陳崔龍 張德友 方 毅 張曼曼

(合肥通用機(jī)械研究院)

FWZ型翻袋離心機(jī)螺紋副推料裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

陳崔龍*張德友 方 毅 張曼曼

(合肥通用機(jī)械研究院)

介紹了FWZ型翻袋離心機(jī)中的新型機(jī)械推料機(jī)構(gòu)——滑動(dòng)螺母絲桿螺紋副傳動(dòng)裝置和它實(shí)現(xiàn)推料動(dòng)作的工作原理、結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)。重點(diǎn)分析了該螺紋副傳動(dòng)的力學(xué)計(jì)算：推料機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力；推料機(jī)構(gòu)的總推力和絲桿、副電機(jī)及預(yù)緊彈簧等結(jié)構(gòu)和參數(shù)的選取。據(jù)此也可詳細(xì)了解影響預(yù)緊力、總推力的相關(guān)因素。本設(shè)計(jì)計(jì)算為翻袋離心機(jī)推料機(jī)構(gòu)建立了計(jì)算模型。

翻袋離心機(jī) 推料機(jī)構(gòu) 螺紋副 絲桿 預(yù)緊力

隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展，制藥、化工及食品加工等行業(yè)的用戶對(duì)過(guò)濾分離設(shè)備的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)效益、自動(dòng)化及環(huán)境保護(hù)等方面的要求不斷提高。翻袋離心機(jī)因具有全自動(dòng)控制、循環(huán)操作、自動(dòng)卸料、無(wú)殘余濾餅及對(duì)物料無(wú)污染等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，滿足了現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展需要。國(guó)外20世紀(jì) 70年代就已經(jīng)初步研發(fā)、應(yīng)用翻袋離心機(jī)，而國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。近幾年，在推行GMP規(guī)范、加入WTO后，過(guò)去傳統(tǒng)的過(guò)濾分離設(shè)備已不再能滿足市場(chǎng)的需求，因此翻袋離心機(jī)在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。

翻袋離心機(jī)的核心部件為推料裝置，該裝置一般由液壓機(jī)構(gòu)或純機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)推料動(dòng)作。目前，通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)推料動(dòng)作是技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，而國(guó)內(nèi)翻袋離心機(jī)研制處于起步階段，純機(jī)械推料機(jī)構(gòu)不成熟，也無(wú)相關(guān)的計(jì)算模型和公式作為參考。筆者所在單位自主研制的FWZ型翻袋離心機(jī)其推料裝置由滑動(dòng)螺母和絲桿組成的螺紋副組成，結(jié)構(gòu)新穎、緊湊，可靠性高，在化工及農(nóng)藥等行業(yè)得到應(yīng)用，取得了良好的效果，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。該機(jī)推料裝置的內(nèi)外推料盤在轉(zhuǎn)鼓中會(huì)受到物料離心壓力作用，過(guò)濾袋在物料離心力作用下與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁襯網(wǎng)之間的摩擦以及推桿與滑動(dòng)軸承的摩擦等因素都會(huì)對(duì)推料裝置預(yù)緊、推出及收回等動(dòng)作產(chǎn)生力學(xué)影響。筆者通過(guò)計(jì)算、分析，詳細(xì)解析這些因素在推料裝置中的影響作用，建立起翻袋離心機(jī)推料機(jī)構(gòu)的計(jì)算模型。

1 工作原理

翻袋離心機(jī)在結(jié)構(gòu)上將傳統(tǒng)的臥式離心機(jī)回轉(zhuǎn)構(gòu)件分離成同步旋轉(zhuǎn)的內(nèi)、外軸系兩部分[1]。FWZ型翻袋離心機(jī)的外軸系軸向固定；內(nèi)軸系可在螺紋副機(jī)械裝置的作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)——前進(jìn)時(shí)翻出過(guò)濾袋，實(shí)現(xiàn)卸料，后退時(shí)收回過(guò)濾袋，實(shí)現(xiàn)復(fù)位(圖1)。內(nèi)軸系主要由外推盤、內(nèi)推盤、推桿軸、滑動(dòng)軸承、滑動(dòng)螺母及絲桿等零部件構(gòu)成；外軸系主要由轉(zhuǎn)鼓體、襯網(wǎng)、主軸及軸承座等構(gòu)成。過(guò)濾布為袋狀，一端固定在外軸系的轉(zhuǎn)鼓體大端，另一端固定在內(nèi)軸系的內(nèi)推盤小端。過(guò)濾時(shí)，在離心力的作用下濾液穿過(guò)濾袋和轉(zhuǎn)鼓上的孔，固體被過(guò)濾袋截留并形成濾餅；卸料時(shí)，在機(jī)械裝置的作用下內(nèi)軸系沿軸向被推出并帶動(dòng)過(guò)濾袋翻轉(zhuǎn)，同時(shí)完成濾餅卸出和濾布再生操作；卸料完成后，內(nèi)軸系收回并鎖緊，完成復(fù)位，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。與傳統(tǒng)離心機(jī)卸料方式比較，翻袋離心機(jī)卸料后，不會(huì)有殘留濾餅，不會(huì)引起每批次物料間的污染，不會(huì)對(duì)濾餅晶體形狀產(chǎn)生破壞，也不會(huì)對(duì)下批次物料的過(guò)濾產(chǎn)生影響。

圖1 FWZ型翻袋離心機(jī)工作原理示意圖

2 推料裝置

翻袋離心機(jī)翻袋動(dòng)作是依靠推料裝置實(shí)現(xiàn)的。推料裝置主要分為液壓驅(qū)動(dòng)方式和純機(jī)械傳動(dòng)方式兩種類型。由于液壓驅(qū)動(dòng)方式有易漏油、污染所分離的產(chǎn)品和環(huán)境、旋轉(zhuǎn)的油缸有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及會(huì)降低軸的臨界轉(zhuǎn)速等缺點(diǎn)，因此其應(yīng)用范圍逐漸減小[2]，而純機(jī)械傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)型式較多。FWZ型翻袋離心機(jī)是通過(guò)主、副電機(jī)分別帶動(dòng)外軸系和內(nèi)軸系，利用速度差使內(nèi)軸系在滑動(dòng)螺母、絲桿形成的螺紋副產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)推料裝置前進(jìn)或后退，從而實(shí)現(xiàn)翻袋動(dòng)作。該驅(qū)動(dòng)方式避免了液壓驅(qū)動(dòng)方式的弊端，不會(huì)對(duì)物料產(chǎn)生污染，翻袋動(dòng)作容易實(shí)現(xiàn)，也容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

運(yùn)用純機(jī)械傳動(dòng)方式時(shí)內(nèi)軸系的軸向是自由的，這就涉及到內(nèi)軸系的預(yù)緊和驅(qū)動(dòng)力計(jì)算。筆者對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 內(nèi)軸系的預(yù)緊

FWZ型翻袋離心機(jī)在開始工作時(shí)，轉(zhuǎn)鼓和外推盤形成密封腔體(圖2)。物料通過(guò)進(jìn)料管，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的封閉轉(zhuǎn)鼓腔體內(nèi)，此時(shí)轉(zhuǎn)鼓以較低的進(jìn)料速度旋轉(zhuǎn)，根據(jù)轉(zhuǎn)鼓直徑的大小，一般為200～400r/min。物料進(jìn)入封閉的轉(zhuǎn)鼓腔體后，流體會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)鼓腔體兩端(即外推盤、內(nèi)推盤)產(chǎn)生離心壓力。為了順利將過(guò)濾袋和濾餅翻轉(zhuǎn)推出轉(zhuǎn)鼓，需要使內(nèi)推盤直徑小于外推盤直徑，一般單邊小12～20mm。若直徑差過(guò)小，卸料時(shí)過(guò)濾袋可能會(huì)被卡住，導(dǎo)致翻袋動(dòng)作無(wú)法實(shí)現(xiàn)；若直徑差過(guò)大，流體在內(nèi)外推盤上會(huì)形成壓力差，如果預(yù)緊力不夠，外推盤會(huì)在壓力差的作用下被推出，導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓腔體不能密封，產(chǎn)生物料泄漏。

圖2 轉(zhuǎn)鼓密閉時(shí)示意圖

假設(shè)進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓的物料是質(zhì)量均勻的，則物料對(duì)外推盤產(chǎn)生的最大離心壓強(qiáng)為[3]：

(1)

式中pmax——外推盤承受的最大離心壓強(qiáng)，MPa；

r外——外推盤半徑，mm；

r內(nèi)——內(nèi)推盤半徑，mm；

ρ——物料的密度，g/cm3；

ω——轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

為使外推盤在離心過(guò)濾時(shí)被鎖緊，預(yù)緊彈簧應(yīng)被壓縮，產(chǎn)生預(yù)緊力F，F(xiàn)與pmax應(yīng)有以下關(guān)系：

F≥10-1×C1pmaxπ(r外2-r內(nèi)2)

(2)

其中，C1為安全系數(shù)，考慮到設(shè)備在動(dòng)載情況下傳遞力和推桿時(shí)所受的摩擦，取2.0～2.5。

通過(guò)鎖緊螺母壓縮預(yù)緊彈簧，產(chǎn)生預(yù)緊力，預(yù)緊力大小應(yīng)滿足式(2)的要求。預(yù)緊彈簧一端頂在機(jī)架上，預(yù)緊力最終傳遞到機(jī)架。

2.2 內(nèi)軸系驅(qū)動(dòng)力

主、副電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差可提供內(nèi)軸系的驅(qū)動(dòng)力。副電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿和滑動(dòng)螺母形成螺紋副，滑動(dòng)螺母通過(guò)鍵和轉(zhuǎn)鼓實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)由主電機(jī)帶動(dòng)。內(nèi)、外推盤、推桿和滑動(dòng)螺母通過(guò)剛性聯(lián)接，形成同一速度，且與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速同步，內(nèi)軸系驅(qū)動(dòng)原理如圖3所示。當(dāng)副電機(jī)不旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)、外推盤處于收回狀態(tài)，與轉(zhuǎn)鼓形成封閉腔體，物料進(jìn)入并且升速過(guò)濾、脫水，此時(shí)，滑動(dòng)螺母帶動(dòng)絲桿作同步旋轉(zhuǎn)，副電機(jī)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。過(guò)濾完成后，到達(dá)卸料階段，此時(shí)，主電機(jī)降速，轉(zhuǎn)鼓降速至卸料轉(zhuǎn)速；副電機(jī)啟動(dòng)、升速并且超過(guò)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，絲桿轉(zhuǎn)速大于滑動(dòng)螺母轉(zhuǎn)速，形成速度差，滑動(dòng)螺母開始向左滑動(dòng)，帶動(dòng)推桿、內(nèi)外推盤同步向左運(yùn)動(dòng)，過(guò)濾袋慢慢被翻轉(zhuǎn)、推出，濾餅逐漸卸除。當(dāng)滑動(dòng)螺母滑動(dòng)到位時(shí)，副電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，滑動(dòng)螺母再次帶動(dòng)絲桿作同步旋轉(zhuǎn)，滑動(dòng)螺母向右滑動(dòng)，內(nèi)、外推盤同步向右運(yùn)動(dòng)，直至關(guān)閉，完成復(fù)位，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖3 內(nèi)軸系驅(qū)動(dòng)原理

副電機(jī)帶動(dòng)絲桿軸旋轉(zhuǎn)，傳遞扭矩。絲桿軸驅(qū)動(dòng)內(nèi)外推盤向外翻動(dòng)，要克服物料離心壓力引起的過(guò)濾袋與襯網(wǎng)間的摩擦力F1、推桿和環(huán)形密封間的摩擦力F2、推桿和滑動(dòng)軸承間的摩擦力F3、滑動(dòng)螺母和軸承座間的摩擦力F4。

2.2.1物料離心壓力引起的過(guò)濾袋與襯網(wǎng)之間摩擦力

(3)

r1——轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑，mm；

r2——轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)濾餅的自由表面半徑，mm。

由物料離心壓力引起的過(guò)濾袋與襯網(wǎng)之間的摩擦力F1為：

(4)

式中C2——考慮到過(guò)濾袋在離心力作用下周向被拉伸，一般拉伸不超過(guò)其長(zhǎng)度的30%[4]，拉長(zhǎng)的過(guò)濾袋部分嵌入襯網(wǎng)網(wǎng)孔而增加了接觸面積，故C2一般取1.3～1.5；

L——轉(zhuǎn)鼓內(nèi)長(zhǎng)，mm；

μ1——過(guò)濾袋與襯網(wǎng)之間的摩擦系數(shù)。

2.2.2推桿和環(huán)形密封之間的摩擦力

根據(jù)軟填料密封計(jì)算[5]，推桿與環(huán)形密封之間的摩擦力F2為：

F2=100πdHqμ2

(5)

式中d——推桿的外徑，cm；

H——環(huán)形密封的高度，cm；

q——環(huán)形密封的側(cè)壓力，MPa；

μ2——環(huán)形密封和推桿之間的摩擦系數(shù)，一般取0.08～0.25。

2.2.3推桿和滑動(dòng)軸承之間的摩擦力

推桿與轉(zhuǎn)鼓主軸之間設(shè)有滑動(dòng)軸承，推桿與滑動(dòng)軸承之間的摩擦力F3為：

F3=N1μ3

(6)

式中N1——滑動(dòng)軸承所受的正壓力，N；

μ3——滑動(dòng)軸承與推桿軸之間的摩擦系數(shù)。

翻袋離心機(jī)在卸料時(shí)，轉(zhuǎn)鼓與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部的物料同步旋轉(zhuǎn)，整個(gè)周向產(chǎn)生離心力，該離心力對(duì)滑動(dòng)軸承圓周方向施力均勻，相互抵消?；瑒?dòng)軸承的正壓力N1即可近似等于內(nèi)、外推盤整個(gè)組件的重量G，內(nèi)、外推盤與滑動(dòng)螺母杠桿關(guān)系示意圖如圖4所示。

圖4 內(nèi)、外推盤與滑動(dòng)螺母杠桿關(guān)系示意圖

2.2.4滑動(dòng)螺母和軸承座之間的摩擦力

因?yàn)榛瑒?dòng)螺母和絲桿之間有間隙，內(nèi)、外推盤、推桿和滑動(dòng)螺母可以看成以滑動(dòng)軸承為支點(diǎn)的杠桿系統(tǒng)，根據(jù)力矩可以計(jì)算出軸承座對(duì)滑動(dòng)螺母的正壓力N2=GL1/L2。由此，可計(jì)算出滑動(dòng)

螺母和軸承座之間的摩擦力F4：

F4=N2μ4

(7)

式中μ4——滑動(dòng)螺母與軸承座之間的摩擦系數(shù)。

結(jié)合以上各式，可以計(jì)算出翻袋所需要的總推力F=F1+F2+F3+F4。根據(jù)計(jì)算出來(lái)的總推力F，即可選擇合適直徑的絲桿；再結(jié)合內(nèi)、外推盤的轉(zhuǎn)速，可初步確定副電機(jī)功率。

3 結(jié)束語(yǔ)

FWZ型翻袋離心機(jī)的滑動(dòng)螺母絲桿螺紋副傳動(dòng)系統(tǒng)形成的推料裝置，結(jié)構(gòu)上緊湊、可靠，傳動(dòng)效率較高，避免了液壓裝置跑、冒、滴、漏等缺點(diǎn)。通過(guò)物料離心力的分析，可以確定外推盤所需要的預(yù)緊力，確定合適的彈簧。工業(yè)應(yīng)用上，因其預(yù)緊力較大，且要求彈簧變形較小，一般選用能以小變形承受大載荷的碟形彈簧。螺紋副絲桿的總推力F可以由物料離心壓力引起的過(guò)濾袋與襯網(wǎng)之間摩擦力F1、推桿和環(huán)形密封之間的摩擦力F2、推桿和滑動(dòng)軸承之間的摩擦力F3、滑動(dòng)螺母和軸承座之間的摩擦力F4求得，據(jù)此也可初步確定絲桿型式、直徑和副電機(jī)的功率。該計(jì)算模型在其他純機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)計(jì)算中，也可作為參考。

[1] 范德順，李煥，黃鐘.翻袋式離心機(jī)簡(jiǎn)介[J].過(guò)濾與分離，2000，10(3)：35～37.

[2] 范德順，錢才富，徐鴻，等.翻袋式離心機(jī)濾袋翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)研究[J].石油化工設(shè)備，2004，33(1)：12～13.

[3] 孫啟才，金鼎五.離心機(jī)原理結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：132～133.

[4] 郭仁惠，張建設(shè).濾布性能測(cè)定及選用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：182～183.

[5] 成大仙.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：10～156.

DesignCalculationofScrew-ThreadPushingDeviceinFWZInvertingFilterCentrifuge

CHEN Cui-long, ZHANG De-you, FANG Yi, ZHANG Man-man

(HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230088,China)

The new-type mechanical pusher, i.e. the sliding nut screw-assisted transmission in FWZ inverting filter centrifuge was introduced, including the pushing device’s working principle, structure and advantages realized. The mechanical calculation like the pusher’s pretightening force and total thrust force and the selection of screw rod, secondary motor and the spring for pretightening as well as the parameters concerned were analyzed, including the factors influencing both pretightening force and total thrust force. This design calculation establishes a calculation model for the pusher in the inverting filter centrifuge.

inverting filter centrifuge, pusher, screw-thread, screw rod, pretightening force

TQ051.8

A

0254-6094(2016)01-0043-05

*陳崔龍，男，1976年9月生，高級(jí)工程師。安徽省合肥市，230088。

2014-12-30)