工業(yè)攪拌裝置的設(shè)計(jì)

工業(yè)攪拌裝置的設(shè)計(jì)

林曉磊1，陳景環(huán)2，崔慶虎2，焦龍2

(1.山東科技大學(xué)泰安校區(qū),山東泰安271019；2.山東科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266510)

摘要：針對(duì)以液體為主體的機(jī)械攪拌裝置的特點(diǎn)，對(duì)食品工業(yè)攪拌裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際工藝特性和用戶要求，計(jì)算攪拌裝置參數(shù)，參照中國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定設(shè)計(jì)思路，逐步對(duì)攪拌裝置的主要零部件進(jìn)行選型，并進(jìn)行校核驗(yàn)證。這種通過將理論和經(jīng)驗(yàn)密切結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，可為類似工藝的攪拌裝置的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞:攪拌裝置工藝特性參數(shù)選型

中圖分類號(hào)：TH163文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：林曉磊(1956-)，山東泰安人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，1982 年1月畢業(yè)于太原重型機(jī)械學(xué)院工程機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)任教于山東科技大學(xué)，主要從事機(jī)械制造方面教學(xué)和科研工作。

收稿日期：2015-04-13

Design of mechanical agitating equipment in industries

LIN Xaolei，CHEN Jinghuan，CUI Qinghu，JIAO Long

Abstract:Most mechanical agitating equipment mainly process liquid material, this paper elaborates a design of agitating equipment of food industry. Based on the actual process characteristics and user requirements, calculating the parameters, referring to the current national industry standards for mixing equipment, the main parts were selected,checked and validated. This method of combining theory and experience closely can provide reference for further design of similar agitating equipment

Keywords:agitating equipment; process characteristics; parameters; model selection

1問題的提出

攪拌操作有多種形式，如機(jī)械攪拌、氣流攪拌等，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最多的均系機(jī)械攪拌。機(jī)械攪拌裝置的設(shè)計(jì)是一個(gè)需要理論和經(jīng)驗(yàn)密切結(jié)合的過程，進(jìn)行攪拌裝置的設(shè)計(jì)需要詳細(xì)了解攪拌過程的工藝特性與要求，包括攪拌目的、物料特性、操作溫度、壓力等。而不同的工藝過程對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、規(guī)格、材料等存在多樣性要求，且制作的數(shù)量較少，所以難以實(shí)現(xiàn)系列化定性供貨，因此攪拌裝置均按工藝實(shí)際要求進(jìn)行選型、設(shè)計(jì)和制作供應(yīng)。

在壓力容器制造公司已經(jīng)實(shí)習(xí)半年多了，也參與了很多壓力容器攪拌裝置的設(shè)計(jì)工作，以其中一個(gè)為例來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)參數(shù)、條件如表1。

進(jìn)行攪拌裝置的設(shè)計(jì)一般有如下幾個(gè)過程：

①詳細(xì)了解攪拌過程的工藝特性與要求，包括攪拌目的、物料特性、操作溫度、壓力等；

表1

攪拌裝置設(shè)計(jì)條件

②根據(jù)攪拌目的和物料特性選擇合適的攪拌器、內(nèi)構(gòu)件及運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)；

③計(jì)算功率消耗、排除流量、固液懸浮臨界轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)；

④根據(jù)工藝要求選擇合適的軸封形式；

⑤根據(jù)功率、軸封等選擇合適的電機(jī)、減速機(jī)、機(jī)架、聯(lián)軸器等傳動(dòng)裝置；

⑥攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算與設(shè)計(jì)；

⑦其他攪拌裝置部件，如安裝法蘭、釜內(nèi)支撐等的設(shè)計(jì)。

3機(jī)械攪拌裝置的組成部分

攪拌裝置的的主要組成部分如圖1。

圖1　攪拌裝置示意圖

4機(jī)械攪拌裝置主要部分選型

4.1攪拌器選型

攪拌器選型,是非常重要的一步,也是最依賴經(jīng)驗(yàn)的一步,目前尚無完善的客觀尺度，一般可以從以下幾方面考慮：攪拌目的、物料粘度、攪拌容積的大小和經(jīng)濟(jì)性。

攪拌器選型就是選擇流場(chǎng)和能量的匹配。除了極個(gè)別的情況以外，絕大多數(shù)普通液體攪拌操作都完全可以用槳式、渦輪式和推進(jìn)式三種攪拌器完成。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮槳式攪拌器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般由2塊槳葉組成，是攪拌器中最簡(jiǎn)單的一種，造價(jià)也最低。食用粘度的范圍在50 Pa·s以下，一般的不超過2 Pa·s使用。

根據(jù)以上考慮，且根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及以往的設(shè)計(jì)參考選用槳式斜葉攪拌器，槳式葉輪的槳葉直徑d對(duì)容器內(nèi)直徑D之比一般為0.35～0.5。在湍流域進(jìn)行的低粘度液體的混合操作，其無量綱數(shù)C1(或混合準(zhǔn)數(shù)NθM)為常數(shù)，并有以下關(guān)系

式中：α—常數(shù)，通常在1.5～2.5變化；K―衰減常數(shù)。

圖2　槳式斜葉攪拌器

在同一攪拌設(shè)備中，攪拌器直徑d愈大，C1就小，攪拌性能就愈好。同時(shí)在攪拌設(shè)備中設(shè)置擋板可以增強(qiáng)液-液分散效果。在有擋板的設(shè)備中，用于液-液分散的最佳葉輪直徑為d=0.4 D。綜合以上考慮，參考攪拌與混合設(shè)備選用手冊(cè)取d=1 200mm。攪拌器如圖2。

4.2功率計(jì)算

攪拌雷諾數(shù)NRe是描述攪拌器的攪拌特性的最重要的特性參數(shù)，其計(jì)算公式為：

根據(jù)Rushton算圖，查得功率基準(zhǔn)數(shù)Np。

攪拌器功率計(jì)算公式：

P′=NPρN3d5

式中：d—攪拌器直徑，mm；N—攪拌器轉(zhuǎn)速，r/m；ρ—流體密度，kg/m3；μ—流體粘度，Pa·s。計(jì)算得P=1.92kW。

電動(dòng)機(jī)額定功率應(yīng)大于或等于正常運(yùn)行中減速機(jī)輸出軸的傳動(dòng)效率(輸出軸傳動(dòng)功率包括攪拌軸功率、軸封處摩擦損耗功率以及機(jī)架上傳動(dòng)軸承損耗等功率之和)，同時(shí)還必須滿足攪拌設(shè)備開車時(shí)啟動(dòng)軸功率增大的要求。電動(dòng)機(jī)額定功率可按下式確定：

式中：PN—電動(dòng)機(jī)的功率，kW；P′—攪拌器功率，kW；PS—軸封裝置的摩擦損失功率，kW；η—傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率。取電動(dòng)機(jī)功率為PN=3kW。

4.3減速機(jī)選型

立式減速機(jī)的選用原則應(yīng)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)減速機(jī)以及專業(yè)廠生產(chǎn)的產(chǎn)品。應(yīng)考慮減速機(jī)在振動(dòng)和載荷變化情況下工作的平穩(wěn)性，并連續(xù)工作。一般選擇傳動(dòng)效率較高的齒輪或行星針輪減速機(jī)。根據(jù)以上的計(jì)算以及以往工作經(jīng)驗(yàn)，參考長(zhǎng)城攪拌設(shè)備選型手冊(cè)，選擇減速機(jī)型號(hào)XLD3-5-35。經(jīng)校驗(yàn)是完全符合工作要求的。

4.4機(jī)架的選用

機(jī)架分為無支點(diǎn)機(jī)架、單支點(diǎn)機(jī)架、雙支點(diǎn)機(jī)架。其中，單支點(diǎn)機(jī)架設(shè)有能承受雙向載荷的支撐，軸向載荷全部卸到機(jī)架支撐上，能保證減速機(jī)的傳動(dòng)質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命，是應(yīng)用最為廣泛的一種機(jī)架，適用于均勻負(fù)載、中等沖擊條件下的所有攪拌作業(yè)場(chǎng)合。參考HG/T3139.1《釜用立式減速機(jī)型式和基本參數(shù)》，選用機(jī)架型號(hào)：DJ55A，其結(jié)構(gòu)參看圖3。DJ55A主要尺寸及機(jī)架攪拌軸軸端尺寸參看表2，表3。

圖3　DJ型機(jī)架外形圖

表2

DJ55A機(jī)架主要參數(shù)/mm

表3DJ55A機(jī)架H、H2及攪拌軸軸端尺寸/mm

機(jī)架型號(hào)DJ55Ah1h1pph5h6h7hd0d1d21184152840395247555757M1d3d4R1t1b1t2b2HH2M60×260651568568660370

4.5攪拌軸直徑的確定

攪拌軸的設(shè)計(jì)主要是確定危險(xiǎn)截面處軸的最小尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算或校核、驗(yàn)算軸的臨界轉(zhuǎn)速和撓度，以便保證攪拌軸能安全地運(yùn)轉(zhuǎn)。一般情況下，攪拌軸軸頸d必須滿足強(qiáng)度和臨界轉(zhuǎn)速要求。該罐體及攪拌軸材質(zhì)均選用US304(0Cr18Ni9)。減速機(jī)型號(hào)已確定XLD3-5-35，機(jī)架型號(hào)為DJ55A,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及以往類似的應(yīng)用，初步確定攪拌軸為空心軸，在實(shí)際應(yīng)用中，常用無縫鋼管作為空心軸，對(duì)應(yīng)的鋼管為DN65(軸外徑dL=76 mm，軸內(nèi)徑di=64 mm)。

4.5.1按扭轉(zhuǎn)變形校核攪拌軸的軸徑

軸扭矩的剛度條件為：

4.5.2按臨界轉(zhuǎn)速校核攪拌軸的直徑

臨界轉(zhuǎn)速為：

5結(jié)論

本文主要通過經(jīng)驗(yàn)與公式運(yùn)算對(duì)攪拌裝置的幾個(gè)主要的部件進(jìn)行確定，攪拌器選型為XCJ1200，減速機(jī)選型為XLD3-5-35，機(jī)架型號(hào)為DJ55A,攪拌軸為無縫鋼管空心軸DN65(dL=76mm，di=64mm)。目前該攪拌設(shè)備已投入生產(chǎn)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，滿足用戶要求。

參考文獻(xiàn)

[1]陳志平，章序文，林興華等編著.攪拌裝置與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)[M].北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2004:18-128

[2]徐世艾，韓曉麗，馮連芳，等.氣液固三相體系攪拌混合研究進(jìn)展[M].化學(xué)工業(yè)與工程，2000,17(5):278-285

[3]王凱，馮連芳著.混合設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000:79-85

[4]濮良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M](第八版).北京.高等教育出版社.2006

[5]劉鴻文主編.材料力學(xué)Ⅰ[M](第四版).北京.高等教育出版社.2004:79-80

[6]機(jī)械攪拌設(shè)備：HG/T20569-94[S].北京：化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心.1995

[7]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)壓力容器：GB150.1～150.4-2011[S].北京.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2011

[8]中華人民共和國(guó)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)釜用立式減速機(jī)形式和基本參數(shù)：HG/T3139.1―2011[S].北京.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2011