自清潔離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型分析

鄧 飛，崔洪斌，馮 運(yùn)

（河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018）

0 引言

直接從植物的花、葉、莖中提取的各種香料或添加劑，由于綠色天然且無(wú)副作用，越來(lái)越受到市場(chǎng)的歡迎，目前傳統(tǒng)的提取工藝是將采摘下來(lái)的原材料運(yùn)輸?shù)缴a(chǎn)廠家，用離心機(jī)等設(shè)備進(jìn)行提取。在汁液分離工序，植物固液混合物送入離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓后，轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，固液混合物中的液體在離心作用下，穿過(guò)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的濾網(wǎng)，而固體部分被濾網(wǎng)阻擋，從而實(shí)現(xiàn)固液分離。分離過(guò)程中產(chǎn)生的植物殘?jiān)瑫?huì)積存在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，并且經(jīng)常會(huì)有少部分粘結(jié)在轉(zhuǎn)鼓濾網(wǎng)上堵塞網(wǎng)孔，因此傳統(tǒng)離心機(jī)設(shè)計(jì)有螺旋槳機(jī)構(gòu)以輸出固體殘?jiān)O(shè)計(jì)刮刀機(jī)構(gòu)以清理堵塞濾網(wǎng)孔的粘性殘?jiān)鹘y(tǒng)離心機(jī)體積較大，分離工作過(guò)程是一個(gè)斷續(xù)的過(guò)程，輸出殘?jiān)颓謇頌V網(wǎng)經(jīng)常需要停機(jī)，因此生產(chǎn)效率較低。并且，原材料的長(zhǎng)途運(yùn)輸會(huì)造成有益成分揮發(fā)損失較大，提取率變低，而分離后剩余的植物纖維殘?jiān)€要進(jìn)行廢料處理，以防污染環(huán)境。這些原因造成天然植物提取物成本很高，市場(chǎng)價(jià)格昂貴，高昂的價(jià)格造成了各種化學(xué)添加劑在我國(guó)的流行使用。基于以上原因，開(kāi)發(fā)一種針對(duì)植物汁液提取的小型自動(dòng)化離心機(jī)，設(shè)備可被機(jī)動(dòng)運(yùn)輸?shù)讲煌脑牧现鳟a(chǎn)區(qū)快速生產(chǎn)，不但減少了原材料的運(yùn)輸成本和運(yùn)輸損耗，而且可極大提高生產(chǎn)效率和汁液提取率。

1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理

離心機(jī)的核心工作部件是轉(zhuǎn)鼓，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)鼓的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在固液分離的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)濾網(wǎng)防堵塞和廢料自動(dòng)輸出功能，省去傳統(tǒng)離心機(jī)中的螺旋輸出和刮刀清淤等復(fù)雜笨重裝置，使離心機(jī)在不間斷工作過(guò)程中能夠自動(dòng)清潔轉(zhuǎn)鼓，從而實(shí)現(xiàn)離心機(jī)的小型化。主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)包括：

1）設(shè)計(jì)一種橢圓錐體旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒和圓柱體旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒相組合的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)，利用離心作用原理在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁和濾網(wǎng)之間安裝一套高頻自振動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，高頻振動(dòng)裝置帶動(dòng)濾網(wǎng)做高頻低幅振動(dòng)，使固液混合物不易附著在濾網(wǎng)上，從而省去傳統(tǒng)設(shè)備中的刮刀清淤裝置。

2）利用伯努利原理，在轉(zhuǎn)鼓上設(shè)計(jì)一種自動(dòng)出料裝置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在連續(xù)工作過(guò)程中的廢料自動(dòng)輸出功能，省去傳統(tǒng)螺旋輸出機(jī)構(gòu)。

2 轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與模型分析

2.1 轉(zhuǎn)鼓主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，轉(zhuǎn)鼓由兩段旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒組合而成，分別是AB段和BC段，其中AB段為圓柱旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒，其垂直方向剖面如圖2(a)所示，截面形狀為空心圓形截面。BC段為橢圓錐旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒，其垂直方向剖面為空心橢圓形截面，如圖2(b)所示。在橢圓錐旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒部分，從C點(diǎn)到B點(diǎn)，空心橢圓截面的長(zhǎng)軸和短軸的比值逐漸變小且長(zhǎng)軸和短軸的絕對(duì)長(zhǎng)度逐漸變大，B點(diǎn)處是圓柱旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒和橢圓錐旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒接合處，因此，相對(duì)于橢圓錐旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒而言，B-B剖面是空心橢圓截面的長(zhǎng)軸和短軸比值最小處，等于1，因此B-B剖面為空心圓形截面，在C點(diǎn)處的C-C橢圓截面處，橢圓長(zhǎng)軸和短軸的比值最大，即轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒從C點(diǎn)的橢圓形截面漸變?yōu)锽點(diǎn)的圓柱形截面，并保持圓柱形截面至A點(diǎn)。

圖1 轉(zhuǎn)鼓整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 圓柱旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒和橢圓錐旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒截面示意圖

2.2 高頻振動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

待分離的固液混合物，從圖1所示的轉(zhuǎn)鼓右端輸入，因此在轉(zhuǎn)鼓的BC段旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒內(nèi)，固液混合物粘性相對(duì)最大，最容易發(fā)生濾網(wǎng)堵塞問(wèn)題，傳統(tǒng)的解決方案是在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部設(shè)計(jì)刮刀機(jī)構(gòu)，定期停止轉(zhuǎn)鼓運(yùn)行以清理附著在濾網(wǎng)上的殘?jiān)榱私鉀Q濾網(wǎng)粘接堵塞問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高頻振動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在橢圓錐旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒的內(nèi)壁上，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3為轉(zhuǎn)鼓橢圓錐倉(cāng)筒壁上任意Di點(diǎn)處實(shí)際結(jié)構(gòu)放大圖：在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，設(shè)計(jì)了一組振動(dòng)簧組，每個(gè)振動(dòng)簧一端固定在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，另一端安裝一個(gè)振動(dòng)球，振動(dòng)球依靠球固定網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)式固定，形成振動(dòng)球組。工作原理為：當(dāng)轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，振動(dòng)球同步旋轉(zhuǎn)，振動(dòng)簧受到周期變化的作用力，使振動(dòng)簧產(chǎn)生周期性變化的縱向變形，從而帶動(dòng)振動(dòng)球做高頻振動(dòng)，此高頻振動(dòng)傳遞給濾網(wǎng)。固液混合物在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，液體通過(guò)濾網(wǎng)后從轉(zhuǎn)鼓空隙分離出去，而被分離后的固體殘?jiān)艿礁哳l振動(dòng)的作用，不易附著在濾網(wǎng)上。

圖3 Di處高頻振動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 振動(dòng)球力學(xué)振動(dòng)特性分析

以圖3所示橢圓錐旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒上任意Di點(diǎn)處振動(dòng)球?yàn)榱W(xué)定性分析對(duì)象，依圖1所示建立XY坐標(biāo)系，Di振動(dòng)球在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，其離心力為Fdi，方向垂直于X軸向，其運(yùn)算公式為：

式中：m是小球質(zhì)量，ω是轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)角速度，ri是Di振動(dòng)球到X軸的垂直距離。

離心力Fdi可被分解成兩個(gè)方向的分力F1i和F2i，F(xiàn)1i的方向與橢圓錐斜面垂直，F(xiàn)2i的方向與橢圓錐斜面平行， F1i是引起振動(dòng)簧縱向變形的分力之一。

式中：αi是Di振動(dòng)球處橢圓錐的錐角，Di點(diǎn)處振動(dòng)球的重力為Fm。

如圖4所示，在ZY坐標(biāo)系中，F(xiàn)m可以分解成兩個(gè)相互垂直的分力Fm1和Fm2，其中Fm1指向圓心o，F(xiàn)m1是引起振動(dòng)簧縱向變形的分力之二。

圖4 振動(dòng)球重力分解示意圖

式中：βi是Di振動(dòng)球旋轉(zhuǎn)角度為βi（與Z軸夾角）；

振動(dòng)簧的縱向變形是由分力F1i和Fm1共同作用的結(jié)果，根據(jù)彈性變形公式，有：

式中：k是振動(dòng)簧的彈性系數(shù)，xi是振動(dòng)簧的縱向變形量。將式(2)和式(4)式代入式(5)，變形得：

運(yùn)動(dòng)特征分析結(jié)論：（根據(jù)橢圓錐的特性可知，橢圓錐在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，對(duì)于特定Di點(diǎn)，錐角αi是一個(gè)定量；對(duì)于不同位置的Di點(diǎn)，錐角αi是不同的）

1）在式(6)中，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，特定Di點(diǎn)振動(dòng)球做圓形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，βi在0～360°之間旋轉(zhuǎn)變化，因此，xi是周期性變量，xi的周期性變化帶動(dòng)濾網(wǎng)進(jìn)行高頻振動(dòng)，振動(dòng)的振幅受轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速ω、橢圓錐上Di點(diǎn)的半徑ri、橢圓錐錐角αi和振動(dòng)簧的彈性系數(shù)k綜合影響。

2）在ZY坐標(biāo)系內(nèi)，同一個(gè)橢圓截面上的各個(gè)振動(dòng)球，其環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)振動(dòng)球的旋轉(zhuǎn)半徑ri是不同的，因此，同一個(gè)橢圓截面上各個(gè)振動(dòng)球的xi是不同的。

3）在XY坐標(biāo)系內(nèi)，同一個(gè)橢圓錐斜截面上的各個(gè)振動(dòng)球，錐角αi是不同的，因此，橢圓錐斜截面上的各個(gè)振動(dòng)球xi是不同的。

4） 在式(7)和式(8)中，F(xiàn)2i和Fm2引起振動(dòng)簧做高頻橫向振動(dòng)，這個(gè)橫向高頻振動(dòng)可被球固定網(wǎng)吸收，對(duì)濾網(wǎng)的作用力影響可忽略不計(jì)。

通過(guò)以上分析，在轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，橢圓錐旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒部分，內(nèi)壁濾網(wǎng)在振動(dòng)球的作用下做復(fù)雜的高頻振動(dòng)。

2.4 自動(dòng)出料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步將設(shè)備小型化，提高設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化，利用伯努利原理設(shè)計(jì)了一種廢料自動(dòng)輸出裝置，省去了常規(guī)設(shè)備中的螺旋輸出機(jī)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，在轉(zhuǎn)鼓的圓柱旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒部分，環(huán)繞安裝兩圈出料管，出料管為中空結(jié)構(gòu)，外端為圓弧狀粗頭形狀，另一端和轉(zhuǎn)鼓的圓柱旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒內(nèi)部連通。

圖5 自動(dòng)出料結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)外的空氣壓強(qiáng)，利用伯努利原理進(jìn)行分析，建立伯努利方程如下：

式中：p是流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，v是流體在該點(diǎn)的流速，ρ是流體密度，g是重力加速度，h 是該點(diǎn)所在高度，C 是常量。

在如圖6所示的轉(zhuǎn)鼓的圓柱旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒結(jié)構(gòu)中，以ZY坐標(biāo)系為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，將轉(zhuǎn)鼓內(nèi)外的參數(shù)代入式(8)，得出：

式中：p1是圓柱倉(cāng)筒與出料管連接內(nèi)孔處空氣壓強(qiáng)，v1是圓柱倉(cāng)筒與出料管連接內(nèi)孔處空氣流速，ρ1是圓柱倉(cāng)筒與出料管連接內(nèi)孔處空氣密度，h1是圓柱倉(cāng)筒與出料管連接內(nèi)孔處高度，p2是出料管外端孔處空氣壓強(qiáng)，v2是出料管外端孔處空氣流速，ρ2是出料管外端孔處空氣密度，h2是出料管外端孔處高度。

在式(9)中，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)外的空氣密度ρ1和ρ2基本相同，且數(shù)值很小，因此空氣高度h引起的壓強(qiáng)ρ1gh1和ρ2gh2本身數(shù)值很小，其壓強(qiáng)差值更小，可以忽略不計(jì)，因此式(9)化簡(jiǎn)并變形得：

式中：ρ是轉(zhuǎn)鼓內(nèi)、外的空氣密度。

式中： r1是圓柱倉(cāng)筒與出料管連接內(nèi)孔處旋轉(zhuǎn)半徑，r2是出料管外端孔處旋轉(zhuǎn)半徑。兩個(gè)位置的角速度ω是相同的，將式(11)、式(12)式代入式(10)整理得：

分析式(13)可得出以下結(jié)論：

1）轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的角速度ω和出料管的長(zhǎng)度是影響出料管兩端孔處壓強(qiáng)的關(guān)鍵因素，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，出料管的外端孔處的壓強(qiáng)低于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部的內(nèi)端孔處壓強(qiáng)。

2）出料管外端設(shè)計(jì)成外圓弧狀粗頭形狀，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣做為流體，沿外圓弧流動(dòng)，在外端口的空氣實(shí)際流速要大于計(jì)算出的流速v2，因此，出料管內(nèi)外端孔處的實(shí)際壓強(qiáng)差要大于計(jì)算出的壓強(qiáng)差。

3）當(dāng)轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，固液分離后轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的廢料在圓柱旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒內(nèi)部，受內(nèi)外壓強(qiáng)差的作用，自動(dòng)向出料管內(nèi)孔口運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)出料管被甩出。

3 固液分離工作過(guò)程

離心機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，磨碎的植物固液混合物從轉(zhuǎn)鼓的右端進(jìn)料口輸入，隨轉(zhuǎn)鼓做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，混合物中的液體在離心作用下，逐漸滲透通過(guò)濾網(wǎng)被甩出。受高頻振動(dòng)的作用，混合物不易粘接堵塞濾網(wǎng)，而是在橢圓錐旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，沿橢圓錐錐角方向向轉(zhuǎn)鼓左端移動(dòng)，逐步移動(dòng)到橢圓錐旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒和圓柱旋轉(zhuǎn)倉(cāng)筒的連接B處，在這個(gè)連接處，植物固液混合物的旋轉(zhuǎn)半徑最大，因此離心作用最強(qiáng)烈，此時(shí)固液混合物分離效果達(dá)到極限，分離后剩余的植物纖維殘?jiān)饾u在B處累積，隨著累積量的增加，在伯努利效應(yīng)的作用下，自動(dòng)向出料管內(nèi)端口處運(yùn)動(dòng)并被甩出轉(zhuǎn)鼓。

4 結(jié)論

自清潔轉(zhuǎn)鼓的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為專(zhuān)用于植物汁液提取的離心機(jī)小型化提供了可能，離心機(jī)可方便的運(yùn)輸?shù)讲煌墓ぷ鲌?chǎng)地迅速開(kāi)展工作，避免了汁液成分在長(zhǎng)途運(yùn)輸中的揮發(fā)損失，分離后剩余的植物纖維廢料，可作為一些家禽牲畜的飼料就地處理，不但可產(chǎn)生額外效益，而且整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程環(huán)保無(wú)污染，因此，課題成果具有較好的應(yīng)用推廣前景。目前，本成果已被授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：201310169256.0），正在進(jìn)行樣機(jī)試制。

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