翻倒卸料離心機的計算機輔助設(shè)計研究

于婧超，王達理

（1.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110142；2.沈陽科技學(xué)院，遼寧 沈陽 110167）

三足式離心機是用途最廣泛離心機[1]，近年來，由于電力、石油化工、食品加工、生物工程、精細(xì)加工，環(huán)保水處理等部門中新技術(shù)的不斷發(fā)展，對分離技術(shù)與設(shè)備提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求。不僅要求提供更多更好的品種和規(guī)格，而且迫切需要在分離效率上能有更大的提高[2-4]。翻倒卸料離心機是在三足式卸料離心機基礎(chǔ)上研發(fā)而成的一種新型離心機。它具有對物料適應(yīng)性強，操作方便等特點，克服了三足式卸料離心機勞動強度大、工作效率低的缺點，同時又避免刮刀卸料離心機在卸料時刮濾網(wǎng)和破壞物料晶粉的缺點，本機可廣泛用于化工、輕工、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域。

離心機設(shè)計計算過程相當(dāng)繁瑣，涉及到許多參數(shù)圖標(biāo)的查詢和反復(fù)校核計算。將計算機輔助設(shè)計技術(shù)與離心機的設(shè)計計算結(jié)合起來，不僅優(yōu)選了各種計算的數(shù)學(xué)公式，同時，CAD技術(shù)[5]可以保存離心機的設(shè)計參數(shù)，有良好的可視化圖形界面，人機交互過程均采用對話框進行，操作簡單方便，從而提高了設(shè)計效率，優(yōu)化了設(shè)計參數(shù)，為獲得最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果提供了可能。

1 翻倒卸料離心機設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

翻倒卸料離心機主要有以下基本結(jié)構(gòu)組成：轉(zhuǎn)鼓組件，主軸，帶傳動組件，軸承組件，翻倒機構(gòu)等。

1.2 設(shè)計的原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫的建立

離心機設(shè)計過程中所包括的原始數(shù)據(jù)有轉(zhuǎn)鼓的直徑、轉(zhuǎn)鼓的工作轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)鼓的一次最大加料量、物料密度、物料固液比、離心機由靜止到達工作轉(zhuǎn)速所需的啟動時間等。對于這些參數(shù)，采用office access作為數(shù)據(jù)庫將它們存儲起來，并且提供計算中部分參數(shù)的數(shù)據(jù)庫查詢，將計算結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫中，提供多次計算結(jié)果的對照與比較。

圖1 離心機結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 人機界面

人機界面為設(shè)計者與計算機之間相互交換信息提供必要的手段。離心機輔助設(shè)計軟件采用Visual Basic作為開發(fā)平臺，在Visual Basic環(huán)境下，利用事件驅(qū)動的編程機制、新穎易用的可視化設(shè)計工具，可以高效、快速地開發(fā)Windows環(huán)境下功能強大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。從而開發(fā)出了一套具有適用于多用戶參數(shù)輸入模式，運用了圖形界面環(huán)境，使程序的使用變得更友好，用戶用起來更加方便，采用人工交互的設(shè)計系統(tǒng)，更好的對離心機進行計算機輔助設(shè)計。如圖1所示。

1.4 基本設(shè)計思路

離心機輔助設(shè)計軟件是在整體設(shè)計滿足需求的基礎(chǔ)上，對整體內(nèi)容進行詳細(xì)的劃分，共分為六部分，如圖1所示，在離心機設(shè)計計算的算法框架內(nèi)需要依次進行離心機轉(zhuǎn)鼓強度計算與校核、功率的計算、帶傳動設(shè)計計算、主軸的計算及強度校核、剎車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度計算、翻倒架的強度計算。

離心機輔助設(shè)計軟件圖形界面的每個部分完成相應(yīng)的計算，將設(shè)計全過程編入計算機程序，在給定原始數(shù)據(jù)的情況下，計算機可以優(yōu)選各種計算的數(shù)學(xué)公式，迅速計算出全部結(jié)果。過程的設(shè)計、分析以及選取的各種表格數(shù)據(jù)，均可由計算機完成，從而提高了設(shè)計人員的工作效率，降低了項目開發(fā)的成本。

各個模塊完成既定功能基本流程圖如下。

圖2 離心機輔助設(shè)計基本流程圖

2 設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 離心機轉(zhuǎn)鼓的強度計算與校核

離心機有一個繞本身軸線高速旋轉(zhuǎn)的圓筒，稱為轉(zhuǎn)鼓，通常由電動機驅(qū)動。離心機轉(zhuǎn)鼓是離心機的關(guān)鍵部件之一[6]。本模塊包括轉(zhuǎn)鼓鼓壁的確定和轉(zhuǎn)鼓底的強度計算，計算機根據(jù)設(shè)計者輸入的已知參數(shù)，通過已經(jīng)編寫的數(shù)據(jù)庫和公式進行計算。

2.2 功率的計算[7]及電機的選擇

離心機所需功率主要包括：轉(zhuǎn)鼓與物料起動加速到工作轉(zhuǎn)速所消耗的功率；轉(zhuǎn)鼓與軸承由于摩擦所消耗的功率；卸出物料所消耗的功率等。選擇電機的標(biāo)準(zhǔn)[8]根據(jù)所計算出的軸功率，選擇電機，點擊電機選擇，在彈出的對話框中參照電機選擇的表按要求輸入各個參數(shù)。

2.3 帶及帶輪的設(shè)計

帶傳動是以張緊在至少兩輪上的帶作為中間撓性件，靠帶與輪接觸面間產(chǎn)生摩擦力來傳遞運動和動力。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、造價低廉、適于遠(yuǎn)距離傳動等優(yōu)點，在機器中被廣泛應(yīng)用。設(shè)計界面中提供相應(yīng)的參數(shù)輸入部分，部分參數(shù)提供查表功能，根據(jù)相關(guān)公式計算結(jié)果。

2.4 軸的設(shè)計

軸的設(shè)計應(yīng)該滿足：合理的結(jié)構(gòu)，足夠的強度，必要的剛度和震動穩(wěn)定性及良好的工藝性等條件。離心機為高速回轉(zhuǎn)機械，主軸的轉(zhuǎn)速較高，主軸的設(shè)計，完全采用設(shè)計者自己設(shè)計頁面給出各個部分的數(shù)據(jù)，輸入即可。若主軸的工作轉(zhuǎn)速靠近軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，則可能發(fā)生共振，轉(zhuǎn)動件與靜止件相碰撞，發(fā)生嚴(yán)重的事故。輸入?yún)?shù)后，計算機會自動根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的公式計算出臨界轉(zhuǎn)速。

2.5 剎車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度計算

本部分根據(jù)被制動對象的運動狀態(tài)，可分為水平移動制動與垂直移動制動。確定制動力矩，進行制動器的強度校核，摩擦面比壓校核，鋼帶拉伸應(yīng)力的校核。

2.6 翻倒架的設(shè)計計算

翻倒卸料離心機的翻倒機構(gòu)主要由左軸、右軸、翻倒架等組成。在設(shè)計時，按照簡支梁的力學(xué)模型進行強度校核，同時對右軸進行彎扭組合的強度校核。

3 離心機軟件的功能模塊

（1）數(shù)據(jù)庫維護模塊：在初次使用該軟件的時候會出現(xiàn)查表數(shù)據(jù)不全的情況，用戶需要在其他的地方查詢一些自己所需要的信息，在用到該軟件時可以把查到的相關(guān)信息更新到查表數(shù)據(jù)當(dāng)中，在以后的使用過程中更方便。

（2）信息輸入模塊：該軟件有離心機轉(zhuǎn)鼓的強度計算與校核、功率計算、帶及帶輪的設(shè)計、主軸的計算及強度的校核等六個部分，每個部分都有相關(guān)方面的信息提示，用戶根據(jù)相應(yīng)的提示輸入所對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

（3）歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊：在程序的計算過程中會輸入大量的數(shù)據(jù)，包括轉(zhuǎn)鼓參數(shù)、帶輪參數(shù)以及翻倒架參數(shù)等，總體數(shù)據(jù)個數(shù)能達到上百個，并且計算并不是一次就能完成的，往往要進行多次的計算，如果用戶一一輸入會浪費大量的時間，因此，程序?qū)τ脩糨斎氲臄?shù)據(jù)進行了保存，當(dāng)用戶需要的時候可以進行導(dǎo)入。

（4）計算模塊：六個部分中每個部分?jǐn)?shù)據(jù)單獨輸入后，都需要進行單獨的運算，系統(tǒng)會把運算結(jié)果顯示在相應(yīng)的部分當(dāng)中，供給用戶觀察比對，在后面的部分當(dāng)中會有一些需要用到前面的計算結(jié)果來參與計算。

圖3 離心機功能模塊圖

4 結(jié)論

翻倒卸料離心機作為高速回轉(zhuǎn)機械，包括轉(zhuǎn)鼓組件、主軸、傳動組件、翻倒機構(gòu)等部分，針對每一種使用工況（如不同物料性質(zhì)、加料量等），在設(shè)計過程中均需要具體計算，需要很大的計算工作量，并且離心機設(shè)計計算的過程相當(dāng)繁瑣，涉及到許多參數(shù)和圖表的查詢并且反復(fù)校核計算。

本文在前人工作的基礎(chǔ)上，將CAD的思想引入到該離心機的設(shè)計中，運用ADO、Visual Basic6.0、Microsoft Access開發(fā)了離心機輔助設(shè)計軟件，采用了人工交互的設(shè)計系統(tǒng)，操作簡單方便，計算機可以根據(jù)設(shè)計者輸入的原始數(shù)據(jù)，優(yōu)選出最佳的數(shù)學(xué)公式。在計算時有些參數(shù)是未知需要預(yù)先假定，如果計算數(shù)據(jù)不滿足要求，設(shè)計者可以重新輸入并計算直至得到滿意的結(jié)果，這樣大大減少了設(shè)計者的工作量，提高了工作效率，為設(shè)計者的工作提供了方便。