三维运动混合机设计.doc
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1、1 前言1.1 选题的背景及其意义(1) 三维运动混合机在国内外的研究现状三维运动混合机属于新型的容器运动型混合机,容器运动型混合机包括两种1:摇滚式混合机和摇摆式混合机。三维运动混合机又称为摇摆式混合机。我国从1990年开始到现在,三维运动混合机从无到有,并逐渐形成规模化生产和销售,并且早已广泛应用到生活生产实践中,并且已经有少量的三维运动混合机用于出口。而且国外很多厂家的产品也已经逐渐退出了中国的市场。从此可以看出中国在三维运动混合机的设计领域取得了丰硕的成果。由于我国工业水平的和装置水平的落后,目前仍普遍使用传统的混合机,如V型和双锥型混合机2,它们的混合时间长、能耗高、装填系数小、混合
2、度不稳定等问题严重影响产品的质量和企业的生产效率及其经济效益。国内有关三维运动混合机的设计专利主要涉及到混合机的出料装置等具体结构。近几年的时间国外有关三维运动混合机的设计专利主要涉及到驱动方式如液压驱动,双轴驱动。相对来说国内有关混合机的理论研究和国外还有一定距离。国内外现有的三维运动混合机的容积都偏小,发展大型的容器既参与转动又参与平动的混合机也是今后发展的方向。国内的三维运动混合机驱动方式只有一种,对三维运动混合机驱动方式的研究应该加大力度。还应该向多方面发展,满足加热、保温、低温等工艺要求。(2) 选题的意义目前,国内许多医药、化工、轻工业等许多行业常用的混合设备主要是:V型混合机、双
3、锥形混合机二维运动混合机等3。这些混合机物料在筒内翻转式,主要依靠动作简单的旋转运动。其混合效益主要取决于转动速度转速应当小于临界转速,转速过大会使混合效率降低;速度太慢不能产生所需的强烈翻转动作和应有的切变速度。所以说这些混合设备有很多缺点:混合不够均匀、装料系数低、回转高度高4。 三维运动混合机能使物料在三维空间的轨迹中运动,不仅有湍动,可以加速物料的扩散和运动,而且有翻转运动,可以克服离心力的影响,消除比重偏差现象,不产生物料积聚和团块滞留现象,它的湍动作用是强烈的,翻转运动是缓慢的,使物料在混合筒内的运动无任何死角。这种混合机混合筒的运动型态是:在进行自转的同时,还进行公转,并且有上下
4、左右前后全方位的运动。所以三维运动混合机有许多优点:混合时间少,混合匀度高、混合筒的装料系数大,设备高度低,回转空间小,占地面积少,工位可调进出料方便,振动小噪音低等。最重要的是提高了生产效率和产品质量5。综上所述可以看出三维运动混合机相比于其他类型的混合机有很多的优点,因此选择设计三维运动混合机。1.2设计内容1.2.1混合机机理混合在生产过程中有两个目的,一是在物料制备过程中由于各部分或前后生产的产品其成分或粒度不均匀,而在使用时需要性能均一的物料,为消除各部分性能上的差异需要对每一批次的粉末进行混合与均化处理。二是有些物料需要进行改性处理或造粒处理,为保证改性或造粒处理的均一性,也需要进
5、行混合与均化处理。这次设计的三维运动混合机主要是第一个用途。1.2.2混合的种类固体与固体、固体与液体、液体与液体、液体与气体物料相混合构成的混合物和固体-液体-气体三类物料构成的混合物。这次设计的三维运动混合机用于药品的混合,即混合物的种类是固体与固体的混合。1.2.3混合机的种类容器旋转混合机和容器固定混合机。容器旋转混合机又分为摇滚式混合机和摇摆式混合机。 三维运动混合机属于摇摆式混合机。1.2.4三维运动混合机的用途及其工作原理(1)用途:三维运动混合机主要用于制药、化工食品、轻工、电子、机械、矿冶、国防工业以及各种科研单位的粉状、颗粒状物料的高匀度混合。(2)工作原理:三维运动混合机
6、在三维空间的轨迹中运动,不仅有湍流运动作用,可以加速物料的扩散和运动,而且有翻转运动,可以克服离心力的影响。它的湍流作用是强烈的,翻转作用是缓慢的,是物料在混合筒内的运动没有死角。混合筒的运动型态是:在进行自转的同时,还进行公转,并且有上下左右前后全方位的运动。混合筒的运动可以分解成如下几种运动方式的组合:上下的剪切运动;左右的平移运动;自转和公转的旋转运动。湍流运动:湍流运动是流体的不规则运动,流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱的变化,然而从统计意义上说,可以得到它们的准确的平均值。剪切混合:又称为面混合或切变混合。是指物料受剪切作用组分内部粒子之间产生相对滑动,物料组分被拉成愈来愈薄的料
7、层,使组分之间接触界面愈来愈大,从而引起的混合现象。此种混合在液体与固体的混合和高精度混合的混合机中特别常见。三维运动混合机的这几种混合运动组成了复杂的运动形式完全解决了药物比重差异所形成的偏差和积聚滞留等现象,提高了混合质量和精度,使物料混合均匀度达到85%以上,装填系数达到80%以上。三维运动混合机的总体设计图如图1.1所示。图1.1 三维运动混合机1.3方案设计根据三维运动混合机的工作要求:1.混合桶容积800L 2.主轴转速18rpm 3.混合时间180s对其进行动力部分,传动装置,执行装置进行设计。三维运动混合机的工作原理:电动机通过带传动,减速器,链传动把动力传递到混合机的主轴上,
8、主轴带动混合桶运动。其最主要的组成部分是:电动机,带轮,传动带,减速器,链轮,链传动,轴,滚动轴承,万向节,混合桶。设计简图如图1.2所示。图1.2三维运动混合机设计简图1.4方案实施(1)三维运动混合机能使物料在三维空间的轨迹中运动,不仅有湍动作用,还可以加速物料的扩散和运动,而且有翻转运动,可以克服离心力的影响,消除比重偏差现象,不产生物料积聚和团块滞留,它的湍动作用是强烈的,翻转作用是缓慢的,使得物料在混合桶内的运动没有死角。三维运动混合机的混合桶运动形态为:在进行自转的同时,还进行公转,并且有上下左右前后全方位的运动。混合桶的运动可以分解成以下几种形式:上下的剪切运动;左右的平移运动;
9、自转和公转的旋转运动。这几种运动组成的复杂运动形式解决了物料比重差异所形成的偏析和积聚滞留等现象,提高了混合的质量和精度。(2)混合桶的桶壁经过镜面抛光,无死角、不剩余料、进出料方便,无交叉污染,容易清洗、造型美观。(3)混合桶的出口处安装一个蝶阀便于物料的放出而且密封效果较好。(4)混合摇臂为铸造,坚固不变形,被动轴有自动调节装置,消除工作时的强大扭矩。(5)三维运动混合机在工作时有恒速、调速两用。1.5 设计步骤(1)根据工作机的工作要求,对各个部分进行初步选型。(2)根据工作机的工作参数要求,进行一系列的参数计算。从而确定各个传动部件。最终确定传动效率和传动比。(3)对容易在工作过程中遭
10、到损坏的部件进行校核。(4)在满足工作要求的情况下进行各个结构的优化设计,查阅各种资料对零部件进行结构合理化设计,经济化设计。最终确定具体的结构。(5)画出各部分的图纸,最终完成工程图。进行设计和总结,与说明书的完成,对怎样进行设计和怎样实现设计的优化以及在设计过程中需要考虑的一系列问题进行总结与归纳,使所学理论知识的认识更加深刻与实际更好的结合。2 三维运动混合机传动装置的总体设计2.1 对传动装置部分零部件的初步选择传动系统包括:电动机小带轮皮带大带轮减速器小链轮链传动大链轮。传动过程如图2.1所示动力源(电动机)动力传递装置装置(皮带、带轮、)减速装置(减速器)动力应用(轴、混合桶)动力
11、传递装置(链、链轮)图 2.1 传动过程示意图(1)轴承的选择:为了能从众多的结构、尺寸中,选择最合适的轴承,需要从各种角度研究。在选择轴承时一般考虑作为轴系的轴承排列、安装、拆卸之难易程度、轴承所允许的空间、尺寸及其轴承的价格,从而大致决定轴承的结构。其次,一边比较研究使用轴承的各种机械的设计寿命和轴承的各种不同的耐久限度,一边决定轴承尺寸。轴承根据其摩擦形式的不同可以分为滑动摩擦轴承和滚动摩擦轴承。滑动摩擦轴承主要用于低速重载工况条件下,或者是维护保养及其加注润滑油困难的运转部位。本次设计的三维运动混合机用于医药工业的混合使用,工作环境还有润滑条件比较好所以可以直接选用滚动轴承。滚动轴承使
12、用和维护比较方便,工作可靠,启动性好。在中等速度下承载能力较高。尺寸标准化,具有互换性,便于安装和拆卸,结构紧凑,重量轻。所以选用滚动轴承。滚动轴承根据外载荷的不同可以分为向心轴承、推力轴承、向心推力轴承。滚动轴承在选择时主要依据轴承所受载荷的大小、方向、性质。根据载荷大小的选择轴承时,由于滚子轴承中主要原件间是线接触,宜用于较大载荷。而球轴承中主要是点接触,宜用于承载较轻的载荷或中等载荷。根据载荷的方向不同对纯轴向力的载荷,一般选择推力轴承。较小的纯轴向载荷可选用推力球轴承,对纯径向力的载荷,一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或者滚针轴承。当轴承在径向载荷的同时,还有不大的轴向载荷,可选用深沟
13、球轴承或者接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承;当轴向载荷较大时可选用角较大的角接触球轴承或者圆锥滚子轴承,或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构。三维运动混合机的主轴和工作机在连接处不仅受到径向力的作用还要受到一定的径向力,再考虑到经济问题,所以选用深沟球轴承。(2)传动机械选择:工作机的转速要求18r/min,而一般的电动机的转速在没有特殊要求的情况下一般不小于750r/min。所以电动机的主轴要连接一个减速器。减速器的作用:减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置,是用来降低和增大转矩以满足各种工作机械的需要。减速器的种类很多,按照传动形式的不同可分为齿轮减速器,涡轮减速器和
14、行星减速器;按照传统级数的不同可以分为单级和多级减速器。按照传动布置的不同可以分为展开式,分流式和同轴式减速器。工作机的转速是18rpm,经过带传动,链传动两级减速所以减速器可以选择一级减速器。(3)其他传动零件的选择减速器以外的传动部件,一般有带传动、链传动、齿轮传动。带传动:由柔性带和带轮组成传递运动和(或)动力的机械传动,分摩擦传动和啮合传动。带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力,且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点,在近代机械传动中应用十分广泛。摩擦型带传动能过载打滑、运转噪声低,但传动比不准确(滑动率在2%以下);同步带传动可保证传动同步,但对
15、载荷变动的吸收能力稍差,高速运转有噪声。带传动除用以传递动力外,有时也用来输送物料、进行零件的整列等。链传动:利用链与链齿轮的啮合来传递动力和运动的机械结构。链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。链传动平均传动比比较准确。齿轮传动:利用齿轮传递运动和动力的传动方式。齿轮传动是利用两个齿轮的轮齿互相啮合传递动力和运动的机械传动装置。按照齿轮轴线的相对位置可以分为平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。根据各个转动方式的特点还有在药品生产过程的实际情况考虑,还有考虑到安装的方便性所以在
16、高速级选择带传动,低速级选择链传动。2.2 电动机的选择电机在工作时需要调速所以选用三相异步电动机,在实际的工作过程中常用的是Y型三相异步电动机。2.2.1电动机功率的选择查阅资料根据同样参数的三维运动混合机选择混合机的电动机电动机功率为5.5KW。2.2.2电动机转速的选择按照工作机转速要求和传动机构的合理传动比范围,可以推算电动机转速的可选范围:各种常用传动机构的合理传动比查机械设计手册得:其中V带传动时最大的传动比为imax=7。因为带传动传动比过大时,容易产生打滑现象。一般选用的传动比在2-4之间取值。链传动的传动比小于等于6。.所以选择电动机的转速的合理范围是:1816=288 18
17、240=4320。所以电动机的转速选择范围应该在288-4320之间。对于Y系列的电动机,三维运动混合机对电动机没有特殊要求,因此通过查阅设计手册,选用同步转速720r/min,额定功率5.5kw的Y160M2-8的电动机。此型号的电动机技术数据如表2.1所示:表2.1 电动机的技术参数电动机型号额定功率/kw满载转速(r/min)额定转矩最大转矩质量/kgY160M2-85.57202.02.01192.3传动装置的总体设计2.3.1减速器型号的选择减速器为一级圆柱减速器,其传动比为i=2-6.3,电动机的功率为5.5kw。由于减速器已经标准化所以查阅机械零件设计手册,选择一个优先传动比i=
18、5,型号为ZD-20 5的减速器,其技术参数如表2.2所示:表2.2减速器的技术参数型号图号中心距传动比重量(吨)备注ZD20102020050.155标准减速器2.3.2计算总的传动比及分配各级传动比(1) 传动装置的总的传动比 (2.1)式中:电动机满载转速,r/min; 工作机转速,r/min;多级传动中,总传动比应为 (2.2)工作机的转速为18r/min,电动机的满载转速为720/min。由式子(2.1)(2.2)得: 减速器的传动比为i1=5,总的传动比为i=40, V带传动的传动比为i2=3.37,链传动的传动比i3=2.372.3.3电动机传动的功率电动机功率计算公式: (2.
19、3) 式中:工作机实际需要的电动机输出功率,kW; 工作机所需输入功率,kW; 电动机至工作机之间传动装置的总效率。总传动效率的计算: 其中、分别为联轴器、减速器、皮带传动、轴承的传动效率。查机械设计课程设计手册“机械传动和摩擦副的效率概略值”表得到各个部分的传动效率:(1)链传动:1=0.96(2)减速器(一级圆柱齿轮减速器):2=0.97-0.98(3)V带传动:3=0.96(4)球轴承:4=0.99=1234=0.87-0.90所以总的传动效率为0.88-0.89工作机的效率:4.84-4.895(kw) 2.3.4传动装置的运动和动力参数的设计(1)各轴转速 式中:电动机满载转速,r/
20、min; 、分别为、轴及工作机转速;(2)各轴功率 式中:、轴输入功率,kW; 、依次为电动机轴与、轴间的传动效率。(3)各轴转矩 式中:电动机轴的输出转矩,Nm; 、轴的输入转矩,Nm3 V带传动的设计3.1 V带传动设计3.1.1 V带传动的设计计算已知条件:电动机功率:P=5.5kw,转速:n1=720r/min,传动比i=3.37。每天工作8小时。处于传动系统的第一级。(1)确定计算功率由机械设计手册查得工作情况系数KA=1.1, 选择V带的带型根据Pca、n1,查机械设计手册,选用A型(2)确定带轮的基准直径dd 并验算带速v 1)初选小带轮的基准直径dd1。由机械设计手册查得,取小
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