翻倒卸料離心機的計算機輔助設計研究

于婧超，王達理

（1.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110142；2.沈陽科技學院，遼寧 沈陽 110167）

三足式離心機是用途最廣泛離心機[1]，近年來，由于電力、石油化工、食品加工、生物工程、精細加工，環保水處理等部門中新技術的不斷發展，對分離技術與設備提出了新的挑戰和更高的要求。不僅要求提供更多更好的品種和規格，而且迫切需要在分離效率上能有更大的提高[2-4]。翻倒卸料離心機是在三足式卸料離心機基礎上研發而成的一種新型離心機。它具有對物料適應性強，操作方便等特點，克服了三足式卸料離心機勞動強度大、工作效率低的缺點，同時又避免刮刀卸料離心機在卸料時刮濾網和破壞物料晶粉的缺點，本機可廣泛用于化工、輕工、醫藥、食品等領域。

離心機設計計算過程相當繁瑣，涉及到許多參數圖標的查詢和反復校核計算。將計算機輔助設計技術與離心機的設計計算結合起來，不僅優選了各種計算的數學公式，同時，CAD技術[5]可以保存離心機的設計參數，有良好的可視化圖形界面，人機交互過程均采用對話框進行，操作簡單方便，從而提高了設計效率，優化了設計參數，為獲得最優的設計結果提供了可能。

1 翻倒卸料離心機設計

1.1 結構組成

翻倒卸料離心機主要有以下基本結構組成：轉鼓組件，主軸，帶傳動組件，軸承組件，翻倒機構等。

1.2 設計的原始數據及數據庫的建立

離心機設計過程中所包括的原始數據有轉鼓的直徑、轉鼓的工作轉速、轉鼓的一次最大加料量、物料密度、物料固液比、離心機由靜止到達工作轉速所需的啟動時間等。對于這些參數，采用office access作為數據庫將它們存儲起來，并且提供計算中部分參數的數據庫查詢，將計算結果存儲到數據庫中，提供多次計算結果的對照與比較。

圖1 離心機結構示意圖

1.3 人機界面

人機界面為設計者與計算機之間相互交換信息提供必要的手段。離心機輔助設計軟件采用Visual Basic作為開發平臺，在Visual Basic環境下，利用事件驅動的編程機制、新穎易用的可視化設計工具，可以高效、快速地開發Windows環境下功能強大、圖形界面豐富的應用軟件系統。從而開發出了一套具有適用于多用戶參數輸入模式，運用了圖形界面環境，使程序的使用變得更友好，用戶用起來更加方便，采用人工交互的設計系統，更好的對離心機進行計算機輔助設計。如圖1所示。

1.4 基本設計思路

離心機輔助設計軟件是在整體設計滿足需求的基礎上，對整體內容進行詳細的劃分，共分為六部分，如圖1所示，在離心機設計計算的算法框架內需要依次進行離心機轉鼓強度計算與校核、功率的計算、帶傳動設計計算、主軸的計算及強度校核、剎車輪的結構設計與強度計算、翻倒架的強度計算。

離心機輔助設計軟件圖形界面的每個部分完成相應的計算，將設計全過程編入計算機程序，在給定原始數據的情況下，計算機可以優選各種計算的數學公式，迅速計算出全部結果。過程的設計、分析以及選取的各種表格數據，均可由計算機完成，從而提高了設計人員的工作效率，降低了項目開發的成本。

各個模塊完成既定功能基本流程圖如下。

圖2 離心機輔助設計基本流程圖

2 設計與實現

2.1 離心機轉鼓的強度計算與校核

離心機有一個繞本身軸線高速旋轉的圓筒，稱為轉鼓，通常由電動機驅動。離心機轉鼓是離心機的關鍵部件之一[6]。本模塊包括轉鼓鼓壁的確定和轉鼓底的強度計算，計算機根據設計者輸入的已知參數，通過已經編寫的數據庫和公式進行計算。

2.2 功率的計算[7]及電機的選擇

離心機所需功率主要包括：轉鼓與物料起動加速到工作轉速所消耗的功率；轉鼓與軸承由于摩擦所消耗的功率；卸出物料所消耗的功率等。選擇電機的標準[8]根據所計算出的軸功率，選擇電機，點擊電機選擇，在彈出的對話框中參照電機選擇的表按要求輸入各個參數。

2.3 帶及帶輪的設計

帶傳動是以張緊在至少兩輪上的帶作為中間撓性件，靠帶與輪接觸面間產生摩擦力來傳遞運動和動力。帶傳動具有結構簡單、傳動平穩、造價低廉、適于遠距離傳動等優點，在機器中被廣泛應用。設計界面中提供相應的參數輸入部分，部分參數提供查表功能，根據相關公式計算結果。

2.4 軸的設計

軸的設計應該滿足：合理的結構，足夠的強度，必要的剛度和震動穩定性及良好的工藝性等條件。離心機為高速回轉機械，主軸的轉速較高，主軸的設計，完全采用設計者自己設計頁面給出各個部分的數據，輸入即可。若主軸的工作轉速靠近軸系統的臨界轉速，則可能發生共振，轉動件與靜止件相碰撞，發生嚴重的事故。輸入參數后，計算機會自動根據數據庫中存儲的公式計算出臨界轉速。

2.5 剎車輪的結構設計與強度計算

本部分根據被制動對象的運動狀態，可分為水平移動制動與垂直移動制動。確定制動力矩，進行制動器的強度校核，摩擦面比壓校核，鋼帶拉伸應力的校核。

2.6 翻倒架的設計計算

翻倒卸料離心機的翻倒機構主要由左軸、右軸、翻倒架等組成。在設計時，按照簡支梁的力學模型進行強度校核，同時對右軸進行彎扭組合的強度校核。

3 離心機軟件的功能模塊

（1）數據庫維護模塊：在初次使用該軟件的時候會出現查表數據不全的情況，用戶需要在其他的地方查詢一些自己所需要的信息，在用到該軟件時可以把查到的相關信息更新到查表數據當中，在以后的使用過程中更方便。

（2）信息輸入模塊：該軟件有離心機轉鼓的強度計算與校核、功率計算、帶及帶輪的設計、主軸的計算及強度的校核等六個部分，每個部分都有相關方面的信息提示，用戶根據相應的提示輸入所對應的數據。

（3）歷史數據導入模塊：在程序的計算過程中會輸入大量的數據，包括轉鼓參數、帶輪參數以及翻倒架參數等，總體數據個數能達到上百個，并且計算并不是一次就能完成的，往往要進行多次的計算，如果用戶一一輸入會浪費大量的時間，因此，程序對用戶輸入的數據進行了保存，當用戶需要的時候可以進行導入。

（4）計算模塊：六個部分中每個部分數據單獨輸入后，都需要進行單獨的運算，系統會把運算結果顯示在相應的部分當中，供給用戶觀察比對，在后面的部分當中會有一些需要用到前面的計算結果來參與計算。

圖3 離心機功能模塊圖

4 結論

翻倒卸料離心機作為高速回轉機械，包括轉鼓組件、主軸、傳動組件、翻倒機構等部分，針對每一種使用工況（如不同物料性質、加料量等），在設計過程中均需要具體計算，需要很大的計算工作量，并且離心機設計計算的過程相當繁瑣，涉及到許多參數和圖表的查詢并且反復校核計算。

本文在前人工作的基礎上，將CAD的思想引入到該離心機的設計中，運用ADO、Visual Basic6.0、Microsoft Access開發了離心機輔助設計軟件，采用了人工交互的設計系統，操作簡單方便，計算機可以根據設計者輸入的原始數據，優選出最佳的數學公式。在計算時有些參數是未知需要預先假定，如果計算數據不滿足要求，設計者可以重新輸入并計算直至得到滿意的結果，這樣大大減少了設計者的工作量，提高了工作效率，為設計者的工作提供了方便。