一種新型立式高剪切分散機(jī)

覃壽同 段閃閃 李和林 王 棟

張銀霞 李松濤 趙晶晶

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

現(xiàn)在市場上銷售的高速剪切機(jī)一般都是臥式結(jié)構(gòu)（圖1）［1，2］，主要存在以下的缺點(diǎn)：電機(jī)與工作主軸多采用剛性聯(lián)接，分散工作過程中，某些物料的“分散返稠”極易造成機(jī)器發(fā)熱嚴(yán)重或負(fù)載過大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成負(fù)荷超載損壞電機(jī)；單級布置時(shí)物料分散的均勻性不好，多級布置則極易出現(xiàn)物料流動(dòng)死角，造成物料堆積產(chǎn)生變性，而且重心偏移工作中易發(fā)生振動(dòng)；此外，這些分散機(jī)的定轉(zhuǎn)子分散組件分散剪切間隙不可調(diào)，造成適用范圍窄，維護(hù)困難等缺陷。本研究所述的新型高剪切分散機(jī)就是針對這些情況設(shè)計(jì)的。

圖1 臥式分散機(jī)的剖視圖Figure1 Section view of horizontal dispersion machine

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1．1 結(jié)構(gòu)組成

立式分散機(jī)的具體結(jié)構(gòu)見圖2。整機(jī)由上端蓋、葉輪、粗間隙定轉(zhuǎn)子組件、中間隙定轉(zhuǎn)子組件、細(xì)間隙定轉(zhuǎn)子組件、下端蓋、軸承腔體、底座等部件組成組成。最上部為進(jìn)料端蓋，端蓋頂端可通過標(biāo)準(zhǔn)法蘭與輸送物料管端部相連接。分散機(jī)工作部分安裝在軸承腔上，軸承腔體內(nèi)裝有機(jī)械密封和軸承，并通過螺栓與底部相連，分散機(jī)工作部分外殼圓周上開有冷卻水的入口和出口。

圖2 立式分散機(jī)的剖視圖Figure2 Section view of vertical dispersion machine

1．2 工作原理

電機(jī)提供動(dòng)力經(jīng)底座中帶輪結(jié)構(gòu)傳遞給主軸，主軸帶動(dòng)分散組件的轉(zhuǎn)子在工作腔內(nèi)做高速旋轉(zhuǎn)，由摩擦力、離心力進(jìn)而帶動(dòng)工作腔內(nèi)的待分散物料液體在定、轉(zhuǎn)子間隙間做高速運(yùn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)子和定子與物料液體的摩擦力最終形成對物料液體高剪切力作用。這種高剪切力會(huì)對分散相物料進(jìn)行破碎、均質(zhì)、乳化作用［3］。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)、定子間的間隙越小，物料進(jìn)行破碎、均質(zhì)、乳化的效果越好，當(dāng)然這時(shí)發(fā)熱也越大。所設(shè)計(jì)的整機(jī)定轉(zhuǎn)子組件由粗、中、細(xì)三級不同間隙定轉(zhuǎn)子組件組成，也可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整級數(shù)。物料由輸料管從進(jìn)料口進(jìn)入，首先受到葉輪的一次初級分散和攪拌，然后通過第一級粗間隙定轉(zhuǎn)子間的狹縫達(dá)到分散和均質(zhì)乳化的初過程，經(jīng)過初級分散后的物料經(jīng)過中等間隙定轉(zhuǎn)子時(shí)再次進(jìn)行分散和均質(zhì)乳化，經(jīng)過二級分散后的物料最后經(jīng)過下層較小間隙定轉(zhuǎn)子時(shí)再次進(jìn)行分散和均質(zhì)乳化，最終從出料口輸出。

當(dāng)物料性狀不同及使用一段時(shí)間需維修調(diào)整時(shí)，可以通過調(diào)整定轉(zhuǎn)子組件間隙來滿足要求。

2 設(shè)計(jì)思路及特點(diǎn)

根據(jù)常用臥式高速剪切分散機(jī)的缺陷，本機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮了以下幾點(diǎn)：

（1）電機(jī)與主軸采用分體設(shè)置并由皮帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接；

（2）定轉(zhuǎn)子組件為三級多層錐齒梳狀定轉(zhuǎn)子組件保證物料的分散粒度及均勻性；

（3）進(jìn)料口設(shè)置在工作腔體的頂部，出料口設(shè)置在工作腔體的底部借助重力防止物料發(fā)生堆積；

（4）要有良好的冷卻措施；

（5）設(shè)置有利于物料流動(dòng)的導(dǎo)向葉輪；

2．1 電機(jī)與主軸的連接

為了減少電機(jī)與主軸的剛性聯(lián)接所產(chǎn)生的沖擊以及工作中負(fù)載過大時(shí)能保護(hù)電機(jī)，電機(jī)與主軸通過皮帶進(jìn)行連接［4］。電機(jī)提供動(dòng)力，通過皮帶傳動(dòng)把動(dòng)力傳給主軸，主軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。皮帶連接可以保證傳動(dòng)的穩(wěn)定性和當(dāng)負(fù)載過大時(shí)保護(hù)電機(jī)。此外在皮帶輪結(jié)構(gòu)所處的底座中，留有足夠空間，還可以通過更換不同直徑的帶輪，形成不同的傳動(dòng)比，滿足不同物料的分散剪切速度要求和組成設(shè)備的系列產(chǎn)品的需要。

2．2 定轉(zhuǎn)子組件

定轉(zhuǎn)子組件的結(jié)構(gòu)見圖3。這種結(jié)構(gòu)能保證物料在分散均質(zhì)后的粒徑［5］，設(shè)備采用了豎直立式布置的三級多層梳齒錐狀定轉(zhuǎn)子分散組件結(jié)構(gòu)。第1級定轉(zhuǎn)子組件為粗間隙定轉(zhuǎn)子組件，第2級定轉(zhuǎn)子組件為中等間隙定轉(zhuǎn)子組件，第3級定轉(zhuǎn)子組件為細(xì)間隙定轉(zhuǎn)子組件，這3級不同間隙的定轉(zhuǎn)子組件依次布置在豎直方向的軸上［5］，定轉(zhuǎn)子組件有相同的軸向尺寸和結(jié)構(gòu)形成分散模塊，每一模塊的定位結(jié)構(gòu)可保證各模塊定位在同一軸線上。這種模塊化設(shè)計(jì)理念可以方便設(shè)計(jì)及制造。此外，每一級模塊組件中定轉(zhuǎn)子的錐狀齒，以多層形式布置，這種多層梳狀錐齒布置增加了剪切間隙數(shù)目，可以有效提高剪切效果和分散效率［6，7］。

圖3 定轉(zhuǎn)子組件Figure3 Stator and rotor assembly

每一模塊的定轉(zhuǎn)子的不同間隙是通過調(diào)節(jié)組件之間的墊圈的厚度來獲得。由于定轉(zhuǎn)子齒的錐度作用，調(diào)節(jié)定轉(zhuǎn)子間軸向位置時(shí)它們的剪切間隙也就發(fā)生了變化，可更精細(xì)的控制物料分散后顆粒的大小，達(dá)到更細(xì)致的分散均質(zhì)效果。

2．3 進(jìn)出料口

進(jìn)料口設(shè)置在工作腔體的頂部，出料口設(shè)置在工作腔體的底側(cè)部，進(jìn)料口實(shí)際上也是裝置上端蓋的一部分，其上通過標(biāo)準(zhǔn)法蘭與輸送物料管相連接，這種立式布置可利用物料的自重或輔加壓就可以讓物料方便的進(jìn)入工作腔。進(jìn)料口還可以作為沖洗接口與沖洗液體管道進(jìn)行連接，可防止清洗時(shí)清洗劑揮發(fā)對環(huán)境造成污染。由于出料口在底部，由于重力作用可以減少物料在工作腔底部的堆積，出料口也設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)法蘭與管道相連接。

2．4 冷卻裝置

由于機(jī)器工作時(shí)定轉(zhuǎn)子在工作腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)對物料分散，剪切力會(huì)產(chǎn)生大量熱能使溫度升高，有些物料會(huì)因溫度升高產(chǎn)生變性，故工作腔的外壁上配有冷卻系統(tǒng)來平衡工作腔的溫升。冷卻系統(tǒng)（圖4）采用了在每一級模塊的外夾層中開出螺旋形的槽結(jié)構(gòu)形式，螺旋槽可以避免冷卻液體流動(dòng)時(shí)的死角，冷卻液繞著工作腔外壁流動(dòng)可加速溫度的降低。

圖4 冷卻裝置Figure4 Cooling equipment

2．5 導(dǎo)向葉輪

葉輪安置在工作腔的最頂端［8］，通過螺釘與軸聯(lián)接。一方面可以作為物料的導(dǎo)向裝置，另一方面可以進(jìn)行物料的初級分散和攪拌，起到一個(gè)輔助葉輪的作用［9］，減少定轉(zhuǎn)子組件分散的物料顆粒度不均勻造成的阻力，提高定轉(zhuǎn)子組件的壽命。

2．6 軸承腔體

軸承腔體在下端蓋和底座之間，軸承腔體內(nèi)裝有機(jī)械密封及軸承。機(jī)械密封的作用可以防止分散物料從工作腔流至軸承，將工作腔與軸承隔開，可以防止一些易揮發(fā)或有害成分的分散物料外泄。為防止機(jī)器高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高溫?zé)龎臋C(jī)械密封，它也配有循環(huán)冷卻系統(tǒng)［10］。在機(jī)械密封的下端裝有支撐軸承，支撐軸承采用普通的脂潤滑。軸承工作時(shí)溫度不超過90 ℃。

3 主要技術(shù)參數(shù)

（1）裝置外形尺寸：長×寬×高≤1 600mm×800mm×1 500mm。

（2）每一模塊（即相互嵌套的定轉(zhuǎn)子）外殼尺寸：L×D ＝165mm×392mm。

（3）模塊級數(shù)：3 級

（4）分散區(qū)速度：18～35m／s。

（5）電機(jī)：四極電機(jī)Y225S－4，轉(zhuǎn)速1 480r／min，功率37kW。

（6）分散模塊處軸的直徑：60mm。

4 結(jié)語

立式高速剪切機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、安裝調(diào)節(jié)方便、安全可靠、穩(wěn)定等特點(diǎn)，可保證分散工作時(shí)間短、效率高；三級分散及利用錐齒可調(diào)間隙的結(jié)構(gòu)可確保粒徑尺寸大小和均勻化；模塊化設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)了由較少種類零件組裝成系列產(chǎn)品的目的。立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較好解決了冷卻死角問題和避免了物料死區(qū)，可使進(jìn)入分散機(jī)內(nèi)的全部物料充分均質(zhì)分散且便于清洗。進(jìn)料口接沖洗管道可防止清洗時(shí)清洗劑揮發(fā)。同時(shí)電機(jī)與軸采用皮帶傳動(dòng)使得電機(jī)在過載時(shí)得到保護(hù)，通過調(diào)整帶輪輪徑大小使分散速度最優(yōu)化，這些特點(diǎn)也是今后高速分散剪切機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問題。

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