攪拌器液壓系統設計應用

摘要：本文根據實際生產情況，對傳統的機械攪拌裝置的驅動系統進行了設計改進，增加了攪拌裝置的功能，改善了生產工藝條件，提高了產品質量和生產效率，給出了攪拌器液壓傳動系統的解決方案。

關鍵詞：攪拌器 液壓傳動 設計應用

中圖分類號：TD403 文獻標識碼: A 文章編號：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

采用蒸發、結晶、冷凍的方法生產硫酸銅、硫酸鎳等產品的生產中，結晶罐、冷凍罐做為該工藝過程的主要設備，其上的攪拌器主要用于幫助溶液循環，通過攪拌提高溶液的對流程度，使罐內溶液溫度和濃度均衡，縮短結晶和冷凍時間，提高設備效率。因此攪拌裝置的性能對產品質量和生產效率影響較大。傳統攪拌器采用機械傳動，不能根據工況變化調整攪拌速度，因此，設計開發了液壓傳動的攪拌器驅動裝置。

攪拌器的工況要求

根據工藝要求，通過分析、試驗和測試，對攪拌器的主要性能提出如下要求:攪拌器轉速可以自動無級調速，攪拌器轉速大約在45~10r/min范圍內變換；攪拌器轉矩隨結晶過程中溶液的濃度，在350~900N.m范圍內變化，攪拌功率近似為恒功率。

擬定攪拌器液壓系統原理圖

根據工況要求，攪拌器轉矩隨結晶過程中溶液的濃度不斷增大，但是其攪拌轉速逐漸降低，攪拌功率近似為恒功率的特性。設計采用變量泵-定量馬達的容積調速回路，并初步擬定液壓系統原理圖，如圖1所示。

液壓系統采用恒功率變量泵1供油，控制泵的流量和壓力特性，使兩者近似地按恒功率關系變化。系統的執行器為驅動攪拌器旋轉的單向定量液壓馬達5，馬達的運動與停止由二位四通手動換向閥4控制。溢流閥7用于限定系統的最高壓力，以防止過載。順序閥6作背壓閥用，以防止回油路出現有害負壓，提高馬達運轉的平穩性。帶單向閥的壓力管路過濾器3用于提高工作油液的清潔度，提高系統的工作可靠性。圖2所示為壓力補償變量泵的壓力-流量特性曲線。

3條款液壓系統主要參數計算

3.1確定液壓馬達參數

初步選定液壓馬達的工作壓力為25MPa，則由：

Tm =（1/2π）·pm·qm·ηm 可得：

qm=2π·Tm/pm/ηm （1）

=2π×900÷25÷0.92=245.7 mL/r=0.2457 L/r

則液壓馬達的流量：

Qm=qm·nm/ηmv （2）

=0.2457×45÷0.9=12.3 L/min

式中：Tm—液壓馬達的輸出扭矩，Tm=900N·M ； pm—液壓馬達的工作壓力， MPa ；

qm—液壓馬達的排量，L/r ； nm—液壓馬達的輸出轉速，nm =10～45 r/min ；

Qm—液壓馬達的流量， L/min ； ηmv—容積效率，ηmv =0.90；ηm—機械效率，ηm =0.92；

3.2 確定液壓泵參數

取液壓泵的供油壓力為工作壓力的1.1倍，可得：

ps =1.1·pm=1.1×25=27.5 MPa

執行元件液壓馬達的排量，計算可得液壓泵的流量QP：

QP= Qm /ηpv =12.3÷0.9=13.6 L/min （3）

查樣本可選液壓泵額定壓力為32 MPa，排量為25 ml/r

對于壓力反饋式恒功率變量泵，其驅動功率N：

N =ψ·p·QP /ηp =ψ·p·q·n /η/60 （4）

=0.4×32×25×10-3×1000÷60÷0.828 = 6.44 KW

式中：N—液壓泵的功率KW ； p—液壓泵的額定壓力 MPa ；

q—液壓泵排量，q =25 ml/r； n—液壓泵轉速，n=1000 r/min；

ps—液壓泵的供油壓力，MPa ； QP—液壓泵的流量，L/min ；

ψ—恒功率變量泵轉換系數， ψ=0.4；ηpv—容積效率，ηV =0.90；

ηp—機械效率，ηm =0.92； η—液壓泵總效率，η=ηpv·ηp=0.828；

3.3 系統參數驗算

3.3.1 確定液壓系統油箱容積尺寸

考慮散熱因素，按液壓泵的額定流量的12倍，計算油箱容積V：

V=12·Qs =12×25×1000=300×103 mL/min=0.3 m3 （5）

取油箱長a=1 m、寬b=0.6 m、高h=0.6 m

3.3.2計算系統壓力損失

系統上液壓元件的連接管件可安裝該元件的通徑選取，本處只計算系統管路的通徑d:

取管路的液壓油的許用流速為［v］=3 m/s，由于： Qs=q·n= 25×10-3×1000=25 L/min

則： d=1.13×10-2×（Qs /6［v］）1/2 =0.0133 m 可取內經為16mm的無縫鋼管

雷諾數： Re= v·d/υ （6）

=3×0.016/27.5×10-6=1745＜2300 為層流

沿程阻力系數：λ=64/Re=64÷1745=0.037 （7）

則：沿程壓力損失：Δp1=λ·L/d·v2/2·ρ=0.1 MPa （8）

按選擇的液壓元件，可知局部壓力損失Δp2=∑Δpi=1.3 MPa

則：系統壓力損失：Δp=Δp1＋Δp2=0.1＋1.3=1.4 MPa （9）

式中：d—管路的通徑m； V—油箱容積， m3；

Qs—液壓泵的額定流量，L/min ； ［v］—許用流速，v=3 m/s；

Re—雷諾數；L—管路長度，L =10 m ； υ—液壓油粘度，υ=27.5×10-6 m2/s；

ρ—液壓油密度， ρ= 900 kg/ m3 ； λ—沿程阻力系數；

Δp—壓力損失，MPa； Δp1—沿程壓力損失，MPa； Δp2—局部壓力損失，MPa；

3.3.3 驗算系統發熱

液壓馬達的有用功率：

Pm =Tm·nm·π/30 =4.24 KW （10）

則功率發熱損失N1：

N1=N- Pm=6.44-4.24=2.2 KW

如果功率發熱損失產生的熱量全部靠油箱面積進行散熱，在平衡狀態可達到的溫度為：

t=t1＋N1/（ks·S）=20＋2.2÷15×10-3÷2.52=78.2℃＜80℃ （11）

可見溫度小于許用值，散熱可以滿足使用要求。

式中：N1—功率發熱損失，KW； S—油箱散熱面積，計算可得S=2.52 m2；

ks—油箱散熱系數，k=15×10-3 KW/( m2·℃)； t1—環境溫度20℃；

4結語

本設計是對傳統的機械攪拌裝置的改進，攪拌器液壓系統采用壓力反饋恒功率變量泵-定量液壓馬達容積調速、開式循環油路，結構簡單，所用液壓元件少；采用液壓系統驅動的攪拌器，增加了攪拌裝置的功能，無級調速范圍寬，應用廣泛；對改善了產品質量，提高了生產效率起到了積極的作用。

參考文獻

[1] 路甬祥.液壓工程手冊[M].北京:機械工業出版社.2000

[2] 徐灝.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社.2003

[3] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社.2003

①作者簡介：趙偉業（1963.12.30-），男，遼寧省沈陽市人，工程師。主要從事冶金礦山設備、液壓傳動與控制及潤滑方面的工作，現任職中國有色（沈陽）冶金機械有限公司冶金礦山設備研究所。