立式離心機制動裝置設(shè)計及仿真

鄒克武，韓彥龍，孫占剛，于建國，洪紅倫

（承德石油高等?？茖W校 機械工程系，河北承德 067000）

0 引言

離心機是運用高速旋轉(zhuǎn)離心原理實現(xiàn)分離固液混合體的裝置［1-3］，被廣泛應用于制藥、化工、煤炭等領(lǐng)域［4-6］。設(shè)計立式離心機用來實現(xiàn)固液分離，設(shè)計要求離心機底盤為平面，底盤轉(zhuǎn)速為600～900 r/min之間。底盤上安裝轉(zhuǎn)鼓，用于存放待分離固液體。為縮短離心機停機時間，離心機需安裝制動裝置，以保證離心機斷電后12 s內(nèi)制動，且制動行程為17 mm左右。

1 離心機主體結(jié)構(gòu)

離心機由制動裝置、轉(zhuǎn)鼓、轉(zhuǎn)盤、主軸、電機、帶傳動裝置、軸承、機架等構(gòu)成，主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離心機主體結(jié)構(gòu)示意

離心機主軸由一對角接觸軸承支撐，電機通過帶傳動將轉(zhuǎn)矩傳遞到主軸，主軸帶動轉(zhuǎn)盤及轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)鼓中裝有待分離的固液體。主體結(jié)構(gòu)由角鋼焊接的機架支撐，機架通過地腳螺栓與地面固定連接。

離心機所選電機型號為Y180L-4，額定功率22 kW，滿載轉(zhuǎn)速1 470 r/min。角接觸球軸承型號7030AC，帶傳動傳動比為2，基本參數(shù)如表1所示。

表1 帶傳動基本參數(shù)

2 制動裝置設(shè)計

離心機正常工作時，需周期性的停機取料、上料。為提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)離心機迅速停轉(zhuǎn)，故需要設(shè)計離心機制動裝置［7-9］。所設(shè)計離心機制動裝置由閘墩、連桿機構(gòu)、彈簧箱、電動推桿等部分構(gòu)成，制動裝置未啟動時，閘墩與轉(zhuǎn)盤處于分離狀態(tài)，如圖2所示。當離心機需要停機時，關(guān)閉電機電源，遙控啟動電動推桿產(chǎn)生推力，經(jīng)連桿機構(gòu)將此推動力轉(zhuǎn)換為彈簧箱及閘墩的推動力，使閘墩與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤接觸擠壓，產(chǎn)生摩擦力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤迅速制動。

圖2 制動裝置原理

制動裝置中增加彈簧箱是為了使閘墩的推動力轉(zhuǎn)化為柔性力，避免閘墩與高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤的剛性撞擊，對制動裝置起到保護作用。離心機轉(zhuǎn)速較高，制動力大，彈簧選用剛度系數(shù)較大的蝶形彈簧。制動裝置連桿機構(gòu)受力分析如圖3所示。

圖3 制動裝置連桿機構(gòu)受力分析

制動裝置的動力輸入為電動推桿，P為電動推桿輸出的推動力，P=9 000 N，由圖3可知，F(xiàn)1=14 400 N。參考GB/T 1972-2005選取C系列碟形彈簧，材料彈性模量E=206 000 N/mm2，泊松比 μ=0.3。碟形彈簧類別為2，型式為無支承面，t取1.25～6 mm。所選碟形彈簧各參數(shù)見表2。

表2 碟形彈簧參數(shù)

壓平時碟形彈簧負荷計算式：

其中

由表2可知，F(xiàn)1/FC=0.33，查圖可得f /h0=0.52，對應于負荷F1變形量f1=0.52×2.95=1.534 mm，設(shè)計要求閘墩的制動行程為17 mm左右，即彈簧箱所選擇彈簧需要滿足變形量為17 mm，所需碟簧片數(shù)i=fzi/f1=17/1.534=11.08，取i=11。未受負荷時碟簧自由高度HZ=i×H0=11×5.2=57.2 mm。碟簧組合受負荷F1時的高度H1為40.3 mm（H1=HZ-fZ）。

3 制動裝置運動仿真

設(shè)計的制動裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。運用SOLIDWORKS軟件對制動裝置進行運動仿真，在圓盤上加力矩使圓盤達到額定轉(zhuǎn)速后，對四桿機構(gòu)主動件施加線位移，得到圓盤剎車所需時間。施加的線位移依次為 5，10，15，17.5 mm 4 種，通過這幾種位移下圓盤的剎車時間，確定使得圓盤能在12 s內(nèi)停車時，對主動件所需要施加位移大小。

圖4 制動裝置結(jié)構(gòu)

圖5 （a）可知，對剎車四桿機構(gòu)主動件施加5 mm位移沒有剎車效果。圖5（b）可知，對剎車四桿機構(gòu)主動件施加10 mm位移，圓盤開始降速，但剎車時間在15 s以上。圖5（c）可知，對剎車四桿機構(gòu)主動件施加15 mm位移，圓盤開始降速，但剎車時間仍超過12 s。圖5（d）可知，對剎車四桿機構(gòu)主動件施加17.5 mm位移，圓盤開始降速，剎車時間在12 s內(nèi)。圓盤與剎車塊之間的摩擦力變化曲線如圖6所示。由圖6可知，在10 s開始剎車后，圓盤與剎車塊之間的摩擦力急劇增加后，逐漸趨穩(wěn)定。此制動裝置能夠交平緩的實現(xiàn)離心機制動。

圖5 圓盤制動仿真

圖6 圓盤與剎車塊之間的摩擦力變化曲線

4 結(jié)語

依據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計了一套含制動裝置、轉(zhuǎn)鼓、轉(zhuǎn)盤、主軸、電機、帶傳動裝置、軸承等零部件的離心機裝置。按照制動行程為17 mm左右、制動時間為12 s的設(shè)計要求，設(shè)計了含彈簧箱的柔性制動裝置，并對彈簧箱中的碟形彈簧進行選擇、計算。

通過制動運動仿真可知，制動行程為17.5 mm時，可以保障立式離心機在12 s內(nèi)停機，所設(shè)計立式離心機及制動裝置能夠滿足設(shè)計要求。