水泥攪拌機(jī)，它主要有以下幾個部分組成：攪拌鍋、腳架、電動機(jī)、減速器、皮帶輪、皮帶、聯(lián)軸器及攪拌葉片。所以其傳動部分的主要電動機(jī)皮帶輪帶皮帶輪減速器主軸攪拌葉片。以這樣的一個傳動過程最終實現(xiàn)攪拌動作，其傳動簡單高效。由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速比較高，功率較大，所以在整個傳動過程中一定得有個減速器，對于減速器我們大家多知道有一級減速器和多級減速器，考慮到我所設(shè)計的攪拌機(jī)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速大概是1440轉(zhuǎn)每分鐘，最終要達(dá)到主軸轉(zhuǎn)速30來轉(zhuǎn)左右，所以減速器應(yīng)該選擇渦輪蝸桿傳動或二級減速器，對于渦輪蝸桿傳動，考慮到對于攪拌機(jī)的變速不太適合，所以我選擇二級減速器，二級減速器常見的主要有直齒圓柱齒輪二級減速器、斜齒圓柱齒輪二級減速器。兩者之間的區(qū)別在于斜齒圓柱齒輪的穩(wěn)定性較好，傳動平穩(wěn)，但考慮到對于水泥攪拌機(jī)沒那么高的要求，所以我選擇了用直齒圓柱齒輪二級減速器，然后直齒圓柱齒輪二級減速器于主軸之間采用常用的聯(lián)軸器鏈接，以下就是水泥攪拌機(jī)的機(jī)構(gòu)傳動簡圖;如圖2-4所示。圖2-4 機(jī)構(gòu)傳動簡圖攪拌機(jī)的分類混凝土攪拌機(jī)是攪拌機(jī)中比較普遍的一種，混凝土攪拌機(jī)按其工作原理，可以分為自落式和強(qiáng)制式兩大類。(1)自落式混凝土攪拌機(jī)適用于攪拌塑性混凝土。(2)強(qiáng)制式攪拌機(jī)的攪拌作用比自落式攪拌機(jī)強(qiáng)烈，宜攪拌干硬性混凝土和輕骨料混凝土水泥土攪拌機(jī)的應(yīng)用 混凝土攪拌機(jī)是把具有一定配合比的沙、石、水泥和水等物料攪拌成均勻的符合質(zhì)量要求的混凝土的機(jī)械。混凝土攪拌機(jī)按攪拌原理的不同它可以分為自落式與強(qiáng)制式兩大類。(1)自落式攪拌機(jī) 自落式攪拌機(jī)的攪拌筒內(nèi)壁焊有弧形葉片。當(dāng)攪拌筒繞水平軸旋轉(zhuǎn)時，葉片不斷將物料提升到一定高度，然后自由落下，互相摻合。(2)強(qiáng)制式攪拌機(jī)強(qiáng)制式攪拌機(jī)主要是根據(jù)剪切機(jī)理進(jìn)行混合料攪拌。攪拌機(jī)中有隨攪拌軸轉(zhuǎn)動的葉片。設(shè)計方案經(jīng)過對水泥攪拌機(jī)的類型、傳動機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分析，最終我擬定了如下方案：方案1：電動機(jī)皮帶輪二級圓柱齒輪減速器攪拌軸，電動機(jī)首先通過皮帶輪一級減速，再通過減速器經(jīng)過二級減速將動力以及轉(zhuǎn)矩傳送到攪拌軸上。方案2：電動機(jī)二級圓錐齒輪減速器攪拌軸，使用減速器直接減速將動力以及轉(zhuǎn)矩傳送到攪拌軸上。首先，已知各種傳動的傳動比u，圓錐齒輪傳動單級傳動比u常用2-3；圓柱直齒輪傳動單級傳動比u常用2-5；皮帶輪單級傳動比u常用2-4。然后估算電動機(jī)至攪拌軸間的傳動比，初選同步轉(zhuǎn)速為1000r/min的原動機(jī)，攪拌軸轉(zhuǎn)速為30r/min，則u=1000/30=33.3。方案1：使用皮帶輪進(jìn)行一級減速，使用二級圓柱齒輪減速器二級減速，電動機(jī)軸與攪拌軸雖然在同一方向上，但電動機(jī)不直接連接減速器，同樣可以避免安裝分布范圍過大。同時其傳動比u最大為455=100，大于本次設(shè)計所需要的最大傳動比。方案2中只使用二級圓錐齒輪減速器，第二級使用圓柱齒輪傳動。優(yōu)點(diǎn)在于圓錐齒輪具有換向性，避免了電動機(jī)軸與攪拌軸在同一方向上，避免造成安裝分布范圍過大。其傳動比u最大為35=15，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于33.3。綜上考慮，選擇方案一是比較合理的，多級減速避免了一次性速度變化過大，而且使用二級減速器照樣可以達(dá)到電動機(jī)、主軸和減速器在同一方向上，只要到時候電動機(jī)豎直放置即可。所以攪拌機(jī)的整體結(jié)構(gòu)可以定型為如圖2-8。圖2-8 攪拌機(jī)整體結(jié)構(gòu)葉片設(shè)計傳統(tǒng)的立式水泥攪拌機(jī)是由三個平板狀，通過三個不同尺寸的軸聯(lián)接在一起，實現(xiàn)攪拌。但是由于從葉片強(qiáng)度、攪拌均勻等方面有些不如人意。改變攪拌葉片傳統(tǒng)的形狀，設(shè)計成一個楔形。并將葉片尺寸設(shè)計稍厚，從而達(dá)到減少攪拌阻力，提高攪拌強(qiáng)度的效果。并將葉片通過螺釘連接，實現(xiàn)可換，達(dá)到節(jié)約材料效果。立式混凝土攪拌機(jī)查閱孫洪棟專利，專利號03213938.1。圖紙見圖2-9。 本實用新型涉及一種用于攪拌混凝土的立式混 凝土攪拌機(jī)。其特征是在支架上設(shè)有中部帶有軸承座的側(cè)部與支架的支承腿平行的轉(zhuǎn)動托架，在轉(zhuǎn)動托架的軸承座內(nèi)通過軸桿插座有攪拌罐，在攪拌罐的外周壁設(shè)有與傳動齒輪嚙合的齒閣，在支架一側(cè)的支承腿的外側(cè)設(shè)有布有手柄卡口的角度盤及通過軸桿設(shè)在轉(zhuǎn)動托架軸桿上的手柄。1、 一種立式混凝土攪拌機(jī)，包括有支架16、攪拌罐4、電機(jī)11、 皮帶輪刀、傳動齒輪6，其特征在于在支架16上設(shè)有中部帶有軸承座15的側(cè)部與支架16的支承腿平行的轉(zhuǎn)動托架列，在轉(zhuǎn)動托架9 的軸承座15內(nèi)通過軸桿插座有攪拌罐4、在攪拌罐4的外周壁設(shè)有與傳動齒輪6嚙合的齒圈5，在支架16一側(cè)的支承腿的外側(cè)設(shè)有布有手柄卡口的角度盤2及通過軸桿設(shè)在轉(zhuǎn)動托架軸桿上的手柄1。本實用新型涉及一種用于攪拌混凝土的立式混凝土攪拌機(jī)。據(jù)了解，目前用于攪拌混凝土的攪拌機(jī)普遍是帶有上料斗的臥式 攪拌機(jī)，雖然其給攪拌混凝土帶來了很多好處，存在有結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 需2次上料及混凝土排放不凈和不便清洗攪拌罐等不足之處。本實用新型旨在提供一種，設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單；操作方便靈活、不受場地限制、排料徹底、便于清洗攪拌罐、直接投料的立式混凝土 攪拌機(jī)。本實用新型的技術(shù)解決方案是，為了實現(xiàn)上述目的，在支架上設(shè) 有中部帶有軸承座的側(cè)部與支架的支承腿平行的轉(zhuǎn)動托架，在轉(zhuǎn)動托 架的軸承座內(nèi)通過軸桿插座有攪拌罐，在攪拌罐的外周壁設(shè)有與傳動齒輪嚙合的齒輪，在支架一側(cè)的支承腿的外側(cè)設(shè)有布有手柄卡口的角度盤及通過軸桿設(shè)在轉(zhuǎn)動托架軸桿上的手柄。2、 本實用性與背景技術(shù)比較，由于攪拌罐是立式可翻轉(zhuǎn)的，因此, 其不但簡化了結(jié)構(gòu)，而且具有操作方便靈活、不受場地限制、排料徹 底、便于清洗攪拌罐和直接投料等優(yōu)點(diǎn)。 圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。 下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實用新型的一個具體實施例。 參見圖1，支架16是由槽鋼焊接而成的2個支承腿的支架。在支架16的一側(cè)的支承腿的下部焊有一根軸桿，在支承腿和軸桿上焊有對稱的斜拉桿13。在軸桿的兩端分別安裝有腳輪14。在支架16另一 側(cè)的支承腿的下部插有通過頂絲17固定的支座18。在安裝有腳輪14 的支承腿的外側(cè)焊有電機(jī)支架12。在電機(jī)支架12上接裝有電機(jī)II 和護(hù)殼8。在電機(jī)11的傳動軸上安裝有皮帶輪7。在支架16的兩個支承腿的上部拜有同心的軸孔，在軸孔內(nèi)安裝有軸承。在軸承孔內(nèi)穿有一端安裝有皮帶7，另一端安裝有傳動齒輪6，中部穿在轉(zhuǎn)動 托架9軸承孔內(nèi)的軸桿。在另一軸承孔內(nèi)穿有一端通過銷釘固定在轉(zhuǎn)動托架9插口內(nèi)的軸桿及通過軸桿安裝在該軸桿外端上的手柄1。在位于手柄1處的支架16的支承腿的外側(cè)焊有布有手柄卡口的角度盤2。轉(zhuǎn)動托架9是呈I；型的中部帶有軸承座15的轉(zhuǎn)動托架。在轉(zhuǎn)動托架9的軸承座15內(nèi)通過軸桿插座有攪拌罐4。在攪拌罐4的內(nèi)壁焊有攪拌翅3。在攪拌罐4的外周壁焊有與傳動齒輪6嚙合的齒圈5。 在兩個皮帶輪7上套有皮帶10。3、 操作時；將沙、石、水泥和水倒入攪拌罐內(nèi)，并啟動電機(jī)，通過傳動齒輪和齒圈使攪拌罐旋轉(zhuǎn)進(jìn)行攪拌，同時根據(jù)攪拌罐內(nèi)所裝物料的多少和攪拌情況將手柄推入角度盤的不同角度的手柄卡口內(nèi)進(jìn) 行調(diào)節(jié)攪拌罐的攪拌角度。當(dāng)需排料時，扳動手柄使轉(zhuǎn)動托架轉(zhuǎn)動， 轉(zhuǎn)動至攪拌罐內(nèi)的混凝土處于被排放的位置，當(dāng)攪拌罐內(nèi)的混凝土被 排完后，將手柄放回到使攪拌罐處于所需要的投料角度，然后再進(jìn)行 下一次攪拌工作。其攪拌罐的翻轉(zhuǎn)角度為360。當(dāng)需停止工作時，將電機(jī)電源切斷。結(jié)論由于攪拌機(jī)的飛速的發(fā)展，現(xiàn)在它已成為跨學(xué)科的、有眾多應(yīng)用領(lǐng)域的傳統(tǒng)學(xué)科。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會和國際攪拌技術(shù)聯(lián)合會的統(tǒng)計。攪拌機(jī)在世界工業(yè)中占據(jù)很重要的地位，并以強(qiáng)勁的增長速度加快世界工業(yè)化的自動化程。隨著工業(yè)自動化程度的提高，攪拌機(jī)將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。通過對立式水泥攪拌裝置的設(shè)計，提高了小型建筑的攪拌效率，節(jié)約了小型建筑的工作時間，降低了它的勞動強(qiáng)度，提高了水泥攪拌機(jī)的工作壽命。參考文獻(xiàn)1.陳宜通.混凝土機(jī)械.北京：中國建材工業(yè)出版社，2002.62.劉鴻文.材料力學(xué).北京：高等教育出版社，1992.93.成大先.機(jī)械設(shè)計手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20004.混凝土攪拌機(jī)GB/T9142-2000.國家質(zhì)量技術(shù)性能參數(shù)5.JS500混凝土攪拌機(jī)使用說明書.陜西省建工機(jī)械廠6.臧宏琦 王永平.機(jī)械制圖.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，20017.王玉.機(jī)械精度設(shè)計與檢測技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，2005.88.張家旭 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Mixing is often carried out by using mechanical devices. Figure 1 shows typical mixing impellers and their power numbers.There are typical design criteria for mechanical mixing that can be found in standard text books on water/wastewater treatment. The data in Tables 1 and 2 are taken from Metcaff& Eddy Wastewater Engineering and other sources.What are the steps involved in designing mixing tanks for coagulation and flocculation? The commonly used design approach is based on the concept of velocity gradient (G). Based on the designers experience, he selects a mixing time (t), a G value, and a mixing impeller. Based on the selected t, G, and impeller, the designer uses his engineering knowledge to calculate the following design parameters: Mixing tank volume and dimensions Theoretical power requirement Impeller diameter and rotational speedTable 3 shows the design parameters selected and the design parameters calculated by thedesigner.Table3. Design parameters selected and calculated by the designer.Hypothetical Design CaseI will now use a hypothetical case to illustrate how to design mixing tanks for coagulation and flocculation. The hypothetical case is based on the Nantong project where we have the following process configuration: a rapid mix for coagulation followed by 3 stages of slow mix for flocculation.Design flow rate: Q = 5,000 m3/dayTemperature: 15 C (winter), 35 C (summer)1. Design of a rapid mix tank for coagulationFrom Table 1, recommended mixing time is 20 60 s. We select the maximum mixing time of 60 s. Calculate tank volume: Calculate dimensions of rapid mix tank:Select a square tank with a depth to width ratio of 1.5.Dimensions of rapid mix tank are:Width = 1.33 m; Length = 1.33 m; Depth = 2 m Calculate power requirement:The concept of velocity gradient is used in the design and operation of tanks with mechanical mixing devices:where G = average velocity gradient (s-1), P = power requirement (W), = dynamic viscosity (Nsm-2), and V = tank volume (m3). Rearranging the above equation we get: at 15 C = 1.14 x 10-3 Nsm-2, at 35 C = 0.76 x 10-3 Nsm-2. We select at 15 C to ensure adequate power is provided during winter.From Table 1, recommended G is 500 2,500 s-1. We select a G value of 1,000 s-1.Assuming the gearbox efficiency is 90%, the power requirement becomes: Calculate impeller diameter and rotational speed:We select 45 pitched-blade turbine with 4 blades. From Table 1, the recommended ratio of impeller diameter (D) to equivalent tank diameter is 0.25 0.4. We select 0.3.The rotational speed of the impeller (n) can be estimated from the followingMathematical relationship:The above equation applies if the Reynolds number is in the turbulent range (NR 10,000). The power number Np is given in Figure 1 and water density r at 15 C = 999 kgm3. Check Reynolds number: Check impeller tip speed: Check Camp number:The design of a rapid mix tank for coagulation is complete. The design parameters selected and calculated as shown in Table 3 are reproduced in Table 4.2. Design of slow mix tank #1 for flocculationFrom Table 2, recommended mixing time is 20 60 min. We select a total mixing time of 30 min. Since we have 3 flocculation tanks, each tank will have a mixing time of 10 min. Calculate tank volume: Calculate dimensions of flocculation tank:Select a square tank with a depth to width ratio of 1.13width.Dimensions of flocculation tank are:Width = 3.14 m; Length = 3.14 m; Depth = 3.55 m Calculate power requirement:From Table 2, recommended G is 20 80 s-1. We select a G value of 80 s-1. Assuming the gearbox efficiency is 90%, the power requirement becomes Calculate impeller diameter and rotational speedWe select 45 pitched-blade turbine with 4 blades. From Table 2, the recommended ratio of impeller diameter (D) to equivalent tank diameter is 0.35 0.45. We select 0.3, slightly below the minimum value. Check Reynolds number: Check impeller tip speed: Check Camp number:3. Design of slow mix tank #2 for flocculationFrom Table 2, recommended mixing time is 20 60 min. We select a total mixing time of 30 min. Since we have 3 flocculation tanks, each tank will have a mixing time of 10 min. Calculate tank volume: Calculate dimensions of flocculation tank:Select a square tank with a depth to width ratio of 1.13width.Dimensions of flocculation tank are:Width = 3.14 m; Length = 3.14 m; Depth = 3.55 m Calculate power requirement:From Table 2, recommended G is 20 80 s-1. We select a G value of 60 s-1.P = mVG2 = (1.14 x 10-3 )(35)(60)2 = 144 W = 0.14 kWAssuming the gearbox efficiency is 90%, the power requirement becomes: Calculate impeller diameter and rotational speed:We select 45 pitched-blade turbine with 4 blades. From Table 2, the recommended ratio of impeller diameter (D) to equivalent tank diameter is 0.35 0.45. We select 0.3, slightly below the minimum value. Check Reynolds number: Check impeller tip speed: Check Camp number:4. Design of slow mix tank #3 for flocculationFrom Table 2, recommended mixing time is 20 60 min. We select a total mixing time of 30 min. Since we have 3 flocculation tanks, each tank will have a mixing time of 10 min. Calculate tank volume: Calculate dimensions of flocculation tank:Select a square tank with a depth to width ratio of 1.13width.Dimensions of flocculation tank are:Width = 3.14 m; Length = 3.14 m; Depth = 3.55 m Calculate power requirement:P = mVG2From Table 2, recommended G is 20 80 s-1. We select a G value of 40 s-1.P = mVG2 = (1.14 x 10-3)(35)(40)2 = 64W = 0.064 kWAssuming the gearbox efficiency is 90%, the power requirement becomes: Calculate impeller diameter and rotational speed:We select 45 pitched-blade turbine with 4 blades. From Table 2, the recommended ratio of impeller diameter (D) to equivalent tank diameter is 0.35 0.45. We select 0.3, slightly below the minimum value. Check Reynolds number: Check impeller tip speed:TS =pnD =p (0.32)(1.06) = 1.1 ms-1 1.8 TS 2.4 ms-1 (Table 2), Not OK Check Camp number:Gt = (40)(600) = 24,000 20,000 Gt 200,000 (Table 2), OKThe design of 3 slow mix tanks for flocculation is complete. The design parameters selected and calculated as shown in Table 3 are reproduced in Tables 5-7.Table 5. Design parameters selected and calculated for flocculation tank #1.As far as I can tell, the design procedure adopted by Ye Qiang and the Tianjin Design Institute did not consider the concept of velocity gradient. During our meeting in Singapore to review the Nantong design, I asked Ye Qiang whether the design of coagulation and flocculation tanks was based on the concept of G value. Ye Qiang confirmed that he was aware of the velocity gradient concept. But recently, Ye Qiang stated that there is no documentation/calculation to demonstrate that the design is indeed based on velocity gradient.The information supplied to the Tianjin Design Institute was based on Ye Qiangs personal experience. Ye Qiang forwarded a copy of calculations done by the Design Institute to me, see document attached. There is no mention of velocity gradient in the document and it seems that the design procedure is the reverse of the above design procedure. The impeller diameter and rotational speed are arbitrarily selected. These selected values are then used to calculate the power requirement, see diagram below. It is obvious that the procedure is the exact opposite of what is normally used by designers of coagulation and flocculation processes.The design procedure adopted by Ye Qiang and the Tianjin Design Institute is conceptually incorrect. But it does not mean that the proposed full-scale coagulation and flocculation processes will fail in practice. The reason is that a wide range of velocity gradient has been proposed for coagulation and flocculation design in the literature. So the safety margin is huge. Nevertheless, Ye Qiang as a process designer should learn the proper way of designing wastewater treatment processes. Proper documentation of design procedure and calculation is a must.I decided to use a hypothetical case to illustrate the steps involved in designing coagulation and flocculation processes for a reason. I want Ye Qiang to follow the design example given above to re-calculate coagulation and flocculation design parameters for the Nantong project and to check whether the design parameters lead to velocity gradient values that fall within the acceptable range.