機(jī)械攪拌槽中心軸的研究方法分析

潘大東　曲松

摘 要 分析機(jī)械攪拌槽功率及推動器轉(zhuǎn)速對攪拌槽中心軸強(qiáng)度的影響，分析現(xiàn)有攪拌器中心軸直徑及長度，在特定工藝情況下的優(yōu)化程度分析，探討通過對中心軸的直徑和長度調(diào)整，降低整機(jī)重量及提高攪拌效率的方法。

關(guān)鍵詞 機(jī)械攪拌槽 中心軸 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件 功率

中圖分類號：TH111-4；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

機(jī)械攪拌槽是化工、冶金、醫(yī)藥、食品等行業(yè)常用的一種設(shè)備。常用的機(jī)械攪拌槽由五部分組成：

（1）傳動部分：動力產(chǎn)生傳送部分，含電機(jī)、減速機(jī)及支座；

（2）過橋：支撐傳動部分在攪拌槽體上，主要由型鋼焊接而成；

（3）槽體：承載礦漿或藥劑的主體，主要形式由鋼板拼接焊成，部分形式需進(jìn)行防腐處理；

（4）槽體附件：排礦管及法蘭，擾流板及支座，排污管口及法蘭；

（5）攪拌部件。其中攪拌部件直接攪拌礦漿的作用部件，含中心軸及推進(jìn)器（或稱葉輪）。在以往的設(shè)計(jì)中。為保證中心軸的工作強(qiáng)度，常常選用直徑較大長度較長的厚壁管甚至圓鋼。無形之中增加了整機(jī)的備重，增大了功率的消耗。

1中心軸的作用

傳輸經(jīng)有傳動部分減速由電機(jī)產(chǎn)生的動力，帶動安置在其上的推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生攪拌力，從而攪拌槽體內(nèi)的礦漿或溶液。對于低密度，底濃度的礦漿和介質(zhì)。中心軸的直徑的大小對功率的影響往往均被忽視，在常規(guī)設(shè)計(jì)中通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇直徑加大的厚壁管。根據(jù)槽體的高度固定主軸的長度。但對于高濃度的介質(zhì)，中心軸如果采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，將無形之中怎大了功率的損耗，同時(shí)對推進(jìn)器的有效直徑也造成了相當(dāng)?shù)挠绊?。極易產(chǎn)生電機(jī)過熱甚至沉槽。

2扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算

圖1所示為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械攪拌槽之雙層推進(jìn)器中心軸。中心軸主要承受扭轉(zhuǎn)和彎曲聯(lián)合作用，以扭轉(zhuǎn)為主。在圖1所示中，中心軸承受的扭轉(zhuǎn)力主要有3處：1處為法蘭連接，2處為主軸體，3處為推進(jìn)器安裝部位。法蘭安裝處，由螺栓連接到傳動部分，可采用彈性連接。必要時(shí)可將其焊接在傳動部位。主要產(chǎn)生扭矩處為2處推進(jìn)器安裝部位，這里做重點(diǎn)分析。

2.1軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件分析

軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度小于許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力即可。其中： --扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（MPa）；T--扭矩（N·mm）；--軸抗扭截面系數(shù)（mm3）；N--轉(zhuǎn)速（r/min）；P--軸傳遞的功率（KW）；d--計(jì)算截面處的直徑（mm）；--許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（MPa）。

軸直徑的確定由公式計(jì)算出，對于空心軸，式中，即空心軸內(nèi)徑與外徑比值，通常取值范圍為0.5～0.6。因主軸上有鍵槽，軸徑應(yīng)增大7%左右。

2.2剛度校核計(jì)算

為了防止轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)變形，以免在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生振動引起軸封泄漏，應(yīng)將軸的扭轉(zhuǎn)變形限止在一個(gè)范圍內(nèi)，既規(guī)定一個(gè)設(shè)計(jì)的剛度條件。工程上以單位長度的扭轉(zhuǎn)角 不得超過許用扭轉(zhuǎn)角[ ]作為扭轉(zhuǎn)剛度條件，即： =Mt/GJD.180/ ≤[ ]。式中 --軸扭轉(zhuǎn)變形的扭轉(zhuǎn)角（€？m）；G--剪切彈性模量（Pa）；JD--許用扭轉(zhuǎn)角（€？m）。

2.3軸的臨界轉(zhuǎn)速：

攪拌軸的轉(zhuǎn)速在200r/min以下不需要進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算。至此推算出軸一般扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及直徑的關(guān)系。

3主軸對功率的影響：

3.1葉輪直徑校核

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：推進(jìn)式葉輪直徑 dj=（0.2～0.5）Di， 其中Di-罐體內(nèi)徑。以dj=0.3689Di較為常見。

3.2功率計(jì)算

（1）計(jì)算攪拌過程的雷諾數(shù)由公式計(jì)算，其中 n--轉(zhuǎn)速（1/S）；dj--葉輪直徑（mm）； --礦漿密度（kg/m3）； --礦漿粘度（kg/m S）

（2）凈功率計(jì)算需要由推導(dǎo)出的雷諾數(shù)查表確定具體計(jì)算公。

（3）額定功率由式確定， 為減速機(jī)的機(jī)械效率。

（4）主軸直徑對功率的影響。

由以上公式可以看出，機(jī)械攪拌槽的初步設(shè)定的功率與主軸直徑的大小并無關(guān)系，但一旦確定了主軸的直徑及推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速將會反作用于功率，故此如果選擇的中心軸直徑過大。將會無形中增大電機(jī)功率的損耗。從而影響攪拌效率。長時(shí)間作用將會對生產(chǎn)效率產(chǎn)生較大的影響。

4試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證中心軸的直徑對功率的影響，一般通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

對同樣規(guī)格的槽體，不同中心軸直徑的攪拌槽進(jìn)行測定。在額定電壓相同的條件下使用電流表測定電流輸出大小，判定瞬時(shí)功率的損耗，從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

5結(jié)論

由以上分析可以看出不同中心軸直徑的條件下，測定的瞬間電流值不同，從而瞬時(shí)功率不一樣。如果持續(xù)增大主軸直徑，將會造成電機(jī)過熱的現(xiàn)象。如對主軸直徑進(jìn)行優(yōu)化將會產(chǎn)生不小的節(jié)能效果。對于機(jī)械攪拌槽攪拌效果的加強(qiáng)及額定功率的降低，使得對中心軸的直徑和長度優(yōu)化得到了廣泛關(guān)注。攪拌槽中的攪拌流場是復(fù)雜的，各個(gè)部分的配件也是非標(biāo)的設(shè)計(jì)組合在一起。使得機(jī)械攪拌槽的設(shè)計(jì)趨于多樣化，通過對中心軸的優(yōu)化研究使得機(jī)械攪拌槽的設(shè)計(jì)更將豐富。

參考文獻(xiàn)

[1] 成大先，王德夫，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2003.