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第一章 緒論
1.1課題研究意義
理論上把任何狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和半液態(tài)）下物料均勻摻和在一起的操作稱(chēng)為混合，但習(xí)慣上常把固態(tài)物料之間摻和或者固態(tài)物料加濕的操作稱(chēng)為混合；而把固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)物料與液態(tài)物料混合的操作稱(chēng)為攪拌。
攪拌與混合操作是應(yīng)用最廣的過(guò)程單元操作之一，大量應(yīng)用于化工、石化、輕工、醫(yī)藥、食品、采礦、造紙、農(nóng)藥、涂料、冶金、廢水處理等行業(yè)中。近年來(lái)，攪拌與混合技術(shù)發(fā)展很快、攪拌與混合設(shè)備正向著大型化、標(biāo)準(zhǔn)化、高效節(jié)能化、機(jī)電一體化、智能化和特殊化方向發(fā)展。在這種形式下，技術(shù)人員如何借鑒已有經(jīng)驗(yàn)，掌握新的變化情況，正確設(shè)計(jì)與選用不同工藝條件下操作的攪拌與混合設(shè)備，使其滿(mǎn)足安全、可靠、高效和節(jié)能的要求，就變得十分重要了。
攪拌混合設(shè)備是各種工業(yè)反應(yīng)不可或缺的重要工具。然而，由于攪拌目的多樣性和混合反應(yīng)的復(fù)雜性，當(dāng)前，攪拌混合技術(shù)還存在著一些問(wèn)題。例如攪拌效率低，功耗大，鑄造成本高，在自動(dòng)化選型和設(shè)計(jì)問(wèn)題上，長(zhǎng)期以來(lái)一直依靠專(zhuān)家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)人工完成，智能化水平不高，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，資金和人力物力消耗巨大，等等。因此研制新型攪拌裝置和采用先進(jìn)流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)一直是攪拌過(guò)程所研究的主要課題。
1.2 攪拌機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)理論的完善和進(jìn)一步成熟，攪拌器的設(shè)計(jì)和制造獲得了飛速發(fā)展。但是，它也面臨著必需滿(mǎn)足合理利用資源、節(jié)能降耗和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。攪拌器在服從裝置規(guī)模經(jīng)濟(jì)化和品種多樣化的同時(shí)，正日趨大型化?；诠?jié)能要求，開(kāi)發(fā)出變頻調(diào)速電機(jī)、小剪切阻力槳葉、以新型密封代替機(jī)械密封和填料密封，以磁力驅(qū)動(dòng)代替機(jī)械驅(qū)動(dòng)?；诮档彤a(chǎn)品總體成本、減少維修保養(yǎng)成本和提高設(shè)備品均維修間隔時(shí)間的要求，大大提高設(shè)備運(yùn)行壽命?；跐M(mǎn)足衛(wèi)生和降低清洗和殺菌成本的要求，實(shí)現(xiàn)CIP（就地清洗）和SIP（就地殺菌），提高自動(dòng)化水平，避免人與產(chǎn)品接觸，減少人工操作和待機(jī)時(shí)間，大大提高產(chǎn)品衛(wèi)生水平。這些都是現(xiàn)代新型攪拌裝置的研究方向，其中有許多方面已經(jīng)取得豐碩成果，有些方面還在進(jìn)一步研究當(dāng)中。
傳統(tǒng)的攪拌器密封裝置基本有四種,填料密封、機(jī)械密封、液壓密封和唇狀密封。前兩種密封同泵的密封類(lèi)似。液壓密封最簡(jiǎn)單,在攪拌器中用得最少。唇狀密封只適用于低壓、防塵、防蒸汽的密封，這種密封結(jié)構(gòu)也很少采用，最常用的密封是前兩種。其中機(jī)械密封成本較高,但泄漏率低；維修頻度是填料密封的二分之一到四分之一。
磁力驅(qū)動(dòng)攪拌器的特點(diǎn)是以靜密封結(jié)構(gòu)取代動(dòng)密封,攪拌器與電極傳動(dòng)間采用磁力偶合器聯(lián)結(jié),不存在接觸傳遞力矩,能徹底解決機(jī)械密封與填料密封的泄漏問(wèn)題。國(guó)內(nèi),威海自控反應(yīng)釜公司、開(kāi)原化工機(jī)械磁力反應(yīng)釜廠、溫州中偉磁傳密封設(shè)備廠等均生產(chǎn)磁力攪拌器。瑞典N(xiāo)A型磁力攪拌反應(yīng)釜,攪拌器安裝在反應(yīng)釜底部,攪拌器與釜底齊平,易于拆卸,可靠、耐用和便于維修。磁力攪拌器的缺點(diǎn)是對(duì)于一些粘稠液體或有大量固體參加或生成的反應(yīng)尚不能順利使用,此時(shí)必須使用機(jī)械攪拌器作為驅(qū)動(dòng)能源。
在新型攪拌槳葉的開(kāi)發(fā)方面，很多公司都在積極開(kāi)發(fā)具有適合于高黏度物料的槳葉的攪拌器,其中美國(guó)ROSS公司開(kāi)發(fā)的新型雙行星式攪拌器是其中之一。同傳統(tǒng)的矩形長(zhǎng)條形行星槳葉(見(jiàn)圖1.1 a)不同,新型的高黏度攪拌槳葉(見(jiàn)圖1.1 b)有一個(gè)精確的空間角度，使槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡不但有力地推動(dòng)高黏度物料向前運(yùn)動(dòng),而且推動(dòng)它向下運(yùn)動(dòng),不產(chǎn)生爬升,而且比傳統(tǒng)的行星式垂直槳葉的阻力要小得多。傳統(tǒng)的行星式垂直槳葉有兩組,每組兩片垂直的扁長(zhǎng)槳葉,當(dāng)這兩片槳葉在容器里面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生極大剪切阻力,功耗大增,電流猛升。這個(gè)問(wèn)題一直是傳統(tǒng)
（a） 傳統(tǒng)的行星式槳葉 （b） 新型HV槳葉
行星式垂直槳葉的要害所在。新型HV槳葉由于是螺旋式設(shè)計(jì),兩組HV槳葉在交替轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)截面時(shí)幾乎是連續(xù)地在切斷物料,負(fù)荷是連續(xù)地處于平衡狀態(tài),從而消滅了電流的浪涌現(xiàn)象。
多功能化和攪拌過(guò)程的自動(dòng)化是二十一世紀(jì)提高攪拌產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)要求的主導(dǎo)方向,目前有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì):
（1）多軸攪拌機(jī)，它配備三套獨(dú)立傳動(dòng)的攪拌裝置。一套是沿著攪拌容器周邊慢速轉(zhuǎn)動(dòng)的三翼錨式攪拌槳,使物料產(chǎn)生激烈的軸向和徑向流動(dòng),促使物料良好的混合和傳熱；第二套是定/轉(zhuǎn)子式剪切裝置和高速分散頭。
（2）雙行星攪拌器與變速驅(qū)動(dòng)裝置的組合，這一構(gòu)想使得即使在極低轉(zhuǎn)速下也可獲得極大扭矩。而低轉(zhuǎn)速攪拌對(duì)于制造高性能的硅膠、樹(shù)脂、橡膠添加劑、牙科材料、金屬和陶瓷粉等是非常重要的。
（3）行星槳葉與高速分散器的組合，采用這種組合的攪拌器,被處理物料的黏度可高達(dá)120萬(wàn)厘泊。行星槳葉和分散頭在環(huán)繞容器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)各有自己的轉(zhuǎn)軸,行星槳葉將物料傳送到分散頭。高速分散頭則對(duì)物料施加剪切力。
（4）自動(dòng)卸料和互換攪拌容器，由于粘稠材料人工卸料很困難,很多廠家都采取自動(dòng)卸料措施。自動(dòng)卸料系統(tǒng)大大減少了人工卸料的停機(jī)時(shí)間。不但大大提高了產(chǎn)量,消滅次品,還保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。由于操作人員與產(chǎn)品的接觸大大減少,產(chǎn)品不受污染的安全性也大大提高了。
1.3論文主要完成的工作
攪拌裝置主要由兩部分組成：主傳動(dòng)部分和攪拌葉片部分。主傳動(dòng)部分包括一個(gè)異步電機(jī)和減速系統(tǒng)。為使物料在攪拌過(guò)程中更高效率的混合，攪拌葉片選用螺帶式攪拌葉片。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
（1） 總體方案設(shè)定
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的攪拌器發(fā)展現(xiàn)狀的研究，以及對(duì)塑膠設(shè)計(jì)要求的了解，吸取經(jīng)驗(yàn)，制定自己的設(shè)計(jì)方案。
（2） 攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
有了總體的設(shè)計(jì)方案，將攪拌器結(jié)構(gòu)分為主傳動(dòng)系統(tǒng)、攪拌部分和機(jī)架三大部分，然后分部對(duì)這三部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
（3） 零件安全性校核
當(dāng)完成各部分的零件設(shè)計(jì)后，還要進(jìn)行安全性校核。本論文主要對(duì)處于最復(fù)雜受力狀態(tài)下的軸、軸承、鍵以及電機(jī)進(jìn)行了校核計(jì)算舉例
（4） 電氣控制設(shè)計(jì)
電氣控制主要完成能實(shí)現(xiàn)攪拌機(jī)的啟動(dòng)、停止和調(diào)速。
第二章 攪拌器總體方案的確定
2.1 引言
塑膠混合就是將不同種類(lèi)的塑膠、色粉、母?；蚱渌砑訑嚢铏C(jī)在一起的原料注塑。
2．2攪拌機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案
臥式攪拌器的攪拌容器軸線(xiàn)與回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)都處于水平位置；其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卸料、清洗、維修方便，但占地面積一般較大。這類(lèi)機(jī)器生產(chǎn)能力范圍大，在國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，如化工、醫(yī)藥、食品、造紙等行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用。
2.2.1 傳動(dòng)方式確定
（1）攪拌機(jī)形式選擇，考慮到本設(shè)計(jì)目的，采用容器固定式臥式攪拌機(jī)。
（2）傳動(dòng)方案確定，本設(shè)計(jì)要求攪拌速度為35r/min，對(duì)攪拌速度要求不高。雖然轉(zhuǎn)速較低，但其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很大，需選用符合啟動(dòng)要求的電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速約為2000r/min，因此傳動(dòng)系統(tǒng)需采用加大的減速比，考慮機(jī)器尺寸和噪聲要求，采用帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)組合機(jī)構(gòu)。初步設(shè)定的減速機(jī)構(gòu)示意圖如圖2.1所示
2
3
6
4
5
1
1-小帶輪 2-大帶輪 3-攪拌軸 4-大齒輪 5小齒輪 6電機(jī)
圖2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.2.2基本尺寸的確定
本設(shè)計(jì)為中小型攪拌機(jī)，根據(jù)其工作容量與操作人員的最佳操作位置，暫定攪拌器外形尺寸為600×600×1200 mm，其中攪拌軸軸線(xiàn)高度為800 mm，攪拌器下半部分為直徑600 mm的半圓桶，上半部分為1000×600×900mm的長(zhǎng)方體，桶壁后8mm，攪拌器葉片邊緣與桶壁間隙2mm。為了實(shí)現(xiàn)更好的攪拌效果，采用雙螺帶式攪拌器，攪拌軸直徑30mm，長(zhǎng)1000mm，大螺帶直徑480mm，帶寬40mm，小螺帶直徑240mm，帶寬30mm。還有設(shè)定進(jìn)料方式和出料方式，容器桶上部設(shè)蓋子裝填物料，下部開(kāi)口卸放物料。有了以上尺寸設(shè)定，合理布局電動(dòng)機(jī)的位置，傳動(dòng)裝置的布局，完成總體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)，繪制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖?？傮w機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.2所示。
1- 電動(dòng)機(jī)
2- 小帶輪
3- 大帶輪
4- 齒輪
5- 攪拌容器
6- 攪拌葉片
圖2.2總體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.3 攪拌器性能指標(biāo)的設(shè)定
攪拌器工作參數(shù)不僅反映其所能勝任的工作，更重要的是決定設(shè)計(jì)方向和一些設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇范圍。
對(duì)于主傳動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)要求設(shè)定正常工作轉(zhuǎn)速35r/min，啟動(dòng)時(shí)加速時(shí)間4s，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間5min，減速時(shí)間6s，停歇時(shí)間2min。
攪拌容器為半圓柱形，尺寸如圖2.3所示。通常的裝料系數(shù)可取0.6~0.85，如果物料在攪拌過(guò)程中要起泡沫或呈沸騰狀態(tài)，可取0.6~0.7；如果物料在攪拌過(guò)程中狀態(tài)平穩(wěn)，可取0.8~0.85（物料粘度較大可取大值）。故本設(shè)計(jì)取攪拌裝置的攪拌系數(shù)為0.8。
600
1000
圖2.3 攪拌容器外形
2.4 本章小結(jié)
本章通過(guò)分析塑膠混合強(qiáng)制攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)制作要求，確定了攪拌機(jī)的基本結(jié)構(gòu)方案和基本結(jié)構(gòu)尺寸，并對(duì)臥式攪拌機(jī)的部分工作參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，為下一步詳細(xì)計(jì)算做好準(zhǔn)備。
第3章 臥式攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 引言
上一章對(duì)臥式攪拌器的機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案進(jìn)行了分析論證，本章將基于上一章已確定的基本結(jié)構(gòu)和基本尺寸進(jìn)行詳細(xì)全面的設(shè)計(jì)工作，分別對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)的分析設(shè)計(jì)，確定其具體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)尺寸，繪制零件圖，裝配圖。
3.2 驅(qū)動(dòng)元件的選擇與計(jì)算
3.2.1 驅(qū)動(dòng)元件選擇原則
攪拌設(shè)備的攪拌軸通常由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)選用一般依據(jù)以下幾個(gè)原則：
（1） 根據(jù)攪拌設(shè)備的負(fù)載性質(zhì)和工藝條件對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)類(lèi)型。
（2） 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過(guò)載能力和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，合理選擇電動(dòng)機(jī)容量，并確定冷卻通風(fēng)方式。
（3） 根據(jù)使用場(chǎng)所大的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯和腐蝕及易燃易爆氣體等，考慮必要的防護(hù)方式和電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，確定電機(jī)的防爆等級(jí)和防護(hù)等級(jí)。
（4） 根據(jù)攪拌設(shè)備的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的性能要求，以及機(jī)械減速的復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。
除此之外，選擇電機(jī)還必須符合節(jié)能要求，并綜合考慮運(yùn)行可靠性、供貨情況、備品備件通用性、安裝檢修難易程度、產(chǎn)品價(jià)格、運(yùn)行和維修費(fèi)用等因素。
根據(jù)上述原則，綜合考慮本設(shè)計(jì)的工作條件要求，確定電機(jī)類(lèi)型為異步電機(jī)，防護(hù)方式防塵、防水濺以及防異物伸入。
3.2.2 主電機(jī)的選擇及電機(jī)參數(shù)的確定
1、攪拌功率的計(jì)算
在正常情況下，混合設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所消耗的功率包括以下幾部分：
（1） 使容器內(nèi)的塑膠粒子運(yùn)動(dòng)消耗的功率。
（2） 軸承、減速裝置和傳動(dòng)裝置摩擦消耗的功率。
（3） 連續(xù)驅(qū)動(dòng)容器本身或攪拌槳葉等回轉(zhuǎn)消耗的功率。
（4） 其他附屬裝置，如控制器等消耗的功率。
對(duì)于容器固定型混合設(shè)備，當(dāng)這類(lèi)混合設(shè)備的螺帶葉片或攪拌槳回轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于流動(dòng)良好的粒體，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)等到軸力矩。
（3.1）
式中
K—實(shí)驗(yàn)系數(shù)，查表取K=45；
Dp—粒子直徑，m，查表取m；
—表觀密度，kg/m3，查表取kg/m3；
—內(nèi)摩擦系數(shù)，查表取=1.19；
Z—接觸螺帶的粉粒體層的高度或長(zhǎng)度，m，本設(shè)計(jì)Z=0.78m；
d—葉片外徑，m，本設(shè)計(jì)d=0.48m；
s—螺帶節(jié)距，m，本設(shè)計(jì)s=0.78m；
b—葉片寬度，m，本設(shè)計(jì)b=0.04m；
f—裝料系數(shù)，本設(shè)計(jì)取值f=0. 8。
參考已有實(shí)驗(yàn)測(cè)出的參數(shù)表格，選擇機(jī)型為臥式螺帶，則指數(shù)值如下：
=0；=1.0；=1.2；=1.0；=3.3；=-0.3；=0.7；=1.2。
對(duì)于本設(shè)計(jì)，物料設(shè)定為面粉和砂糖的混合物，攪拌葉片與攪拌桶內(nèi)壁間隙為2mm，根據(jù)查詢(xún)的資料，估算混合物料的表觀密度，粒子直徑等參數(shù)，最后計(jì)算數(shù)值確定如下：
大螺帶轉(zhuǎn)矩
而對(duì)于小螺帶，計(jì)算時(shí)只需將葉片外徑d這一參數(shù)值替換為0.24即可，小螺帶轉(zhuǎn)矩
攪拌軸上總轉(zhuǎn)矩
攪拌軸功率
（3.2）
式中各參數(shù)
P—功率，W；
n—回轉(zhuǎn)速度，r/s，本設(shè)計(jì)取值n=1r/s；
T—軸力矩，。
所以攪拌軸功率
2、電動(dòng)機(jī)額定功率的計(jì)算
電動(dòng)機(jī)額定功率是根據(jù)它的發(fā)熱情況來(lái)選擇的，在允許范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)絕緣材料的壽命為15~25年。如果超過(guò)了容許溫度，電動(dòng)機(jī)使用壽命就要縮短。而電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況，又與負(fù)載大小及運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。
攪拌設(shè)備的電動(dòng)機(jī)功率必須同時(shí)滿(mǎn)足攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)及傳動(dòng)裝置和密封系統(tǒng)功率損耗的要求，此外還需考慮在操作過(guò)程中出現(xiàn)的不利條件造成功率過(guò)大等因素。
電動(dòng)機(jī)額定功率可按下式確定：
（3.3）
式中各參數(shù)
PN—電動(dòng)機(jī)功率，kW；
P—攪拌器功率，kW，由前面計(jì)算P=1.25393kW；
PS—軸封裝置的摩擦損失功率，kW；
—傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率。
軸封裝置摩擦造成的功率損失因密封系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)而異，一般來(lái)說(shuō)，填料密封功率損失大，機(jī)械密封的功率損失相對(duì)較小。但是考慮到設(shè)計(jì)的目標(biāo)功能與成本有機(jī)結(jié)合，最終采用了填料密封，作為粗略的估算，填料密封功率損失約為攪拌器功率的5%~10%，本次計(jì)算取5.8%，即軸封摩擦損失功率為
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率是齒輪軸承帶這些零部件的效率乘積，開(kāi)式圓柱齒輪傳動(dòng)效率取0.9，帶傳動(dòng)效率取0.96，滾動(dòng)軸承效率取0.99，所以
電機(jī)額定效率
3、電動(dòng)機(jī)功率的修正計(jì)算
電動(dòng)機(jī)用于海拔高度超過(guò)1000m或環(huán)境溫度超過(guò)40℃、相對(duì)濕度超過(guò)95%時(shí)，均在訂貨時(shí)注明，并計(jì)算功率的降低程度，這是因?yàn)楹０胃叨?、溫度和濕度都?huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作產(chǎn)生很大影響。本設(shè)計(jì)忽略海拔高度和濕度的影響，只考慮環(huán)境溫度造成的影響，電機(jī)額定功率按照下式進(jìn)行修訂：
（3.4）
式中
—校正溫度影響后的電動(dòng)機(jī)功率，kW；
—電動(dòng)機(jī)額定功率，kW，由前面計(jì)算PN=1.644kW；
—溫度校正系數(shù)，根據(jù)表格查詢(xún)對(duì)應(yīng)25℃時(shí)的溫度校正系數(shù)為1.1。
所以電機(jī)額定功率
4、電動(dòng)機(jī)的選擇
為保證系統(tǒng)滿(mǎn)足啟動(dòng)要求和穩(wěn)定運(yùn)行要求，選擇的電機(jī)額定功率為2.2kW，
方案
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
額定功率
KW
轉(zhuǎn)速
r/min
電流
A
效率
%
最大轉(zhuǎn)矩
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
總傳動(dòng)比
1
Y100L1-4
2.2
1430
5.03
81
2.2
7.0
40.86
2
Y112M-6
2.2
940
5.61
80.5
2.0
6.0
26.86
3
Y132S-8
2.2
710
5.81
81
2.0
5.5
20.29
綜合考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的尺寸、重量和帶傳動(dòng)、減速器的傳動(dòng)比，可見(jiàn)第二方案比較適合。因此選定電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y112M-6，其主要參數(shù)如下；
（機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)P828）
表3.1 交流異步電機(jī)的部分技術(shù)參數(shù)
名稱(chēng)
額定功率
kW
額定電流
A
額定轉(zhuǎn)速
r/min
效率
%
最大轉(zhuǎn)矩
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
質(zhì)量
kg
Y112M-6
2.2
5.61
940
80.5
6
6
45
3.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電動(dòng)機(jī)已經(jīng)初步選定，轉(zhuǎn)速940r/min，攪拌軸的轉(zhuǎn)速35r/min，傳動(dòng)比大約為26.86，考慮到電機(jī)和攪拌軸的距離以及整個(gè)攪拌機(jī)的體積，采用一級(jí)帶輪傳動(dòng)，二級(jí)齒輪減速器減速，帶輪傳動(dòng)比初定為3，兩級(jí)齒輪減速器傳動(dòng)比為8.95。下面將進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。
3.2.1帶輪的詳細(xì)計(jì)算
對(duì)于傳動(dòng)比為3的帶傳動(dòng)，傳動(dòng)比不是很高，傳遞的功率也不是很大，使用普通V帶輪，材料HT200；齒輪傳動(dòng)比為4，材料40Cr。
3.3.2 帶輪與齒輪的詳細(xì)設(shè)計(jì)
1、帶輪的詳細(xì)設(shè)計(jì)
為計(jì)算帶傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，首先設(shè)定一些工作條件，本設(shè)計(jì)載荷變動(dòng)微小，帶負(fù)載啟動(dòng)，每天工作小于10小時(shí)。
（1）計(jì)算帶輪的計(jì)算功率[7]
（3.5）
式中
—計(jì)算功率，kW；
—?jiǎng)虞d荷系數(shù)，查表選取1.1；
P—電機(jī)額定功率，kW。
所以
（2）選擇帶型，普通V帶Z型，節(jié)寬bp=8.5mm，頂寬b=10mm，高度h=6mm，截面積A=47mm2
（3）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑，因此外徑，轉(zhuǎn)速為=2880r/min，驗(yàn)算帶的速度
其中的取值范圍是25~30m/s。
計(jì)算從動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑
查表圓整后，外徑。
（4）確定帶輪的中心距和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
初定中心距 （3.6）
初定
帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
取，實(shí)際中心距
中心距的變動(dòng)范圍
（5）驗(yàn)算主動(dòng)輪上包角
包角滿(mǎn)足要求。
（6）確定V帶的根數(shù)
（3.7）
式中
所以，
（7）確定帶的預(yù)緊力。
單根V帶所需預(yù)緊力
（3.8）
其中 v—帶的線(xiàn)速度取最大值，m/s，即大帶輪上外緣點(diǎn)的線(xiàn)速度10.55m/s；
q—傳動(dòng)帶單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m，查表得數(shù)值0.06kg/m。
所以，
由于新帶輪容易松弛，所以對(duì)于非自動(dòng)張緊的帶傳動(dòng)，安裝新帶時(shí)的預(yù)緊力應(yīng)為上述預(yù)緊力的1.5倍。
（8）計(jì)算帶傳動(dòng)作用在軸上的力
（9）V帶輪設(shè)計(jì)，關(guān)于V帶輪的形式：當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑小于等于2.5倍的軸徑時(shí)，帶輪一般采用實(shí)心式；當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑小于等于300mm時(shí)可以采用腹板式；當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑大于300mm時(shí)，可以采用輪輻式。
帶輪槽型Z型，基準(zhǔn)寬度，基準(zhǔn)線(xiàn)上槽深，下槽深，槽間距，第一槽對(duì)稱(chēng)面至端面的距離，最小輪緣厚，輪槽角小帶輪34°，大帶輪38°。
所以，帶輪寬
小帶輪設(shè)計(jì)，小帶輪軸徑d=34mm，，采用實(shí)心式
以下圖3.1為小帶輪的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
圖3.1 小帶輪結(jié)構(gòu)尺寸
大帶輪設(shè)計(jì)， ,由于其基準(zhǔn)直徑已經(jīng)非常大，為了減少質(zhì)量，更重要的是降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，采用孔板式。
以下圖3.2所示為大帶輪的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
圖3.3 大帶輪結(jié)構(gòu)尺寸
3.2.2齒輪的詳細(xì)計(jì)算
由計(jì)算得二級(jí)齒輪減速機(jī)的傳動(dòng)比為8.95，查表得（機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)P17）查得=3.4，則=/=2.63。齒輪材料鍛鋼，直齒圓柱齒輪，7級(jí)精度。
傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率
小齒輪轉(zhuǎn)速
齒數(shù)比u=4，設(shè)定工作壽命10年，每年工作300天，每天工作6小時(shí)。選擇小齒輪材料40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度280HBS，大齒輪材料45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度240HBS，二者材料硬度差40HBS。
初定小齒輪齒數(shù)Z1=24,大齒輪齒數(shù)。按照齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪。
（3.9）
確定其中計(jì)算參數(shù)，
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
查表得接觸疲勞壽命系數(shù)，KHN1=0.92，KHN2=0.95，取失效概率1%，安全系數(shù)S=1，計(jì)算接觸許用應(yīng)力
將上述兩個(gè)數(shù)值中較小的值帶入公式中計(jì)算小齒輪分度圓直徑
23.14
計(jì)算圓周速度
計(jì)算齒寬
23.14
模數(shù)
齒高
五.計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)：
將傳動(dòng)裝置各軸由高速到低速依次定為1軸、2軸、3軸、4軸；
，，，—依次為電機(jī)與軸1，軸1與軸2，軸2與軸3，軸3與軸4之間的傳動(dòng)效率。
1.各軸轉(zhuǎn)速：r/min
r/min
r/min
==35.04 r/min
2.各軸輸入功率：KW
KW
KW
KW
—帶傳動(dòng)效率：0.96
—每對(duì)軸承的傳動(dòng)效率：0.99
—圓柱齒輪的傳動(dòng)效率：0.96
—聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率：0.99
—卷筒的傳動(dòng)效率：0.96
3.各軸輸入轉(zhuǎn)矩：
1-3軸的輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩分別為各軸的輸入功率、輸入轉(zhuǎn)矩乘軸承傳動(dòng)效率0.98。
運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)結(jié)果如下表：
軸名
功率P KW
轉(zhuǎn)鉅T N.m
轉(zhuǎn)速r/min
輸入
輸出
輸入
輸出
電動(dòng)機(jī)軸
2.2
2.18
940
1軸
2.11
2.07
64.37
63.08
313.33
2軸
2.01
1.97
208.05
203.89
92.16
3軸
1.91
1.97
520.14
509.74
35.04
4軸
1.85
1.81
504.64
494.55
35.04
齒輪的計(jì)算
1.高速級(jí)大小齒輪的設(shè)計(jì)
1）選擇齒輪材料：大小齒輪都選用45鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，硬度230，大齒輪正火處理，硬度210。
2）確定許用應(yīng)力：
a.許用接觸應(yīng)力：
查精密機(jī)械設(shè)計(jì)課本表11-7得
=570，
。
故應(yīng)按接觸極限應(yīng)力較低的計(jì)算，即只需求出。
對(duì)于調(diào)質(zhì)處理的齒輪，=1.1
b.許用彎曲應(yīng)力：
由表11-10知
=190
取=1.4，
所以
3）根據(jù)接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)：9級(jí)精度制造，載荷系數(shù)K=1.2，取齒寬系數(shù)，測(cè)中心距
選定=30,
b==119.5mm
4）驗(yàn)算彎曲應(yīng)力
由圖8-44查得,x=0
=30，=2.60
=209，=2.14
,故應(yīng)計(jì)算大齒輪的彎曲應(yīng)力，
，彎曲強(qiáng)度足夠。
XXX工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文
摘 要
攪拌設(shè)備使用歷史悠久，應(yīng)用范圍廣，大量應(yīng)用于化工、石化、輕工、醫(yī)藥、食品、采礦、造紙、冶金等行業(yè)中。攪拌設(shè)備可以從各種不同角度進(jìn)行分類(lèi),如按照攪拌裝置的安裝形式簡(jiǎn)單分為立式和臥式，其中臥式主要是指攪拌容器軸線(xiàn)與攪拌器回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)都處于水平位置。
本課題在國(guó)內(nèi)外攪拌器的研究與發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的帶有攪拌和振動(dòng)排料功能的臥式攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以進(jìn)行用于食品工業(yè)的面粉攪拌操作。該臥式攪拌器具有兩條傳動(dòng)系統(tǒng)，第一條主傳動(dòng)系統(tǒng)采用V帶和齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)攪拌操作，第二條傳動(dòng)系統(tǒng)采用多楔帶和凸輪組合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)攪拌箱體的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
本文對(duì)臥式攪拌器的基本結(jié)構(gòu)、基本尺寸進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并利用PRO/ENGINEER對(duì)攪拌器結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，以便更直觀地展現(xiàn)設(shè)計(jì)思想和進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析；然后，對(duì)設(shè)計(jì)零件進(jìn)行了分析校核，保證攪拌器的可靠運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：臥式攪拌器；混合設(shè)備；面粉加工；食品工業(yè)
ABSTRACT
Mixing equipment has been used long time ago, and applied widely in the traditional processing industry such as chemical, petrochemical, light industry, medical industry, food, mining, papermaking, metallurgy and so on. Mixing equipment can be classified by many means. Horizontal type and vertical type can be classified according to the shaft seal's fixing method. Of the two type, the horizontal type means both the tank's axes and the shaft's spin axis are horizontal.
A new mixing equipment with the function of mixing and vibration. was designed in this paper on the basis of mixing equipment research home and abroad. It will be used in the flour mixing of food processing industry. This design has two transmission system. The one is comprised of belt pulley and gear to achieve the function of mixing, the other is comprised of belt pulley and cam to achieve the function of vibration.
The overall design of the mixing equipment's basic structure and its basic dimensions were presented, and in order to unfold the concept of design and analysis later, three-dimensional modeling was made by the software of PRO/ENGINEER, Then, the analysis examination to the design proposal was presented to guarantee mixing equipment's reliability.
Key words：horizontal mixer；mixing equipment；flour milling；food industry
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 課題研究意義 1
1.2 攪拌器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 臥式攪拌器發(fā)展趨勢(shì) 4
1.4 論文主要完成的工作 5
第2章 臥式攪拌器總體方案設(shè)計(jì) 6
2.1 引言 6
2.2 臥式攪拌器總體結(jié)構(gòu)方案 6
2.2.1 傳動(dòng)方式確定 6
2.2.2 基本尺寸的確定 8
2.3 攪拌器性能指標(biāo)的設(shè)定 9
2.4 本章小結(jié) 9
第3章 臥式攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1 引言 10
3.2 驅(qū)動(dòng)元件的選擇與計(jì)算 10
3.2.1 驅(qū)動(dòng)元件選擇原則 10
3.2.2 主電機(jī)的選擇及電機(jī)參數(shù)的確定 11
3.2.3 副電機(jī)的選擇及電機(jī)參數(shù)的確定 14
3.3 主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.3.1 基本結(jié)構(gòu)的確定與選材 15
3.3.2 帶輪與齒輪的詳細(xì)設(shè)計(jì) 15
3.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
3.3.4 主傳動(dòng)系統(tǒng)的支架設(shè)計(jì)及三維仿真 24
3.4 擺動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
3.4.1 基本結(jié)構(gòu)的確定與選材 25
3.4.2 帶輪齒輪與凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 26
3.4.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和擺動(dòng)系統(tǒng)安裝的三維仿真 34
3.5 攪拌部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
3.51 攪拌槳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
3.52 攪拌容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 36
3.53 聯(lián)軸器的選用 37
3.54 止動(dòng)扳手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 38
3.6 本章小結(jié) 38
第4章 安全性計(jì)算與校核 40
4.1 引言 40
4.2 軸承的校核 40
4.3 軸的校核 41
4.4 鍵的校核 43
4.5 本章小結(jié) 44
結(jié) 論 45
參考文獻(xiàn) 46
致 謝 48
第1章 緒論
1.1 課題研究意義
理論上把任何狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和半液態(tài)）下物料均勻摻和在一起的操作稱(chēng)為混合，但習(xí)慣上常把固態(tài)物料之間摻和或者固態(tài)物料加濕的操作稱(chēng)為混合；而把固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)物料與液態(tài)物料混合的操作稱(chēng)為攪拌[1]。
攪拌與混合操作是應(yīng)用最廣的過(guò)程單元操作之一，大量應(yīng)用于化工、石化、輕工、醫(yī)藥、食品、采礦、造紙、農(nóng)藥、涂料、冶金、廢水處理等行業(yè)中。近年來(lái)，攪拌與混合技術(shù)發(fā)展很快、攪拌與混合設(shè)備正向著大型化、標(biāo)準(zhǔn)化、高效節(jié)能化、機(jī)電一體化、智能化和特殊化方向發(fā)展。在這種形式下，技術(shù)人員如何借鑒已有經(jīng)驗(yàn)，掌握新的變化情況，正確設(shè)計(jì)與選用不同工藝條件下操作的攪拌與混合設(shè)備，使其滿(mǎn)足安全、可靠、高效和節(jié)能的要求，就變得十分重要了。
XXX大學(xué)本科生畢業(yè)論文
臥式攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
院 (系)：機(jī)電工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)：06071304
學(xué) 生 姓 名：XXX
指 導(dǎo) 教 師：XXX 講師
2010年6月
XXX工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文
摘 要
攪拌設(shè)備使用歷史悠久，應(yīng)用范圍廣，大量應(yīng)用于化工、石化、輕工、醫(yī)藥、食品、采礦、造紙、冶金等行業(yè)中。攪拌設(shè)備可以從各種不同角度進(jìn)行分類(lèi),如按照攪拌裝置的安裝形式簡(jiǎn)單分為立式和臥式，其中臥式主要是指攪拌容器軸線(xiàn)與攪拌器回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)都處于水平位置。
本課題在國(guó)內(nèi)外攪拌器的研究與發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的帶有攪拌和振動(dòng)排料功能的臥式攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以進(jìn)行用于食品工業(yè)的面粉攪拌操作。該臥式攪拌器具有兩條傳動(dòng)系統(tǒng)，第一條主傳動(dòng)系統(tǒng)采用V帶和齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)攪拌操作，第二條傳動(dòng)系統(tǒng)采用多楔帶和凸輪組合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)攪拌箱體的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
本文對(duì)臥式攪拌器的基本結(jié)構(gòu)、基本尺寸進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并利用PRO/ENGINEER對(duì)攪拌器結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，以便更直觀地展現(xiàn)設(shè)計(jì)思想和進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析；然后，對(duì)設(shè)計(jì)零件進(jìn)行了分析校核，保證攪拌器的可靠運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：臥式攪拌器；混合設(shè)備；面粉加工；食品工業(yè)
ABSTRACT
Mixing equipment has been used long time ago, and applied widely in the traditional processing industry such as chemical, petrochemical, light industry, medical industry, food, mining, papermaking, metallurgy and so on. Mixing equipment can be classified by many means. Horizontal type and vertical type can be classified according to the shaft seal's fixing method. Of the two type, the horizontal type means both the tank's axes and the shaft's spin axis are horizontal.
A new mixing equipment with the function of mixing and vibration. was designed in this paper on the basis of mixing equipment research home and abroad. It will be used in the flour mixing of food processing industry. This design has two transmission system. The one is comprised of belt pulley and gear to achieve the function of mixing, the other is comprised of belt pulley and cam to achieve the function of vibration.
The overall design of the mixing equipment's basic structure and its basic dimensions were presented, and in order to unfold the concept of design and analysis later, three-dimensional modeling was made by the software of PRO/ENGINEER, Then, the analysis examination to the design proposal was presented to guarantee mixing equipment's reliability.
Key words：horizontal mixer；mixing equipment；flour milling；food industry
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 課題研究意義 1
1.2 攪拌器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 臥式攪拌器發(fā)展趨勢(shì) 4
1.4 論文主要完成的工作 5
第2章 臥式攪拌器總體方案設(shè)計(jì) 6
2.1 引言 6
2.2 臥式攪拌器總體結(jié)構(gòu)方案 6
2.2.1 傳動(dòng)方式確定 6
2.2.2 基本尺寸的確定 8
2.3 攪拌器性能指標(biāo)的設(shè)定 9
2.4 本章小結(jié) 9
第3章 臥式攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1 引言 10
3.2 驅(qū)動(dòng)元件的選擇與計(jì)算 10
3.2.1 驅(qū)動(dòng)元件選擇原則 10
3.2.2 主電機(jī)的選擇及電機(jī)參數(shù)的確定 11
3.2.3 副電機(jī)的選擇及電機(jī)參數(shù)的確定 14
3.3 主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.3.1 基本結(jié)構(gòu)的確定與選材 15
3.3.2 帶輪與齒輪的詳細(xì)設(shè)計(jì) 15
3.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
3.3.4 主傳動(dòng)系統(tǒng)的支架設(shè)計(jì)及三維仿真 24
3.4 擺動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
3.4.1 基本結(jié)構(gòu)的確定與選材 25
3.4.2 帶輪齒輪與凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 26
3.4.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和擺動(dòng)系統(tǒng)安裝的三維仿真 34
3.5 攪拌部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
3.51 攪拌槳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
3.52 攪拌容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 36
3.53 聯(lián)軸器的選用 37
3.54 止動(dòng)扳手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 38
3.6 本章小結(jié) 38
第4章 安全性計(jì)算與校核 40
4.1 引言 40
4.2 軸承的校核 40
4.3 軸的校核 41
4.4 鍵的校核 43
4.5 本章小結(jié) 44
結(jié) 論 45
參考文獻(xiàn) 46
致 謝 48
哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文
第1章 緒論
1.1 課題研究意義
理論上把任何狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和半液態(tài)）下物料均勻摻和在一起的操作稱(chēng)為混合，但習(xí)慣上常把固態(tài)物料之間摻和或者固態(tài)物料加濕的操作稱(chēng)為混合；而把固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)物料與液態(tài)物料混合的操作稱(chēng)為攪拌[1]。
攪拌與混合操作是應(yīng)用最廣的過(guò)程單元操作之一，大量應(yīng)用于化工、石化、輕工、醫(yī)藥、食品、采礦、造紙、農(nóng)藥、涂料、冶金、廢水處理等行業(yè)中。近年來(lái)，攪拌與混合技術(shù)發(fā)展很快、攪拌與混合設(shè)備正向著大型化、標(biāo)準(zhǔn)化、高效節(jié)能化、機(jī)電一體化、智能化和特殊化方向發(fā)展。在這種形式下，技術(shù)人員如何借鑒已有經(jīng)驗(yàn)，掌握新的變化情況，正確設(shè)計(jì)與選用不同工藝條件下操作的攪拌與混合設(shè)備，使其滿(mǎn)足安全、可靠、高效和節(jié)能的要求，就變得十分重要了。
攪拌混合設(shè)備是各種工業(yè)反應(yīng)不可或缺的重要工具。然而，由于攪拌目的多樣性和混合反應(yīng)的復(fù)雜性，當(dāng)前，攪拌混合技術(shù)還存在著一些問(wèn)題。例如攪拌效率低，功耗大，鑄造成本高，在自動(dòng)化選型和設(shè)計(jì)問(wèn)題上，長(zhǎng)期以來(lái)一直依靠專(zhuān)家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)人工完成，智能化水平不高，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，資金和人力物力消耗巨大，等等。因此研制新型攪拌裝置和采用先進(jìn)流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)一直是攪拌過(guò)程所研究的主要課題。
1.2 攪拌器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
在食品工業(yè)中，混合是指兩種或兩種以上不同物料互相混合，成分濃度達(dá)到一定程度均勻性的單元操作[2]。混合機(jī)應(yīng)用于谷物混合、粉料混合、面粉中加輔料與添加劑、干制食品中加添加劑與調(diào)味粉及速溶飲品的制造等操作中，目的是使兩種或兩種以上的粉料顆粒通過(guò)流動(dòng)作用，成為組分濃度均勻的混合物。
近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)理論的完善和進(jìn)一步成熟，攪拌器的設(shè)計(jì)和制造獲得了飛速發(fā)展。但是，它也面臨著必需滿(mǎn)足合理利用資源、節(jié)能降耗和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。攪拌器在服從裝置規(guī)模經(jīng)濟(jì)化和品種多樣化的同時(shí)，正日趨大型化。基于節(jié)能要求，開(kāi)發(fā)出變頻調(diào)速電機(jī)、小剪切阻力槳葉、以新型密封代替機(jī)械密封和填料密封，以磁力驅(qū)動(dòng)代替機(jī)械驅(qū)動(dòng)。基于降低產(chǎn)品總體成本、減少維修保養(yǎng)成本和提高設(shè)備品均維修間隔時(shí)間的要求，大大提高設(shè)備運(yùn)行壽命。基于滿(mǎn)足衛(wèi)生和降低清洗和殺菌成本的要求，實(shí)現(xiàn)CIP（就地清洗）和SIP（就地殺菌），提高自動(dòng)化水平，避免人與產(chǎn)品接觸，減少人工操作和待機(jī)時(shí)間，大大提高產(chǎn)品衛(wèi)生水平。這些都是現(xiàn)代新型攪拌裝置的研究方向，其中有許多方面已經(jīng)取得豐碩成果，有些方面還在進(jìn)一步研究當(dāng)中[3]。
傳統(tǒng)的攪拌器密封裝置基本有四種,填料密封、機(jī)械密封、液壓密封和唇狀密封。前兩種密封同泵的密封類(lèi)似。液壓密封最簡(jiǎn)單,在攪拌器中用得最少。唇狀密封只適用于低壓、防塵、防蒸汽的密封，這種密封結(jié)構(gòu)也很少采用，最常用的密封是前兩種。其中機(jī)械密封成本較高,但泄漏率低；維修頻度是填料密封的二分之一到四分之一。
磁力驅(qū)動(dòng)攪拌器的特點(diǎn)是以靜密封結(jié)構(gòu)取代動(dòng)密封,攪拌器與電極傳動(dòng)間采用磁力偶合器聯(lián)結(jié),不存在接觸傳遞力矩,能徹底解決機(jī)械密封與填料密封的泄漏問(wèn)題。國(guó)內(nèi),威海自控反應(yīng)釜公司、開(kāi)原化工機(jī)械磁力反應(yīng)釜廠、溫州中偉磁傳密封設(shè)備廠等均生產(chǎn)磁力攪拌器。瑞典N(xiāo)A型磁力攪拌反應(yīng)釜,攪拌器安裝在反應(yīng)釜底部,攪拌器與釜底齊平,易于拆卸,可靠、耐用和便于維修。磁力攪拌器的缺點(diǎn)是對(duì)于一些粘稠液體或有大量固體參加或生成的反應(yīng)尚不能順利使用,此時(shí)必須使用機(jī)械攪拌器作為驅(qū)動(dòng)能源。
在新型攪拌槳葉的開(kāi)發(fā)方面，很多公司都在積極開(kāi)發(fā)具有適合于高黏度物料的槳葉的攪拌器,其中美國(guó)ROSS公司開(kāi)發(fā)的新型雙行星式攪拌器是其中之一。同傳統(tǒng)的矩形長(zhǎng)條形行星槳葉(見(jiàn)圖1.1 a)不同,新型的高黏度攪拌槳葉(見(jiàn)圖1.1 b)有一個(gè)精確的空間角度，使槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡不但有力地推動(dòng)高黏度物料向前運(yùn)動(dòng),而且推動(dòng)它向下運(yùn)動(dòng),不產(chǎn)生爬升,而且比傳統(tǒng)的行星式垂直槳葉的阻力要小得多。傳統(tǒng)的行星式垂直槳葉有兩組,每組兩片垂直的扁長(zhǎng)槳葉,當(dāng)這兩片槳葉在容器里面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生極大剪切阻力,功耗大增,電流
（a） 傳統(tǒng)的行星式槳葉 （b） 新型HV槳葉
圖1.1 新舊攪拌槳葉對(duì)比
猛升。這個(gè)問(wèn)題一直是傳統(tǒng)行星式垂直槳葉的要害所在。新型HV槳葉由于是螺旋式設(shè)計(jì),兩組HV槳葉在交替轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)截面時(shí)幾乎是連續(xù)地在切斷物料,負(fù)荷是連續(xù)地處于平衡狀態(tài),從而消滅了電流的浪涌現(xiàn)象。德國(guó)INOTECH公司采用錐形攪拌原理的攪拌頭,既可攪拌低黏度,也可攪拌高黏度物料,其形狀如圖1.2所示。
圖1.2 攪拌低粘度和高粘度物料的慢速轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌頭
這種攪拌頭的顯著優(yōu)點(diǎn)是:以比較慢的速度攪拌,但攪拌時(shí)間短,攪拌時(shí)不吸入空氣,不起泡沫,無(wú)須加熱,對(duì)物料的動(dòng)作是柔和的,節(jié)省能量,一次完成,便于安裝,既可用于攪拌化學(xué)品,也可用于攪拌食品。
在新型轉(zhuǎn)子-定子攪拌技術(shù)方面進(jìn)展也很迅速，轉(zhuǎn)子-定子攪拌技術(shù)可制造亞微米級(jí)的各種乳化劑,美國(guó)ROSS和IKA公司生產(chǎn)的這種攪拌器,其產(chǎn)量約比相同功率的膠體磨或均質(zhì)機(jī)大十倍。其原理是令轉(zhuǎn)子在極高速度下轉(zhuǎn)動(dòng),使轉(zhuǎn)子尖端速度極大,由于轉(zhuǎn)子和定子之間的速度差,在轉(zhuǎn)、定子間隙中產(chǎn)生極大的剪切能和湍動(dòng)能,可使物料在被攪拌的同時(shí),被破碎到亞微米級(jí)。
多功能化和攪拌過(guò)程的自動(dòng)化是二十一世紀(jì)提高攪拌產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)要求的主導(dǎo)方向,目前有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[4]:
（1）多軸攪拌機(jī)，它配備三套獨(dú)立傳動(dòng)的攪拌裝置。一套是沿著攪拌容器周邊慢速轉(zhuǎn)動(dòng)的三翼錨式攪拌槳,使物料產(chǎn)生激烈的軸向和徑向流動(dòng),促使物料良好的混合和傳熱；第二套是定/轉(zhuǎn)子式剪切裝置和高速分散頭。
（2）雙行星攪拌器與變速驅(qū)動(dòng)裝置的組合，這一構(gòu)想使得即使在極低轉(zhuǎn)速下也可獲得極大扭矩。而低轉(zhuǎn)速攪拌對(duì)于制造高性能的硅膠、樹(shù)脂、橡膠添加劑、牙科材料、金屬和陶瓷粉等是非常重要的。
（3）行星槳葉與高速分散器的組合，采用這種組合的攪拌器,被處理物料的黏度可高達(dá)120萬(wàn)厘泊。行星槳葉和分散頭在環(huán)繞容器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)各有自己的轉(zhuǎn)軸,行星槳葉將物料傳送到分散頭。高速分散頭則對(duì)物料施加剪切力。
（4）自動(dòng)卸料和互換攪拌容器，由于粘稠材料人工卸料很困難,很多廠家都采取自動(dòng)卸料措施。自動(dòng)卸料系統(tǒng)大大減少了人工卸料的停機(jī)時(shí)間。不但大大提高了產(chǎn)量,消滅次品,還保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。由于操作人員與產(chǎn)品的接觸大大減少,產(chǎn)品不受污染的安全性也大大提高了。
1.3 臥式攪拌器發(fā)展趨勢(shì)
隨著近幾年科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和相關(guān)理論的進(jìn)一步完善，完全可以相信攪拌器的設(shè)計(jì)和制造將會(huì)取得更大發(fā)展，其在社會(huì)生產(chǎn)中也會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。并且攪拌器在服從裝置規(guī)模經(jīng)濟(jì)化和品種多樣化的同時(shí)，未來(lái)的新型產(chǎn)品也會(huì)越來(lái)越滿(mǎn)足合理利用資源、節(jié)能降耗和對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求。
1.4 論文主要完成的工作
臥式攪拌裝置主要由三部分組成：主傳動(dòng)部分、攪拌葉片及擺動(dòng)部分。主傳動(dòng)部分包括一個(gè)異步電機(jī)和減速系統(tǒng)。攪拌葉片為螺帶式攪拌葉片，為的是能讓物料在攪拌過(guò)程中更高效率的混合。擺動(dòng)部分包括一個(gè)異步電機(jī)和擺動(dòng)系統(tǒng)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
（1）總體方案設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的攪拌器發(fā)展現(xiàn)狀的研究，以及對(duì)食品設(shè)備設(shè)計(jì)原則的學(xué)習(xí)，在吸取寶貴經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)也加入自己的一些改進(jìn)，制定自己的設(shè)計(jì)方案。
（2）臥式攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
有了總體的設(shè)計(jì)方案，將攪拌器的結(jié)構(gòu)分成主傳動(dòng)系統(tǒng)、擺動(dòng)系統(tǒng)、攪拌部分和機(jī)架四大部分，然后分別對(duì)這四部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，
（3）零件安全性校核
當(dāng)完成各部分的零件設(shè)計(jì)后，還要進(jìn)行安全性校核。本論文主要對(duì)處于最復(fù)雜受力狀態(tài)下的軸、軸承、鍵以及電機(jī)進(jìn)行了校核計(jì)算舉例，其他各個(gè)零件的校核計(jì)算并沒(méi)有寫(xiě)到論文中。
（4）三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真
對(duì)所設(shè)計(jì)的攪拌器進(jìn)行安全性校核計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有不符合要求的零件，然后利用PRO/ENGINEER軟件完成三維實(shí)體建模。建模的目的便是讓自己的設(shè)計(jì)更加直觀，同時(shí)還很容易檢查各處結(jié)構(gòu)是否存在干涉現(xiàn)象，再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，觀察運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)目的。
第2章 臥式攪拌器總體方案設(shè)計(jì)
2.1 引言
食品機(jī)械與設(shè)備的特點(diǎn)是食品原料、加工過(guò)程和食品成分方面的特殊性的反映?？傮w而言，食品加工機(jī)械與設(shè)備具有以下特點(diǎn)：機(jī)械可移動(dòng)性；防水防腐蝕性；衛(wèi)生要求高；自動(dòng)化程度高低不一。
2.2 臥式攪拌器總體結(jié)構(gòu)方案
臥式攪拌器的攪拌容器軸線(xiàn)與攪拌器回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)都處于水平位置；其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，卸料、清洗、維修方便，可與其他設(shè)備完成連續(xù)生產(chǎn)，但占地面積一般較大。這類(lèi)機(jī)器生產(chǎn)能力（一次調(diào)粉容量）范圍大，通常在25～400kg/次左右。它是國(guó)內(nèi)大量生產(chǎn)各種面食制品的各食品廠應(yīng)用最廣泛的一種加工設(shè)備。它的特點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，卸料清洗方便等，所以在食品加工中，如面包，餅干，糕點(diǎn)及一些飲食行業(yè)的面食生產(chǎn)中均得到了廣泛應(yīng)用。
2.2.1 傳動(dòng)方式確定
（1）攪拌機(jī)形式選擇，本設(shè)計(jì)要求臥式攪拌，考慮攪拌形式與目的，采用容器固定式臥式攪拌機(jī)。
（2）傳動(dòng)方案確定，因?qū)嚢杷俣纫蟛桓?，市?chǎng)上已有的成熟產(chǎn)品攪拌速度約為30~60r/min，過(guò)高的轉(zhuǎn)速并不會(huì)產(chǎn)生良好的攪拌效果，相反還會(huì)造成能量的浪費(fèi)。但是雖然轉(zhuǎn)速低，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻很大，選用符合啟動(dòng)要求的電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速約2000r/min，因此傳動(dòng)系統(tǒng)要采用較大減速比，考慮機(jī)器尺寸和振動(dòng)噪聲要求，采用帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)組合機(jī)構(gòu)。初步設(shè)定的減速機(jī)構(gòu)示意圖如圖2.1所示。
2
3
6
4
5
1
1-小帶輪 2-大帶輪 3-攪拌軸 4-大齒輪 5小齒輪 6電機(jī)
圖2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
（3）擺動(dòng)機(jī)構(gòu)確定，擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)有多種機(jī)構(gòu)形式，四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)沖擊大，對(duì)桿的強(qiáng)度要求高；凸輪通過(guò)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡則可以將運(yùn)動(dòng)沖擊大幅度降低，所以決定采用擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.2所示。
4
3
7
6
5
1
2
1-小帶輪 2-大帶輪 3-擺動(dòng)臂 4-凸輪 5-大齒輪 6-小齒輪 7-電機(jī)
圖2.2 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.2.2 基本尺寸的確定
本設(shè)計(jì)為小型攪拌機(jī)，根據(jù)其工作容量和操作人員的最佳操作位置，暫定攪拌機(jī)的外形尺寸為mm，其中攪拌軸軸線(xiàn)高度600mm，攪拌容器下半部分為直徑500mm的半圓筒，上半部分為mm的長(zhǎng)方體，筒壁厚8mm，攪拌器葉片邊緣與筒壁間隙2mm，為了實(shí)現(xiàn)更好的攪拌效果，采用雙螺帶式攪拌器，攪拌軸直徑30mm，長(zhǎng)1000mm，大螺帶直徑480mm，帶寬40mm，小螺帶直徑240mm，帶寬30mm。還有設(shè)定進(jìn)料方式和出料方式，容器桶上部設(shè)蓋子裝填物料，下部開(kāi)口卸放物料，為使物料快速卸放，安裝振動(dòng)裝置使容器桶繞其軸進(jìn)行左右小幅高頻振動(dòng)，動(dòng)力由另一個(gè)電機(jī)提供，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成左右擺動(dòng)。有了以上尺寸設(shè)定，合理布局電動(dòng)機(jī)的位置，傳動(dòng)裝置的布局，完成總體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)，繪制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖?？傮w機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.3所示。當(dāng)然這只是一個(gè)初步的設(shè)計(jì)概念，在以后的具體設(shè)計(jì)工作中可能會(huì)出現(xiàn)部分機(jī)構(gòu)干涉現(xiàn)象，這時(shí)就需要對(duì)已定的一些尺寸進(jìn)行必要的適當(dāng)?shù)男薷摹?
10
9
6
5
4
3
2
1
8
7
1-主電機(jī) 2-小帶輪 3-大帶輪 4-齒輪 5-攪拌容器 6-攪拌槳
7-凸輪 8-斜齒輪 9-帶輪 10-副電機(jī)
圖2.3 總體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.3 攪拌器性能指標(biāo)的設(shè)定
攪拌器工作參數(shù)不僅反映其所能勝任的工作，更重要的是決定設(shè)計(jì)方向和一些設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇范圍。
對(duì)于主傳動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定正常工作轉(zhuǎn)速60r/min，啟動(dòng)時(shí)加速時(shí)間4s，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間5min，減速時(shí)間6s，停歇時(shí)間2min。
對(duì)于擺動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定擺角幅度15°，擺動(dòng)周期1s，運(yùn)行時(shí)間1min，停歇時(shí)間6min。
攪拌容器為半圓柱形，尺寸如圖2.4所示。容器固定型攪拌裝置的裝料系數(shù)一般為0.5~0.6，本設(shè)計(jì)取0.58。
圖2.4 攪拌容器外殼尺寸
2.4 本章小結(jié)
本章通過(guò)分析研究食品工業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)制造要求，確定了用于面粉攪拌的臥式攪拌機(jī)基本結(jié)構(gòu)方案和基本結(jié)構(gòu)尺寸，并對(duì)臥式攪拌機(jī)的部分工作參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)設(shè)定，為下一步的詳細(xì)計(jì)算做好準(zhǔn)備。
第3章 臥式攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 引言
上一章對(duì)臥式攪拌器的機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案進(jìn)行了分析論證，本章將基于上一章已確定的基本結(jié)構(gòu)和基本尺寸進(jìn)行詳細(xì)全面的設(shè)計(jì)工作，分別對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)的分析設(shè)計(jì)，確定其具體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)尺寸，繪制零件圖，裝配圖，并用PRO/ENGINEER進(jìn)行三維建模。其中重點(diǎn)進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)的仿真，檢驗(yàn)凸輪機(jī)構(gòu)能否正常工作，分析其受力沖擊特性。
3.2 驅(qū)動(dòng)元件的選擇與計(jì)算
3.2.1 驅(qū)動(dòng)元件選擇原則
攪拌設(shè)備的攪拌軸通常由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)選用一般依據(jù)以下幾個(gè)原則：
（1） 根據(jù)攪拌設(shè)備的負(fù)載性質(zhì)和工藝條件對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)類(lèi)型。
（2） 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過(guò)載能力和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，合理選擇電動(dòng)機(jī)容量，并確定冷卻通風(fēng)方式。
（3） 根據(jù)使用場(chǎng)所大的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯和腐蝕及易燃易爆氣體等，考慮必要的防護(hù)方式和電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，確定電機(jī)的防爆等級(jí)和防護(hù)等級(jí)。
（4） 根據(jù)攪拌設(shè)備的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的性能要求，以及機(jī)械減速的復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。
除此之外，選擇電機(jī)還必須符合節(jié)能要求，并綜合考慮運(yùn)行可靠性、供貨情況、備品備件通用性、安裝檢修難易程度、產(chǎn)品價(jià)格、運(yùn)行和維修費(fèi)用等因素。
根據(jù)上述原則，綜合考慮本設(shè)計(jì)的工作條件要求，確定電機(jī)類(lèi)型為異步電機(jī)，防護(hù)方式防塵、防水濺以及防異物伸入。
3.2.2 主電機(jī)的選擇及電機(jī)參數(shù)的確定
1、攪拌功率的計(jì)算
在正常情況下，混合設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所消耗的功率包括以下幾部分：
（1） 使容器內(nèi)的粉粒體運(yùn)動(dòng)消耗的功率。
（2） 軸承、減速裝置和傳動(dòng)裝置摩擦消耗的功率。
（3） 連續(xù)驅(qū)動(dòng)容器本身或攪拌槳葉等回轉(zhuǎn)消耗的功率。
（4） 其他附屬裝置，如控制器等消耗的功率。
對(duì)于容器固定型混合設(shè)備，當(dāng)這類(lèi)混合設(shè)備的螺帶葉片或攪拌槳回轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于流動(dòng)良好的粉粒體，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)等到軸力矩。
（3.1）
式中
K—實(shí)驗(yàn)系數(shù)，查表取K=45；
Dp—粒子直徑，m，查表取m；
—表觀密度，kg/m3，查表取kg/m3；
—內(nèi)摩擦系數(shù)，查表取=1.19；
Z—接觸螺帶的粉粒體層的高度或長(zhǎng)度，m，本設(shè)計(jì)Z=0.78m；
d—葉片外徑，m，本設(shè)計(jì)d=0.48m；
s—螺帶節(jié)距，m，本設(shè)計(jì)s=0.78m；
b—葉片寬度，m，本設(shè)計(jì)b=0.04m；
f—裝料系數(shù)，本設(shè)計(jì)取值f=0.58。
參考已有實(shí)驗(yàn)測(cè)出的參數(shù)表格，選擇機(jī)型為臥式螺帶，則指數(shù)值如下：
=0；=1.0；=1.2；=1.0；=3.3；=-0.3；=0.7；=1.2。
對(duì)于本設(shè)計(jì)，物料設(shè)定為面粉和砂糖的混合物，攪拌葉片與攪拌桶內(nèi)壁間隙為2mm，根據(jù)查詢(xún)的資料，估算混合物料的表觀密度，粒子直徑等參數(shù)，最后計(jì)算數(shù)值確定如下：
大螺帶轉(zhuǎn)矩
而對(duì)于小螺帶，計(jì)算時(shí)只需將葉片外徑d這一參數(shù)值替換為0.24即可，小螺帶轉(zhuǎn)矩
攪拌軸上總轉(zhuǎn)矩
攪拌軸功率
（3.2）
式中各參數(shù)
P—功率，W；
n—回轉(zhuǎn)速度，r/s，本設(shè)計(jì)取值n=1r/s；
T—軸力矩，。
所以攪拌軸功率
2、電動(dòng)機(jī)額定功率的計(jì)算
電動(dòng)機(jī)額定功率是根據(jù)它的發(fā)熱情況來(lái)選擇的，在允許范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)絕緣材料的壽命為15~25年。如果超過(guò)了容許溫度，電動(dòng)機(jī)使用壽命就要縮短。而電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況，又與負(fù)載大小及運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。
攪拌設(shè)備的電動(dòng)機(jī)功率必須同時(shí)滿(mǎn)足攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)及傳動(dòng)裝置和密封系統(tǒng)功率損耗的要求，此外還需考慮在操作過(guò)程中出現(xiàn)的不利條件造成功率過(guò)大等因素。
電動(dòng)機(jī)額定功率可按下式確定：
（3.3）
式中各參數(shù)
PN—電動(dòng)機(jī)功率，kW；
P—攪拌器功率，kW，由前面計(jì)算P=0.852447kW；
PS—軸封裝置的摩擦損失功率，kW；
—傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率。
軸封裝置摩擦造成的功率損失因密封系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)而異，一般來(lái)說(shuō)，填料密封功率損失大，機(jī)械密封的功率損失相對(duì)較小。但是考慮到設(shè)計(jì)的目標(biāo)功能與成本有機(jī)結(jié)合，最終采用了填料密封，作為粗略的估算，填料密封功率損失約為攪拌器功率的5%~10%，本次計(jì)算取5.8%，即軸封摩擦損失功率為
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率是齒輪軸承帶這些零部件的效率乘積，開(kāi)式圓柱齒輪傳動(dòng)效率取0.9，帶傳動(dòng)效率取0.96，滾動(dòng)軸承效率取0.99，所以
電機(jī)額定效率
3、電動(dòng)機(jī)功率的修正計(jì)算
電動(dòng)機(jī)用于海拔高度超過(guò)1000m或環(huán)境溫度超過(guò)40℃、相對(duì)濕度超過(guò)95%時(shí)，均在訂貨時(shí)注明，并計(jì)算功率的降低程度，這是因?yàn)楹０胃叨?、溫度和濕度都?huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作產(chǎn)生很大影響。本設(shè)計(jì)忽略海拔高度和濕度的影響，只考慮環(huán)境溫度造成的影響，電機(jī)額定功率按照下式進(jìn)行修訂：
（3.4）
式中
—校正溫度影響后的電動(dòng)機(jī)功率，kW；
—電動(dòng)機(jī)額定功率，kW，由前面計(jì)算PN=1.084kW；
—溫度校正系數(shù)，根據(jù)表格查詢(xún)對(duì)應(yīng)25℃時(shí)的溫度校正系數(shù)為1.1。
所以電機(jī)額定功率
4、電動(dòng)機(jī)的選擇
為保證系統(tǒng)滿(mǎn)足啟動(dòng)要求和穩(wěn)定運(yùn)行要求，選擇的電機(jī)額定功率為1.5kW，具體參數(shù)如下表3.1所示。
表3.1 交流異步電機(jī)的部分技術(shù)參數(shù)
名稱(chēng)
額定功率
kW
額定電流
A
額定轉(zhuǎn)速
r/min
效率
%
質(zhì)量
kg
Y2-90S-2
2
3.4
2840
79
2.3
1.5
22
3.2.3 副電機(jī)的選擇及電機(jī)參數(shù)的確定
與前面計(jì)算主電機(jī)的過(guò)程相似，首先設(shè)定工作條件：擺動(dòng)系統(tǒng)的擺動(dòng)周期T=1s，擺動(dòng)幅角，工作過(guò)程可以假設(shè)為整體箱體質(zhì)量集中為一點(diǎn)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，該點(diǎn)距離回轉(zhuǎn)中心的距離L=R/2=0.125m，攪拌桶作為鑄造件，設(shè)密度均勻，值為，并且作為粗略估算，將其外形假設(shè)為外部mm且內(nèi)壁厚10mm的長(zhǎng)方體，所以，整個(gè)攪拌桶質(zhì)量為
將所有質(zhì)量集中到攪拌桶外壁某一點(diǎn)，那么擺動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩為
擺動(dòng)的等效角速度
擺動(dòng)功率
計(jì)算電機(jī)功率，其中效率包括帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、軸承以及擺動(dòng)臂和凸輪之間的效率乘積，即
選擇電機(jī)Y132M-8，額定功率3.0kW，具體參數(shù)如下表3.2所示。
表3.2 交流異步電機(jī)的部分技術(shù)參數(shù)
名稱(chēng)
額定功率
kW
額定電流
A
額定轉(zhuǎn)速
r/min
效率
%
質(zhì)量
kg
Y132M-8
3.0
7.72
710
82
2.0
1.2
79
3.3 主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電動(dòng)機(jī)已經(jīng)初步選定，轉(zhuǎn)速2840r/min，攪拌軸的轉(zhuǎn)速60r/min，傳動(dòng)比大約為48，考慮到電機(jī)和攪拌軸的距離以及整個(gè)攪拌機(jī)的體積，采用一級(jí)帶輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比初定為3，兩級(jí)傳動(dòng)比為4的齒輪傳動(dòng)。下面將進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。
3.3.1 基本結(jié)構(gòu)的確定與選材
對(duì)于傳動(dòng)比為3的帶傳動(dòng)，傳動(dòng)比不是很高，傳遞的功率也不是很大，使用普通V帶輪，材料HT200；齒輪傳動(dòng)比為4，材料40Cr[5]。
3.3.2 帶輪與齒輪的詳細(xì)設(shè)計(jì)
1、帶輪的詳細(xì)設(shè)計(jì)
為計(jì)算帶傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，首先設(shè)定一些工作條件，本設(shè)計(jì)載荷變動(dòng)微小，帶負(fù)載啟動(dòng)，每天工作小于10小時(shí)。
（1）計(jì)算帶輪的計(jì)算功率[7]
（3.5）
式中
—計(jì)算功率，kW；
—?jiǎng)虞d荷系數(shù)，查表選取1.1；
P—電機(jī)額定功率，kW。
所以
（2）選擇帶型，普通V帶Z型，節(jié)寬bp=8.5mm，頂寬b=10mm，高度h=6mm，截面積A=47mm2
（3）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑，因此外徑，轉(zhuǎn)速為=2840r/min，驗(yàn)算帶的速度
其中的取值范圍是25~30m/s。
計(jì)算從動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑
查表圓整后，外徑。
（4）確定帶輪的中心距和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
初定中心距 （3.6）
初定
帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
取，實(shí)際中心距
中心距的變動(dòng)范圍
（5）驗(yàn)算主動(dòng)輪上包角
包角滿(mǎn)足要求。
（6）確定V帶的根數(shù)
（3.7）
式中
所以，
（7）確定帶的預(yù)緊力。
單根V帶所需預(yù)緊力
（3.8）
其中 v—帶的線(xiàn)速度取最大值，m/s，即大帶輪上外緣點(diǎn)的線(xiàn)速度10.55m/s；
q—傳動(dòng)帶單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m，查表得數(shù)值0.06kg/m。
所以，
由于新帶輪容易松弛，所以對(duì)于非自動(dòng)張緊的帶傳動(dòng)，安裝新帶時(shí)的預(yù)緊力應(yīng)為上述預(yù)緊力的1.5倍。
（8）計(jì)算帶傳動(dòng)作用在軸上的力
（9）V帶輪設(shè)計(jì)，關(guān)于V帶輪的形式：當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑小于等于2.5倍的軸徑時(shí)，帶輪一般采用實(shí)心式；當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑小于等于300mm時(shí)可以采用腹板式；當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑大于300mm時(shí)，可以采用輪輻式。
帶輪槽型Z型，基準(zhǔn)寬度，基準(zhǔn)線(xiàn)上槽深，下槽深，槽間距，第一槽對(duì)稱(chēng)面至端面的距離，最小輪緣厚，輪槽角小帶輪34°，大帶輪38°。
所以，帶輪寬
小帶輪設(shè)計(jì)，小帶輪軸徑d=34mm，，采用實(shí)心式
以下圖3.1和圖3.2所示為小帶輪的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
圖3.1 小帶輪結(jié)構(gòu)尺寸 圖3.2 小帶輪三維仿真
大帶輪設(shè)計(jì)，,由于其基準(zhǔn)直徑已經(jīng)非常大，為了減少質(zhì)量，更重要的是降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，采用孔板式。
以下圖3.3和圖3.4所示為大帶輪的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
圖3.3 大帶輪結(jié)構(gòu)尺寸 圖3.4 大帶輪三維仿真
2、齒輪的詳細(xì)設(shè)計(jì)
齒輪傳動(dòng)比的分配為，齒輪材料鍛鋼，直齒圓柱齒輪，7級(jí)精度。傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率
小齒輪轉(zhuǎn)速
齒數(shù)比u=4，設(shè)定工作壽命10年，每年工作300天，每天工作6小時(shí)。選擇小齒輪材料40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度280HBS，大齒輪材料45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度240HBS，二者材料硬度差40HBS。
初定小齒輪齒數(shù)Z1=24,大齒輪齒數(shù)。按照齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪。
（3.9）
確定其中計(jì)算參數(shù)，
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
查表[6]得接觸疲勞壽命系數(shù)，KHN1=0.92，KHN2=0.95，取失效概率1%，安全系數(shù)S=1，計(jì)算接觸許用應(yīng)力
將上述兩個(gè)數(shù)值中較小的值帶入公式中計(jì)算小齒輪分度圓直徑
計(jì)算圓周速度
計(jì)算齒寬
模數(shù)
齒高
因此，齒寬比，計(jì)算載荷系數(shù)，根據(jù)v=1.596m/s，7級(jí)齒輪精度，查得動(dòng)載荷系數(shù)Kv=1.03，假設(shè)，查表知，使用系數(shù)(輕微沖擊)，因此
由，查彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)圖，得[7]，所以，載荷系數(shù)
按實(shí)際載荷系數(shù)校正分度圓直徑
計(jì)算模數(shù)
按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（3.10）
確定式中各參數(shù)，
計(jì)算彎曲許用應(yīng)力，安全系數(shù)S=1.4，
計(jì)算載荷系數(shù)
查取齒形系數(shù)查取應(yīng)力校正系數(shù)計(jì)算大小齒輪的值，并比較大小。
大齒輪數(shù)值大，取用大齒輪的數(shù)值，
取m=1.5mm，分度圓直徑，齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。
齒輪幾何尺寸及安裝尺寸計(jì)算
分度圓直徑
中心距
齒輪寬
取小齒輪寬，大齒輪寬。
符合前面的假設(shè)，所以設(shè)計(jì)合理。小齒輪分度圓直徑不大，采用齒輪軸形式，大齒輪采用輪轂式，小齒輪軸機(jī)構(gòu)尺寸如圖3.5，大齒輪結(jié)構(gòu)尺寸和三維仿真如圖3.6和圖3.7。
圖3.5 齒輪軸結(jié)構(gòu)
圖3.6 大齒輪機(jī)構(gòu) 圖3.7 大齒輪三維仿真
3.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)以上計(jì)算，傳動(dòng)零件計(jì)算完畢，現(xiàn)在進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)中軸的計(jì)算，軸的最小直徑由下述公式確定
（3.11）
A0與軸的材料有關(guān)，并且已有表格可以查詢(xún)數(shù)值。
考慮到小帶輪厚度大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸伸出的長(zhǎng)度，小帶輪這里需要設(shè)計(jì)一根軸，材料定為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表可知A0的取值范圍在126~103，本設(shè)計(jì)取112，則小帶輪軸的最小直徑
軸徑最大值必然會(huì)小于100mm，而且在某些截面上會(huì)有鍵槽，根據(jù)規(guī)定，最小軸徑要增大5%~7%，即最小軸徑在9.5~9.68mm之間，在設(shè)計(jì)時(shí)將軸的最小直徑設(shè)計(jì)為24mm，設(shè)計(jì)出安裝帶輪、聯(lián)軸器以及軸承所需要的軸肩和鍵槽。
大帶輪所用的軸就是前面涉及過(guò)的齒輪軸，因此在這里不再贅述。大齒輪所用的軸材料45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，A0取最大值126，功率
轉(zhuǎn)速，所以齒輪軸的最小直徑
截面會(huì)有一個(gè)鍵槽，最小軸徑增大7%，，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)。
3.3.4 主傳動(dòng)系統(tǒng)的支架設(shè)計(jì)及三維仿真
通過(guò)以上計(jì)算，主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要零件設(shè)計(jì)完畢，合理布局各傳動(dòng)件的位置，然后設(shè)計(jì)減速系統(tǒng)的支架，設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮安裝方便與否外還要考慮鑄造加工的難易程度，最終經(jīng)過(guò)仔細(xì)的設(shè)計(jì)之后，再利用PRO/ENGINEER進(jìn)行了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的組裝仿真，這樣可以更直觀地表達(dá)出設(shè)計(jì)理念，并且也更容易看出其中的問(wèn)題來(lái)。圖3.8為傳動(dòng)系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)外觀圖。
圖3.8 傳動(dòng)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)仿真
3.4 擺動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
擺動(dòng)系統(tǒng)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)攪拌桶擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，當(dāng)物料混合均勻后，攪拌運(yùn)動(dòng)停止，打開(kāi)攪拌桶下面的排料口，物料就會(huì)流出，但是由于攪拌葉片與攪拌桶壁的間隙很小，物料在攪拌過(guò)程中受到的力也比較復(fù)雜，很容易產(chǎn)生積壓作用，即物料在表觀上呈現(xiàn)部分塊狀，不能夠憑借其自身重力落下來(lái)，此時(shí)就需要擺動(dòng)系統(tǒng)使攪拌桶產(chǎn)生振動(dòng)，將物料震下來(lái)。
3.4.1 基本結(jié)構(gòu)的確定與選材
在這里，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)很多，但是為了盡量降低噪音，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性，在擺動(dòng)部分決定采用擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，而電機(jī)轉(zhuǎn)速一般都偏高，需要用帶輪進(jìn)行減速，甚至需要用齒輪或渦輪蝸桿進(jìn)行二級(jí)減速，前面的計(jì)算已經(jīng)選擇了一種同步轉(zhuǎn)速比較低的電機(jī)了，但是其轉(zhuǎn)速相對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)依然很高，綜合考慮電機(jī)的安裝方向和傳動(dòng)比的分配，決定采用帶輪斜齒輪凸輪機(jī)構(gòu)，最終傳動(dòng)比，帶輪傳動(dòng)比比較大，使用多楔帶，帶輪材料HT150，斜齒輪承受震動(dòng)沖擊，要采取硬度較大的材料，使用40Cr，調(diào)質(zhì)。
3.4.2 帶輪齒輪與凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
1、 帶輪計(jì)算
小帶輪直徑初定60mm，電機(jī)輸入功率為3kW，設(shè)定載荷變動(dòng)較小，則查表得工況系數(shù)，確定計(jì)算功率
選取多楔帶的型號(hào)PL，參考已有資料，確定小帶輪有效直徑，查表得有效線(xiàn)差，那么大帶輪的有效直徑
帶速
所以，帶速符合要求。
初定中心距，由公式（3.6）
暫定中心距332mm，帶的有效長(zhǎng)度
查表取近似值Le0=1500mm。
實(shí)際中心距
小帶輪包角
所以包角也符合設(shè)計(jì)要求。
帶每楔傳遞的基本額定功率，功率增量，查表得包角修正系數(shù)，帶長(zhǎng)修正系數(shù)，通過(guò)計(jì)算并且最終查表取整，多楔帶的楔數(shù)
有效圓周力
帶的緊邊拉力
帶的松邊拉力
作用在軸上的拉力
帶輪的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，小帶輪總長(zhǎng)度，取120mm，小帶輪輪轂內(nèi)徑，外徑；大帶輪采用輪輻式機(jī)構(gòu)，輪輻數(shù)目m=4，輪輻寬度
軸徑定為d=45mm，厚度，大帶輪結(jié)構(gòu)尺寸和三維仿真如圖3.9和圖3.10所示。
圖3.9 多楔帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3.10 多楔帶輪三維仿真
2、 斜齒輪計(jì)算
斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)，齒數(shù)比，輸入功率，小齒輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動(dòng)要求平穩(wěn)，7級(jí)精度，工作壽命10年，每年工作300天，每天工作一小時(shí)。
首先選擇齒輪材料，小齒輪40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度280HBS，大齒輪45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度250HBS。初選小齒輪齒數(shù)，則大齒輪齒數(shù)。初選螺旋角=14°，
首先按照齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，
（3.12）
確定其中各參數(shù)
將上述參數(shù)帶入分度圓計(jì)算公式，
計(jì)算圓周速度
計(jì)算齒寬及模數(shù)
計(jì)算縱向重合度
下面計(jì)算載荷系數(shù)K
已知使用系數(shù)KA=1，根據(jù)v=0.47m/s，7級(jí)精度，查Kv=1.05。
齒輪非對(duì)稱(chēng)布置，查得計(jì)算公式
校正分度圓直徑
計(jì)算模數(shù)
再按照齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)公式為
（3.13）
確定其中的計(jì)算參數(shù)，
計(jì)算載荷系數(shù)，
根據(jù)縱向重合度，從圖中可以查得螺旋角影響系數(shù)
計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)，
查取齒形系數(shù)，
查取應(yīng)力校正系數(shù)，
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，查圖得
，
計(jì)算
比較發(fā)現(xiàn)小齒輪的數(shù)值大。將所得的參數(shù)帶入到設(shè)計(jì)公式中，得到
由此可知，兩種設(shè)計(jì)方法均要求模數(shù)至少為1，為了提高齒輪承載能力，選用標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，中心距
將中心距圓整為193mm。
按圓整后的中心距修正螺旋角
因值改變不多，故參數(shù)等不必修正。
計(jì)算大小齒輪分度圓直徑
計(jì)算齒輪寬度
取。
齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于大齒輪，因齒輪齒頂圓直徑大于160mm，而又小于500mm，故以選用腹板式結(jié)構(gòu)為宜。其他有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸均按照前面主傳動(dòng)系統(tǒng)中直齒輪的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。
將齒輪設(shè)計(jì)好后，利用三維軟件進(jìn)行仿真。
3、 凸輪計(jì)算
ψ/rad
為了使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)捷同時(shí)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)功能，決定采用等寬六圓弧凸輪[8]。首先，設(shè)定工作條件，等幅擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，幅度15°，周期T=1s，位移曲線(xiàn)圖如圖3.11所示。
-π/12
π/12
t/s
1
0.5
圖3.11 凸輪位移曲線(xiàn)
然而，在設(shè)計(jì)時(shí)不能直接應(yīng)用此條曲線(xiàn)，因?yàn)樵谇€(xiàn)的拐點(diǎn)處，速度變化快，加速度很大，因此那些點(diǎn)處的沖擊也非常大，會(huì)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)造成極大損害，所以要對(duì)上述曲線(xiàn)進(jìn)行修正[9]。修正方法即是將速度突變處全部用光滑曲線(xiàn)替代，最后得到的修正曲線(xiàn)如圖3.12所示。
θ/deg
ψ/rad
Φ'
Φs
Φ
Φ's
π/12
圖3.12 凸輪修正位移曲線(xiàn)
凸輪勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，上述圖線(xiàn)橫坐標(biāo)為凸輪轉(zhuǎn)角，與時(shí)間是一一對(duì)應(yīng)的，設(shè)從動(dòng)件靜止時(shí)間是運(yùn)動(dòng)時(shí)間的1/3。確定凸輪轉(zhuǎn)角，由凸輪等寬條件公式
（3.14）
解出最終結(jié)果，得。
由等寬條件公式知，。
從動(dòng)件沖程估算為，帶入基圓半徑范圍公式中，得
取基圓半徑
計(jì)算偏心距
各段圓弧半徑計(jì)算
3.4.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和擺動(dòng)系統(tǒng)安裝的三維仿真
軸的設(shè)計(jì)計(jì)算與前面相同，也是首先根據(jù)傳遞功率計(jì)算軸的最小直徑，并以此為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮軸肩的位置，齒輪、凸輪以及軸承這些零件在軸上的定位方法，將這些設(shè)計(jì)好后，再合理安排這些零件在空間的布局，做到盡量少占用空間，結(jié)構(gòu)緊湊，但是也要同時(shí)注意不要產(chǎn)生干涉。
當(dāng)設(shè)計(jì)好后，利用PRO/ENGINEER軟件進(jìn)行仿真，進(jìn)一步檢查是否有不妥之處。以下圖3.13是擺動(dòng)系統(tǒng)的三維仿真。
圖3.13 擺動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)三維仿真
這部分仿真主要是為了檢驗(yàn)凸輪能否正常工作，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)凸輪能與擺動(dòng)件良好接觸，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)設(shè)定電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速710r/min，測(cè)定凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的位移、速度和加速度曲線(xiàn)，測(cè)定的曲線(xiàn)圖如圖3.14所示。圖中第一條曲線(xiàn)是位移曲線(xiàn)，和自己最初設(shè)計(jì)的曲線(xiàn)是一致的，第二條曲線(xiàn)是速度曲線(xiàn)，有較大的速度沖擊，第三條曲線(xiàn)是加速度曲線(xiàn)，可以觀察到有多個(gè)突變點(diǎn)，加速度沖擊也比較大，不過(guò)通過(guò)選取適當(dāng)?shù)牟牧吓浜蠒?huì)改善這種影響，凸輪采用HT200，退火處理，硬度180~250HBS，從動(dòng)件材料45Mn2，這樣的材料配合使得凸輪有足夠的硬度，從動(dòng)件有一定的硬度也有一定的韌性。
圖3.14 凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)定曲線(xiàn)
3.5 攪拌部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
攪拌部分包括攪拌槳、攪拌容器以及附屬的止動(dòng)扳手、聯(lián)軸器等零件。攪拌槳是機(jī)械攪拌設(shè)備的關(guān)鍵部件，攪拌操作涉及流體的流動(dòng)、傳質(zhì)和傳熱，所進(jìn)行的物理和化學(xué)過(guò)程對(duì)攪拌效果的要求也不同[10]；攪拌容器是物料攪拌操作的場(chǎng)所，設(shè)計(jì)時(shí)要求體積符合工作需要，但是質(zhì)量不能太大，否則會(huì)造成不必要的材料浪費(fèi)和功率損失；止動(dòng)扳手是用來(lái)限制攪拌容器運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)；聯(lián)軸器是用來(lái)連接攪拌槳和傳動(dòng)系統(tǒng)輸出軸的。以下為設(shè)計(jì)過(guò)程。
3.51 攪拌槳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
至今對(duì)攪拌器的研究還不夠，因而攪拌器的設(shè)計(jì)工作均帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性，從已有的產(chǎn)品選用或適當(dāng)改進(jìn)。攪拌器的選用設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾方面考慮：
①有類(lèi)似應(yīng)用，而且攪拌效果較滿(mǎn)意的可以選用相同攪拌器；
②生產(chǎn)過(guò)程對(duì)攪拌有嚴(yán)格要求又無(wú)類(lèi)似攪拌器型式可以參考時(shí)，則應(yīng)對(duì)工藝、設(shè)備、攪拌要求、經(jīng)濟(jì)性等作全面評(píng)價(jià)，找出操作的主要控制因素，選擇合適的攪拌器型式；
③生產(chǎn)規(guī)模較大或新開(kāi)發(fā)的攪拌設(shè)備，需進(jìn)行一定的試驗(yàn)研究，尋求最佳的攪拌器型式、尺寸及操作條件，并經(jīng)中試后才能應(yīng)用于工業(yè)裝置中[11]。
為了獲得較好的混合效果，本設(shè)計(jì)采用了雙螺帶式攪拌器，因?yàn)榇朔N攪拌器有較好的循環(huán)性能，使得整個(gè)容器內(nèi)的混合效果比較好[12]。
攪拌槳的大螺帶槳葉半徑240mm，小螺帶槳葉半徑120mm，槳葉傾角27.36°，螺距240mm[13]，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖3.15所示。
圖3.15 雙螺帶式攪拌槳結(jié)構(gòu)
中間的軸鑄造，軸上的支撐架焊接上去，螺帶為不銹鋼板彎曲后焊接到支架上，焊接后對(duì)接縫處進(jìn)行處理，使表面盡可能光滑[14]。
3.52 攪拌容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
攪拌容器作用是為物料攪拌提供合適的空間，攪拌容器的幾何尺寸主要指容器的容積V，筒體的高度H、內(nèi)徑D，以及壁厚等。前面在設(shè)定工作參數(shù)時(shí)已經(jīng)初步確定了容器的容積，在這里以前面的設(shè)定為基礎(chǔ)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，由于攪拌槳運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)是一個(gè)圓柱形的工作空間，而且為了達(dá)到較好的攪拌效果，槳片與容器壁之間的距離又不能太大，一般是在2~5mm之間，本設(shè)計(jì)屬于中小型機(jī)械，取用2mm的間隙，容器底部因此大致為一個(gè)半圓柱形狀；為了裝料方便，容器上面采用揭蓋式結(jié)構(gòu)；為了出料方便省力，在容器底部設(shè)置出料口；為了減輕容器的重量同時(shí)還要保證必要的強(qiáng)度，取用10mm的壁厚[15]；容器采用鑄造的制造方式，最后表面鍍上防腐金屬材料[16]。
攪拌容器的裝配結(jié)構(gòu)仿真如圖3.16所示。
6
5
4
3
2
1
1-底蓋 2-容器 3-鎖 4-上蓋 5-轉(zhuǎn)軸 6-固定銷(xiāo)
圖3.16 攪拌容器結(jié)構(gòu)仿真
3.53 聯(lián)軸器的選用
本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要使用兩個(gè)聯(lián)軸器。第一個(gè)是主傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)與小帶輪之間，因?yàn)樾л喯鄬?duì)電機(jī)軸伸出部分而言，比較長(zhǎng)，所以小帶輪的軸和電機(jī)軸之間需要連接聯(lián)軸器，這里沒(méi)有什么特殊結(jié)構(gòu)上的要求，使用普通聯(lián)軸器即可；第二個(gè)聯(lián)軸器用在攪拌軸和主傳動(dòng)系統(tǒng)之間，此處為了主傳動(dòng)系統(tǒng)的拆裝方便以及系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)零件的靈活拆裝，攪拌軸和主傳動(dòng)系統(tǒng)之間有較大的距離，這么長(zhǎng)的距離如果使用一根軸的話(huà)就要求加工和安裝精度很高，否則軸上就會(huì)產(chǎn)生很大的附加約束力，因此在此處將軸斷開(kāi)，用一個(gè)彈性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，這樣對(duì)兩個(gè)軸的同軸度要求降低了，并且還有吸震作用，降低了傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪受到的沖擊力[17]。
3.54 止動(dòng)扳手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的攪拌容器是可以擺動(dòng)的，但是在攪拌運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)是不需要也不允許攪拌容器擺動(dòng)的，因此需要設(shè)計(jì)一處止動(dòng)裝置，使得攪拌器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，攪拌容器被固定，當(dāng)攪拌運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，打開(kāi)裝置，容器能夠恢復(fù)運(yùn)動(dòng)。
3
對(duì)于自動(dòng)化程度沒(méi)有要求的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，此功能可以簡(jiǎn)單的由一個(gè)扳手實(shí)現(xiàn)，此結(jié)構(gòu)圖如下圖3.17所示。
4
5
6
2
1
1—攪拌桶 2—支架 3—扳手支座 4—彈簧 5—插銷(xiāo) 6—扳手
圖3.17 止動(dòng)扳手結(jié)構(gòu)
圖中狀態(tài)攪拌容器沒(méi)有被卡住，可以擺動(dòng)，當(dāng)扳手向右或左扳動(dòng)時(shí)，扳手的轉(zhuǎn)軸與彈簧安裝底座的距離就會(huì)拉小，銷(xiāo)在彈簧力的作用下就會(huì)向左移動(dòng)，深入到容器壁的孔中去，容器壁被卡住，當(dāng)扳手復(fù)位后，銷(xiāo)又伸出來(lái)，攪拌容器的運(yùn)動(dòng)又恢復(fù)正常。
3.6 本章小結(jié)
本章把臥式攪拌器的設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊化，并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，繪制其零件圖、裝配圖，并用PRO/ENGINEER對(duì)臥式攪拌器進(jìn)行了三維建模，使設(shè)計(jì)更直觀的表現(xiàn)出來(lái)。更重要的是將凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，給定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，測(cè)量凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，得出結(jié)論：設(shè)計(jì)的凸輪能正常工作，且滿(mǎn)足最初的運(yùn)動(dòng)軌跡要求，但是振動(dòng)沖擊有些大，凸輪要提高強(qiáng)度，擺動(dòng)臂要采用韌性比較好的材料，這樣才能保證凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)行壽命。
第4章 安全性計(jì)算與校核
4.1 引言
為了保障機(jī)械零件的強(qiáng)度和剛度，使攪拌器運(yùn)行時(shí)具有足夠的安全性和可靠性，需要對(duì)其關(guān)鍵部分零件進(jìn)行校核。本章就軸，軸承等關(guān)鍵零件進(jìn)行剛度，強(qiáng)度校核。
4.2 軸承的校核
本設(shè)計(jì)中多處采用滾動(dòng)軸承，且有些地方的軸承轉(zhuǎn)速很高，有些地方徑向力很大，為了保證攪拌器能在規(guī)定的工作壽命內(nèi)正常工作,不能盲目進(jìn)行安裝使用,否則可能會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的事故和現(xiàn)象。因此,必須對(duì)軸承進(jìn)行一系列的校核和驗(yàn)算,具體驗(yàn)算內(nèi)容如下。
對(duì)于小帶輪軸處的深溝球軸承，軸承軸向載荷，徑向載荷
當(dāng)量動(dòng)載荷
選擇載荷系數(shù)，定為無(wú)沖擊或輕載荷，1.0~1.2。
設(shè)軸承工作壽命與機(jī)器的設(shè)定壽命相同，
軸承應(yīng)有的基本額定動(dòng)載荷
而本設(shè)計(jì)選用的軸承61907，其基本額定動(dòng)載荷，符合要求。
對(duì)于其他的軸承也采用類(lèi)似的方法校核，均可以正常工作。
4.3 軸的校核
本設(shè)計(jì)的軸要么承受明顯的轉(zhuǎn)矩，要么承受明顯的徑向力，受力情況比較簡(jiǎn)單。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)軸時(shí)雖然考慮到了在載荷影響下的最小軸徑，但是有些軸承受很大的轉(zhuǎn)矩，上面附加的各種傳動(dòng)零件在運(yùn)動(dòng)中也會(huì)產(chǎn)生更大的載荷影響，因此需要對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核。
下面以攪拌軸為例，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核。
軸的載荷分析圖如下圖4.1所示。
MH
FNH1
FNH2
Ft
FNV1
FNV2
FNH1
FNH2
G
Ft
Fa
MV2
MV1
F'NV1=Fa
FNV1
FNV2
Fa
Ma
T
M2
M1
圖4.1 軸的載荷分析圖
由前面的計(jì)算已經(jīng)知道，攪拌半徑，所以作用在攪拌葉片上的力可以粗略計(jì)算為，
此力為Fa和Ft的合力，螺帶傾角30°，所以，
攪拌軸重量粗略估計(jì)為，那么
攪拌軸有效長(zhǎng)度，所以上述載荷分析圖中各個(gè)參數(shù)值計(jì)算如下，
軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核公式為
（4.1）
確定公式中各個(gè)參數(shù)，
將參數(shù)帶入上述校核公式（4.3）中，得到
所以，攪拌軸是安全的。
4.4 鍵的校核
本設(shè)計(jì)中在齒輪、帶輪以及凸輪中均使用了普通平鍵，有些部位傳遞的扭矩非常大，對(duì)于鍵的安全性需要校核。對(duì)于采用常見(jiàn)的材料組合和按照標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵聯(lián)結(jié)，其主要失效形式是工作面被壓潰，除非有嚴(yán)重的過(guò)載，一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，只按照工作面上的擠壓力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。
假定載荷在鍵的工作表面均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件為
（4.2）
下面校核凸輪處的鍵，凸輪上面裝有兩個(gè)鍵，確定上述公式中的各參數(shù)，
通過(guò)計(jì)算和查資料得上述各參數(shù)值，
帶入以上數(shù)據(jù)得到
所以鍵的強(qiáng)度符合要求。
4.5 本章小結(jié)
本章對(duì)設(shè)計(jì)后的電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、軸承壽命以及載荷、鍵受力參數(shù)以及攪拌軸等軸類(lèi)零件進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，對(duì)部分初選的關(guān)鍵零件進(jìn)行了校核分析，充分保證臥式攪拌器的可靠運(yùn)行。
結(jié) 論
本課題結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外臥式攪拌器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種用于食品加工產(chǎn)業(yè)的臥式攪拌器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程。本文主要完成的工作如下：
1．臥式攪拌器總體結(jié)構(gòu)方案的確定。分析了臥式攪拌器的特點(diǎn)，確定了設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)，并根據(jù)工作參數(shù)確定一些必要的設(shè)計(jì)基本尺寸。
2．驅(qū)動(dòng)元件的選擇。通過(guò)計(jì)算選出滿(mǎn)足攪拌器使用要求的交流異步電動(dòng)機(jī)，并詳細(xì)列出其技術(shù)參數(shù)。
3．主傳動(dòng)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。對(duì)攪拌器主運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)零件，并利用PRO/ENGINEER進(jìn)行三維建模。
4．?dāng)[動(dòng)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。對(duì)攪拌器的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，設(shè)計(jì)擺動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)零件，并利用PRO/ENGINEER進(jìn)行三維建模。
5．?dāng)嚢杵髌渌匾悴考脑敿?xì)設(shè)計(jì)，如機(jī)架和外殼等，確定零件結(jié)構(gòu)，繪制零件圖和裝配圖，并利用PRO/ENGINEER進(jìn)行三維建模。
6．零件的強(qiáng)度和剛度計(jì)算與校核。對(duì)各個(gè)已設(shè)計(jì)零件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算，確保滿(mǎn)足使用要求，使攪拌器具有足夠的可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳志平，章序文，林興華．?dāng)嚢枧c混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用