FWZ型翻袋離心機螺紋副推料裝置的設計計算

陳崔龍 張德友 方 毅 張曼曼

(合肥通用機械研究院)

FWZ型翻袋離心機螺紋副推料裝置的設計計算

陳崔龍*張德友 方 毅 張曼曼

(合肥通用機械研究院)

介紹了FWZ型翻袋離心機中的新型機械推料機構——滑動螺母絲桿螺紋副傳動裝置和它實現推料動作的工作原理、結構和優(yōu)點。重點分析了該螺紋副傳動的力學計算：推料機構的預緊力；推料機構的總推力和絲桿、副電機及預緊彈簧等結構和參數的選取。據此也可詳細了解影響預緊力、總推力的相關因素。本設計計算為翻袋離心機推料機構建立了計算模型。

翻袋離心機 推料機構 螺紋副 絲桿 預緊力

隨著現代化生產的發(fā)展，制藥、化工及食品加工等行業(yè)的用戶對過濾分離設備的安全可靠性、經濟效益、自動化及環(huán)境保護等方面的要求不斷提高。翻袋離心機因具有全自動控制、循環(huán)操作、自動卸料、無殘余濾餅及對物料無污染等獨特優(yōu)點，滿足了現代生產的發(fā)展需要。國外20世紀 70年代就已經初步研發(fā)、應用翻袋離心機，而國內尚處于起步階段。近幾年，在推行GMP規(guī)范、加入WTO后，過去傳統(tǒng)的過濾分離設備已不再能滿足市場的需求，因此翻袋離心機在醫(yī)藥、化工等領域得到了推廣應用。

翻袋離心機的核心部件為推料裝置，該裝置一般由液壓機構或純機械機構實現推料動作。目前，通過機械機構實現推料動作是技術發(fā)展趨勢，而國內翻袋離心機研制處于起步階段，純機械推料機構不成熟，也無相關的計算模型和公式作為參考。筆者所在單位自主研制的FWZ型翻袋離心機其推料裝置由滑動螺母和絲桿組成的螺紋副組成，結構新穎、緊湊，可靠性高，在化工及農藥等行業(yè)得到應用，取得了良好的效果，填補了國內空白。該機推料裝置的內外推料盤在轉鼓中會受到物料離心壓力作用，過濾袋在物料離心力作用下與轉鼓內壁襯網之間的摩擦以及推桿與滑動軸承的摩擦等因素都會對推料裝置預緊、推出及收回等動作產生力學影響。筆者通過計算、分析，詳細解析這些因素在推料裝置中的影響作用，建立起翻袋離心機推料機構的計算模型。

1 工作原理

翻袋離心機在結構上將傳統(tǒng)的臥式離心機回轉構件分離成同步旋轉的內、外軸系兩部分[1]。FWZ型翻袋離心機的外軸系軸向固定；內軸系可在螺紋副機械裝置的作用下沿軸向運動——前進時翻出過濾袋，實現卸料，后退時收回過濾袋，實現復位(圖1)。內軸系主要由外推盤、內推盤、推桿軸、滑動軸承、滑動螺母及絲桿等零部件構成；外軸系主要由轉鼓體、襯網、主軸及軸承座等構成。過濾布為袋狀，一端固定在外軸系的轉鼓體大端，另一端固定在內軸系的內推盤小端。過濾時，在離心力的作用下濾液穿過濾袋和轉鼓上的孔，固體被過濾袋截留并形成濾餅；卸料時，在機械裝置的作用下內軸系沿軸向被推出并帶動過濾袋翻轉，同時完成濾餅卸出和濾布再生操作；卸料完成后，內軸系收回并鎖緊，完成復位，進入下一個工作循環(huán)。與傳統(tǒng)離心機卸料方式比較，翻袋離心機卸料后，不會有殘留濾餅，不會引起每批次物料間的污染，不會對濾餅晶體形狀產生破壞，也不會對下批次物料的過濾產生影響。

圖1 FWZ型翻袋離心機工作原理示意圖

2 推料裝置

翻袋離心機翻袋動作是依靠推料裝置實現的。推料裝置主要分為液壓驅動方式和純機械傳動方式兩種類型。由于液壓驅動方式有易漏油、污染所分離的產品和環(huán)境、旋轉的油缸有較大的轉動慣量以及會降低軸的臨界轉速等缺點，因此其應用范圍逐漸減小[2]，而純機械傳動方式結構型式較多。FWZ型翻袋離心機是通過主、副電機分別帶動外軸系和內軸系，利用速度差使內軸系在滑動螺母、絲桿形成的螺紋副產生軸向運動，帶動推料裝置前進或后退，從而實現翻袋動作。該驅動方式避免了液壓驅動方式的弊端，不會對物料產生污染，翻袋動作容易實現，也容易實現自動控制。

運用純機械傳動方式時內軸系的軸向是自由的，這就涉及到內軸系的預緊和驅動力計算。筆者對此進行詳細分析。

2.1 內軸系的預緊

FWZ型翻袋離心機在開始工作時，轉鼓和外推盤形成密封腔體(圖2)。物料通過進料管，進入旋轉的封閉轉鼓腔體內，此時轉鼓以較低的進料速度旋轉，根據轉鼓直徑的大小，一般為200～400r/min。物料進入封閉的轉鼓腔體后，流體會對轉鼓腔體兩端(即外推盤、內推盤)產生離心壓力。為了順利將過濾袋和濾餅翻轉推出轉鼓，需要使內推盤直徑小于外推盤直徑，一般單邊小12～20mm。若直徑差過小，卸料時過濾袋可能會被卡住，導致翻袋動作無法實現；若直徑差過大，流體在內外推盤上會形成壓力差，如果預緊力不夠，外推盤會在壓力差的作用下被推出，導致轉鼓腔體不能密封，產生物料泄漏。

圖2 轉鼓密閉時示意圖

假設進入轉鼓的物料是質量均勻的，則物料對外推盤產生的最大離心壓強為[3]：

(1)

式中pmax——外推盤承受的最大離心壓強，MPa；

r外——外推盤半徑，mm；

r內——內推盤半徑，mm；

ρ——物料的密度，g/cm3；

ω——轉鼓旋轉角速度，rad/s。

為使外推盤在離心過濾時被鎖緊，預緊彈簧應被壓縮，產生預緊力F，F與pmax應有以下關系：

F≥10-1×C1pmaxπ(r外2-r內2)

(2)

其中，C1為安全系數，考慮到設備在動載情況下傳遞力和推桿時所受的摩擦，取2.0～2.5。

通過鎖緊螺母壓縮預緊彈簧，產生預緊力，預緊力大小應滿足式(2)的要求。預緊彈簧一端頂在機架上，預緊力最終傳遞到機架。

2.2 內軸系驅動力

主、副電機之間的轉速差可提供內軸系的驅動力。副電機帶動絲桿旋轉，絲桿和滑動螺母形成螺紋副，滑動螺母通過鍵和轉鼓實現同步旋轉，轉鼓的旋轉由主電機帶動。內、外推盤、推桿和滑動螺母通過剛性聯(lián)接，形成同一速度，且與轉鼓轉速同步，內軸系驅動原理如圖3所示。當副電機不旋轉時，內、外推盤處于收回狀態(tài)，與轉鼓形成封閉腔體，物料進入并且升速過濾、脫水，此時，滑動螺母帶動絲桿作同步旋轉，副電機被動旋轉。過濾完成后，到達卸料階段，此時，主電機降速，轉鼓降速至卸料轉速；副電機啟動、升速并且超過轉鼓轉速，絲桿轉速大于滑動螺母轉速，形成速度差，滑動螺母開始向左滑動，帶動推桿、內外推盤同步向左運動，過濾袋慢慢被翻轉、推出，濾餅逐漸卸除。當滑動螺母滑動到位時，副電機停止運轉，滑動螺母再次帶動絲桿作同步旋轉，滑動螺母向右滑動，內、外推盤同步向右運動，直至關閉，完成復位，進入下一個循環(huán)。

圖3 內軸系驅動原理

副電機帶動絲桿軸旋轉，傳遞扭矩。絲桿軸驅動內外推盤向外翻動，要克服物料離心壓力引起的過濾袋與襯網間的摩擦力F1、推桿和環(huán)形密封間的摩擦力F2、推桿和滑動軸承間的摩擦力F3、滑動螺母和軸承座間的摩擦力F4。

2.2.1物料離心壓力引起的過濾袋與襯網之間摩擦力

(3)

r1——轉鼓內半徑，mm；

r2——轉鼓旋轉時濾餅的自由表面半徑，mm。

由物料離心壓力引起的過濾袋與襯網之間的摩擦力F1為：

(4)

式中C2——考慮到過濾袋在離心力作用下周向被拉伸，一般拉伸不超過其長度的30%[4]，拉長的過濾袋部分嵌入襯網網孔而增加了接觸面積，故C2一般取1.3～1.5；

L——轉鼓內長，mm；

μ1——過濾袋與襯網之間的摩擦系數。

2.2.2推桿和環(huán)形密封之間的摩擦力

根據軟填料密封計算[5]，推桿與環(huán)形密封之間的摩擦力F2為：

F2=100πdHqμ2

(5)

式中d——推桿的外徑，cm；

H——環(huán)形密封的高度，cm；

q——環(huán)形密封的側壓力，MPa；

μ2——環(huán)形密封和推桿之間的摩擦系數，一般取0.08～0.25。

2.2.3推桿和滑動軸承之間的摩擦力

推桿與轉鼓主軸之間設有滑動軸承，推桿與滑動軸承之間的摩擦力F3為：

F3=N1μ3

(6)

式中N1——滑動軸承所受的正壓力，N；

μ3——滑動軸承與推桿軸之間的摩擦系數。

翻袋離心機在卸料時，轉鼓與轉鼓內部的物料同步旋轉，整個周向產生離心力，該離心力對滑動軸承圓周方向施力均勻，相互抵消?；瑒虞S承的正壓力N1即可近似等于內、外推盤整個組件的重量G，內、外推盤與滑動螺母杠桿關系示意圖如圖4所示。

圖4 內、外推盤與滑動螺母杠桿關系示意圖

2.2.4滑動螺母和軸承座之間的摩擦力

因為滑動螺母和絲桿之間有間隙，內、外推盤、推桿和滑動螺母可以看成以滑動軸承為支點的杠桿系統(tǒng)，根據力矩可以計算出軸承座對滑動螺母的正壓力N2=GL1/L2。由此，可計算出滑動

螺母和軸承座之間的摩擦力F4：

F4=N2μ4

(7)

式中μ4——滑動螺母與軸承座之間的摩擦系數。

結合以上各式，可以計算出翻袋所需要的總推力F=F1+F2+F3+F4。根據計算出來的總推力F，即可選擇合適直徑的絲桿；再結合內、外推盤的轉速，可初步確定副電機功率。

3 結束語

FWZ型翻袋離心機的滑動螺母絲桿螺紋副傳動系統(tǒng)形成的推料裝置，結構上緊湊、可靠，傳動效率較高，避免了液壓裝置跑、冒、滴、漏等缺點。通過物料離心力的分析，可以確定外推盤所需要的預緊力，確定合適的彈簧。工業(yè)應用上，因其預緊力較大，且要求彈簧變形較小，一般選用能以小變形承受大載荷的碟形彈簧。螺紋副絲桿的總推力F可以由物料離心壓力引起的過濾袋與襯網之間摩擦力F1、推桿和環(huán)形密封之間的摩擦力F2、推桿和滑動軸承之間的摩擦力F3、滑動螺母和軸承座之間的摩擦力F4求得，據此也可初步確定絲桿型式、直徑和副電機的功率。該計算模型在其他純機械結構形式的設計計算中，也可作為參考。

[1] 范德順，李煥，黃鐘.翻袋式離心機簡介[J].過濾與分離，2000，10(3)：35～37.

[2] 范德順，錢才富，徐鴻，等.翻袋式離心機濾袋翻轉機構研究[J].石油化工設備，2004，33(1)：12～13.

[3] 孫啟才，金鼎五.離心機原理結構與設計計算[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987：132～133.

[4] 郭仁惠，張建設.濾布性能測定及選用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997：182～183.

[5] 成大仙.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003：10～156.

DesignCalculationofScrew-ThreadPushingDeviceinFWZInvertingFilterCentrifuge

CHEN Cui-long, ZHANG De-you, FANG Yi, ZHANG Man-man

(HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230088,China)

The new-type mechanical pusher, i.e. the sliding nut screw-assisted transmission in FWZ inverting filter centrifuge was introduced, including the pushing device’s working principle, structure and advantages realized. The mechanical calculation like the pusher’s pretightening force and total thrust force and the selection of screw rod, secondary motor and the spring for pretightening as well as the parameters concerned were analyzed, including the factors influencing both pretightening force and total thrust force. This design calculation establishes a calculation model for the pusher in the inverting filter centrifuge.

inverting filter centrifuge, pusher, screw-thread, screw rod, pretightening force

TQ051.8

A

0254-6094(2016)01-0043-05

*陳崔龍，男，1976年9月生，高級工程師。安徽省合肥市，230088。

2014-12-30)