一種新型立式高剪切分散機

覃壽同 段閃閃 李和林 王 棟

張銀霞 李松濤 趙晶晶

（鄭州大學機械工程學院，河南 鄭州 450001）

現在市場上銷售的高速剪切機一般都是臥式結構（圖1）［1，2］，主要存在以下的缺點：電機與工作主軸多采用剛性聯接，分散工作過程中，某些物料的“分散返稠”極易造成機器發熱嚴重或負載過大，嚴重時會造成負荷超載損壞電機；單級布置時物料分散的均勻性不好，多級布置則極易出現物料流動死角，造成物料堆積產生變性，而且重心偏移工作中易發生振動；此外，這些分散機的定轉子分散組件分散剪切間隙不可調，造成適用范圍窄，維護困難等缺陷。本研究所述的新型高剪切分散機就是針對這些情況設計的。

圖1 臥式分散機的剖視圖Figure1 Section view of horizontal dispersion machine

1 結構組成及工作原理

1．1 結構組成

立式分散機的具體結構見圖2。整機由上端蓋、葉輪、粗間隙定轉子組件、中間隙定轉子組件、細間隙定轉子組件、下端蓋、軸承腔體、底座等部件組成組成。最上部為進料端蓋，端蓋頂端可通過標準法蘭與輸送物料管端部相連接。分散機工作部分安裝在軸承腔上，軸承腔體內裝有機械密封和軸承，并通過螺栓與底部相連，分散機工作部分外殼圓周上開有冷卻水的入口和出口。

圖2 立式分散機的剖視圖Figure2 Section view of vertical dispersion machine

1．2 工作原理

電機提供動力經底座中帶輪結構傳遞給主軸，主軸帶動分散組件的轉子在工作腔內做高速旋轉，由摩擦力、離心力進而帶動工作腔內的待分散物料液體在定、轉子間隙間做高速運動，這種轉子和定子與物料液體的摩擦力最終形成對物料液體高剪切力作用。這種高剪切力會對分散相物料進行破碎、均質、乳化作用［3］。轉子轉速越高，轉、定子間的間隙越小，物料進行破碎、均質、乳化的效果越好，當然這時發熱也越大。所設計的整機定轉子組件由粗、中、細三級不同間隙定轉子組件組成，也可根據具體情況進行調整級數。物料由輸料管從進料口進入，首先受到葉輪的一次初級分散和攪拌，然后通過第一級粗間隙定轉子間的狹縫達到分散和均質乳化的初過程，經過初級分散后的物料經過中等間隙定轉子時再次進行分散和均質乳化，經過二級分散后的物料最后經過下層較小間隙定轉子時再次進行分散和均質乳化，最終從出料口輸出。

當物料性狀不同及使用一段時間需維修調整時，可以通過調整定轉子組件間隙來滿足要求。

2 設計思路及特點

根據常用臥式高速剪切分散機的缺陷，本機進行設計考慮了以下幾點：

（1）電機與主軸采用分體設置并由皮帶輪傳動機構連接；

（2）定轉子組件為三級多層錐齒梳狀定轉子組件保證物料的分散粒度及均勻性；

（3）進料口設置在工作腔體的頂部，出料口設置在工作腔體的底部借助重力防止物料發生堆積；

（4）要有良好的冷卻措施；

（5）設置有利于物料流動的導向葉輪；

2．1 電機與主軸的連接

為了減少電機與主軸的剛性聯接所產生的沖擊以及工作中負載過大時能保護電機，電機與主軸通過皮帶進行連接［4］。電機提供動力，通過皮帶傳動把動力傳給主軸，主軸帶動轉子旋轉。皮帶連接可以保證傳動的穩定性和當負載過大時保護電機。此外在皮帶輪結構所處的底座中，留有足夠空間，還可以通過更換不同直徑的帶輪，形成不同的傳動比，滿足不同物料的分散剪切速度要求和組成設備的系列產品的需要。

2．2 定轉子組件

定轉子組件的結構見圖3。這種結構能保證物料在分散均質后的粒徑［5］，設備采用了豎直立式布置的三級多層梳齒錐狀定轉子分散組件結構。第1級定轉子組件為粗間隙定轉子組件，第2級定轉子組件為中等間隙定轉子組件，第3級定轉子組件為細間隙定轉子組件，這3級不同間隙的定轉子組件依次布置在豎直方向的軸上［5］，定轉子組件有相同的軸向尺寸和結構形成分散模塊，每一模塊的定位結構可保證各模塊定位在同一軸線上。這種模塊化設計理念可以方便設計及制造。此外，每一級模塊組件中定轉子的錐狀齒，以多層形式布置，這種多層梳狀錐齒布置增加了剪切間隙數目，可以有效提高剪切效果和分散效率［6，7］。

圖3 定轉子組件Figure3 Stator and rotor assembly

每一模塊的定轉子的不同間隙是通過調節組件之間的墊圈的厚度來獲得。由于定轉子齒的錐度作用，調節定轉子間軸向位置時它們的剪切間隙也就發生了變化，可更精細的控制物料分散后顆粒的大小，達到更細致的分散均質效果。

2．3 進出料口

進料口設置在工作腔體的頂部，出料口設置在工作腔體的底側部，進料口實際上也是裝置上端蓋的一部分，其上通過標準法蘭與輸送物料管相連接，這種立式布置可利用物料的自重或輔加壓就可以讓物料方便的進入工作腔。進料口還可以作為沖洗接口與沖洗液體管道進行連接，可防止清洗時清洗劑揮發對環境造成污染。由于出料口在底部，由于重力作用可以減少物料在工作腔底部的堆積，出料口也設有標準法蘭與管道相連接。

2．4 冷卻裝置

由于機器工作時定轉子在工作腔內高速旋轉對物料分散，剪切力會產生大量熱能使溫度升高，有些物料會因溫度升高產生變性，故工作腔的外壁上配有冷卻系統來平衡工作腔的溫升。冷卻系統（圖4）采用了在每一級模塊的外夾層中開出螺旋形的槽結構形式，螺旋槽可以避免冷卻液體流動時的死角，冷卻液繞著工作腔外壁流動可加速溫度的降低。

圖4 冷卻裝置Figure4 Cooling equipment

2．5 導向葉輪

葉輪安置在工作腔的最頂端［8］，通過螺釘與軸聯接。一方面可以作為物料的導向裝置，另一方面可以進行物料的初級分散和攪拌，起到一個輔助葉輪的作用［9］，減少定轉子組件分散的物料顆粒度不均勻造成的阻力，提高定轉子組件的壽命。

2．6 軸承腔體

軸承腔體在下端蓋和底座之間，軸承腔體內裝有機械密封及軸承。機械密封的作用可以防止分散物料從工作腔流至軸承，將工作腔與軸承隔開，可以防止一些易揮發或有害成分的分散物料外泄。為防止機器高速旋轉產生的高溫燒壞機械密封，它也配有循環冷卻系統［10］。在機械密封的下端裝有支撐軸承，支撐軸承采用普通的脂潤滑。軸承工作時溫度不超過90 ℃。

3 主要技術參數

（1）裝置外形尺寸：長×寬×高≤1 600mm×800mm×1 500mm。

（2）每一模塊（即相互嵌套的定轉子）外殼尺寸：L×D ＝165mm×392mm。

（3）模塊級數：3 級

（4）分散區速度：18～35m／s。

（5）電機：四極電機Y225S－4，轉速1 480r／min，功率37kW。

（6）分散模塊處軸的直徑：60mm。

4 結語

立式高速剪切機具有結構緊湊、簡單、安裝調節方便、安全可靠、穩定等特點，可保證分散工作時間短、效率高；三級分散及利用錐齒可調間隙的結構可確保粒徑尺寸大小和均勻化；模塊化設計理念實現了由較少種類零件組裝成系列產品的目的。立式結構設計較好解決了冷卻死角問題和避免了物料死區，可使進入分散機內的全部物料充分均質分散且便于清洗。進料口接沖洗管道可防止清洗時清洗劑揮發。同時電機與軸采用皮帶傳動使得電機在過載時得到保護，通過調整帶輪輪徑大小使分散速度最優化，這些特點也是今后高速分散剪切機設計重點考慮的問題。

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