膠乳類碟式分離機的研究與開發

魏玉龍 程春艷

摘要：為了更好地滿足橡膠工業的發展需要，本文研究與開發了膠乳類碟式分離機。介紹了碟式分離機的發展狀況和膠乳類碟式分離機的開發思路，并對膠乳類碟式分離機的關鍵技術進行了研究，如碟片組優化設計、碟式分離機內流特性以及分離效率的研究、碟式分離機柔性支承振動特性的研究、碟式分離機液力剎車系統的研究、碟式分離機柔性傳動及潤滑系統研究及控制系統設計。

關鍵詞：膠乳，碟式分離機，振動，分離效率，控制系統

引言

天然橡膠作為一種世界性的工業原料，因其很強的彈性和良好的絕緣性、可塑性、隔水隔氣、抗拉和耐磨等特點，廣泛地運用于工業、農業、國防、交通、運輸、機械制造、醫藥衛生領域和日常生活等方面。天然橡膠組分復雜，加工要求嚴格，其初加工主要分成干膠加工和濃縮膠乳加工。目前生產濃縮膠乳的主要方法是離心法，離心法具有生產效率高、生產過程短、產品純度高和質量容易控制等顯著優點，因而其產量較多，約占濃縮膠乳總量的90%。碟式分離機是應用最廣的分離機械之一，被廣泛應用于農業、食品加工、香料生產、醫藥工業、化學工業、石油工業等領域，而且碟式分離機在分離機行業中的比重逐年提高，因此碟式分離機的發展能有效推動我國分離機械產業。本文針對膠乳濃縮預處理需求，開發新型的碟式分離機有利于提高膠乳產業的生產效率，符合國家振興裝備制造業的需求，有著巨大的市場潛力，并有著廣泛的社會和經濟意義。

1.碟式分離機的發展狀況

碟式分離機是一種高速沉降離心機，它是利用轉鼓內的一組錐形碟片和轉鼓高速旋轉產生的強大離心力（如圖1所示）。碟式分離機轉速高，分離因數大，能很好的實現乳濁液的分離和高分散懸浮液的澄清。國際上在分離機械自主設計及制造方面領先的企業有瑞典的ALFA-LAVAL，美國的道爾-奧立弗、夏普爾斯，德國ELLERWERK、魯瓦SMS、黑特爾豪斯，英國的威廉希爾頓，法國的羅巴特爾等。

圖1? 碟式分離機工作原理圖

瑞典ALFA-LAVAL公司是世界上最大的分離機械制造公司，產品由分離機發展到各種離心機、過濾機等成套設備，ALFA-LAVAL公司的AX-215機型的分離因數均已超過15000，并且開發用于生物工程的Fux-510機型，則帶有振動監視裝置和具有自動調節的渦旋形噴嘴;目前德國ELLERWERK公司已制成轉鼓直徑為3000mm 的分離機，而碟式機的最大處理量已達300m3/h;丹麥的RUSTER研制了帶電子控制及可加熱和冷卻的離心機，WESTFALIA則開發了CNB45分離機，該公司的三相逆流離心機已在華北藥廠成功地用于青霉素的萃取。

我國碟式分離機的發展已有50年的歷史，其主要技術有從其他行業用分離機改型以及從國外同類產品消化吸收而來的。目前，我國廣泛用于離心法濃縮膠乳的膠乳分離機是ALFA-LAVAL公司生產的LRH410型以及國產LX-460/LX-560型。與國外的LRH410相比，LX-460延長了停機除渣時間，縮短了開機啟動時間，但是在生產效率和制成率方面與國外先進技術水平還存在一定的差距。

對于膠乳的預處理，國外已經形成了較為完善的研究體系，并取得了一些顯著的成果。然而國內目前所有的濃縮膠乳的加工工藝中并沒有采用預處理措施，在很大程度上限制了濃縮膠乳的制成率，對膠乳的預處理機——碟式分離機系統的研究是現在亟需完成的任務。

2.膠乳類碟式分離機的開發思路

盡管碟式分離機在國內形成了初步的設計規模，但是將碟式分離機作為膠乳預處理機卻是一個全新的理念。鮮膠乳粘性大，內含雜質多，易于吸附在轉鼓表面形成殘渣。碟式分離機作為預處理機，與分離其他介質如葡萄酒、等有很大的區別，其目的就是將鮮膠內的固體雜質分離出來，保證鮮膠乳的穩定性，提高鮮膠乳的保質時間，很大程度上降低了濃縮膠乳的成本。為了深入的了解碟式分離機作為預處理機的可操作性及研制適合膠乳預處理的新型碟式分離機，需要對碟式分離機進行更深入的研究。

碟式分離機立軸的彈簧支撐結構使轉子處于柔性振動狀態，目前國內還沒有形成系統的理論對碟式分離及的柔性支撐特性進行分析，不能對轉子的振動特性做出準確的估計，在設計軸系的過程中往往存在偏差，因此對柔性支撐下的振動特性進行研究可以給碟式分離機的結構設計提供有力的依據。國內現有的碟式分離機都是采用齒輪進行傳動，然而齒輪傳動的潤滑系統不易檢測，而且齒輪傳動的故障率也比較高，需要對預處理機的傳動機構進行改進，采用柔性傳動的皮帶傳動方式，并研究適合柔性傳動的潤滑系統。

碟式分離機對物料分離效果的好壞，是分離機自身結構和分離機的使用工況及過程工藝參數相互制約的結果，液體在碟片間流動情況及粒子在碟片間運動情況相當復雜，不僅受到離心加速度的影響，同時還受到哥氏加速度及液體粘滯阻力的影響。分離機自身結構的影響還需要在實際應用過程中不斷探索和積累經驗，根據不同的物料確定其結構，同時分離機的使用工況及過程工藝參數需要進行調整，選擇合適的工況以及合理的工藝參數才能達到最佳的分離效果。

轉鼓中的碟片組部件是碟式分離機的核心部件。合理設計碟片組不僅是保證碟式分離機能正常、安全運行的前提，而且將直接影響離心機的技術經濟指標。強度計算是碟式分離機碟片組設計的重要內容，目前國內的碟片組強度計算大多數是根據機械工程手冊推薦的離心機強度計算方法。由于碟式分離機的轉速很高，轉鼓質量較大，為了提高生產效率節省停機時間，要想在短時間內停車所需要的阻力矩比較大，但是目前國內采用常規電磁剎車等制動式剎車法會使分離機內的膠液溫度升高，以至于發生質變，影響分離后的產物，使碟式分離機的分離效果降低。

3.膠乳類碟式分離機的關鍵技術研究

3.1碟片組優化設計

影響碟式分離機分離效率主要因素是轉鼓內的上碟、碟片及進料分配器等零件結構參數的設計。碟式分離機的碟片組主要包括進料分配器、碟片和上碟三部分，不僅要滿足生產工藝的需要，還要求其結構簡單，滿足強度要求等。運用ANSYS軟件建立等效的力學模型，對不同工況下碟片組的受力狀況進行研究，分析不同轉速下碟片分配孔、碟片間距以及碟片半錐角對碟片組應力分布的影響。在有限元應力分析的基礎上，結合Fluent對內流特性的分析結果，以滿足強度和提高分離效率為優化目的，以碟片分配孔、碟片間距以及碟片半錐角等結構參數為優化參數，建立了碟片組的優化設計數學模型，對碟片組的結構進行優化設計。

3.2碟式分離機內流特性以及分離效率的研究

在距離很小的碟片間隙內，液體在高速旋轉下流動，其內流特性是影響分離效率的關鍵因素。鑒于碟式分離機內流特性復雜，對其正常工況下的內流特性進行研究，用Fluent軟件模擬碟式分離機內流場，分析碟片分配孔、碟片間距以及碟片半錐角等對內流場的影響，對其結構進行優化設計，并用Fluent軟件分析碟片分配孔與軸線之間存在一定的夾角時對內流場的影響，確定內流特性與碟式分離機工作效率之間的關系。對不同的物料進行分析確定碟式分離機的結構，同時根據分離機的使用工況及過程工藝參數需要進行調整，選擇合適的工況以及合理的工藝參數以達到最佳的分離效果，從碟式分離機的自身結構、使用工況及過程工藝參數來分析影響分離效果的因素。

3.3碟式分離機柔性支承振動特性的研究

由于碟式分離機的轉鼓質量大，結構復雜，轉速高（通常在4000～10000r/min之間），容易引起劇烈的震動，甚至破壞機器結構，危及操作人員的安全。碟式分離機產生振動的原因有很多，如轉鼓組件中零部件的裝配精度不高;主軸與轉鼓的定位不準確;上、下軸承與主軸軸頸之間的配合間隙偏大，運轉時軸承和軸頸的單邊不均勻磨損等，都會造成系統振動。但是，對于碟式分離機影響最大的是工作頻率接近系統的固有頻率所引起的系統共振，共振導致軸承、傳動件的使用壽命急劇下降，嚴重的將破壞機器。

利用ADAMS建立了分離機主軸系統的虛擬樣機模型，并進行了計算機仿真。運用ADAMS建立主軸振動模型，研究主軸系統中幾何參數對系統固有頻率的頻譜響應，從而使工作頻率避開系統的固有頻率，保證了轉鼓的平穩運行。利用ADAMS建立分離機立軸軸系計算模型，對立軸的各階臨界轉速進行分析。在剛性支承轉子的基礎上，用ADAMS建立考慮柔性支承參振質量的轉子動力模型，并分別計算出在柔性支承下的主軸和立軸的各階臨界轉速，與剛性條件下的結果進行對比分析，分析柔性支承下的振動特性，為碟式分離機結構設計和動平衡提供依據。

3.4碟式分離機液力剎車系統的研究

人工排渣型碟式分離機在工作過程中經常要排渣、清洗，啟停機頻繁，由于碟式分離機的轉速很高，轉鼓質量較大，為了提高生產效率節省停機時間，要求在短時間內停車，需要較大的制動力矩，現行的電磁剎車等制動式剎車法會使分離機內的膠液溫度升高，影響產品質量，而液力剎車系統由于液體與轉鼓之間的摩擦僅產生很低的摩擦熱，而且循環的液體會把這少部分的熱帶走，保持停車過程中分離機內膠液溫度恒定，故提出采用液力剎車的結構改進方法。

進行碟式分離機液力剎車系統設計，在分離機主從動端分別采用液力渦輪制動器及射流制動器，其中液力渦輪制動器將轉鼓的轉動能量轉換為水壓能并供給射流制動器，利用Fluent軟件分別對其內流場進行模擬，探索液力剎車的制動力矩與循環液流量、壓力及噴嘴參數等的關系，開展液力渦輪制動器與射流制動器的匹配性研究，對液力剎車系統進行優化設計，并搭建碟式分離機液力剎車系統試驗臺，研究液力剎車系統的制動性能及其影響因素。

3.5碟式分離機柔性傳動及潤滑系統研究

同其它大多數的機器一樣，齒輪失效也是碟式分離機的主要故障之一，而且碟式分離機的工作轉速很高，其齒輪傳動經常發生故障而影響生產，這種傳動方式通常采用飛濺潤滑，齒輪攪動潤滑油，消耗功率大，易發熱，而且齒輪傳動時里面的潤滑油含量沒法準卻估計殘余油量。采用新型皮帶傳動結構，并對其潤滑油系統進行改進，設計一種適用于皮帶傳動的潤滑系統。

3.6控制系統設計

控制系統采用PLC控制，PLC可編程控制器控制各種邏輯功能，有互鎖、過載、過流、短路保護功能，自動控制機器的進料、排渣、沖洗、停機等各種動作;電機采用變頻啟動，可以減少機器啟動時的沖擊，使機器平穩升速，還可調節機器的轉速;用觸摸屏可設定和顯示各種參數值（封閉轉鼓時間、分離時間、排渣時間等），顯示機器的運行狀態;具有振動監測裝置與報警指示，可以顯示離心機的瞬時振動烈度。

4.結束語

膠乳類碟式分離機的研究和開發有利于提高膠乳產業的生產效率，符合國家振興裝備制造業的需求，有著巨大的市場潛力，對加快我國橡膠工業向大型化發展起著極大地推動作用，對我國乃至世界橡膠工業的發展也是極其有利的。

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