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高剪切均質(zhì)機(jī)的設(shè)計(jì)
1 緒論
剪切式均質(zhì)技術(shù)作為一種新型微米技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、輕工、微生物等諸多行業(yè)，并得到迅速發(fā)展，已成為這些行業(yè)對(duì)有關(guān)流體、半流體產(chǎn)品品質(zhì)所必不可少的工藝過(guò)程。
國(guó)外早在30年前就產(chǎn)生并使用均質(zhì)機(jī)，且應(yīng)用于生產(chǎn)。目前，已有美國(guó)、日本、德國(guó)等10多個(gè)國(guó)家生產(chǎn)均質(zhì)機(jī)。剪切式均質(zhì)機(jī)作為均質(zhì)機(jī)械中的佼佼者，也被廣泛的認(rèn)識(shí)和研究。自從1948年德國(guó)FLUKO公司首次發(fā)明了應(yīng)用高剪切原理制成分散乳化設(shè)備，高剪切分散乳化設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)了多種系列產(chǎn)品，在世界均質(zhì)機(jī)械行業(yè)處于領(lǐng)先地位。近40年來(lái)，國(guó)外，特別是歐洲一些國(guó)家在高剪切分散均質(zhì)機(jī)行業(yè)得到迅速發(fā)展，并在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用，如化裝品、制藥、食品、涂料、黏合劑等。國(guó)外所研究制造的剪切式均質(zhì)設(shè)備基本上上是采用定一轉(zhuǎn)子型（stator-rotor）結(jié)構(gòu)作為均質(zhì)頭，在電機(jī)的高速驅(qū)動(dòng)下（300-10000r/min），物料在轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)，形成強(qiáng)烈的液力剪切和湍流，使物料在同時(shí)產(chǎn)生的離心、擠壓、碰撞等綜合作用力的協(xié)調(diào)作用力下，得到充分的分散、乳化、破碎，達(dá)到要求的的效果。美國(guó)和德國(guó)在剪切式均質(zhì)機(jī)的研究和開發(fā)方面都取得了顯著進(jìn)展。如美國(guó)IKA-WERKE GMHB CO.KG生產(chǎn)的多系列分散均制設(shè)備；美國(guó)ROSS公司研制的高剪切混合乳化機(jī)；德國(guó)IKA-MASCHINENBAU公司研制的ULTRA分散機(jī)；德國(guó)YSTRAL公司生產(chǎn)的X40型分散攪拌機(jī)；德國(guó)公司研制的系列高剪切分散乳化劑、管線式高剪切分散乳化劑、管式分散乳化劑、間歇式高剪切與間歇式無(wú)軸承分散乳化劑、高效強(qiáng)力分散乳化劑等世界領(lǐng)先高科技產(chǎn)品。
我國(guó)的均質(zhì)機(jī)研究產(chǎn)品是從50年代個(gè)別廠家開始的，最早是上海煙草機(jī)械廠仿制美國(guó)產(chǎn)品，直到80年代才開始逐漸的生產(chǎn)均質(zhì)機(jī)，而且大多是傳統(tǒng)的高壓均質(zhì)設(shè)備。隨著國(guó)外剪切式均質(zhì)機(jī)的迅速發(fā)展，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多科研人員，制造和使用廠家也開始重視對(duì)剪切式均質(zhì)機(jī)的研究工作。目前，已建立了與國(guó)外廠商聯(lián)營(yíng)、合資研制生產(chǎn)剪切式均質(zhì)機(jī)的公司。如上海菲魯克（FLUKO）機(jī)電設(shè)備有限公司；中美合資南通羅斯（ROSS）混合設(shè)備有限公司等。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有許多廠家開始生產(chǎn)高剪切均質(zhì)機(jī)，如東市長(zhǎng)江機(jī)電有限公司、上海環(huán)保設(shè)備總廠、上海威宇機(jī)電有限公司、上海市化工裝備研究所生產(chǎn)的集混合、分散、乳化、溶解、粉碎等功能為一體的系列剪切式均質(zhì)機(jī)。
1.1 高剪切均質(zhì)機(jī)的均質(zhì)原理
剪切均質(zhì)機(jī)基于超剪切原理，實(shí)現(xiàn)固相的微化和液相的乳化。目前采用剪切式均質(zhì)機(jī)主要工作部件為一級(jí)或多極的相互嚙合的定轉(zhuǎn)子又有數(shù)層齒圈。其均質(zhì)乳化有以下方面：
1 液力剪切作用
液力剪切是指高速流動(dòng)的流體本身會(huì)對(duì)流體內(nèi)粒子產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切作用，而且由于高速流動(dòng)產(chǎn)生劇烈的微湍流，在湍流邊緣出現(xiàn)很高的局部速度梯度，處于這種局部速度梯度下的粒子會(huì)受剪切而微粒化，液力剪切分層流剪切和湍流剪切。在層流區(qū)域，流體在定轉(zhuǎn)子槽道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)的最大流速及所受到的最大剪切力與流體流動(dòng)方向上的壓力梯度成正比。當(dāng)施以周期性高頻脈動(dòng)壓力梯度時(shí)，最大速度在槽道壁面與機(jī)理道中心之間，偏離中心，且頻率增大，最大速度增大，且向壁面趨近，剪切力增大。流體在同軸圓筒之間成為旋轉(zhuǎn)流，由于兩圓筒速度不同，間隙內(nèi)流體層之間存在速度梯度，產(chǎn)生剪切力。如圓筒設(shè)為定子和轉(zhuǎn)子，在定轉(zhuǎn)子間隙很小情況下，轉(zhuǎn)子速度越大，定轉(zhuǎn)子間隙越小，則最大剪切越大。而對(duì)于纖維物料處理時(shí)，在由高速旋轉(zhuǎn)的定轉(zhuǎn)子形成的流場(chǎng)內(nèi)，由于流動(dòng)著的流體流于齒槽邊界接觸、不同速度運(yùn)動(dòng)的兩股流體相互接觸產(chǎn)生劇烈的湍流。湍流狀態(tài)下，由于不斷變化的流動(dòng)速度和由此產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力作用于分散向顆粒表面，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用力。湍流強(qiáng)度越大，流體所受的剪切作用越大 ，另外，湍流運(yùn)動(dòng)的脈動(dòng)特性使其具有傳遞擴(kuò)散性，從而使物料的粉碎過(guò)程中能更產(chǎn)生很好的分散、混合效果?？梢钥闯?，當(dāng)速度達(dá)到一定值時(shí)，流體各層之前產(chǎn)生的剪切應(yīng)力大于纖維物料的臨界剪切應(yīng)力，從而使纖維物料破碎。
液力剪切是高速流動(dòng)的流體本身對(duì)流體內(nèi)粒子產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切作用，而且由于高速流動(dòng)產(chǎn)生劇烈的微湍流，在湍流邊緣出現(xiàn)很高的局部速度梯度，處于這種局部速度下的粒子會(huì)受剪切而微?；毫羟蟹謱恿骷羟信c湍流剪切，高黏度物料一般處于層流狀態(tài)，低黏度物料一般處于湍流狀態(tài)，果蔬汁物料處于兩者之間。
2 高頻壓力波作用
高頻壓力波主要有空穴效應(yīng)，高頻壓力振動(dòng)，可使顆粒表面周期性膨脹、壓縮，致使固相與液相顆粒破裂。空穴效應(yīng)是由于大量氣泡隨壓力升高而瞬間潰滅而產(chǎn)生的高速微射流，速度可達(dá)到100m/s到300m/s這一高速微射流產(chǎn)生的脈沖壓力接近200Mpa這就是空穴效應(yīng)。高頻壓力振動(dòng)是由于定轉(zhuǎn)子齒槽時(shí)開時(shí)閉時(shí)產(chǎn)生的，高頻壓力波對(duì)果疏汁等含液-液相的物料可達(dá)到很好的均質(zhì)效果。
3機(jī)械撞擊、剪切作用
對(duì)于含固體顆粒物料的粉碎均質(zhì)，機(jī)械剪切與撞擊起主導(dǎo)作用，轉(zhuǎn)子帶有葉高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子中心形成很強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，料液（液液或液固混合物）從定轉(zhuǎn)子中心被吸入，在離心力地作用下，物料由內(nèi)圈向外圈運(yùn)動(dòng)，線速度越來(lái)越高，形成極大的壓力梯度場(chǎng)，在該場(chǎng)中，物料受機(jī)械力、流體力作用下，產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切、摩擦、撞擊以及物料間的相互碰撞、摩擦實(shí)現(xiàn)固相在微粒與液相的乳化。
圖1-1 定子—轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖
圖1-2 高剪切粉碎機(jī)定轉(zhuǎn)子示意圖
其工作原理為：物料經(jīng)初粉碎后，與大量的水混合物，使物料有了一定的流動(dòng)性。轉(zhuǎn)子帶有葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子中心形成的負(fù)壓區(qū)，料液（纖維物料與流體混合物）從定轉(zhuǎn)子中心被吸入，在離心力作用下，物料由中心向四周擴(kuò)散，在向四周擴(kuò)散過(guò)程中，物料首先受到葉片的攪拌、并在葉片端面與定子齒圈內(nèi)側(cè)窄隙間受到剪切，然后進(jìn)入內(nèi)圈轉(zhuǎn)齒與定齒的窄小的間隙內(nèi)，在機(jī)械力和流體力學(xué)效應(yīng)的作用下，產(chǎn)生很大的剪切、摩擦、撞擊以及物料間的相互碰狀和摩擦作用而使物料破碎。隨著轉(zhuǎn)齒的線速度由內(nèi)圈向外圈逐漸增高，粉碎環(huán)境不斷改善，物料在向外圈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到越來(lái)越強(qiáng)烈的剪切、摩擦、沖擊、碰撞等作用而被粉碎得越來(lái)越細(xì)。以下是定子和轉(zhuǎn)子的實(shí)物圖。
圖1-3 定子—轉(zhuǎn)子實(shí)物圖
1.2 電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)軸連接形式
通常，帶傳動(dòng)用于中小功率電動(dòng)機(jī)與工作機(jī)械之間的動(dòng)力傳遞。其優(yōu)點(diǎn)主要有：適用于中心距較大的傳動(dòng)；帶具有良好的撓性，可緩沖和沖擊、吸收振動(dòng)；過(guò)載時(shí)帶與帶輪間回出現(xiàn)打滑，打滑雖使傳動(dòng)失效，但可防止損壞其他零件；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。當(dāng)然他也有不少缺點(diǎn)；傳動(dòng)的外輪廓尺寸較大；需要張緊裝置；由于帶的滑動(dòng)，不能保證固定不變的傳動(dòng)比；帶的壽命較短；傳動(dòng)效率較低。在此生產(chǎn)線中設(shè)計(jì)使用的高剪切均質(zhì)機(jī)，其功率不算大，所以其整個(gè)機(jī)體的尺寸也較小。聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，且效率高。
綜合以上各個(gè)方面，可以將電動(dòng)機(jī)軸和轉(zhuǎn)軸用聯(lián)軸器直接連接起來(lái)，做成臥式結(jié)構(gòu)，這樣其傳動(dòng)效率較高，且使其專用空間減少，從而大大提高機(jī)器工作效率。如圖1-4所示。
圖1-4 電動(dòng)機(jī)遇轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)簡(jiǎn)圖
2均質(zhì)機(jī)的設(shè)計(jì)
2.1電動(dòng)機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)的類別有一般異步電動(dòng)機(jī)、變速異步電動(dòng)機(jī)、防爆異步電動(dòng)機(jī)等,在此選用一般異步電動(dòng)機(jī)即可滿足工作要求.
電動(dòng)機(jī)外殼結(jié)構(gòu)形式:在本設(shè)計(jì)的生產(chǎn)環(huán)境中,可能有水滴落、飛濺,容易造成電機(jī)燒壞;且空氣中經(jīng)常存在叫多的灰塵,所以在此電動(dòng)機(jī)的外殼形式選擇封閉式中的自扇冷卻式結(jié)構(gòu),其在本身轉(zhuǎn)軸上(封閉部分以外)裝有風(fēng)扇,以冷卻機(jī)身.
一般異步電動(dòng)機(jī)中包括Y系列(IP23)三相異步電動(dòng)機(jī)、Y系列(IP44)三相異步電動(dòng)機(jī)、YH系列高轉(zhuǎn)差率三相異步電動(dòng)機(jī)和YEJ系列電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī).
YH系列高轉(zhuǎn)差率三相異步電動(dòng)機(jī)和YHJ系列電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)均是Y系列(IP44)電機(jī)的派生產(chǎn)品,而對(duì)于Y系列(IP44)三相異步電動(dòng)機(jī),此電動(dòng)機(jī)為封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī),效率高、節(jié)能,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)距高、噪聲低、振動(dòng)小,運(yùn)行安全可靠.能防止灰塵、鐵屑或其他雜務(wù)侵入電機(jī)內(nèi)部;具有與Y系列相同的用途于驅(qū)動(dòng)無(wú)特殊要求的各種機(jī)械設(shè)備,如水泵、鼓風(fēng)機(jī)、金屬切削機(jī)床及運(yùn)輸機(jī)械等)外,還能適用于灰塵多、水土飛濺的場(chǎng)所,如球磨機(jī)、碾米機(jī)、磨粉機(jī)、脫谷機(jī)及其他農(nóng)用機(jī)械、食品機(jī)械、礦山機(jī)械等.
已知電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率為22KW.查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(1)第九章,在此處選用Y180M-2型電動(dòng)機(jī),機(jī)座不帶底腳,端蓋不帶凸緣.轉(zhuǎn)速為2940r/min.如圖2-1所示,
圖2-1 電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖
2.2軸的設(shè)計(jì)與校合
2.2.1 軸的設(shè)計(jì)
式中 C-由軸的材料和承載系數(shù)確定的常數(shù)
P-軸傳遞的功率,KW
n-軸的轉(zhuǎn)速,r/min
電機(jī)和軸之間使用一彈性聯(lián)軸器相連
軸用滾動(dòng)球軸承支撐
軸選用材料:1Cr17Ni2,取C=140（不銹鋼C一般為125-145），
P=,n=2940r/min,
所以
考慮到軸上要開鍵槽,所以直徑放大7%左右
所以D=27.2+27.27%=29.1mm
又因?yàn)檩S上每個(gè)轉(zhuǎn)子處要開兩個(gè)鍵槽,所以去=取D=35mm
2.2.2 軸的校合
2.2.2.1軸的強(qiáng)度校核
軸的受力情況如圖2-2所示,未注單位為mm,其中重力;由于軸的轉(zhuǎn)速較高,所以轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的偏心力得加以考慮,偏心力,其中m為轉(zhuǎn)子的偏心質(zhì)量,為偏心距,所以。
圖2-2 軸的受力簡(jiǎn)圖
圖2-3軸的彎矩和成圖
圖2-4 軸的扭矩圖
軸的材料為1Cr17Ni2,,經(jīng)淬回火后,其許用應(yīng)力,做出軸的彎距圖,如圖2-3所示,則M=-44.1
軸的轉(zhuǎn)矩:
軸的扭矩圖如圖2-4所示,則
危險(xiǎn)截面的當(dāng)量彎矩:從圖可見,若將此軸看作D=35mm的等直徑軸,則軸承所支撐的A處截面最危險(xiǎn),其當(dāng)量彎矩為:
如認(rèn)為軸的扭切應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力,取折合系數(shù),代入上式可得:
所以
所以此軸符合強(qiáng)度要求.
2.2.2.2 軸的剛度校核
將軸的受力進(jìn)行簡(jiǎn)化,如圖2-5所示,
圖2-5 軸的受力簡(jiǎn)圖
當(dāng)量作用力P處的撓度最大,且最大撓度,其中E為材料的彈性摸量,查得1Cr17Ni2在20℃時(shí)的E為;當(dāng)軸為等直徑時(shí),.
求軸的當(dāng)量直徑;查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)④得不等直徑的階梯軸的當(dāng)量直徑的計(jì)算公式為
式中 —階梯軸i段的長(zhǎng)度;
—階梯軸i段的直徑
L—兩支承之間的長(zhǎng)度;
當(dāng)載荷作用于兩支承之間時(shí),L=1;
當(dāng)載荷作用于兩懸臂時(shí),L=1+K;
K—軸的懸臂長(zhǎng)度.
所以
所以
因?yàn)檗D(zhuǎn)子與定子每一圈齒之間的間隙為0.5mm,所以起剛度也符合要求.
2.3軸承的選用
軸承分為滾動(dòng)式軸承和滑動(dòng)式軸承兩大類,其中滾動(dòng)軸承按滾動(dòng)體的形狀又可分為球軸承和滾子軸承,滾子軸承中又包括圓住滾子軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承和調(diào)心滾子軸承;滾動(dòng)軸承可分為干摩擦軸承和含油軸承等.
2.3.1軸承型號(hào)選用
與滑動(dòng)軸承比,滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小、啟動(dòng)靈敏、效率高、潤(rùn)滑簡(jiǎn)便和易于互換等優(yōu)點(diǎn);
本質(zhì)均機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速較高,載荷不大,主要承受徑向載荷,但其旋轉(zhuǎn)精度要求較高,且支承剛度較高,所以可成對(duì)采用深溝球軸承.
當(dāng)軸承內(nèi)徑相同時(shí),外徑愈小,滾動(dòng)體愈小愈輕,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體作用于外圈滾道上的離心力愈小,因此更合適與高速下工作,但同時(shí)要承受一定的載荷,所以直徑系列選用3(中)系列.
綜上考慮,選用深溝球軸承632.
2.3.2 潤(rùn)滑和密封
潤(rùn)滑的作用 潤(rùn)滑過(guò)程中,軸承內(nèi)部各元件見,均存在不同程度的相對(duì)滑動(dòng),從而導(dǎo)致摩擦發(fā)熱和元件的磨損.因此工作中必須對(duì)軸承進(jìn)行可靠的潤(rùn)滑.
潤(rùn)滑的主要目的是;
1)減小摩擦發(fā)熱,避免工作溫度過(guò)高
2)降低磨損
3)防止銹蝕
4)密封(脂潤(rùn)滑)
d代表軸承內(nèi)徑(mm),a代表軸承的轉(zhuǎn)速(r/min),
當(dāng)<(1.5～2)時(shí),一般可采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑,
在此 =602940=17640,所以可以選用脂潤(rùn)滑.
且脂潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)在于:油膜強(qiáng)度高;油脂粘附性好,不易流失,使用時(shí)間較長(zhǎng);密封簡(jiǎn)單,能防止灰塵、水分和其他雜務(wù)進(jìn)入軸承.此外,潤(rùn)滑脂的不足或過(guò)多,都會(huì)導(dǎo)致軸承工作中升溫增大,磨損加快,故潤(rùn)滑脂的填充量要適度.一般,以填充量占軸承與外殼見的1/3～1/2為宜.考慮其工作環(huán)境相對(duì)還不錯(cuò),且操作方便,所以對(duì)軸承的密封可采用防塵蓋.
所以選用軸承為 6312—2Z.
2.3.3 軸承的固定
軸承的固定方式有兩端固定支承、固定—游動(dòng)支承、兩端游動(dòng)支承.在此,周主要用于傳遞扭矩,軸承所受的軸向和徑向力都很小,且由于安裝了機(jī)械密封,為防止其的損壞,要求軸基本上不產(chǎn)生軸向位移,由此對(duì)其軸承的固定采用固定—游動(dòng)的方式.其固定方式如圖2-6所示。
圖2-6 軸承固定方式圖
2.4 聯(lián)軸器的選用
2.4.1 幾種聯(lián)軸器的比較
序號(hào)
1
2
3
聯(lián)軸器名稱
凸緣聯(lián)軸器（GB/T5843—1986）
彈性套柱銷聯(lián)軸器（GB/T4323—1984）
梅花型彈性聯(lián)軸器（GB/T5272—1985）
轉(zhuǎn)距范圍/Nm
10～20000
6.3～16000
16～25000
軸徑范圍/mm
10～180
9～170
12～140
最高轉(zhuǎn)距/
13000～1400
8800～1150
15300～1100
許用相對(duì)位移
軸向/mm
要求兩軸嚴(yán)格精確對(duì)中
較大
1.2～5.0
徑向/mm
0.2～0.6
0.5～1.8
角向
1°30′～0°30′
1°～2°
特點(diǎn)及應(yīng)用說(shuō)明
機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，工件可靠，裝拆方便，剛性好，傳遞轉(zhuǎn)距大，但不能吸收沖擊。當(dāng)兩軸對(duì)中精度較低時(shí)，將引起較大的附加載荷，適用于工件平穩(wěn)的一般傳動(dòng)，高速傳動(dòng)時(shí)需要有高的對(duì)中和制造精度
結(jié)構(gòu)緊湊，裝配方便，具有一定的彈性和緩沖性能，補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移不大，當(dāng)位移量太大時(shí)，彈性件容易損壞，主要用于一般的中小功率傳動(dòng)軸系，工作溫度-20～70℃
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，有緩沖減振性能，安全可靠，耐磨，對(duì)加工精度要求不高，適應(yīng)范圍廣，可用于各種中小功率的水平和垂直傳動(dòng)軸系，工作溫度-35～80℃
2.4.2 聯(lián)軸器型號(hào)的選用
軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
查機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 表17-1,得
所以
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)④ 表41.5-34 選取梅花型彈性聯(lián)軸器ML6。
2.5 密封選用
密封可以分為靜密封和動(dòng)密封兩大類。靜密封主要有墊密封、密封膠密封和直接接觸密封三大類。動(dòng)密封可以分為旋轉(zhuǎn)密封和往復(fù)密封兩種基本類型。
目前，常用于旋轉(zhuǎn)軸密封的有機(jī)械密封、填充密封和油封。填充密封主要作動(dòng)密封，它廣泛用做離心泵、壓縮機(jī)、真空泵、攪拌機(jī)和船舶螺旋槳的轉(zhuǎn)軸密封等。機(jī)械密封又稱端面密封，是旋轉(zhuǎn)軸用動(dòng)密封，被廣泛用于石油、化工、冶金、航空、原子能等工業(yè)中。油封也可用于旋轉(zhuǎn)軸密封。
2.5.1 機(jī)械密封
2.5.1.1 機(jī)械密封原理
圖2-7 機(jī)械密封原理簡(jiǎn)圖
1- 靜環(huán)，2-動(dòng)環(huán)，3-動(dòng)環(huán)密封圈，4-推環(huán)
5-傳動(dòng)座，6-彈簧，7-靜環(huán)密封圈，8-靜環(huán)圈
在總裝圖中可以看到，機(jī)械密封采用了外裝形式，其定位依靠甩水環(huán)和套筒，均質(zhì)腔底盤中心有凸緣回轉(zhuǎn)臺(tái)，以及用來(lái)排除液料的渦輪結(jié)構(gòu)防止了大部分的含顆粒料液進(jìn)入，避免了因介質(zhì)壓力與彈簧力的方向相反而相互縣的泄露。但是，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，彈簧力不變，端面受力太大，由于摩擦副尚未形成液面，端面上比壓過(guò)大容易磨傷密封面。在這里采用機(jī)械密封將容易泄露的軸向密封改變?yōu)檩^難泄露的靜密封和端面徑鄉(xiāng)接觸的動(dòng)密封。減少了泄露量，降低了對(duì)軸的精度和表面粗糙的要求，由于減少了軸的接觸面積，使得軸不易受磨損。
2.5.1.2 機(jī)械密封與成型填料密封的比較
機(jī)械密封與軟填料密封相比較，有如下優(yōu)點(diǎn)：密封可靠，在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，密封狀態(tài)穩(wěn)定，泄露量很小，按粗略統(tǒng)計(jì)，其泄露量一般僅為軟填料密封的1/100；使用壽命長(zhǎng)，在油、水類介質(zhì)中一般可達(dá)1～2年或更長(zhǎng)時(shí)間，在化工介質(zhì)中通常也能達(dá)半年以上；摩擦功率消耗小，機(jī)械密封的摩擦功率緊為軟填料密封的10%～50%；軸或軸套基本上不受磨損；維修周期長(zhǎng)，端面磨損后可自動(dòng)補(bǔ)償，一般情況下，無(wú)須經(jīng)常的維修；抗振性好，對(duì)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)、偏擺以及軸對(duì)密封腔的偏斜不敏感；適用范圍廣，機(jī)械密封用于低溫、高溫、真空、高壓、不同轉(zhuǎn)速，以及各種腐蝕性介質(zhì)和含磨粒介質(zhì)等的密封。但其也有一些缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)制造加工要求高；安裝與更換比較麻煩，并要求工人有一定的安裝技術(shù)水平；發(fā)生偶然性事故時(shí)，處理較困難；一次性投資高。
本均質(zhì)機(jī)在工作中要求密封處基本上無(wú)泄露，一旦泄露，會(huì)對(duì)機(jī)內(nèi)的物料造成污染。
綜上考慮，在此選用機(jī)械密封。
對(duì)于軸：
機(jī)械密封處線速度：
2.5.1.3 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)形式的選擇
對(duì)本均質(zhì)機(jī)調(diào)查后可發(fā)現(xiàn) ①介質(zhì)為液體，起壓力為2公斤，溫度在0℃～80℃范圍內(nèi)，軸徑為42mm轉(zhuǎn)速為2940r/min。 ②介質(zhì)特性—介質(zhì)壓力低，無(wú)腐蝕性，無(wú)固體顆粒及纖維雜質(zhì)，且不宜汽化和結(jié)晶。 ③主機(jī)工作特點(diǎn)與環(huán)境條件—連續(xù)操作；主機(jī)安裝在室內(nèi)；周圍氣氛性質(zhì)良好，溫度變化不大。 ④幾乎不允許有泄露，并且對(duì)泄露方向有要求；壽命盡量長(zhǎng)些，從而降低更換次數(shù)，且可靠性要高些。
綜上考慮選用： MYV1=142型機(jī)械密封，
2.5.1.4 機(jī)械密封的冷卻與潤(rùn)滑
機(jī)械密封的冷卻與端面潤(rùn)滑由循環(huán)請(qǐng)水系統(tǒng)保證。循環(huán)水流量由機(jī)體外管道閥門控制。少量泄露的清水被甩水環(huán)甩至軸承座支架板，經(jīng)由排水管排出。
2.5.2 油封的選用
2.5.2.1 油封與其它密封裝置的比較
油封與其它密封裝置比較有下列優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造。簡(jiǎn)單油封一次便可以模壓成型，即使最復(fù)雜的油封，制造工藝不復(fù)雜。金屬骨架油封也只需要經(jīng)過(guò)沖壓、膠接、鑲嵌、模壓等工序即可將金屬與橡膠組成所需要求的油封。 ②重量輕、耗材少。每種油封都是薄壁的金屬件與橡膠件的組合，其材料耗費(fèi)極少，因而每個(gè)油封的重量很輕。 ③油封的安裝位置小，軸向尺寸小，容易加工，并使機(jī)器緊湊。 ④密封性能好，使用壽命較長(zhǎng)。對(duì)機(jī)器的振動(dòng)和主軸的偏心都有一定的適應(yīng)性。 ⑤裝拆容易、檢修方便。 ⑥價(jià)格便宜。
油封對(duì)內(nèi)可封油，對(duì)外可防塵。
油封的缺點(diǎn)在于不能承受高壓，但機(jī)械密封處由油所產(chǎn)生的壓力在兩公斤左右，油封足可以承受。
2.5.2.2 油封的工作范圍
油封的工作范圍如表2-1所示
表2-1 油封的工作范圍表
工作壓力
～0.3Mpa
密封面線速度
低速型 <4m/s
高速型 4～15m/s
工作溫度
-60～150℃（與橡膠種類有關(guān)）
適用介質(zhì)
油、水及弱腐蝕性液體
壽命
500～2000h
油封處線速度：
2.5.2.3 油封的結(jié)構(gòu)
在此選擇橡膠骨架結(jié)構(gòu) 把沖壓好的金屬骨架包在橡膠之中，成為內(nèi)包骨架型，其制造工藝稍微復(fù)雜一些。但剛度好，易裝配，且鋼板材料要求不高。
2.5.2.4 油封材料
鑒于油封處于大氣和油的環(huán)境中，所以要求材料的耐油性、耐大氣老化性能良好；同時(shí)它常遇灰塵、水，且有很高的轉(zhuǎn)速，因此要求耐磨性和耐熱性良好。丁腈橡膠的耐油性能優(yōu)異。
所以選擇丁腈橡膠作為油封材料。
2.5.2.5 油封的潤(rùn)滑
安裝時(shí)對(duì)油封唇部涂潤(rùn)滑脂。因?yàn)殇嚮鶟?rùn)滑脂的耐熱、耐水性能好，溫度變化時(shí)稠度很少變化，適用溫度范圍廣，遇水也不降低其潤(rùn)滑性能，所以油封的潤(rùn)滑選用鋰基潤(rùn)滑脂。
2.5.2.6密封圈
用做油封的旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈選用內(nèi)包骨架有副唇的密封。對(duì)于外部環(huán)境多灰塵、雨水及雜質(zhì)等場(chǎng)合，應(yīng)采用有副唇的密封圈。
綜上所述，選用GB9877—88中的FB型油封。
2.6 定子、轉(zhuǎn)子、葉片結(jié)構(gòu)與尺寸的確定
2.6.1 定子與轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)
紡織漿料的均質(zhì)步驟，在整個(gè)生產(chǎn)工序中非常重要，此工序中的主要部件—高剪切均質(zhì)機(jī)，其中的關(guān)鍵部件為定—轉(zhuǎn)子部件，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量有非常大的影響。
2.6.1.1 定子的設(shè)計(jì)
定子的材料為ZG0Cr13Ni4Mn,其結(jié)構(gòu)與尺寸如圖2-8及表2-2所示，
圖2-8 定子結(jié)構(gòu)圖
表2-2 定子結(jié)構(gòu)主要尺寸
名稱
定子直徑
定子高
齒高
齒圈槽深
齒圈距
齒間距
齒厚
數(shù)值（mm）
198
40
29.5
30
7
3
6
此定子裝拆方便，且盤上開了一個(gè)鍵槽，利用鍵來(lái)防止其在剪切過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.6.1.2 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)子的材料也是ZG0Cr13Ni4Mn，其結(jié)構(gòu)與尺寸如圖2-9及表2-3所示，
圖2-9 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖
表 2-3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要尺寸
名稱
轉(zhuǎn)子直徑
轉(zhuǎn)子高
齒高
齒圈槽深
齒圈距
齒間距
齒厚
數(shù)值（mm）
137
45
29.5
30
7
3
6
轉(zhuǎn)子與葉片做成分離式，便于裝拆。
2.6.2 葉片的設(shè)計(jì)
葉片的材料也是ZG0Cr13Ni4Mn，葉片的設(shè)計(jì)參考離心泵葉片的設(shè)計(jì)，考慮到處理的是含固體顆粒的固-液相的液料，因此將葉片設(shè)計(jì)成開啟式后彎葉片渦輪，這種渦輪直徑小，葉片寬，轉(zhuǎn)速高，具有高剪切力和較強(qiáng)的循環(huán)能力，同時(shí)，由于中間無(wú)圓盤，上下液體流動(dòng)通暢，排除性能好，且葉片不易磨損，并且要求葉片彎曲公式：，t值范圍為0-38%，其結(jié)構(gòu)與尺寸如圖2-10及表2-4所示，
圖2-10 葉片結(jié)構(gòu)圖
表2-4 葉片結(jié)構(gòu)主要尺寸
名稱
葉片直徑
葉片總高
葉片高
葉片數(shù)目
數(shù)值（mm）
85
48
30
5
2.6.3 葉片和轉(zhuǎn)子的裝配關(guān)系
葉片和轉(zhuǎn)子均做成分離式，其裝配非常方便，其裝配關(guān)系如圖2-11所示
圖2-11 葉片和轉(zhuǎn)子裝配
2.7 固定葉片和轉(zhuǎn)子的鍵的選用與效核
2.7.1 鍵的選用
因?yàn)镈=35mm，普通平鍵中A型鍵在槽中固定良好，所選用鍵 GB1096—79較松鍵聯(lián)結(jié)。
2.7.2 鍵的效核
如圖2-12所示，查機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)表10-10，得鍵的擠壓強(qiáng)度效核：
所以所選鍵的擠壓強(qiáng)度符合要求。
鍵的剪切強(qiáng)度效核：
所以所選鍵的剪切強(qiáng)度也符合要求
綜上得，所選鍵符合要求。
2.8 固定葉片和轉(zhuǎn)子的螺栓的效核
一隊(duì)轉(zhuǎn)字齒盤與葉片用5個(gè)均布的螺栓聯(lián)結(jié)，螺栓，材料位不銹鋼。
各螺栓受力
式中 T—軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩；r—各螺栓中心線與轉(zhuǎn)軸中心線的距離，
所以
單個(gè)螺栓預(yù)緊力 ，
式中 —可靠性系數(shù)，取；
M—接合面數(shù)目，m=1；
F—接合面摩擦系數(shù)，取f=0.15,
所以
式中 —螺紋小徑，
所以 ，
又 ，
—材料屈服極限，=900Mpa;
S—緊螺栓聯(lián)接的安全系數(shù)，取S=5，
所以 ，
，
所以此處固定所用的螺栓符合強(qiáng)度要求。
2.9 支座的設(shè)計(jì)
注意的一些問(wèn)題有由于鑄鐵的鑄造性能好、價(jià)廉和吸振能力強(qiáng)，此支座采用鑄造完成。設(shè)計(jì)中要注意的一些問(wèn)題有：
支座的設(shè)計(jì)主要應(yīng)保證剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性。
1剛度 評(píng)定大多數(shù)支座工作能力的主要準(zhǔn)則是剛度。
2強(qiáng)度 強(qiáng)度是評(píng)定重載支座工作性能的基本準(zhǔn)則。
3穩(wěn)定性 支座受壓結(jié)構(gòu)及受壓彎結(jié)構(gòu)都存在失穩(wěn)問(wèn)題。
此外，再滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，支座設(shè)計(jì)應(yīng)盡量滿足其設(shè)計(jì)中的一般要求：
1支座的重量應(yīng)要求輕、成本低。
2抗振性好。把受迫振動(dòng)限制在允許范圍內(nèi)。
3噪聲小。
4溫度場(chǎng)分布合理，熱變形對(duì)精度的影響小。
5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機(jī)械加工。
6結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件。
7造型好。使之既適用經(jīng)濟(jì)，又美觀大方。
參考已有均質(zhì)機(jī)的支座設(shè)計(jì)，本均質(zhì)機(jī)支座的結(jié)構(gòu)如圖2-13所示，
圖2-13 指座結(jié)構(gòu)圖
2.10 物料2進(jìn)口、出口尺寸的確定
本均質(zhì)機(jī)的處理量約為（包括水在內(nèi)），由，Q—處理量，；r—進(jìn)口內(nèi)徑，m;—舞料進(jìn)口流速，m/s; t—時(shí)間，s.
有
考慮到物料進(jìn)去后有個(gè)加速，所以取d=45mm。查機(jī)械手冊(cè)（新版）1 此處內(nèi)螺紋選用圓柱內(nèi)螺紋G1 1/2；
對(duì)于物料出口，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版） 1 選用圓柱外螺紋 G1 1/4。
2.11 轉(zhuǎn)軸的加工工藝
轉(zhuǎn)軸的機(jī)械加工工藝過(guò)程如表2-5所示。
2.12 設(shè)備安裝、調(diào)試與操作
在零件裝配中注意以下幾點(diǎn)要求：
① 零件在裝配前必須清理和清洗干凈，不得有銹蝕、切屑、油圬、著色劑和灰塵。
② 裝配完成后，撥動(dòng)聯(lián)軸器，若出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，金屬碰撞聲等，檢查后進(jìn)行重新裝配。
③ 筒體外表涂黃色油漆。
再按照總裝配圖進(jìn)行裝配，在裝配中注意以下幾點(diǎn)要求：
① 零件在裝配前必須清理和清洗干凈，不得有氧化皮、銹蝕、切屑、油圬和灰塵等。
② 裝配前應(yīng)對(duì)零、部件的主要配合尺寸，及相關(guān)精度進(jìn)行復(fù)查。
③ 裝配完成后，撥動(dòng)聯(lián)軸器，若出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，金屬碰撞聲等，進(jìn)行重新裝配。
④ 泵入清水循環(huán)潤(rùn)滑冷卻，加入適量的水進(jìn)行二十分鐘的試驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)沖擊。要求各聯(lián)接件、緊固件不松動(dòng)。密封處、結(jié)合處無(wú)泄露。
⑤ 底座和機(jī)身涂黃色油漆。
表2-5 轉(zhuǎn)軸機(jī)械加工工藝過(guò)程
工序號(hào)
工序名稱
工序內(nèi)容要求
基面
設(shè)備
1
下料
不銹鋼1Cr17Ni2
鋸床
2
車
光右端面，加工右端外形，右端打中心孔，保持有效總長(zhǎng)1060；光左端面，左端打中心孔
左端面外形；右端外形
C6140-1；三爪定心卡盤
3
粗車各端長(zhǎng)度和直徑
各尺寸留余量2-3毫米
右端外形；左端中心孔
C6140-1；三爪定心卡盤；尾頂尖
4
粗車（調(diào)頭）
各尺寸留余量2-3毫米
左端外形；右端中心孔
C6140-1；三爪定心卡盤；尾頂尖
5
檢驗(yàn)
6
熱處理
固溶HBS150—187
7
研磨頂尖孔
研去兩端60°錐面的氧化皮
C6132；三爪定心卡盤；60°錐面鑄鐵研具
8
精車
，，，，，過(guò)渡圓、倒角、形位公差及粗糙度要求見零件圖圖紙
兩端中心孔
C6140-1B；卡箍、雙頂尖
9
精車（調(diào)頭）
，，，，過(guò)渡圓、倒角、形位公差及粗糙度要求見零件圖圖紙
兩端中心孔
C6140-1B；卡箍；雙頂尖
10
精車
當(dāng)圈槽
兩端中心孔
C6140-1B；卡箍；雙頂尖
11
銑
銑三處鍵槽
X52K；銑床機(jī)用抱鉗
12
功螺紋
左端螺紋M16深22，孔深24
絲錐
13
檢驗(yàn)
檢驗(yàn)8、9、10、11、12工序尺寸
14
鉗
去兩鍵槽周邊毛刺
15
洗滌吹凈稱重量
16
總檢
（按零件圖）
總結(jié)和展望
翻閱了大量資料的基礎(chǔ)上，對(duì)紡織漿料真空超細(xì)粉碎系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)裝備進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。其中重點(diǎn)做了一級(jí)高剪切均質(zhì)機(jī)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中許多地方參考了已有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
計(jì)中在決定其轉(zhuǎn)軸和電動(dòng)機(jī)的聯(lián)結(jié)方式是，選擇了其二者通過(guò)聯(lián)軸器直接相聯(lián)，如此既減少了其所占空間，又提高了其工作效率；均質(zhì)機(jī)的機(jī)筒和定子采取分離式，大大方便了安裝；對(duì)于密封的選用，考慮了多方面的因素，如衛(wèi)生、裝拆等，選擇了機(jī)械密封、油封和O型密封圈密封等。
由于自身知識(shí)水平及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的限制，設(shè)計(jì)中有許多需要改進(jìn)的地方，在次希望各位老師給予各種指導(dǎo)意見。相信隨著國(guó)內(nèi)高剪切均質(zhì)機(jī)的迅速發(fā)展，加之國(guó)內(nèi)許多科研人員、制造和使用廠家對(duì)剪切式均質(zhì)機(jī)研制工作的重視，高剪切均質(zhì)機(jī)會(huì)逐漸遍及生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。
致謝
在設(shè)計(jì)過(guò)程中為本人做出指導(dǎo)的裘子劍老師，范豐老師等從生產(chǎn)實(shí)踐到課題的設(shè)計(jì)計(jì)算都付出了辛勤的汗水，在設(shè)計(jì)中更是給予了本人非常大的幫助。
由此，在此對(duì)以上老師及設(shè)計(jì)過(guò)程中給予過(guò)我?guī)椭母魑煌瑢W(xué)表示誠(chéng)摯的感謝
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