膠乳類碟式分離機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)

魏玉龍 程春艷

摘要：為了更好地滿足橡膠工業(yè)的發(fā)展需要，本文研究與開(kāi)發(fā)了膠乳類碟式分離機(jī)。介紹了碟式分離機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r和膠乳類碟式分離機(jī)的開(kāi)發(fā)思路，并對(duì)膠乳類碟式分離機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，如碟片組優(yōu)化設(shè)計(jì)、碟式分離機(jī)內(nèi)流特性以及分離效率的研究、碟式分離機(jī)柔性支承振動(dòng)特性的研究、碟式分離機(jī)液力剎車系統(tǒng)的研究、碟式分離機(jī)柔性傳動(dòng)及潤(rùn)滑系統(tǒng)研究及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：膠乳，碟式分離機(jī)，振動(dòng)，分離效率，控制系統(tǒng)

引言

天然橡膠作為一種世界性的工業(yè)原料，因其很強(qiáng)的彈性和良好的絕緣性、可塑性、隔水隔氣、抗拉和耐磨等特點(diǎn)，廣泛地運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通、運(yùn)輸、機(jī)械制造、醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域和日常生活等方面。天然橡膠組分復(fù)雜，加工要求嚴(yán)格，其初加工主要分成干膠加工和濃縮膠乳加工。目前生產(chǎn)濃縮膠乳的主要方法是離心法，離心法具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)過(guò)程短、產(chǎn)品純度高和質(zhì)量容易控制等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而其產(chǎn)量較多，約占濃縮膠乳總量的90%。碟式分離機(jī)是應(yīng)用最廣的分離機(jī)械之一，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品加工、香料生產(chǎn)、醫(yī)藥工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)等領(lǐng)域，而且碟式分離機(jī)在分離機(jī)行業(yè)中的比重逐年提高，因此碟式分離機(jī)的發(fā)展能有效推動(dòng)我國(guó)分離機(jī)械產(chǎn)業(yè)。本文針對(duì)膠乳濃縮預(yù)處理需求，開(kāi)發(fā)新型的碟式分離機(jī)有利于提高膠乳產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率，符合國(guó)家振興裝備制造業(yè)的需求，有著巨大的市場(chǎng)潛力，并有著廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

1.碟式分離機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r

碟式分離機(jī)是一種高速沉降離心機(jī)，它是利用轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的一組錐形碟片和轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力（如圖1所示）。碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)速高，分離因數(shù)大，能很好的實(shí)現(xiàn)乳濁液的分離和高分散懸浮液的澄清。國(guó)際上在分離機(jī)械自主設(shè)計(jì)及制造方面領(lǐng)先的企業(yè)有瑞典的ALFA-LAVAL，美國(guó)的道爾-奧立弗、夏普爾斯，德國(guó)ELLERWERK、魯瓦SMS、黑特爾豪斯，英國(guó)的威廉希爾頓，法國(guó)的羅巴特爾等。

圖1? 碟式分離機(jī)工作原理圖

瑞典ALFA-LAVAL公司是世界上最大的分離機(jī)械制造公司，產(chǎn)品由分離機(jī)發(fā)展到各種離心機(jī)、過(guò)濾機(jī)等成套設(shè)備，ALFA-LAVAL公司的AX-215機(jī)型的分離因數(shù)均已超過(guò)15000，并且開(kāi)發(fā)用于生物工程的Fux-510機(jī)型，則帶有振動(dòng)監(jiān)視裝置和具有自動(dòng)調(diào)節(jié)的渦旋形噴嘴;目前德國(guó)ELLERWERK公司已制成轉(zhuǎn)鼓直徑為3000mm 的分離機(jī)，而碟式機(jī)的最大處理量已達(dá)300m3/h;丹麥的RUSTER研制了帶電子控制及可加熱和冷卻的離心機(jī)，WESTFALIA則開(kāi)發(fā)了CNB45分離機(jī)，該公司的三相逆流離心機(jī)已在華北藥廠成功地用于青霉素的萃取。

我國(guó)碟式分離機(jī)的發(fā)展已有50年的歷史，其主要技術(shù)有從其他行業(yè)用分離機(jī)改型以及從國(guó)外同類產(chǎn)品消化吸收而來(lái)的。目前，我國(guó)廣泛用于離心法濃縮膠乳的膠乳分離機(jī)是ALFA-LAVAL公司生產(chǎn)的LRH410型以及國(guó)產(chǎn)LX-460/LX-560型。與國(guó)外的LRH410相比，LX-460延長(zhǎng)了停機(jī)除渣時(shí)間，縮短了開(kāi)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，但是在生產(chǎn)效率和制成率方面與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平還存在一定的差距。

對(duì)于膠乳的預(yù)處理，國(guó)外已經(jīng)形成了較為完善的研究體系，并取得了一些顯著的成果。然而國(guó)內(nèi)目前所有的濃縮膠乳的加工工藝中并沒(méi)有采用預(yù)處理措施，在很大程度上限制了濃縮膠乳的制成率，對(duì)膠乳的預(yù)處理機(jī)——碟式分離機(jī)系統(tǒng)的研究是現(xiàn)在亟需完成的任務(wù)。

2.膠乳類碟式分離機(jī)的開(kāi)發(fā)思路

盡管碟式分離機(jī)在國(guó)內(nèi)形成了初步的設(shè)計(jì)規(guī)模，但是將碟式分離機(jī)作為膠乳預(yù)處理機(jī)卻是一個(gè)全新的理念。鮮膠乳粘性大，內(nèi)含雜質(zhì)多，易于吸附在轉(zhuǎn)鼓表面形成殘?jiān)５椒蛛x機(jī)作為預(yù)處理機(jī)，與分離其他介質(zhì)如葡萄酒、等有很大的區(qū)別，其目的就是將鮮膠內(nèi)的固體雜質(zhì)分離出來(lái)，保證鮮膠乳的穩(wěn)定性，提高鮮膠乳的保質(zhì)時(shí)間，很大程度上降低了濃縮膠乳的成本。為了深入的了解碟式分離機(jī)作為預(yù)處理機(jī)的可操作性及研制適合膠乳預(yù)處理的新型碟式分離機(jī)，需要對(duì)碟式分離機(jī)進(jìn)行更深入的研究。

碟式分離機(jī)立軸的彈簧支撐結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)子處于柔性振動(dòng)狀態(tài)，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有形成系統(tǒng)的理論對(duì)碟式分離及的柔性支撐特性進(jìn)行分析，不能對(duì)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性做出準(zhǔn)確的估計(jì)，在設(shè)計(jì)軸系的過(guò)程中往往存在偏差，因此對(duì)柔性支撐下的振動(dòng)特性進(jìn)行研究可以給碟式分離機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的碟式分離機(jī)都是采用齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，然而齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑系統(tǒng)不易檢測(cè)，而且齒輪傳動(dòng)的故障率也比較高，需要對(duì)預(yù)處理機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用柔性傳動(dòng)的皮帶傳動(dòng)方式，并研究適合柔性傳動(dòng)的潤(rùn)滑系統(tǒng)。

碟式分離機(jī)對(duì)物料分離效果的好壞，是分離機(jī)自身結(jié)構(gòu)和分離機(jī)的使用工況及過(guò)程工藝參數(shù)相互制約的結(jié)果，液體在碟片間流動(dòng)情況及粒子在碟片間運(yùn)動(dòng)情況相當(dāng)復(fù)雜，不僅受到離心加速度的影響，同時(shí)還受到哥氏加速度及液體粘滯阻力的影響。分離機(jī)自身結(jié)構(gòu)的影響還需要在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不斷探索和積累經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同的物料確定其結(jié)構(gòu)，同時(shí)分離機(jī)的使用工況及過(guò)程工藝參數(shù)需要進(jìn)行調(diào)整，選擇合適的工況以及合理的工藝參數(shù)才能達(dá)到最佳的分離效果。

轉(zhuǎn)鼓中的碟片組部件是碟式分離機(jī)的核心部件。合理設(shè)計(jì)碟片組不僅是保證碟式分離機(jī)能正常、安全運(yùn)行的前提，而且將直接影響離心機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。強(qiáng)度計(jì)算是碟式分離機(jī)碟片組設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，目前國(guó)內(nèi)的碟片組強(qiáng)度計(jì)算大多數(shù)是根據(jù)機(jī)械工程手冊(cè)推薦的離心機(jī)強(qiáng)度計(jì)算方法。由于碟式分離機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量較大，為了提高生產(chǎn)效率節(jié)省停機(jī)時(shí)間，要想在短時(shí)間內(nèi)停車所需要的阻力矩比較大，但是目前國(guó)內(nèi)采用常規(guī)電磁剎車等制動(dòng)式剎車法會(huì)使分離機(jī)內(nèi)的膠液溫度升高，以至于發(fā)生質(zhì)變，影響分離后的產(chǎn)物，使碟式分離機(jī)的分離效果降低。

3.膠乳類碟式分離機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1碟片組優(yōu)化設(shè)計(jì)

影響碟式分離機(jī)分離效率主要因素是轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的上碟、碟片及進(jìn)料分配器等零件結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)。碟式分離機(jī)的碟片組主要包括進(jìn)料分配器、碟片和上碟三部分，不僅要滿足生產(chǎn)工藝的需要，還要求其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滿足強(qiáng)度要求等。運(yùn)用ANSYS軟件建立等效的力學(xué)模型，對(duì)不同工況下碟片組的受力狀況進(jìn)行研究，分析不同轉(zhuǎn)速下碟片分配孔、碟片間距以及碟片半錐角對(duì)碟片組應(yīng)力分布的影響。在有限元應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合Fluent對(duì)內(nèi)流特性的分析結(jié)果，以滿足強(qiáng)度和提高分離效率為優(yōu)化目的，以碟片分配孔、碟片間距以及碟片半錐角等結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化參數(shù)，建立了碟片組的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，對(duì)碟片組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2碟式分離機(jī)內(nèi)流特性以及分離效率的研究

在距離很小的碟片間隙內(nèi)，液體在高速旋轉(zhuǎn)下流動(dòng)，其內(nèi)流特性是影響分離效率的關(guān)鍵因素。鑒于碟式分離機(jī)內(nèi)流特性復(fù)雜，對(duì)其正常工況下的內(nèi)流特性進(jìn)行研究，用Fluent軟件模擬碟式分離機(jī)內(nèi)流場(chǎng)，分析碟片分配孔、碟片間距以及碟片半錐角等對(duì)內(nèi)流場(chǎng)的影響，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并用Fluent軟件分析碟片分配孔與軸線之間存在一定的夾角時(shí)對(duì)內(nèi)流場(chǎng)的影響，確定內(nèi)流特性與碟式分離機(jī)工作效率之間的關(guān)系。對(duì)不同的物料進(jìn)行分析確定碟式分離機(jī)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)分離機(jī)的使用工況及過(guò)程工藝參數(shù)需要進(jìn)行調(diào)整，選擇合適的工況以及合理的工藝參數(shù)以達(dá)到最佳的分離效果，從碟式分離機(jī)的自身結(jié)構(gòu)、使用工況及過(guò)程工藝參數(shù)來(lái)分析影響分離效果的因素。

3.3碟式分離機(jī)柔性支承振動(dòng)特性的研究

由于碟式分離機(jī)的轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)速高（通常在4000～10000r/min之間），容易引起劇烈的震動(dòng)，甚至破壞機(jī)器結(jié)構(gòu)，危及操作人員的安全。碟式分離機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因有很多，如轉(zhuǎn)鼓組件中零部件的裝配精度不高;主軸與轉(zhuǎn)鼓的定位不準(zhǔn)確;上、下軸承與主軸軸頸之間的配合間隙偏大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸承和軸頸的單邊不均勻磨損等，都會(huì)造成系統(tǒng)振動(dòng)。但是，對(duì)于碟式分離機(jī)影響最大的是工作頻率接近系統(tǒng)的固有頻率所引起的系統(tǒng)共振，共振導(dǎo)致軸承、傳動(dòng)件的使用壽命急劇下降，嚴(yán)重的將破壞機(jī)器。

利用ADAMS建立了分離機(jī)主軸系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。運(yùn)用ADAMS建立主軸振動(dòng)模型，研究主軸系統(tǒng)中幾何參數(shù)對(duì)系統(tǒng)固有頻率的頻譜響應(yīng)，從而使工作頻率避開(kāi)系統(tǒng)的固有頻率，保證了轉(zhuǎn)鼓的平穩(wěn)運(yùn)行。利用ADAMS建立分離機(jī)立軸軸系計(jì)算模型，對(duì)立軸的各階臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。在剛性支承轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上，用ADAMS建立考慮柔性支承參振質(zhì)量的轉(zhuǎn)子動(dòng)力模型，并分別計(jì)算出在柔性支承下的主軸和立軸的各階臨界轉(zhuǎn)速，與剛性條件下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分析柔性支承下的振動(dòng)特性，為碟式分離機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)平衡提供依據(jù)。

3.4碟式分離機(jī)液力剎車系統(tǒng)的研究

人工排渣型碟式分離機(jī)在工作過(guò)程中經(jīng)常要排渣、清洗，啟停機(jī)頻繁，由于碟式分離機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量較大，為了提高生產(chǎn)效率節(jié)省停機(jī)時(shí)間，要求在短時(shí)間內(nèi)停車，需要較大的制動(dòng)力矩，現(xiàn)行的電磁剎車等制動(dòng)式剎車法會(huì)使分離機(jī)內(nèi)的膠液溫度升高，影響產(chǎn)品質(zhì)量，而液力剎車系統(tǒng)由于液體與轉(zhuǎn)鼓之間的摩擦僅產(chǎn)生很低的摩擦熱，而且循環(huán)的液體會(huì)把這少部分的熱帶走，保持停車過(guò)程中分離機(jī)內(nèi)膠液溫度恒定，故提出采用液力剎車的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。

進(jìn)行碟式分離機(jī)液力剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在分離機(jī)主從動(dòng)端分別采用液力渦輪制動(dòng)器及射流制動(dòng)器，其中液力渦輪制動(dòng)器將轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為水壓能并供給射流制動(dòng)器，利用Fluent軟件分別對(duì)其內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，探索液力剎車的制動(dòng)力矩與循環(huán)液流量、壓力及噴嘴參數(shù)等的關(guān)系，開(kāi)展液力渦輪制動(dòng)器與射流制動(dòng)器的匹配性研究，對(duì)液力剎車系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并搭建碟式分離機(jī)液力剎車系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，研究液力剎車系統(tǒng)的制動(dòng)性能及其影響因素。

3.5碟式分離機(jī)柔性傳動(dòng)及潤(rùn)滑系統(tǒng)研究

同其它大多數(shù)的機(jī)器一樣，齒輪失效也是碟式分離機(jī)的主要故障之一，而且碟式分離機(jī)的工作轉(zhuǎn)速很高，其齒輪傳動(dòng)經(jīng)常發(fā)生故障而影響生產(chǎn)，這種傳動(dòng)方式通常采用飛濺潤(rùn)滑，齒輪攪動(dòng)潤(rùn)滑油，消耗功率大，易發(fā)熱，而且齒輪傳動(dòng)時(shí)里面的潤(rùn)滑油含量沒(méi)法準(zhǔn)卻估計(jì)殘余油量。采用新型皮帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其潤(rùn)滑油系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種適用于皮帶傳動(dòng)的潤(rùn)滑系統(tǒng)。

3.6控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用PLC控制，PLC可編程控制器控制各種邏輯功能，有互鎖、過(guò)載、過(guò)流、短路保護(hù)功能，自動(dòng)控制機(jī)器的進(jìn)料、排渣、沖洗、停機(jī)等各種動(dòng)作;電機(jī)采用變頻啟動(dòng)，可以減少機(jī)器啟動(dòng)時(shí)的沖擊，使機(jī)器平穩(wěn)升速，還可調(diào)節(jié)機(jī)器的轉(zhuǎn)速;用觸摸屏可設(shè)定和顯示各種參數(shù)值（封閉轉(zhuǎn)鼓時(shí)間、分離時(shí)間、排渣時(shí)間等），顯示機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài);具有振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置與報(bào)警指示，可以顯示離心機(jī)的瞬時(shí)振動(dòng)烈度。

4.結(jié)束語(yǔ)

膠乳類碟式分離機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)有利于提高膠乳產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率，符合國(guó)家振興裝備制造業(yè)的需求，有著巨大的市場(chǎng)潛力，對(duì)加快我國(guó)橡膠工業(yè)向大型化發(fā)展起著極大地推動(dòng)作用，對(duì)我國(guó)乃至世界橡膠工業(yè)的發(fā)展也是極其有利的。

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