工業攪拌裝置的設計

工業攪拌裝置的設計

林曉磊1，陳景環2，崔慶虎2，焦龍2

(1.山東科技大學泰安校區,山東泰安271019；2.山東科技大學機電工程學院，山東青島266510)

摘要：針對以液體為主體的機械攪拌裝置的特點，對食品工業攪拌裝置進行設計。根據實際工藝特性和用戶要求，計算攪拌裝置參數，參照中國現行設計標準制定設計思路，逐步對攪拌裝置的主要零部件進行選型，并進行校核驗證。這種通過將理論和經驗密切結合的設計方法，可為類似工藝的攪拌裝置的設計提供參考依據。

關鍵詞:攪拌裝置工藝特性參數選型

中圖分類號：TH163文獻標識碼：B

作者簡介：林曉磊(1956-)，山東泰安人，教授，碩士研究生導師，1982 年1月畢業于太原重型機械學院工程機械專業，現任教于山東科技大學，主要從事機械制造方面教學和科研工作。

收稿日期：2015-04-13

Design of mechanical agitating equipment in industries

LIN Xaolei，CHEN Jinghuan，CUI Qinghu，JIAO Long

Abstract:Most mechanical agitating equipment mainly process liquid material, this paper elaborates a design of agitating equipment of food industry. Based on the actual process characteristics and user requirements, calculating the parameters, referring to the current national industry standards for mixing equipment, the main parts were selected,checked and validated. This method of combining theory and experience closely can provide reference for further design of similar agitating equipment

Keywords:agitating equipment; process characteristics; parameters; model selection

1問題的提出

攪拌操作有多種形式，如機械攪拌、氣流攪拌等，在工業生產中應用最多的均系機械攪拌。機械攪拌裝置的設計是一個需要理論和經驗密切結合的過程，進行攪拌裝置的設計需要詳細了解攪拌過程的工藝特性與要求，包括攪拌目的、物料特性、操作溫度、壓力等。而不同的工藝過程對設備結構、規格、材料等存在多樣性要求，且制作的數量較少，所以難以實現系列化定性供貨，因此攪拌裝置均按工藝實際要求進行選型、設計和制作供應。

在壓力容器制造公司已經實習半年多了，也參與了很多壓力容器攪拌裝置的設計工作，以其中一個為例來進行設計。

2設計思路

設計參數、條件如表1。

進行攪拌裝置的設計一般有如下幾個過程：

①詳細了解攪拌過程的工藝特性與要求，包括攪拌目的、物料特性、操作溫度、壓力等；

表1

攪拌裝置設計條件

②根據攪拌目的和物料特性選擇合適的攪拌器、內構件及運轉參數；

③計算功率消耗、排除流量、固液懸浮臨界轉速等工藝參數；

④根據工藝要求選擇合適的軸封形式；

⑤根據功率、軸封等選擇合適的電機、減速機、機架、聯軸器等傳動裝置；

⑥攪拌軸臨界轉速的計算與設計；

⑦其他攪拌裝置部件，如安裝法蘭、釜內支撐等的設計。

3機械攪拌裝置的組成部分

攪拌裝置的的主要組成部分如圖1。

圖1　攪拌裝置示意圖

4機械攪拌裝置主要部分選型

4.1攪拌器選型

攪拌器選型,是非常重要的一步,也是最依賴經驗的一步,目前尚無完善的客觀尺度，一般可以從以下幾方面考慮：攪拌目的、物料粘度、攪拌容積的大小和經濟性。

攪拌器選型就是選擇流場和能量的匹配。除了極個別的情況以外，絕大多數普通液體攪拌操作都完全可以用槳式、渦輪式和推進式三種攪拌器完成。從經濟性方面考慮槳式攪拌器結構簡單，一般由2塊槳葉組成，是攪拌器中最簡單的一種，造價也最低。食用粘度的范圍在50 Pa·s以下，一般的不超過2 Pa·s使用。

根據以上考慮，且根據行業經驗及以往的設計參考選用槳式斜葉攪拌器，槳式葉輪的槳葉直徑d對容器內直徑D之比一般為0.35～0.5。在湍流域進行的低粘度液體的混合操作，其無量綱數C1(或混合準數NθM)為常數，并有以下關系

式中：α—常數，通常在1.5～2.5變化；K―衰減常數。

圖2　槳式斜葉攪拌器

在同一攪拌設備中，攪拌器直徑d愈大，C1就小，攪拌性能就愈好。同時在攪拌設備中設置擋板可以增強液-液分散效果。在有擋板的設備中，用于液-液分散的最佳葉輪直徑為d=0.4 D。綜合以上考慮，參考攪拌與混合設備選用手冊取d=1 200mm。攪拌器如圖2。

4.2功率計算

攪拌雷諾數NRe是描述攪拌器的攪拌特性的最重要的特性參數，其計算公式為：

根據Rushton算圖，查得功率基準數Np。

攪拌器功率計算公式：

P′=NPρN3d5

式中：d—攪拌器直徑，mm；N—攪拌器轉速，r/m；ρ—流體密度，kg/m3；μ—流體粘度，Pa·s。計算得P=1.92kW。

電動機額定功率應大于或等于正常運行中減速機輸出軸的傳動效率(輸出軸傳動功率包括攪拌軸功率、軸封處摩擦損耗功率以及機架上傳動軸承損耗等功率之和)，同時還必須滿足攪拌設備開車時啟動軸功率增大的要求。電動機額定功率可按下式確定：

式中：PN—電動機的功率，kW；P′—攪拌器功率，kW；PS—軸封裝置的摩擦損失功率，kW；η—傳動裝置的機械效率。取電動機功率為PN=3kW。

4.3減速機選型

立式減速機的選用原則應優先選用標準減速機以及專業廠生產的產品。應考慮減速機在振動和載荷變化情況下工作的平穩性，并連續工作。一般選擇傳動效率較高的齒輪或行星針輪減速機。根據以上的計算以及以往工作經驗，參考長城攪拌設備選型手冊，選擇減速機型號XLD3-5-35。經校驗是完全符合工作要求的。

4.4機架的選用

機架分為無支點機架、單支點機架、雙支點機架。其中，單支點機架設有能承受雙向載荷的支撐，軸向載荷全部卸到機架支撐上，能保證減速機的傳動質量，延長使用壽命，是應用最為廣泛的一種機架，適用于均勻負載、中等沖擊條件下的所有攪拌作業場合。參考HG/T3139.1《釜用立式減速機型式和基本參數》，選用機架型號：DJ55A，其結構參看圖3。DJ55A主要尺寸及機架攪拌軸軸端尺寸參看表2，表3。

圖3　DJ型機架外形圖

表2

DJ55A機架主要參數/mm

表3DJ55A機架H、H2及攪拌軸軸端尺寸/mm

機架型號DJ55Ah1h1pph5h6h7hd0d1d21184152840395247555757M1d3d4R1t1b1t2b2HH2M60×260651568568660370

4.5攪拌軸直徑的確定

攪拌軸的設計主要是確定危險截面處軸的最小尺寸，進行強度、剛度計算或校核、驗算軸的臨界轉速和撓度，以便保證攪拌軸能安全地運轉。一般情況下，攪拌軸軸頸d必須滿足強度和臨界轉速要求。該罐體及攪拌軸材質均選用US304(0Cr18Ni9)。減速機型號已確定XLD3-5-35，機架型號為DJ55A,根據經驗以及以往類似的應用，初步確定攪拌軸為空心軸，在實際應用中，常用無縫鋼管作為空心軸，對應的鋼管為DN65(軸外徑dL=76 mm，軸內徑di=64 mm)。

4.5.1按扭轉變形校核攪拌軸的軸徑

軸扭矩的剛度條件為：

4.5.2按臨界轉速校核攪拌軸的直徑

臨界轉速為：

5結論

本文主要通過經驗與公式運算對攪拌裝置的幾個主要的部件進行確定，攪拌器選型為XCJ1200，減速機選型為XLD3-5-35，機架型號為DJ55A,攪拌軸為無縫鋼管空心軸DN65(dL=76mm，di=64mm)。目前該攪拌設備已投入生產，設備運行穩定，滿足用戶要求。

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