0030-立式沉降離心機(jī)設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)全套CAD+優(yōu)秀論文+外翻】
0030-立式沉降離心機(jī)設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)全套CAD+優(yōu)秀論文+外翻】,畢業(yè)設(shè)計(jì)全套CAD+優(yōu)秀論文+外翻,立式,沉降,離心機(jī),設(shè)計(jì),畢業(yè)設(shè)計(jì),全套,cad,優(yōu)秀論文,外翻
目錄
1前言 1
1.1 本課題的來(lái)源，基本前提條件和技術(shù)要求 1
1.2 本課題要解決的主要問(wèn)題和設(shè)計(jì)總體思路 1
1.3 預(yù)期的成果及其理論意義 2
2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)狀介紹 3
3 總體方案論證 4
4 具體設(shè)計(jì)說(shuō)明 6
4.1 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì) 6
4.1.1 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓壁厚計(jì)算 6
4.1.2 轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度校核 7
4.2 離心機(jī)驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算 8
4.3電機(jī)的選用 10
4.4 帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
4.5 齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 12
4.5.1 選擇齒輪材料、熱處理方法、精度等級(jí)、齒數(shù) 12
4.5.2.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 13
4.5.3.校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 15
4.6 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 15
4.6.1軸的設(shè)計(jì) 15
4.6.2 對(duì)該軸進(jìn)行強(qiáng)度校核 16
4.7 空心軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 20
4.7.1 空心軸的設(shè)計(jì) 20
4.7.2 對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核 21
5.結(jié)論 25
主要參考文獻(xiàn) 26
致 謝 27
附 錄 28
立式沉降離心機(jī)
1前言
立式沉降離心機(jī),主要用于化工部門對(duì)固、液體的懸浮液或含不同比重液體的乳濁液進(jìn)行沉降分離的離心機(jī)。該螺旋卸料沉降離心機(jī)中，沉渣沿轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁的移動(dòng)全靠螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此離心機(jī)具有能連續(xù)工作、對(duì)物料適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。
1.1 本課題的來(lái)源，基本前提條件和技術(shù)要求
A.本課題來(lái)源：本課題來(lái)源于對(duì)沉降式離心機(jī)市場(chǎng)的調(diào)研結(jié)果。眾所周知，沉降式離心機(jī)是在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)利用旋轉(zhuǎn)物料本身所受到的離心力來(lái)對(duì)固、液體的懸浮液或含不同比重液體的乳濁液進(jìn)行沉降分離的離心機(jī)。沉降離心機(jī)分間歇操作和連續(xù)操作兩種類型。工業(yè)上常用的間歇操作沉降離心機(jī)有三足式沉降離心機(jī)和刮刀卸料沉降離心機(jī)。連續(xù)操作沉降離心機(jī)常用的為螺旋卸料沉降離心機(jī)。
B.基本前提條件：以工廠現(xiàn)行生產(chǎn)的臥式沉降離心機(jī)有關(guān)樣本；設(shè)計(jì)立式結(jié)構(gòu)離心機(jī)，該離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓為柱—錐型，其軸線呈立式安置；轉(zhuǎn)鼓；大端直徑為800mm；轉(zhuǎn)鼓半錐角為7—12度；轉(zhuǎn)鼓高度為480—520mm（即轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比（L/D）為0.6—0.65）；轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速：1500r/min；分離因數(shù)為Fr1006；電機(jī)功率：小于30KW。
C.技術(shù)要求：
a.該立式沉降離心機(jī)能使濾料在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的滯留時(shí)間（即固液分離時(shí)間）比現(xiàn)行的臥式沉降離心機(jī)延長(zhǎng)10～15倍（1—5min），從而提高分離效果；
b.本機(jī)工作時(shí)濾料由上部料斗的進(jìn)料口進(jìn)入，同時(shí)電機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；濾料在由螺旋送料機(jī)構(gòu)輸送的同時(shí)被離心機(jī)進(jìn)行沉降分離——被分離的濾液和濾渣各行其道，分別經(jīng)離心機(jī)的出液口和出渣口被引出機(jī)外；整個(gè)操作過(guò)程是在全速、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下自動(dòng)進(jìn)行；
c.進(jìn)料口直徑不小于50mm；
d.離心機(jī)工作安全、可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，操作維護(hù)簡(jiǎn)單；
f.生產(chǎn)率為每小時(shí)排出渣3立方米；
g.本機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，其進(jìn)料口、出液口和出渣口便于連接到生產(chǎn)自動(dòng)線上。
1.2 本課題要解決的主要問(wèn)題和設(shè)計(jì)總體思路
a.本課題要解決的主要問(wèn)題：螺旋卸料沉降離心機(jī)是全速運(yùn)轉(zhuǎn)、連續(xù)進(jìn)料、沉降分離和卸料的離心機(jī)。(1)螺旋卸料沉降離心機(jī)中，沉渣沿轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁的移動(dòng)全靠螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩者的差轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的0.5—4 %，多數(shù)為1—2 %。該差轉(zhuǎn)速由差速變速器產(chǎn)生。常用的差速變速器有擺線針輪行星變速器和雙級(jí)2K-H漸開(kāi)線齒輪行星變速器。該兩種變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，往往使用戶望而卻步。(2)現(xiàn)有沉降離心機(jī)在提高其分離因數(shù)的同時(shí)帶來(lái)了像占地面積大或分離時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)
b.設(shè)計(jì)思路:為解決上述弊端，按離心分離理論，一是向高速和大型發(fā)展（即提高其分離因數(shù)）；二是延緩濾料（渣）在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的運(yùn)行速度，即延長(zhǎng)固、液（或液、液）分離時(shí)間，以達(dá)到充分脫液之目的。為克服現(xiàn)行螺旋卸料沉降離心機(jī)的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)旨在提供一種能解決上述缺點(diǎn)和弊端的新型機(jī)種——立式（螺旋卸料）沉降機(jī)。差速變速器設(shè)計(jì)成斜齒輪結(jié)構(gòu)。
1.3 預(yù)期的成果及其理論意義
通過(guò)對(duì)立式沉降離心機(jī)的各種設(shè)計(jì)要求和性能的改變，使離心機(jī)在不增加占地面積的情況下提高了分離效率，達(dá)到了增加生產(chǎn)效率。采用斜齒輪變速器常用的擺線針輪行星變速器和雙級(jí)2K-H漸開(kāi)線齒輪行星變速器差速變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴的現(xiàn)象，改變了使用戶望而卻步狀況，降低了安裝難度。
提供一種能解決上述缺點(diǎn)和弊端的新型機(jī)種——立式（螺旋卸料）沉降機(jī)和斜齒輪差速變速器。
2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)狀介紹
綜觀國(guó)內(nèi)沉降離心機(jī)之發(fā)展，雖致力于提高其分離因數(shù)，然仍與國(guó)外差距較大。理論研究表明，分離因數(shù)的提高雖有利于脫液分離，但濾料（渣）在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留時(shí)間因此也更短，反而于脫液分離不利，故部分地抵消了轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速加快的效果。更何況轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速加快，致使能耗呈三次方速率上升；而加大轉(zhuǎn)鼓直徑，則因轉(zhuǎn)鼓各部尺寸必須隨之相應(yīng)增大乃至造成離心機(jī)之成本劇增；且大幅度提高其分離因數(shù)往往還要受到轉(zhuǎn)鼓筒體及轉(zhuǎn)鼓底座（鑄件）等材料強(qiáng)度的限制。在現(xiàn)今，工業(yè)上還很難由工藝來(lái)保證能廉價(jià)地提供這些高強(qiáng)度材料的情況下，實(shí)為我國(guó)之國(guó)情所不容。故人們常將視線轉(zhuǎn)向后者——延長(zhǎng)濾料（渣）在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的滯留時(shí)間——而這一時(shí)間的長(zhǎng)短又取決于轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度及轉(zhuǎn)鼓部件與螺旋輸（卸）料裝置之差轉(zhuǎn)速。
增加轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度無(wú)疑能達(dá)到延長(zhǎng)濾料（渣）的脫液時(shí)間之目的。理論上，脫液時(shí)間與轉(zhuǎn)鼓有效長(zhǎng)度成正比。目前，國(guó)內(nèi)外這類機(jī)型的長(zhǎng), 徑比 L/ D 為 1.5—3.5 ，且 L/ D 還有增大的趨勢(shì)，如美國(guó)已達(dá) 3.8 ，德國(guó)為 4.2 。但 L/D 愈大，則愈難保證轉(zhuǎn)鼓筒體之圓柱度及筒體各段的同軸度，也愈難保證轉(zhuǎn)鼓筒體與螺旋輸（卸）料裝置（刮刀）之配合，故 L/ D 一般不大于 4 。大長(zhǎng)徑比的離心機(jī)的整機(jī)軸向尺寸均較大（除與轉(zhuǎn)鼓 L/ D 有關(guān)外，還與差動(dòng)變速器軸向尺寸有關(guān)），因而只能做成臥式。顯然，其占地面積（或體積）也大。
3 總體方案論證
本方案主要是考慮現(xiàn)行螺旋卸料沉降離心機(jī)的的缺點(diǎn)和弊端提出以下方案：
方案一：按離心分離理論，向高速和大型發(fā)展（即提高其分離因數(shù)）或延緩濾料（渣）在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的運(yùn)行速度，即延長(zhǎng)固、液（或液、液）分離時(shí)間，以達(dá)到充分脫液之目的。采用有擺線針輪行星變速器和雙級(jí)2K-H漸開(kāi)線齒輪行星變速器差速變速器。
圖3-1臥式螺旋卸料離心機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
方案二：為克服現(xiàn)行螺旋卸料沉降離心機(jī)的缺點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)一種能解決上述缺點(diǎn)和弊端的新型機(jī)種——立式（螺旋卸料）沉降機(jī)和相對(duì)便宜且安裝方便，同樣有現(xiàn)行差速變速器的斜齒輪差速變速器。
所以選擇方案二更好
圖3-2 立式離心機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
4 具體設(shè)計(jì)說(shuō)明
立式沉降離心機(jī),由轉(zhuǎn)鼓、主軸、軸承、殼體、帶傳動(dòng)組件(皮帶輪及皮帶等) 組成。
立式沉降離心機(jī)的基本參數(shù)包括:轉(zhuǎn)鼓的直徑、轉(zhuǎn)鼓的工作轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)鼓的一次最大加料量、物料密度、物料固液比、離心機(jī)由靜止到達(dá)工作轉(zhuǎn)速所需的啟動(dòng)時(shí)間等。對(duì)于這些參數(shù),設(shè)計(jì)過(guò)程中可以通過(guò)查閱有關(guān)資料找到所需要的參數(shù)
4.1 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì)
離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)選為轉(zhuǎn)鼓的質(zhì)量。質(zhì)量為最小,不僅可節(jié)省機(jī)器造價(jià)還可以降低離心機(jī)的啟動(dòng)功率,降低消耗。
? 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓是離心機(jī)的關(guān)鍵部件之一。一方面，轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)對(duì)離心機(jī)的用途、操作、生產(chǎn)能力和功率等均有決定性影響。另一方面，轉(zhuǎn)鼓自身因高速旋轉(zhuǎn)(其工作轉(zhuǎn)速通常在每分鐘幾百轉(zhuǎn)至每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)之間)，受到了離心力的作用，在離心力作用下轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很大的工作應(yīng)力，一旦發(fā)生強(qiáng)度破壞，必將產(chǎn)生極大的危害，尤其是有時(shí)由于應(yīng)力過(guò)高發(fā)生“崩裂”，常會(huì)引起嚴(yán)重人身傷害事故。同時(shí)，對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓而言，轉(zhuǎn)鼓的剛度同樣非常重要。若轉(zhuǎn)鼓的剛度不足，工作中轉(zhuǎn)鼓的幾何形狀將會(huì)發(fā)生明顯變化，輕則會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓與機(jī)殼撞擊、摩擦，損壞零部件；重則同樣會(huì)引起轉(zhuǎn)鼓的爆裂，甚至出現(xiàn)人身傷害事故。多年來(lái)，由于轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì)不當(dāng)、轉(zhuǎn)鼓制造質(zhì)量不高等原因?qū)е轮卮笫鹿实默F(xiàn)象頻頻發(fā)生。這已引起了設(shè)計(jì)人員、制造廠家和使用部門的重視，經(jīng)常進(jìn)行三足式離心機(jī)事故原因的診斷、分析與研究。因此，對(duì)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì)計(jì)算的分析研究也是十分必要的。
4.1.1 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓壁厚計(jì)算
轉(zhuǎn)鼓是柱錐形
(4-1)
(4-2)
(4-3)
式中: ,—轉(zhuǎn)鼓厚度和篩網(wǎng)當(dāng)量厚度；
—轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑；
—篩網(wǎng)質(zhì)量；
—轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料的填充系數(shù)；
(4-4)
(4-5)
式中: —鼓壁的密度；
—旋轉(zhuǎn)角速度；
=
=105Mpa
=168.3MPa
取其小者，許用應(yīng)力為=105MP
=12o ； =7.85×103㎏/m3 ； =1.5×103㎏/m3
=0.191；
=1
=0.2～0.5
=×
10mm
因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程中由于各種原因的損失（如：腐蝕）
所以取S=12mm
4.1.2 轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度校核
轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力:
a 轉(zhuǎn)鼓圓筒部分
空轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)鼓壁內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力:
（4-5）
(4-6)
式中：—對(duì)不開(kāi)孔轉(zhuǎn)鼓的開(kāi)孔系數(shù),
—轉(zhuǎn)鼓材質(zhì)密度,
—轉(zhuǎn)鼓平均半徑,
料載荷離心力產(chǎn)生的鼓壁環(huán)向應(yīng)力:
（4-7）
式中:———物料的密度,
———轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑,
———物料環(huán)內(nèi)半徑,
———轉(zhuǎn)鼓壁厚,
———加強(qiáng)箍系數(shù),Z=1
圓筒部分應(yīng)力:
b.轉(zhuǎn)鼓錐體部分
空轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)鼓壁內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力:
(4-8)
(4-9)
物料載荷離心力產(chǎn)生的鼓壁環(huán)向應(yīng)力:
錐段應(yīng)力:
取其大者,轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度滿足要求。
4.2 離心機(jī)驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算
離心機(jī)所需要的功率主要包括以下幾個(gè)方面的功率：(1)啟動(dòng)轉(zhuǎn)鼓等轉(zhuǎn)動(dòng)部件所需的功率Nl；(2)啟動(dòng)物料達(dá)到操作轉(zhuǎn)速所需的功率N2；(3)克服支撐軸承摩擦所需的功率N ；(4)克服轉(zhuǎn)鼓以及物料與空氣摩擦所需的功率N4；(5)卸出物料
所需的功率肌。
a.啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)件所需功率
G=7.85×103㎏/m3×[(0.4122－0.42)×0.08＋(0.3602－0.3482)×0.42] m3＋7.85×103㎏/m3×[(0.4722－0.4122)×0.012×2＋7.85×103 ㎏/m3××0.4722×0.012 m3]=108kg
離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)克服轉(zhuǎn)鼓的慣性力所需功率
離心機(jī)起動(dòng)時(shí)間 30～240s
(4-10)
==21.48kw
b.加入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的物料達(dá)到工作轉(zhuǎn)速所需消耗的功率
懸浮液物料所消耗的功率N2為沉渣和分離液所需功率之和
—一般可取范圍為1.1～1.2
(4-11)
N2 =
＝0.004kw
c.軸承及機(jī)械密封摩擦消耗的功率
軸承摩擦消耗的功率
N 3= (4-12)
式中:f—軸承的摩擦系數(shù) (滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)范圍為0.001～0.02)
主軸受到的總載荷為:
kgf (4-13)式中:—轉(zhuǎn)鼓等轉(zhuǎn)動(dòng)件與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料的總質(zhì)量，kg
e—轉(zhuǎn)鼓等轉(zhuǎn)動(dòng)件與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料的質(zhì)心對(duì)轉(zhuǎn)鼓回轉(zhuǎn)軸線的偏心距,m
對(duì)于間歇操作沉降離心機(jī)和連續(xù)操作過(guò)濾離心機(jī)
e=1×10-3R
大約為120kg
e=1×10-3R
=120×3.5＝421.82N
N 3==
=0.044 kw
機(jī)械密封摩擦消耗的功率
(4-14)
式中:—摩擦副窄環(huán)端面內(nèi)半徑，m；
— 摩擦副窄環(huán)端面寬度，m；
—密封端面的摩擦系數(shù)，一般可取為0.02～0.2；
—密封端面的比壓力，Pa；
—?jiǎng)迎h(huán)線速度，m/s；
＝
＝0.475 kw
d.離心機(jī)所需消耗總功率
= 21.48+0.004+0.044+0.476>22 kw
4.3電機(jī)的選用
電機(jī)的容量（功率）選用是否合適，對(duì)電機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。當(dāng)容量小于工作要求時(shí)，電機(jī)不能保證工作工作裝置的正常工作，或電機(jī)因長(zhǎng)期過(guò)載而過(guò)早損壞；容量過(guò)大則電機(jī)的價(jià)格高，能量不能充分利用，且因經(jīng)常不在滿載下運(yùn)動(dòng)，其效率和功率因數(shù)都較低，造成浪費(fèi)。所以電機(jī)的選用（IP44）Y200L—4，定功率P=30kw ，步轉(zhuǎn)速r=1470r/min。
4.4 帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
A.選擇V帶型號(hào)
a.確定計(jì)算功率
查表得工作情況系數(shù)＝1.4
=1.4×30=42 kw
b.選擇V帶型號(hào)
按=42kw, =1470r/min 查表選C型V帶
B.確定帶輪直徑,
a.選擇小帶輪直徑
參考圖及表選取小帶輪直徑=400mm
b．驗(yàn)算帶速
==32.23m/s
c．確定主動(dòng)帶輪直徑
==1.04
==1.04×400=418.9mm
查表可知 =425mm
d.計(jì)算實(shí)際傳動(dòng)比
==1
f．驗(yàn)算從動(dòng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)速
= /=1470/1=1470r/min
=0<5%
所以設(shè)計(jì)允許
C．確定中心矩和帶長(zhǎng)
(4-15)
577.5 1650
所以中心矩可取=1100mm
a.求帶的計(jì)算基準(zhǔn)長(zhǎng)度
= (4-16)
==3495.39mm
查表得=3550mm
b.計(jì)算中心距
==1100-27=1073mm
c.確定中心距調(diào)整范圍
=1073+106.51180
=1073-53.251020
D.驗(yàn)算小帶輪包角
==180>120
F.確定V帶根數(shù)
A.確定額定功率
由 =400mm，=1470r/min，=1470r/min，查表得單根C型V帶的額定功率為=15.53kw
b.考慮傳動(dòng)比的影響，額定功率的增量，由表查得=0.28kw
c.確定V帶的根數(shù)
(4-17)
查表得1，查表4.2得=0.99
==2.737根
取3根合適
G.計(jì)算單根V帶初拉力
查表得=0.3kg
由式 (4-18)
=271N
H.計(jì)算對(duì)軸的壓力
=3252N
J.確定帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸,繪制帶輪工作圖
4.5 齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.5.1 選擇齒輪材料、熱處理方法、精度等級(jí)、齒數(shù)
考慮此設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊,故大,小齒輪均用40Cr調(diào)質(zhì)處理后表面淬火,齒面硬度為48～55HRC;因載荷平穩(wěn),齒輪速度不太高,故初選7級(jí)精度;閉式硬齒輪傳動(dòng),考慮傳動(dòng)平穩(wěn)性,齒數(shù)宜取多些
圖4-1斜齒輪結(jié)構(gòu)示意圖
因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速為1470r/min 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為1500r/min,旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓的差轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速的0.5～4%.故在此取2%
(4-19)
該式變化后得:
解之得:=37.38
=38
確定齒輪的齒數(shù)分別為:37,38,39;
按硬齒面齒輪,對(duì)稱安裝查表6.5得,選齒寬系數(shù)=1;初選螺旋角β=20o
4.5.2.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
(4-20)
a.試選載荷系數(shù)=1.5
b.齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
(4-21)
=N·m
c.大小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度、
查圖6.9得==380MPa
d.應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
=60×1470×1×10×300×24=6.350×
=6.52×
e.彎曲疲勞壽命系數(shù)、
查圖得=0.86;=0.85
f.計(jì)算許用彎曲應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)=1.4，應(yīng)力修正系數(shù)=2則
=380×0.86×2/1.4=466.86MPa
=380×0.85×2/1.4=461.43MPa
g.查取齒輪系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)
=37/=40
=38/=41.08
由表6.4查取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)
=2.45，=2.48
=1.65，=1.67
h.計(jì)算大小齒輪的并加以比較
==0.00866
==0.00869
<
故按大齒輪進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
j .重合度系數(shù)及螺旋角系數(shù)
取=0.7, =0.86
B .設(shè)計(jì)計(jì)算
a.試算齒輪模數(shù)
=1.307
b.計(jì)算圓周速度
===3.939m/s
c.計(jì)算載荷系數(shù)
查表得=1;根據(jù)=3.939m/s、7級(jí)精度,查圖得=1.12;斜齒輪=1.2,查圖得=1.24。則載荷系數(shù)
=1×1.12×1.2×1.24=1.667
d.校正并確定
根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜取=6
C.計(jì)算齒輪傳動(dòng)的幾何尺寸
a.中心距
==239.36mm
b.螺旋角
==19.95o
c.兩分度圓直徑,
==236.17mm
==242.55mm
d．齒寬,
==60mm
4.5.3.校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度
(4-22)
A．確定公式中各參數(shù)值
a．大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限、
按齒面硬度查圖得大小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限==1170Mpa
b．接觸疲勞壽命系數(shù)、
查圖6.6得=0.89，=0.92
c．計(jì)算許用接觸應(yīng)力
取安全系數(shù)=1，則
=0.86×1170MPa =1006.2MPa
=0.85×1170Mpa =994.5Mpa
=(1006.2+994.5)/2=1003.35Mpa
d.點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
查圖得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=2.48
f．重合度系數(shù)
=0.8
h．螺旋角系數(shù)
==0.970
j.材料系數(shù)
由表查得材料系數(shù)=189.8
B.校核計(jì)算
(4-23)
=2.48×189.8×0.8×0.987×
=204.20<
接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求
C．齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.6 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.6.1軸的設(shè)計(jì)
按軸的材料和結(jié)構(gòu)要求，調(diào)用公用區(qū)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，確定出軸的各部分直徑，精確校核軸的強(qiáng)度。軸的材料選用45鋼調(diào)質(zhì)
A .確定輸出軸遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
a．確定電動(dòng)機(jī)額定功率P和滿載轉(zhuǎn)速
由Y200L─4,查標(biāo)準(zhǔn)JB/T5274─1991
P=30kW, =1470r/min
b．確定相關(guān)件效率
帶輪效率=0.94
斜齒輪嚙合效率=0.97
一對(duì)滾動(dòng)軸承的效率=0.98
電動(dòng)機(jī)─實(shí)心軸總效率=0.94×0.97×0.98=0.89
c．輸出軸的輸出功率
=30×0.89=26.7kW
d．輸出軸的轉(zhuǎn)速=1470×37/38=1431.32r/min
f．輸出軸的轉(zhuǎn)矩
=
=1.746×105N·mm
B.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4-2 軸的結(jié)構(gòu)示意圖
a.確定軸上零件的裝配方案
b.確定軸的最小直徑,軸端處僅受轉(zhuǎn)矩,直徑最小
估算軸的最小直徑
45鋼調(diào)質(zhì)處理,查表11.3確定軸的A值,A=133～144
=(133～144) =35.27～38.19
單鍵槽軸徑應(yīng)增大5%～7%,即增大至
b.確定軸的最小直徑
應(yīng)滿足>=38
取=40mm
選擇滾動(dòng)軸承型號(hào)
查軸承樣本,選用型號(hào)為7308C的角接觸球軸承,其內(nèi)徑d=40mm,外徑D=80mm,寬度B=18mm
4.6.2 對(duì)該軸進(jìn)行強(qiáng)度校核
A．求軸上載荷
a.計(jì)算齒輪受力
齒輪分度圓直徑
=6×39/cos15.9o=242.49mm
圓周力
=2×1.746×105/242.49=1140.06N
徑向力==1141.7N
軸向力==1140.06×0.363=413.82N
對(duì)軸心產(chǎn)生的彎矩=413.82×242.49/2=50173.8N·mm
b.求支反力
軸承的支點(diǎn)位置
由7208AC 角接觸球軸承查手冊(cè)
=18mm
齒寬中點(diǎn)距左支點(diǎn)距離
72m
齒寬中點(diǎn)距右支點(diǎn)距離
60/2+71=101mm
左支點(diǎn)水平面的支反力
, =(101×1140.06)/(72+101)
=666N
右支點(diǎn)水平面的支反力
, =(72×1140.06)/(72+101)
=474N
左支點(diǎn)垂直面的支反力
=(101×1141.7+50173.8)/ (72+101)
=957N
右支點(diǎn)垂直面的支反力
= (72×1141.7+50173.8)/ (72+101) =765N
右支點(diǎn)軸向反力
B .繪制彎矩圖和扭矩圖
截面C處水平面彎矩
=666×72=47952N·mm
截面C處垂直面彎矩
=957×72=68904 N·mm
=765×101=77265 N·mm
截面C處合成彎矩
=70552.8 N·mm
=90935.6 N·mm
C .彎扭合成強(qiáng)度校核
通過(guò)只校核軸上受到的最大彎矩,扭矩,抗拉的截面的強(qiáng)度
危險(xiǎn)截面C處計(jì)算彎矩
考慮啟動(dòng)、停機(jī)影響，扭矩為脈沖循環(huán)變應(yīng)力, ,
=126302.6 N·mm
截面C處計(jì)算應(yīng)力
=19.7MPa
強(qiáng)度校核
45鋼調(diào)質(zhì)處理,由表查得=60Mpa
<
D. 疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
計(jì)軸向力產(chǎn)生的拉應(yīng)力的影響
a.確定危險(xiǎn)截面
由于在估算時(shí)放大了5%以考慮鍵巢的影響,而且截面C上應(yīng)力最大,但由于過(guò)盈配合及鍵槽引起的應(yīng)力集中在該軸段兩端,故也不必校核
b.截面左側(cè)強(qiáng)度校核
抗彎截面系數(shù)= = 6400
抗扭截面系數(shù)==12800
截面左側(cè)的彎矩=52914.6 N·mm
截面上的彎曲應(yīng)力=8.2MPa
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力=13.6MPa
平均應(yīng)力:
彎曲正應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)彎應(yīng)力, 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)彎應(yīng)力:
=6.8MPa
應(yīng)力幅
(4-24)
(4-25)
材料的力學(xué)性能
,,
軸肩理論應(yīng)力集中系數(shù)
=0.05 , =2.6
查附表并經(jīng)插值計(jì)算
MPa , MPa
材料的敏性系數(shù)
由r=2,查圖并經(jīng)插值
有效應(yīng)力集中系數(shù)
=1.82
=1.26
尺寸及截面形狀系數(shù)
由h=3.5,mm 查圖得
扭轉(zhuǎn)剪切尺寸系數(shù)mm
表面質(zhì)量系數(shù)
軸按磨削加工,由=640Mpa查圖得
=0.92
軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理
=1
疲勞強(qiáng)度綜合影響系數(shù)
等效系數(shù)
45鋼: ,
僅有彎曲正應(yīng)力時(shí)的計(jì)算安全系數(shù)
=19.98
僅有扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力時(shí)的計(jì)算安全系數(shù)
=6.65
扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下的計(jì)算安全系數(shù)
=6.3
設(shè)計(jì)安全系數(shù)
材料均勻,載荷與應(yīng)力計(jì)算精確時(shí): S=1.3～1.5
取S=1.5
疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
>>S
疲勞強(qiáng)度合格
F. 抗拉強(qiáng)度校核
==206169.69N
(4-26)
式中:—沉渣與轉(zhuǎn)鼓壁的摩擦系數(shù)，一般為0.3～0.85 取=0.5
=241347.01N
(4-27)
45鋼
=20.2mm
4.7 空心軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.7.1 空心軸的設(shè)計(jì)
軸的材料選用45鋼調(diào)質(zhì)
A.確定輸出軸遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
a.確定電動(dòng)機(jī)額定功率P和滿載轉(zhuǎn)速
由Y200L─4,查標(biāo)準(zhǔn)JB/T5274─1991
P=30kW, =1470r/min
b.確定相關(guān)件效率
帶輪效率=0.94
斜齒輪嚙合效率=0.97
一對(duì)滾動(dòng)軸承的效率=0.98
電動(dòng)機(jī)─空心軸總效率=0.94×0.97×0.98=0.89
c.輸出軸的輸出功率
=30×0.89=26.7kW
d.輸出軸的轉(zhuǎn)速=1470×38/37=1500r/min
f.輸出軸的轉(zhuǎn)矩
=
=1.67×105N·mm
B．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4-3 軸的結(jié)構(gòu)示意圖
a.確定軸上零件的裝配方案
b.確定軸的最小直徑,軸端處僅受轉(zhuǎn)矩,直徑最小
a)估算軸的最小直徑
45鋼調(diào)質(zhì)處理,查表11.3確定軸的A值,A=133～144
(4-28)
式中：—空心軸的內(nèi)徑與外徑之比
=50.5～54.6mm
單鍵槽軸徑應(yīng)增大5%～7%,即增大至53.0～58.4
b）確定軸的最小直徑
應(yīng)滿足>=53.0～58.4mm
所以取=60mm
c)選擇滾動(dòng)軸承型號(hào)
查軸承樣本,選用型號(hào)7224C的角接觸球軸承,其內(nèi)徑d=120mm,外徑D=215mm,寬度B=40mm，選用型號(hào)30224的圓錐滾子軸承,其內(nèi)徑d=120mm,外徑D=215mm,寬度B=40mm
4.7.2 對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核
A．求軸上載荷
a．計(jì)算齒輪受力
齒輪分度圓直徑
=6×37/cos19.95o=234.04mm
圓周力
=2×1.746×105/234.04=1492.05N
徑向力==577.73N
軸向力==1492.05×0.363=541.49N
對(duì)軸心產(chǎn)生的彎矩=541.49×234.04/2=63376.6N·mm
b．求支反力
軸承的支點(diǎn)位置
由30224圓錐磙子軸承查手冊(cè)
=40mm
齒寬中點(diǎn)距上下支點(diǎn)距離
72mm
齒寬中點(diǎn)距支點(diǎn)距離
60/2+309=339mm
左支點(diǎn)水平面的支反力
,=(339×1492.05)/(72+339)=1230N
右支點(diǎn)水平面的支反力
,=(72×1492.05)/(72+339)
=261N
左支點(diǎn)垂直面的支反力
=(339×577.7+63376.6)/ (72+339)
=1121N
右支點(diǎn)垂直面的支反力
= (72×577.7+63376.6)/ (72+339)
=255N
右支點(diǎn)軸向反力
B. 繪制彎矩圖和扭矩圖
截面C處水平面彎矩
=1230×72=47952N·mm
截面C處垂直面彎矩
=1121×72=68904 N·mm
=765×101=77265 N·mm
截面C處合成彎矩
=70552.8 N·mm
=90935.6 N·mm
C. 彎扭合成強(qiáng)度校核
通過(guò)只校核軸上受到的最大彎矩,扭矩,抗拉的截面的強(qiáng)度
危險(xiǎn)截面C處計(jì)算彎矩
考慮啟動(dòng)、停機(jī)影響，扭矩為脈沖循環(huán)變應(yīng)力, ,
=126302.6 N·mm
截面C處計(jì)算應(yīng)力
=19.7MPa
強(qiáng)度校核
45鋼調(diào)質(zhì)處理,由表11.2查得=60Mpa
<
D. 疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
計(jì)軸向力產(chǎn)生的拉應(yīng)力的影響
a． 定危險(xiǎn)截面
由于在估算時(shí)放大了5%以考慮鍵巢的影響,而且截面
截面C上應(yīng)力最大,但由于過(guò)盈配合及鍵槽引起的應(yīng)力集中在該軸段兩端,故也不必校核
b． 面左側(cè)強(qiáng)度校核
抗彎截面系數(shù)= = 6400
抗扭截面系數(shù)==12800
截面左側(cè)的彎矩=52914.6 N·mm
截面上的彎曲應(yīng)力=8.2MPa
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力=13.6MPa
平均應(yīng)力
彎曲正應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)彎應(yīng)力, 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)彎應(yīng)力,
=6.8MPa
應(yīng)力幅
材料的力學(xué)性能
,,
軸肩理論應(yīng)力集中系數(shù)
=0.05, =2.6
查附表并經(jīng)插值計(jì)算
Mpa，MPa
材料的敏性系數(shù)
由r=2,查圖并經(jīng)插值
有效應(yīng)力集中系數(shù)
=1.82
=1.26
尺寸及截面形狀系數(shù)
由h=3.5 mm 查圖得
扭轉(zhuǎn)剪切尺寸系數(shù)mm
表面質(zhì)量系數(shù)
軸按磨削加工,由=640Mpa
查圖得：=0.92
軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理
=1
疲勞強(qiáng)度綜合影響系數(shù)
等效系數(shù)
45鋼:
僅有彎曲正應(yīng)力時(shí)的計(jì)算安全系數(shù)
=19.98
僅有扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力時(shí)的計(jì)算安全系數(shù)
=6.65
扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下的計(jì)算安全系數(shù)
=6.3
設(shè)計(jì)安全系數(shù)
材料均勻,載荷與應(yīng)力計(jì)算精確時(shí): S=1.3～1.5
取S=1.5
疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
>>S
疲勞強(qiáng)度合格
F. 抗壓強(qiáng)度校核
==206169.69N
=241347.01N
45鋼
=60.2mm
5.結(jié)論
立式沉降離心機(jī)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較復(fù)雜的設(shè)計(jì)，它是以工廠現(xiàn)行生產(chǎn)的臥式沉降離心機(jī)有關(guān)樣本而設(shè)計(jì)的，在技術(shù)上有較大改進(jìn)，不僅排除了現(xiàn)有離心機(jī)在設(shè)計(jì)上的缺陷，而且提高了它在生產(chǎn)中的分離效率，提高了生產(chǎn)率，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。選擇得當(dāng)將為企業(yè)帶來(lái)高效益回報(bào)，所以立式沉降離心機(jī)將具有很大的市場(chǎng)前景。在不久的將來(lái)，該離心機(jī)將廣泛應(yīng)用于石油化工、煤炭、輕工、食品、制藥、冶金等工業(yè)部門和環(huán)境保護(hù)的污水處理。
參考文獻(xiàn)
[1] 徐 灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991
[2] 機(jī)械工程手冊(cè)，電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì)．機(jī)械工程手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995
[3] 徐 灝．新編機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995
[4] 胡家秀．機(jī)械零件設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999
[5] 李益民．機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995
[6] 全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站機(jī)泵委員會(huì)．工業(yè)離心機(jī)選用手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999
[7] 余國(guó)宗．化工機(jī)器 [M]．天津：天津大學(xué)出版社，1987
[8] 孫啟才，金鼎五．離心機(jī)原理結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)計(jì)算[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987
[9] B.N索柯羅夫，汪泰臨，孫啟才，陳文梅．離心分離理論及設(shè)備[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986
[10] 王旭 ,王積森．機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003
[11] 徐錦康．機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2004．４
致 謝
附 錄
序號(hào) 圖名 圖號(hào) 圖幅
1 總裝圖 SLLC800-00 A0
2 總裝圖副圖 SLLC800-00 A0
3 主軸部件 SLLC800-04 A1
4 上機(jī)體 SLLC800-46 A0
5 下機(jī)體 SLLC800-53 A0
6 軸 SLLC800.04-13 A2
7 軸 SLLC800.04-14 A2
8 軸承透蓋 SLLC800-04-12 A3
9 軸套 SLLC800-04-10 A4
10 軸套 SLLC800-04-15 A4
27
香港土質(zhì)技術(shù)的離心機(jī)的發(fā)展
香港九龍清水海灣香港科技大學(xué)C.K. Shen, X.S. Li, C.W.W. Ng and P.A. Van Laak
美國(guó)戴維斯加州大學(xué) B.L. Kutter
美國(guó)聯(lián)合學(xué)會(huì)K. Cappel and R.C. Tauscher
摘要: 香港科技大學(xué)(HKUST)目前正在開(kāi)發(fā)一臺(tái)先進(jìn)的400克-噸土質(zhì)技術(shù)的離心機(jī)。在1998早期HKUST將安裝一臺(tái)不普通的8-米直徑射線離心機(jī)。這臺(tái)離心機(jī)獨(dú)特之處在于它是使用一臺(tái)飛行中的雙軸水力振動(dòng)器模仿在兩個(gè)水平的方向動(dòng)態(tài)問(wèn)題的能力。在靜態(tài)測(cè)試中,離心機(jī)可能運(yùn)轉(zhuǎn)高達(dá)150g ,但是被設(shè)計(jì)的雙軸振動(dòng)器的震動(dòng)測(cè)試只達(dá)到75g。
1 介紹
在90 年代的十年里,我們看到了以研究和設(shè)計(jì)離心機(jī)塑造土質(zhì)技術(shù)的結(jié)構(gòu)實(shí)踐有明顯增大。離心機(jī)塑造構(gòu)成為許多先前難以處理的土質(zhì)技術(shù)問(wèn)題的研究提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具, 它有益于對(duì)大規(guī)模土質(zhì)技術(shù)基本系統(tǒng)的機(jī)械行業(yè)的發(fā)展, 通過(guò)直觀比較(相似和結(jié)垢法則) 和計(jì)算機(jī)程序的證明以及對(duì)原型系統(tǒng)使用定標(biāo)為隨后分析。離心機(jī)塑造技術(shù)也成為對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)和分析技術(shù)補(bǔ)充的公用事業(yè)。
近年來(lái)在改進(jìn)土質(zhì)技術(shù)離心機(jī)塑造方面的工藝和科學(xué)獲得了重大進(jìn)展。最近HKUST利用一些在儀器工作和先進(jìn)的塑造技術(shù)開(kāi)發(fā)它的新型離心機(jī)設(shè)施, 并在努力促進(jìn)離心機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 承擔(dān)了新雙軸離心機(jī)振動(dòng)器的研制。
意在發(fā)展尖端科技的能力, 離心機(jī)是為了滿足以下的業(yè)績(jī)目標(biāo): (1)大模式容器適應(yīng)允許更加詳細(xì)的塑造和在模型里面讓出空間給廣泛使用儀器, (2)提供廣泛的手臂使用儀器為樣板叁數(shù)的詳細(xì)測(cè)量和領(lǐng)域載入和工程程序的模擬, (3)地震載入模擬和在平垂直線的雙軸性能的進(jìn)步對(duì)地心引力領(lǐng)域的產(chǎn)生改變。
在考慮這些目的之后，HKUST 離心分離機(jī)的設(shè)計(jì)和表現(xiàn)規(guī)格被構(gòu)思出來(lái)。這在本文里, 提供離心分離機(jī)設(shè)備的規(guī)格與雙軸的地震水力振動(dòng)器詳細(xì)描述。
給土質(zhì)技術(shù)離心分離機(jī)設(shè)備的資金由經(jīng)費(fèi)委員會(huì)和大學(xué)共同提供。離心分離機(jī)和雙軸的振動(dòng)器由美國(guó)華盛頓伯靈屯公司設(shè)計(jì)和提供。這家公司在伺服水力學(xué)有多年經(jīng)驗(yàn)而且已經(jīng)參與一些離心分離機(jī)振動(dòng)器的發(fā)展(Ketcham, 1991; Kutter, 1994; Van Laak, 1996)。
在香港乃至世界這種設(shè)施不僅致力大學(xué)而且服務(wù)于土質(zhì)技術(shù)的領(lǐng)域。
2 在HKUST離心機(jī)
離心分離機(jī)在位于來(lái)自校園的主要的短距離的一楝新的建筑物中被安裝。 建筑物不僅安置土質(zhì)技術(shù) 離心分離機(jī)設(shè)備 (GCF) 而且安置風(fēng)和波隧道設(shè)備 (WWTF)。由于安全理由原因，離心分離機(jī)被安置在一間圓形的地下中。一個(gè)鋼導(dǎo)管的網(wǎng)絡(luò)附在墻壁的內(nèi)部表面,在離心機(jī)操作期間通過(guò)哪些已冷卻的水流通冷卻必需品的地下室。離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室的海拔和樓面平面圖見(jiàn)1和2。
圖1在 HKUST 的離心機(jī)設(shè)備的視野高度
圖 2 計(jì)劃視野
離心分離機(jī)設(shè)備有一共計(jì) 255m2 工作室和一般的實(shí)驗(yàn)室空間。在主要實(shí)驗(yàn)室區(qū)域, 頂上有一臺(tái)20 噸容量的臺(tái)架起重機(jī)可移動(dòng)在離心機(jī)裝載和卸載離心機(jī)模型容器之上預(yù)制混凝土盤區(qū)。當(dāng)需要時(shí)，起重機(jī)也用來(lái)交換靜態(tài)的平臺(tái)和振動(dòng)器。 未用的平臺(tái)或振動(dòng)器被儲(chǔ)存在離心分離機(jī)封入物的地板下。離心機(jī)通過(guò)使用CCTV 照相機(jī)和話筒監(jiān)測(cè), 并且在樣式結(jié)算離開(kāi)期間對(duì)講機(jī)被使用在離心機(jī)分庭和控制室之間通信中。水力供應(yīng)在一個(gè)房間的主要實(shí)驗(yàn)室區(qū)域下面位于與離心分離機(jī)相鄰。
表1 離心機(jī)的技術(shù)規(guī)格。
關(guān)鍵項(xiàng)目
規(guī)格
負(fù)載能力
400 g-tons
手臂半徑
到搖擺的平臺(tái)的中心3.82 m
最大加速度
150g
負(fù)載大小
態(tài)測(cè)試為1.5mx1.5mx1m, 動(dòng)態(tài)測(cè)試為0.6mx0.6x0.4m
表1總結(jié)離心機(jī)的一些關(guān)鍵規(guī)格。為靜態(tài)測(cè)試, 離心機(jī)可以由150g 決定操作,但是為動(dòng)態(tài)測(cè)試, 雙軸振動(dòng)器由75g決定操作。
總共, 制造了三個(gè)搖擺的平臺(tái)。兩個(gè)被設(shè)計(jì)為非震動(dòng)的測(cè)試平臺(tái)是相同的。每個(gè)這些靜態(tài)平臺(tái)可能容納模型大小為1.5m×1.5m×1m和40,000 N的重量。第三個(gè)平臺(tái)包括雙軸振動(dòng)器和聯(lián)系的結(jié)構(gòu)支持、水力多頭管和反應(yīng)馬薩諸塞。振動(dòng)器滑倒桌可能容納載量高達(dá)0.6m x 0.6m x 0.4m和3000 N 的重量。由于動(dòng)態(tài)平臺(tái)的巨大, 為了使靜態(tài)測(cè)試在比較高的超過(guò)75g 動(dòng)態(tài)平臺(tái)必須用一個(gè)靜態(tài)平臺(tái)替換。
2.1主要軸承和驅(qū)動(dòng)器
圖3 顯示離心機(jī)的海拔部分。離心機(jī)手臂由一對(duì)被預(yù)先輸入的鉻鎳鉬耐熱鋼的滾柱
圖 3 HKUST 400 g-噸的離心分離機(jī)
軸承支撐一個(gè)常規(guī)軸運(yùn)行。離心分離機(jī)被直接加倍到垂直驅(qū)動(dòng)軸下端的一個(gè)水力輻形活塞馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。因?yàn)榍芯€搖動(dòng)手臂應(yīng)用的轉(zhuǎn)力矩很大地超過(guò)必需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)力矩，所以這驅(qū)動(dòng)被選擇。在搖動(dòng)期間除非一臺(tái)昂貴的水力傳動(dòng)器被提供分開(kāi)變速箱否則以齒輪連起的驅(qū)動(dòng)會(huì)很快的被振動(dòng)轉(zhuǎn)力矩?fù)p害。為了預(yù)防對(duì)水力馬達(dá)和軸聯(lián)結(jié)的損壞, 在搖蕩機(jī)被操作的簡(jiǎn)短的期間對(duì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的油流程被省略有效允許離心分離機(jī)靠慣性滑動(dòng)。在搖動(dòng)完成后，對(duì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的流程是重建。
在150g最大可允許不平衡狀態(tài)是222 kN, 對(duì)應(yīng)于149 公斤重量不平衡狀態(tài)。平衡離心機(jī)是在平臺(tái)成功的使用各種各樣的大小重量安置沒(méi)被使用為運(yùn)載樣式的容器。仔細(xì)的簿記使用保證離心機(jī)平衡嚴(yán)密維護(hù)在測(cè)量?jī)x之內(nèi)。被展開(kāi)在離心機(jī)上的緊張標(biāo)準(zhǔn)度量用來(lái)檢測(cè)類似從離心力和負(fù)載量不平衡出現(xiàn)和電動(dòng)機(jī)在搖動(dòng)期間裝載的靜態(tài)結(jié)構(gòu)負(fù)荷。
2.2 結(jié)構(gòu)臂和裝備
離心機(jī)的基礎(chǔ)是一個(gè)逐漸變小的鋼焊件被使用傳送靜態(tài)和動(dòng)態(tài)裝載從替換手臂
到建筑物基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)的手臂是堅(jiān)固地附到主軸上的鋼焊件。 它的主要功能是支持這四根張緊皮帶和傳輸從主軸到平臺(tái)驅(qū)動(dòng)扭矩。張緊皮帶在末端被固定到結(jié)構(gòu)臂上并且反對(duì)以軸承沿著他們長(zhǎng)度安置的切線替代阻止.以這個(gè)安排, 所有失衡的裝載從兩個(gè)搖擺的桶通過(guò)結(jié)構(gòu)手臂被傳達(dá)給主軸, 當(dāng)在缺少力量(一個(gè)完全平衡的情況) 大離心力在載重和配重之間通過(guò)套四條緊張皮帶整個(gè)地被傳送, 并且彎曲的片刻不適用于主軸。在震動(dòng)期間的片刻除動(dòng)態(tài)力量之外引起, 在主軸主要彎曲歸結(jié)于不平衡狀態(tài)力量。
2.3 停止平臺(tái)
避免有害物質(zhì)物產(chǎn)生變動(dòng)和注重提高者, 高度被注重的張緊皮帶用機(jī)器制造用高強(qiáng)度鋼沒(méi)有焊接。對(duì)被焊接的裝載道路的信賴?yán)^續(xù)在連接在緊張皮帶和平臺(tái)之間: 搖擺的平臺(tái)由高強(qiáng)度標(biāo)尺多樣性運(yùn)載插入通過(guò)通行證軸在張緊的皮帶的末端的樞軸塊。每個(gè)這些標(biāo)尺沒(méi)有高于裝載13.3 kN, 哪些給安全因素大約3 由于每個(gè)的最后力是40kN。這次結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)同心度是非常寬容輕微的, 譬如由平臺(tái)結(jié)構(gòu)的小自轉(zhuǎn)造成。提供四套20 把標(biāo)尺。容納震動(dòng)桌的正切勵(lì)磁的要求, 在懸浮平臺(tái)的反沖要求一個(gè)額外自由程度自轉(zhuǎn), 由球狀連接的插入達(dá)到在樞軸塊之間在主要耳軸, 并且兩對(duì)取決于在平臺(tái)的邊緣的塊。然后各個(gè)平臺(tái)被提供在振動(dòng)器位移的兩個(gè)正交方向兩個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)。 由滑的摩擦從振動(dòng)器在平臺(tái)懸浮樞軸動(dòng)態(tài)片刻被傳達(dá)給離心機(jī)的手臂確定。所有滑落表面被以造成一個(gè) 摩擦系數(shù)0.03的一種專有的涂料處理。
因?yàn)閺埦o的竿對(duì)必需克服樞軸的摩擦的修剪力的傳輸是不適當(dāng)?shù)?他們可滑動(dòng)地附到樞軸的塊上的矩形結(jié)構(gòu)管材的成員被裝入, 但是不到那平臺(tái), 所以當(dāng)竿在負(fù)荷之下伸展的時(shí)候他們?cè)趶埦o方面不被強(qiáng)調(diào)。
2.4 分離控制系統(tǒng)
離心機(jī)驅(qū)動(dòng)使用易變200馬力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的容量壓力補(bǔ)償泵浦。被加壓的油從主要泵浦通過(guò)水力輻形活塞馬達(dá)在一條閉合的水力電路內(nèi)散布。容量油的流速在這條電路里由泵浦的角度控制旋轉(zhuǎn)斜盤的伺服閥和確定離心機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度。
主要驅(qū)動(dòng)泵浦以21 Mpa壓力操作離心機(jī),當(dāng)泵浦被使用為供給振動(dòng)器動(dòng)力和在35Mpa壓力下為控制驅(qū)動(dòng)泵浦旋轉(zhuǎn)斜盤操作.給離心機(jī)的水力泵開(kāi)車并且搖動(dòng)桌子一個(gè)位于離心力房間的水庫(kù) (圖 1)
對(duì)需要回轉(zhuǎn)速度的類比信號(hào)比例項(xiàng)適用于對(duì)主要在高壓水力電路附件的伺服閥的泵。除了調(diào)整對(duì)離心機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的油流量之外， 斜盤角度也決定主要驅(qū)動(dòng)的油壓線路。由于斜盤有非常高的回轉(zhuǎn)率 (在幾毫秒內(nèi)做完整個(gè)行程), 除非整個(gè)水力的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被仔細(xì)控制，否則在加壓上的主要驅(qū)動(dòng)環(huán)存在潛能。
為了使達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)需要時(shí)間減到最小, 使用一個(gè)成形的速度指令而不是一條線的斜坡。在離心機(jī)慢慢地轉(zhuǎn)動(dòng)并且阻力較小的情況下允許速度迅速被增加, 并且在高阻力情況下限制速度, 避免轉(zhuǎn)力矩和液壓操作過(guò)度。另外, 驅(qū)動(dòng)電路液壓的在被測(cè)量而且使用變?nèi)躜?qū)動(dòng)信號(hào)避免壓力過(guò)度。
一個(gè)電腦程式用來(lái)實(shí)現(xiàn)在上面被描述的控制。除控制離心機(jī)的速度以外, 計(jì)算機(jī)被使用監(jiān)測(cè)操作的參量譬如不平衡狀態(tài)手臂,主要軸承的溫度、液壓機(jī)液體溫度和壓力, 和安全互鎖的狀態(tài)。在震動(dòng)測(cè)試期間必需使用計(jì)算機(jī)實(shí)施閥門操作序列來(lái)操作振動(dòng)器系統(tǒng)。輸入每個(gè)自動(dòng)被采集數(shù)據(jù)和被測(cè)量的參量對(duì)計(jì)算機(jī)硬盤促進(jìn)機(jī)器表現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)視和預(yù)定定期維護(hù)。
3. 雙軸振動(dòng)器裝配
HKUST 離心機(jī)合并一臺(tái)雙軸水力振動(dòng)器,作為被模仿的震動(dòng)勵(lì)磁。在考慮震動(dòng)狀態(tài)是多向而許多已經(jīng)利用的離心機(jī)震動(dòng)模擬器是單向的, HKUST決定發(fā)展在自然里兩個(gè)水平的方向同時(shí)模仿震動(dòng)運(yùn)動(dòng)的一臺(tái)雙軸振動(dòng)器為了。
由于這臺(tái)振動(dòng)器在兩個(gè)方向上震動(dòng)是可能的, 離心機(jī)和振動(dòng)器的發(fā)展同時(shí)被進(jìn)行,被設(shè)計(jì)振動(dòng)器作為離心機(jī)的整體部分。采取這種聯(lián)合設(shè)計(jì)方法為了盡可能隔絕離心機(jī)震動(dòng)的能量, 和明確描述上面的懸浮設(shè)計(jì)。
促進(jìn)安裝和維護(hù), 而且允許離心機(jī)的操作在加速度大于75 g 為靜態(tài)測(cè)試, 震動(dòng)工作平臺(tái)和它的桶形成一個(gè)從中止雙臂可移動(dòng)和替換裝配。
以負(fù)載重量3000N, 總移動(dòng)的重量(酬載和震動(dòng)工作平臺(tái)硬件) 是大約10000N 。為了要將在飛行中搖蕩機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行最佳化，大的反應(yīng)塊(4000 公斤) 已經(jīng)被合并設(shè)計(jì)。震動(dòng)工作平臺(tái)由流體靜力的自調(diào)整墊軸承支撐。比橡膠墊, 流體靜力的軸承提供更高的壓縮強(qiáng)度。橡膠墊位于在滑動(dòng)平臺(tái)之下只被使用提供集中力量。
振動(dòng)器在每個(gè)震動(dòng)的方向運(yùn)用兩對(duì)伺服器 (一對(duì)在離心機(jī)自轉(zhuǎn)的正切方向和其他搖擺方向).各對(duì)振動(dòng)器設(shè)置在震動(dòng)的平臺(tái)的反面并且對(duì)應(yīng)的被作為設(shè)計(jì)單位, 應(yīng)用相同力向各平臺(tái)的邊滑動(dòng)?；瑒?dòng)平臺(tái)的運(yùn)行外表是在沒(méi)有自轉(zhuǎn)在飛行的二個(gè)正交方向震動(dòng)。
流體靜力墊軸承被使用在各個(gè)作動(dòng)器活塞和滑動(dòng)平臺(tái)之間。這些軸承降低了滑動(dòng)平臺(tái)的行動(dòng)的橫向活塞軸接口的摩擦, 當(dāng)在活塞之間提供高強(qiáng)度的連接并且在軸向方向滑動(dòng)。
表2 振動(dòng)器的技術(shù)規(guī)格。
關(guān)鍵項(xiàng)目
規(guī)格
振動(dòng)方向
二個(gè)原型水平方向
最大振動(dòng)的加速度
35g
最大振動(dòng)的速度
750 mm/s
振動(dòng)頻率
0-350 Hz
搖動(dòng)平臺(tái)接受來(lái)自這10gpm的油,35Mpa 易變?nèi)萘繅毫斶€泵。這個(gè)泵經(jīng)過(guò)被裝在離心分離機(jī)的頂端的附近的一個(gè) 35Mpa 水力的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)提供油給搖蕩機(jī)。為了提
供足夠的壓力和流動(dòng)到振動(dòng)器活塞, 在震動(dòng)前液壓機(jī)液體被存放在四個(gè)2.5 加侖壓力累加器里。各臺(tái)伺服器有一條直徑7.6cm的活塞,壓力高達(dá)35Mpa, 每軸各對(duì)應(yīng)用力32,000kgf?？梢苿?dòng)在1000 公斤之下重量, 這力在各個(gè)震動(dòng)的方向可產(chǎn)生35g加速度, 和一個(gè)典型的震動(dòng)信號(hào), 2 秒震動(dòng)時(shí)間為各累加器充電是可達(dá)到的。振動(dòng)器的關(guān)鍵術(shù)規(guī)格見(jiàn)表2。
圖 4 雙軸的搖蕩機(jī)。
振動(dòng)器的由多個(gè)復(fù)雜的伺服器控制。因?yàn)楸皇褂盟呐_(tái)不同伺服器在三個(gè)自由度驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)平臺(tái) (翻譯在二個(gè)方向加上自轉(zhuǎn)在飛機(jī)震動(dòng)),并且必須對(duì)各臺(tái)伺服器采取保證命令措施與運(yùn)動(dòng)學(xué)限制一致; 否則, 伺服器將導(dǎo)致振動(dòng)器表現(xiàn)減弱。
表3 滑動(dòng)圓環(huán)和轉(zhuǎn)臺(tái)式連接裝置的規(guī)格
關(guān)鍵項(xiàng)目
規(guī)格
滑動(dòng)圓環(huán)
模擬信號(hào)為32, 模擬返回為8,力為16
同軸
8 為錄影和高頻率
電纜
設(shè)備, 4個(gè)高質(zhì)量數(shù)字傳輸
通道
信號(hào)(計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò))
空氣出口
2 在1400 kPa, 0.05 m3/min
水出口
2 在2000 kPa, 40 liters/min
一個(gè)聯(lián)合的模式和數(shù)字控制系統(tǒng)用來(lái)實(shí)施達(dá)到震動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)行。控制器的模式部份使用主要用于減少了壓力反饋?zhàn)內(nèi)?。模式控制使用定義操作系統(tǒng)的點(diǎn)(定位點(diǎn)) 系統(tǒng)。當(dāng)前在發(fā)展中的數(shù)字式震動(dòng)控制系統(tǒng)了裝備一臺(tái)高速模式接口奔騰計(jì)算機(jī)實(shí)施的。數(shù)字系統(tǒng)有兩個(gè)功能。在更低的層次,控制器根據(jù)了假定設(shè)計(jì), 關(guān)于一個(gè)慣性框架震動(dòng)平臺(tái)在反應(yīng)被修理; 在上部, 更正將被做根據(jù)平臺(tái)的絕對(duì)加速度.
更低的層數(shù)使用中斷服務(wù)實(shí)施控制器無(wú)限沖擊反應(yīng)。通過(guò)系統(tǒng)證明閉環(huán)控制器參量將由最佳振動(dòng)器的調(diào)動(dòng)。上部控制器是由于平臺(tái)和離心機(jī)手臂振動(dòng)的通過(guò)一個(gè)離線重申做法改正根本上錯(cuò)誤。
4 滑動(dòng)圓環(huán)和轉(zhuǎn)臺(tái)式連接裝置
對(duì)適當(dāng)?shù)碾x心分離機(jī)的機(jī)能，轉(zhuǎn)臺(tái)式連接和滑動(dòng)圓環(huán)連接是必要的。他們被用于傳輸電力、信號(hào),可壓縮的液體像是空氣、水和油控制各種不同的裝置而且獲得實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。連接的一些規(guī)格見(jiàn)表3 。在HKUST, 二個(gè)連接被放在另一個(gè)上面而且展開(kāi)在離心分離機(jī)室上面的地板上。這個(gè)架置安排使振動(dòng)效應(yīng)和從離心機(jī)和離心機(jī)分庭的一個(gè)更高的凈空高度的梯度要求減到最小。這是重要考慮, 因?yàn)殡x心機(jī)分庭的幾何半徑和高度對(duì)電力消費(fèi)-有很大影響。
5 容器模式
二個(gè)樣板的容器已經(jīng)被發(fā)展。一是一個(gè)矩形的鋁容器,為靜態(tài)的測(cè)試設(shè)計(jì), 尺寸約為 1245mmx1270mmx850mm, 而且結(jié)合一扇可選擇的壓克力的窗口。容器被設(shè)計(jì)為在加速旋轉(zhuǎn)期間平均張力限制在模型之內(nèi)到0.025%。為了動(dòng)態(tài)測(cè)試, 有柔性層狀類型的內(nèi)壁的容器已經(jīng)被研制了。這個(gè)容器在外形上是圓筒形的,內(nèi)徑550 毫米和高度500 毫米。容器由五十二個(gè)鋁圓環(huán)構(gòu)成, 在毗鄰圓環(huán)之間使用滾珠軸承降低摩擦。層式容器設(shè)計(jì)為雙向震動(dòng)提供必要的邊界樣式條件。
6 結(jié)束
本文簡(jiǎn)要的描述新型HKUST 400 g 噸離心機(jī)設(shè)施, 與它的一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。當(dāng)產(chǎn)生一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)時(shí), 雙軸震動(dòng)能力為探索新型土質(zhì)技術(shù)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)提供機(jī)會(huì)。HKUST 設(shè)施將會(huì)為全世界研究團(tuán)體所使用。
參考文獻(xiàn)
Ketcham, S.A., Ko, H-. Y., and Sture, S., 1991.Performance of an earthquake motion simulator for a small geotechnical centrifuge, Proc.Centrifuge 91,Ko and Mclean, eds., pp. 361-368.
Kutter, B.L., Idriss, I.M., Khonke, T., Lakeland, J.,Li, X.S., Sluis, W., Zeng, X., Tauscher, R.C.,Goto, Y., and Kubodera, I., 1994. Design of a large earthquake simulator at UC Davis, Proc.Centrifuge 94, Leung, Lee and Tan, eds., pp. 169-175.
Schofield, A.M. 1980. Cambridge Geotechnical Centrifuge Operations. Géotechnique, 25: No.4:743-761.
Van Laak, P.A., 1996. Development of dynamic capability for geotechnical centrifuge model studies, Ph.D. thesis, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York.
收藏