自清潔離心機轉鼓結構設計與模型分析

鄧 飛，崔洪斌，馮 運

（河北科技大學 機械工程學院，石家莊 050018）

0 引言

直接從植物的花、葉、莖中提取的各種香料或添加劑，由于綠色天然且無副作用，越來越受到市場的歡迎，目前傳統(tǒng)的提取工藝是將采摘下來的原材料運輸?shù)缴a(chǎn)廠家，用離心機等設備進行提取。在汁液分離工序，植物固液混合物送入離心機轉鼓后，轉鼓高速旋轉，固液混合物中的液體在離心作用下，穿過轉鼓內(nèi)壁上的濾網(wǎng)，而固體部分被濾網(wǎng)阻擋，從而實現(xiàn)固液分離。分離過程中產(chǎn)生的植物殘渣，會積存在轉鼓內(nèi)，并且經(jīng)常會有少部分粘結在轉鼓濾網(wǎng)上堵塞網(wǎng)孔，因此傳統(tǒng)離心機設計有螺旋槳機構以輸出固體殘渣，設計刮刀機構以清理堵塞濾網(wǎng)孔的粘性殘渣。傳統(tǒng)離心機體積較大，分離工作過程是一個斷續(xù)的過程，輸出殘渣和清理濾網(wǎng)經(jīng)常需要停機，因此生產(chǎn)效率較低。并且，原材料的長途運輸會造成有益成分揮發(fā)損失較大，提取率變低，而分離后剩余的植物纖維殘渣還要進行廢料處理，以防污染環(huán)境。這些原因造成天然植物提取物成本很高，市場價格昂貴，高昂的價格造成了各種化學添加劑在我國的流行使用。基于以上原因，開發(fā)一種針對植物汁液提取的小型自動化離心機，設備可被機動運輸?shù)讲煌脑牧现鳟a(chǎn)區(qū)快速生產(chǎn)，不但減少了原材料的運輸成本和運輸損耗，而且可極大提高生產(chǎn)效率和汁液提取率。

1 創(chuàng)新設計原理

離心機的核心工作部件是轉鼓，通過對轉鼓的創(chuàng)新結構設計，在固液分離的同時，實現(xiàn)濾網(wǎng)防堵塞和廢料自動輸出功能，省去傳統(tǒng)離心機中的螺旋輸出和刮刀清淤等復雜笨重裝置，使離心機在不間斷工作過程中能夠自動清潔轉鼓，從而實現(xiàn)離心機的小型化。主要技術創(chuàng)新點包括：

1）設計一種橢圓錐體旋轉倉筒和圓柱體旋轉倉筒相組合的轉鼓結構，利用離心作用原理在轉鼓內(nèi)壁和濾網(wǎng)之間安裝一套高頻自振動裝置，轉鼓高速旋轉時，高頻振動裝置帶動濾網(wǎng)做高頻低幅振動，使固液混合物不易附著在濾網(wǎng)上，從而省去傳統(tǒng)設備中的刮刀清淤裝置。

2）利用伯努利原理，在轉鼓上設計一種自動出料裝置，實現(xiàn)設備在連續(xù)工作過程中的廢料自動輸出功能，省去傳統(tǒng)螺旋輸出機構。

2 轉鼓結構創(chuàng)新設計與模型分析

2.1 轉鼓主體結構設計

如圖1所示，轉鼓由兩段旋轉倉筒組合而成，分別是AB段和BC段，其中AB段為圓柱旋轉倉筒，其垂直方向剖面如圖2(a)所示，截面形狀為空心圓形截面。BC段為橢圓錐旋轉倉筒，其垂直方向剖面為空心橢圓形截面，如圖2(b)所示。在橢圓錐旋轉倉筒部分，從C點到B點，空心橢圓截面的長軸和短軸的比值逐漸變小且長軸和短軸的絕對長度逐漸變大，B點處是圓柱旋轉倉筒和橢圓錐旋轉倉筒接合處，因此，相對于橢圓錐旋轉倉筒而言，B-B剖面是空心橢圓截面的長軸和短軸比值最小處，等于1，因此B-B剖面為空心圓形截面，在C點處的C-C橢圓截面處，橢圓長軸和短軸的比值最大，即轉鼓的旋轉倉筒從C點的橢圓形截面漸變?yōu)锽點的圓柱形截面，并保持圓柱形截面至A點。

圖1 轉鼓整體結構示意圖

圖2 圓柱旋轉倉筒和橢圓錐旋轉倉筒截面示意圖

2.2 高頻振動結構設計

待分離的固液混合物，從圖1所示的轉鼓右端輸入，因此在轉鼓的BC段旋轉倉筒內(nèi)，固液混合物粘性相對最大，最容易發(fā)生濾網(wǎng)堵塞問題，傳統(tǒng)的解決方案是在轉鼓內(nèi)部設計刮刀機構，定期停止轉鼓運行以清理附著在濾網(wǎng)上的殘渣。為了解決濾網(wǎng)粘接堵塞問題，設計了一種高頻振動機構安裝在橢圓錐旋轉倉筒的內(nèi)壁上，具體結構如圖3所示，圖3為轉鼓橢圓錐倉筒壁上任意Di點處實際結構放大圖：在轉鼓內(nèi)壁上，設計了一組振動簧組，每個振動簧一端固定在轉鼓內(nèi)壁上，另一端安裝一個振動球，振動球依靠球固定網(wǎng)進行網(wǎng)點式固定，形成振動球組。工作原理為：當轉鼓高速旋轉時，振動球同步旋轉，振動簧受到周期變化的作用力，使振動簧產(chǎn)生周期性變化的縱向變形，從而帶動振動球做高頻振動，此高頻振動傳遞給濾網(wǎng)。固液混合物在高速旋轉過程中，液體通過濾網(wǎng)后從轉鼓空隙分離出去，而被分離后的固體殘渣受到高頻振動的作用，不易附著在濾網(wǎng)上。

圖3 Di處高頻振動結構示意圖

2.3 振動球力學振動特性分析

以圖3所示橢圓錐旋轉倉筒上任意Di點處振動球為力學定性分析對象，依圖1所示建立XY坐標系，Di振動球在旋轉過程中，其離心力為Fdi，方向垂直于X軸向，其運算公式為：

式中：m是小球質量，ω是轉鼓旋轉角速度，ri是Di振動球到X軸的垂直距離。

離心力Fdi可被分解成兩個方向的分力F1i和F2i，F(xiàn)1i的方向與橢圓錐斜面垂直，F(xiàn)2i的方向與橢圓錐斜面平行， F1i是引起振動簧縱向變形的分力之一。

式中：αi是Di振動球處橢圓錐的錐角，Di點處振動球的重力為Fm。

如圖4所示，在ZY坐標系中，F(xiàn)m可以分解成兩個相互垂直的分力Fm1和Fm2，其中Fm1指向圓心o，F(xiàn)m1是引起振動簧縱向變形的分力之二。

圖4 振動球重力分解示意圖

式中：βi是Di振動球旋轉角度為βi（與Z軸夾角）；

振動簧的縱向變形是由分力F1i和Fm1共同作用的結果，根據(jù)彈性變形公式，有：

式中：k是振動簧的彈性系數(shù)，xi是振動簧的縱向變形量。將式(2)和式(4)式代入式(5)，變形得：

運動特征分析結論：（根據(jù)橢圓錐的特性可知，橢圓錐在旋轉過程中，對于特定Di點，錐角αi是一個定量；對于不同位置的Di點，錐角αi是不同的）

1）在式(6)中，當轉鼓高速旋轉時，特定Di點振動球做圓形旋轉運動，βi在0～360°之間旋轉變化，因此，xi是周期性變量，xi的周期性變化帶動濾網(wǎng)進行高頻振動，振動的振幅受轉鼓轉速ω、橢圓錐上Di點的半徑ri、橢圓錐錐角αi和振動簧的彈性系數(shù)k綜合影響。

2）在ZY坐標系內(nèi)，同一個橢圓截面上的各個振動球，其環(huán)繞X軸旋轉時，每個振動球的旋轉半徑ri是不同的，因此，同一個橢圓截面上各個振動球的xi是不同的。

3）在XY坐標系內(nèi)，同一個橢圓錐斜截面上的各個振動球，錐角αi是不同的，因此，橢圓錐斜截面上的各個振動球xi是不同的。

4） 在式(7)和式(8)中，F(xiàn)2i和Fm2引起振動簧做高頻橫向振動，這個橫向高頻振動可被球固定網(wǎng)吸收，對濾網(wǎng)的作用力影響可忽略不計。

通過以上分析，在轉鼓高速旋轉過程中，橢圓錐旋轉倉筒部分，內(nèi)壁濾網(wǎng)在振動球的作用下做復雜的高頻振動。

2.4 自動出料結構設計

為了進一步將設備小型化，提高設備運行自動化，利用伯努利原理設計了一種廢料自動輸出裝置，省去了常規(guī)設備中的螺旋輸出機構。具體結構如圖5所示，在轉鼓的圓柱旋轉倉筒部分，環(huán)繞安裝兩圈出料管，出料管為中空結構，外端為圓弧狀粗頭形狀，另一端和轉鼓的圓柱旋轉倉筒內(nèi)部連通。

圖5 自動出料結構示意圖

對于轉鼓內(nèi)外的空氣壓強，利用伯努利原理進行分析，建立伯努利方程如下：

式中：p是流體中某點的壓強，v是流體在該點的流速，ρ是流體密度，g是重力加速度，h 是該點所在高度，C 是常量。

在如圖6所示的轉鼓的圓柱旋轉倉筒結構中，以ZY坐標系為基準坐標系，將轉鼓內(nèi)外的參數(shù)代入式(8)，得出：

式中：p1是圓柱倉筒與出料管連接內(nèi)孔處空氣壓強，v1是圓柱倉筒與出料管連接內(nèi)孔處空氣流速，ρ1是圓柱倉筒與出料管連接內(nèi)孔處空氣密度，h1是圓柱倉筒與出料管連接內(nèi)孔處高度，p2是出料管外端孔處空氣壓強，v2是出料管外端孔處空氣流速，ρ2是出料管外端孔處空氣密度，h2是出料管外端孔處高度。

在式(9)中，轉鼓內(nèi)外的空氣密度ρ1和ρ2基本相同，且數(shù)值很小，因此空氣高度h引起的壓強ρ1gh1和ρ2gh2本身數(shù)值很小，其壓強差值更小，可以忽略不計，因此式(9)化簡并變形得：

式中：ρ是轉鼓內(nèi)、外的空氣密度。

式中： r1是圓柱倉筒與出料管連接內(nèi)孔處旋轉半徑，r2是出料管外端孔處旋轉半徑。兩個位置的角速度ω是相同的，將式(11)、式(12)式代入式(10)整理得：

分析式(13)可得出以下結論：

1）轉鼓旋轉的角速度ω和出料管的長度是影響出料管兩端孔處壓強的關鍵因素，當轉鼓高速旋轉時，出料管的外端孔處的壓強低于轉鼓內(nèi)部的內(nèi)端孔處壓強。

2）出料管外端設計成外圓弧狀粗頭形狀，當轉鼓旋轉時，空氣做為流體，沿外圓弧流動，在外端口的空氣實際流速要大于計算出的流速v2，因此，出料管內(nèi)外端孔處的實際壓強差要大于計算出的壓強差。

3）當轉鼓高速旋轉時，固液分離后轉鼓內(nèi)的廢料在圓柱旋轉倉筒內(nèi)部，受內(nèi)外壓強差的作用，自動向出料管內(nèi)孔口運動，并通過出料管被甩出。

3 固液分離工作過程

離心機工作時，轉鼓高速旋轉，磨碎的植物固液混合物從轉鼓的右端進料口輸入，隨轉鼓做高速旋轉運動，混合物中的液體在離心作用下，逐漸滲透通過濾網(wǎng)被甩出。受高頻振動的作用，混合物不易粘接堵塞濾網(wǎng)，而是在橢圓錐旋轉倉筒內(nèi)做旋轉運動的同時，沿橢圓錐錐角方向向轉鼓左端移動，逐步移動到橢圓錐旋轉倉筒和圓柱旋轉倉筒的連接B處，在這個連接處，植物固液混合物的旋轉半徑最大，因此離心作用最強烈，此時固液混合物分離效果達到極限，分離后剩余的植物纖維殘渣逐漸在B處累積，隨著累積量的增加，在伯努利效應的作用下，自動向出料管內(nèi)端口處運動并被甩出轉鼓。

4 結論

自清潔轉鼓的創(chuàng)新結構設計，為專用于植物汁液提取的離心機小型化提供了可能，離心機可方便的運輸?shù)讲煌墓ぷ鲌龅匮杆匍_展工作，避免了汁液成分在長途運輸中的揮發(fā)損失，分離后剩余的植物纖維廢料，可作為一些家禽牲畜的飼料就地處理，不但可產(chǎn)生額外效益，而且整個生產(chǎn)過程環(huán)保無污染，因此，課題成果具有較好的應用推廣前景。目前，本成果已被授權國家發(fā)明專利（專利號：201310169256.0），正在進行樣機試制。

[1] 王一平,黃建中.離心機在制藥工業(yè)應用中的技術要求[J].過濾與分離,2005,15(4)：37-39,42.

[2] 于萍,林葦,王曉彬,等.臥螺離心機離心分離場速度仿真分析[J].機械工程學報,2011,47(24)：151-157.

[3] 周知進,傅彩明.臥螺離心機轉鼓主要參數(shù)對其模態(tài)的影響[J].機械設計,2006,23(9)：28-30.

[4] 荊寶德,劉京廣,王彬,等.臥螺離心機轉鼓錐角結構設計及參數(shù)優(yōu)化[J].機械工程學報,2013,49(4)：168 -173.

[5] 任蘭柱,劉克銘,楊偉紅,等.臥式振動離心機有限元仿真與模態(tài)分析[J].機械設計與研究,2010,26(3)：128-131.

[6] 韋建軍,李書平,肖學勤.白砂糖手動離心機的特點及自動化技術升級[J].制造業(yè)自動化,2009,31(9)：132-134.

[7] 馮濤,李洪濤,袁占亭,等.伯努利節(jié)點網(wǎng)絡模型的拓撲魯棒性分析方法[J].電子學報,2011,39(7)：1673-1678.