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1全自動立式過濾機的設(shè)計摘 要：本文以自行開發(fā) 50m3/h 處理量全自動清洗過濾器為基礎(chǔ)，研制設(shè)計了一臺處理量為 50m3/ h、工作壓力為 1.6-2.5 Mpa，要求過濾精度為 0.1-200μm, 過濾總面積為 10㎡，電動機功率為 5.5KW，工作溫度為-5℃-105℃的全自動自清洗過濾器。該過濾器在運行過程中無須停運以清洗過濾元件，整機體積較小，精度可調(diào)節(jié)，適合于各類工業(yè)生產(chǎn)。本文給出了這種過濾器的整體設(shè)計方法以及設(shè)計圖紙，并對過濾器內(nèi)部過濾機理進行分析，討論了幾個過濾參數(shù)，并應(yīng)用于過濾器控制系統(tǒng)設(shè)計之中。關(guān)鍵詞：過濾機；結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)；可編程序控制器2Automatic Vertical Filter Machine DesignAbstract：Based on design of automatic self-cleaning filter on industrial scale (50 m3/h), A auto control self-cleaning filter on industrial scale( 50m 3/h) , work pressure(1.6-2.5Mpa) , filtration accuracy(0.1-200μm), filtration surface(10㎡) , Motor power(5.5 KW) and work temperature(-5 ℃ - 105 ℃)has been designed . Auto control self-cleaning filter drive itself to clean completely by its pressure of filtrated liquid and without stop.Volume of the filteris so little and precision can be modulated to fit for kinds of industry produce. In this paper, a suit of drawing and design procedures of such filter has been given.Mechanism during filtration in the filter has been studied are obtained.Key Words: filter，structure; control system；Programmable enfroller3目 錄摘要 .....................................................................1關(guān)鍵詞 ...................................................................11 前言 ..................................................................12 方案選擇 ..............................................................32.1 循環(huán)方案 ........................................................32.2 雙管道方案 ......................................................42.3 方案比較 ........................................................53 過濾部分的設(shè)計 ........................................................53.1 過濾桶的設(shè)計 ....................................................53.1.1 過濾盤的設(shè)計 ..............................................63.1.2 計算內(nèi)壓圓筒殼體的壁厚 ....................................63.1.3 過濾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ..........................................83.1.4 循環(huán)桶的設(shè)計 ..............................................83.2 傳動部件設(shè)計 ....................................................93.2.1 帶傳動的設(shè)計 ..............................................93.2.2 空心軸的設(shè)計 .............................................113.3 電動機的選擇 ...................................................143.4 閥門的選擇與設(shè)計 ...............................................143.5 傳感器的選擇與信號檢測 .........................................153.5.1 傳感器的選取 .............................................153.5.2 信號檢測 .................................................163.6 控制面板的設(shè)計 .................................................164 控制部分的設(shè)計 .......................................................164.1 控制系統(tǒng)的選擇 .................................................175 設(shè)計的應(yīng)用 ...........................................................175.1 過濾器的發(fā)展 ...................................................1745.2 盤片過濾器的特點 ...............................................185.3 盤片過濾器的應(yīng)用領(lǐng)域 ...........................................19參考文獻 ................................................................19致謝 ....................................................................2051 前言過濾機是利用多孔性過濾介質(zhì)，截留液體與固體顆?；旌衔镏械墓腆w顆粒，而實現(xiàn)固、液分離的設(shè)備。過濾機廣泛應(yīng)用于化工、石油、制藥、輕工、食品、選礦、煤炭和水處理等部門。 中國古代即已應(yīng)用過濾技術(shù)于生產(chǎn)，公元前二百年已有植物纖維制作的紙。公元105 年，蔡倫改進了造紙法，他在造紙過程中將植物纖維紙漿蕩于致密的細竹簾上，水經(jīng)竹簾縫隙濾過，一薄層濕紙漿留于竹簾面上，干后即成紙張。 最早的過濾大多為重力過濾，后來采用加壓過濾提高了過濾速度，進而又出現(xiàn)了真空過濾。20 世紀初發(fā)明的轉(zhuǎn)鼓真空過濾機實現(xiàn)了過濾操作的連續(xù)化。此后，各種類型的連續(xù)過濾機相繼出現(xiàn) [1]。間歇操作的過濾機因能實現(xiàn)自動化操作而得到發(fā)展，過濾面積越來越大。為得到含濕量低的濾渣，機械壓榨的過濾機得到了發(fā)展。 用過濾介質(zhì)把容器分隔為上、下腔，即構(gòu)成簡單的過濾器。懸浮液加入上腔，在壓力作用下通過過濾介質(zhì)進入下腔成為濾液，固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)表面形成濾渣(或稱濾餅)。 過濾過程中過濾介質(zhì)表面積存的濾渣層逐漸加厚，液體通過濾渣層的阻力隨之增高，過濾速度減小 [2]。當濾室充滿濾渣或過濾速度太小時，停止過濾，清除濾渣，使過濾介質(zhì)再生，以完成一次過濾循環(huán)。 液體通過濾渣層和過濾介質(zhì)必須克服阻力，因此在過濾介質(zhì)的兩側(cè)必須有壓力差，這是實現(xiàn)過濾的推動力。增大壓力差可以加速過濾，但受壓后變形的顆粒在大壓力差時易堵塞過濾介質(zhì)孔隙，過濾反而減慢。 懸浮液過濾有濾渣層過濾、深層過濾和篩濾三種方式 [3]。濾渣層過濾是指在經(jīng)過過濾初期后，形成了初始濾渣層，此后，濾渣層對過濾起主要作用，這時大、小顆粒均被截留；深層過濾是指過濾介質(zhì)較厚，懸浮液中含固體顆粒較少，且顆粒小于過濾介質(zhì)的孔道，過濾時，顆粒進入后被吸附在孔道內(nèi)的過濾；篩濾是過濾截留的固體顆粒都大于過濾介質(zhì)的孔隙，過濾介質(zhì)內(nèi)部不吸附固體顆粒的過濾方式，例如轉(zhuǎn)筒式過濾篩濾去污水中的粗粒雜質(zhì)。 在實際的過濾過程中，三種方式常常是同時或相繼出現(xiàn)。過濾機的處理能力取決于過濾速度。懸浮液中的固體顆粒大、粒度均勻時，過濾的濾渣層孔隙較為暢通，濾液通過濾渣層的速度較大。應(yīng)用凝聚劑將微細的顆粒集合成較大的團塊，有利于提高過濾速度。 6對于固體顆粒沉降速度快的懸浮液，應(yīng)用在過濾介質(zhì)上部加料的過濾機，使過濾方向與重力方向一致，粗顆粒首先沉降，可減少過濾介質(zhì)和濾渣層的堵塞；在難過濾的懸浮液(如膠體)中混入如硅藻土、膨脹珍珠巖等較粗的固體顆粒，可使濾渣層變得疏松；濾液粘度較大時，可加熱懸浮液以降低粘度。這些措施都能加快過濾速度。 過濾機按獲得過濾推動力的方法不同，分為重力過濾器、真空過濾機和加壓過濾機三類 [4]。重力過濾器是借助懸浮液的重力和位差，在過濾介質(zhì)上形成的壓力作為過濾的推動力，一般為間歇操作。 真空過濾器是在濾液出口處形成負壓作為過濾的推動力。這種過濾機又分為間歇操作和連續(xù)操作兩種 {4}。間歇操作的真空過濾機可過濾各種濃度的懸浮液，連續(xù)操作的真空過濾機適于過濾含固體顆粒較多的稠厚懸浮液。 加壓過濾器以在懸浮液進口處施加的壓力，或?qū)裎锪鲜┘拥臋C械壓榨力作為過濾推動力，適用于要求過濾壓差較大的懸浮液，也分為間歇操作和連續(xù)操作兩種。 過濾機應(yīng)根據(jù)懸浮液的濃度、固體粒度、液體粘度和對過濾質(zhì)量的要求選用。先選擇幾種過濾介質(zhì)，利用過濾漏斗實驗，測定不同過濾介質(zhì)和不同壓差下的過濾速度、濾液的固體含量、濾渣層的厚度和含濕量，找出適宜的過濾條件，初步選定過濾機類型，再根據(jù)處理量選定過濾面積，并經(jīng)實際試驗驗證。 正在發(fā)展的新型過濾設(shè)備有：機械力壓榨過濾設(shè)備；能實現(xiàn)無濾渣層過濾的動態(tài)過濾機；洗選煤炭污水處理、化工和石油工業(yè)用的大型過濾設(shè)備。 在過濾理論研究方面，濾渣層過濾阻力和孔隙率的測算、過濾速度、過濾設(shè)備的模擬和放大、稀薄液體澄清過濾和動態(tài)過濾機理，以及過濾介質(zhì)的研究，都是重要的課題 [5]。利用電子計算機控制過濾操作是過濾設(shè)備的發(fā)展方向。2 方案選擇2.1 循環(huán)方案管道系統(tǒng)如圖 1：此過濾過程有四個過濾階段，預(yù)過濾過程、過濾過程、濾余液過程、反沖洗過程。預(yù)過濾過程：待濾液由 F2 進入泵內(nèi)，經(jīng) F3（此時 F1、F5 關(guān)閉）進入循環(huán)桶，然后從 F4 進入過濾桶進行過濾，此時 F9 關(guān)閉，過濾液經(jīng) F5 再次進入循環(huán)桶。過濾過程：待濾液由 F2 進入泵內(nèi)，經(jīng) F3（此時 F1、F5 關(guān)閉）進入循環(huán)視筒，然后從 F4 進入過濾桶進行過濾（期間可以通過 S1 觀察過濾循環(huán)過程）濾液由 F7 再次進7入循環(huán)桶，直至完全過濾通過 S2 經(jīng) F9 流出（可以從 F11 中取樣檢驗，從而調(diào)整濾網(wǎng)密度）。濾余液過程：收到“管高壓差”信號后，開始反沖洗過程前的約 1Min 內(nèi)，打開F10 將管道內(nèi)的余液濾出以方便反沖洗，防止堵塞反沖洗管道。反沖洗過程：當“管高壓差”達到預(yù)定壓力值或者達到預(yù)定時間后，F(xiàn)2、F3 關(guān)閉，將 F1 打開，清洗水從 F1、F6 進入過濾桶中進行清洗，洗出的濾渣從 F8 中排出。F1——清洗水入口閥 F2——待濾液入口閥 F3——循環(huán)液入口閥 F4——循環(huán)液出口閥 F5——流向控制閥 F6——沖洗閥 F7——排氣閥 F8——排渣閥 F9——成品出口閥 F10——余液出口閥 F11——取樣閥 S1——循環(huán)視筒S2——正常工作視筒8圖 1 管道系統(tǒng)圖Fig.1 Piping system diagram2.2 雙管道方案雙管道系統(tǒng)如圖 2：圖 2 雙管道系統(tǒng)圖Fig.2 Pairs of piping system diagram過濾：閥 1、閥 4 開啟，閥 2、閥 3 關(guān)閉；反沖洗：：閥 2、閥 3 開啟，閥 1、閥 4 關(guān)閉過濾過程：過濾液由泵泵入，經(jīng)過閥 1 后進入過濾桶過濾，濾后液經(jīng)過視筒后從閥 4 排出（閥 2、閥 3 處于關(guān)閉狀態(tài)）。反沖洗過程：清洗水由泵泵入，經(jīng)過閥 2 以及視筒后，對過濾桶進行反沖洗，濾渣由閥 3 處排出（閥 1、閥 4 處于關(guān)閉狀態(tài)）。2.3 方案比較方案 1 原理較簡單，管道系統(tǒng)相對較為復雜，但是過濾精度較高，可靠性較強，由于采用循環(huán)過濾且用閉環(huán)控制，待網(wǎng)內(nèi)外壓差值滿足排放條件時，指揮排污閥進行排污，使過濾精度得以提高；并且采用先進的控制方式和優(yōu)質(zhì)的信號轉(zhuǎn)換器從而具有性能穩(wěn)定，維護管理方便，日常維護少，只須做定期維護即可等特點，具有明顯的實用價值、經(jīng)濟價值和推廣價值。9方案 2 原理簡單，過濾和反沖洗裝置簡單，但是由于過濾和反沖洗管道共用較多且沒有排除管道余液的設(shè)計，故過濾精度難以保證，維護較多以及容易發(fā)生堵塞等情況。綜上所述，最終方案選取為方案 1 為基本方案。3 過濾部分的設(shè)計3.1 過濾桶的設(shè)計3.1.1 過濾盤的設(shè)計過濾精度為 0.5-100μm，故濾網(wǎng)采用滌綸布料可以達到要求而且表面光滑，再在上涂上一層硅藻土增加過濾流量，水面上部采用氣壓，壓強大小為 1.6MPa，最大可達到 2.5MPa，可以使過濾更加快捷。濾后液通過下部孔流出，從取樣閥中取樣調(diào)節(jié)流速從而保證過濾精度，達到保準后，打開 F10，完成過濾。另外該系統(tǒng)在-5℃——105℃的范圍內(nèi)工作 [6]。已知條件：過濾面積：10㎡；正常工作壓力 1.6MPa、最大工作壓力 2.5MPa。⑴.選定過濾介質(zhì)的半徑（R），厚度（H），片間間隙（h）以及片數(shù)（N）分別為：R=0.4m、H=0.03m h=0.02m每一片的過濾面積為：S=∏*R*R=3.14*0.4*0.4=0.502㎡N=10㎡/S=10㎡/0.502㎡=19.9所以片數(shù)需要 20 片才能滿足過濾需要，也因此過濾濾芯長度（過濾部分）應(yīng)等于20*（H+h）+頂部密封片厚度+頂部螺母厚度=20*0.05+0.02*2+0.02=1.06m⑵.過濾片零件圖如圖 3：3.1.2 計算內(nèi)壓圓筒殼體的壁厚⑴已知 Pg=1.6MPa由壁厚計算公式：（1） cticPDP???][2/*??- 計算厚度 ；mm?P - 計算壓力；Mpac10- 焊接接頭系數(shù) ;?- 材料的許用應(yīng)力;t][?在已知設(shè)計溫度下 16MnR 的許用應(yīng)力 [7]，在厚度為 6~16mm 時，[ =170Mpa;t]?在厚度為 16～36mm 時，[ =163Mpa;焊接接頭系數(shù) ；t]?85.0??設(shè)定圓筒內(nèi)徑 D =1000mm； 腐蝕裕量 C =2mm；i 2設(shè)計厚度: 材料的許用應(yīng)力 =170Mpa （厚度為 6~16 時），筒體厚度計算；t][=1.6*1000/（2*170*0.85-1.6）=5.5mm （2） cticPP???2/*??=5.5+2=7.5mm；dC?由鋼材標準規(guī)格，圓整可得壁厚為 10㎜；??12±0.圖 3 過濾片零件圖Fig.3 Parts diagram of filters⑵ 圓筒的半徑由濾餅半徑確定取 R=500mm;⑶ 圓筒中固定空心軸一端的頂尖高度為 150mm；頂尖的直徑 =50mm； 錐角 =50°??H =H +h1=1100+150=1250mm；總 1⑷ 圓筒邊緣設(shè)計，邊緣厚度 =20mm；B=35mm；?凸緣高度 H=10mm；11⑸ 固定頂尖板的厚度 =10mm；長度 L=120mm；寬度 B=120mm； ?但容器制成后必須經(jīng)過壓力試驗合格后才能交付，壓力的目的主要是檢查加工制造工藝的問題和焊縫的強度，以及各連接面的緊密性等 [7]。對壓力試驗一般都用水壓試驗。對水壓試驗時，筒體相應(yīng)壓力的驗算公式為：σ=P 水[D+（S-C）]/[2（S-C）Ф] （3） 按規(guī)定水壓試驗壓力 P 水=1.5MPa；故：σ=P 水[D+（S-C）]/[2（S-C）Ф]=1.5*[900+（10-1.8）]/[2*（10-1.8）*0.7]=115MPa又 σs=σ*Ns，其中 Ns 查表所得為 1.6，故 σs=115*1.6=184MPaΣs 與水壓系數(shù)的積為 0.9σs=164MPa由于 115 MPa＜164MPa,故筒體強度滿足水壓試驗的要求。3.1.3 過濾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計過濾桶設(shè)計是整個管道系統(tǒng)的重點。直接從桶上引出的有 5 個管道（底部 3 個管道、頂部 2 個管道），如圖 4。（1）桶底正中引出的濾后管，然后連接 S2（正常工作視筒），再接上 2 個閥門——F9（成品出口閥，正常工作是從這流出成品液）和 F11（取樣閥，用于剛開始工作是取出樣品，從而確定各項參數(shù)）；（2）桶底斜錐面引出排渣管，引出后分成 2 個方向——一個是反沖洗時使用的排渣管，上面安裝著 F8（排渣閥）；另一個是循環(huán)過濾的循環(huán)管，通過 F5（流向控制閥，單向閥）使壓力過大時形成循環(huán)過濾；（3）桶內(nèi)靠壁處裝有反沖洗管道，連接 F7（沖洗閥）后也分成 2 個方向——一個直接連到水泵上；另一個接上 F10（余液出口閥）其作用是在濾余液過程中將管道以及過濾桶的液體流出；12圖 4 過濾桶Fig.4 Filter bucket（4）桶頂?shù)囊粋€循環(huán)管道向上連接 S1（循環(huán)視筒）和 F4（循環(huán)液出口閥）接到循環(huán)桶底部；（5）桶頂?shù)牧硪粋€循環(huán)管道向上連接 F7（排氣閥）和壓力表，然后接到循環(huán)桶頂部，以保持過濾桶以及循環(huán)筒壓力的正常（1.6MPa～2.5MPa）。3.1.4 循環(huán)桶的設(shè)計(1)結(jié)構(gòu)介紹循環(huán)桶的工作原理比較簡單，需要設(shè)計的參數(shù)也較少，主要分為 2 管道：其中一條的作用——待濾液通過 F2（待濾液入口閥）、水泵、F3 （循環(huán)筒入口閥）從循環(huán)桶下部泵入，在循環(huán)桶上部壓力的作用下從右邊下方的循環(huán)出口通過 F4 后進入過濾桶過濾；另外一條是頂部的管道，上面連接 F7（排氣閥）和壓力表和過濾桶頂部連接在一起以保持壓力。(2)循環(huán)桶的容量設(shè)計 因為循環(huán)桶所受壓力不是很大，且不是全封閉的，所以可以不許校核桶壁承受應(yīng)力。設(shè)定桶壁厚 =3mm；桶高度 H=1200mm；半徑 R=400mm；容積 V=0.65m 。? 33.2 傳動部件設(shè)計3.2.1 帶傳動的設(shè)計⑴確定計算功率 Pca由《機械設(shè)計》表 8-7 查得工作情況系數(shù) K =1.0,A故 P = K P=1.0*5.5kw=5.5kw ca A13（4） ⑵選擇 V 帶的帶型根據(jù) P ，n 由《機械設(shè)計》教材由圖 8-11 選用 A 型ca⑶確定帶輪的基準直徑 d 并驗算帶的速度①初選小帶輪的基準直徑 d ，由表 8-6 和表 8-8，取小帶輪的基準 d =140mm1 1②驗算帶速 V= * d *n/60*1000= *140*1440/60*1000=10.6m/s??因為 5 m/s < V < 25 m/s,故帶速合適③計算大帶輪的基準直徑，根據(jù)式(8-15a)，計算大帶輪的基準直徑d =i *d =3*140mm=420mm；21d根據(jù)表 8-8，圓整為 d =450mm；2⑷確定 V 帶的中心距 a 與基準長度 Ld① 0.7（d + d ）≤a ≤2（d + d ） （5）12012根據(jù)上式，初定中心距 a =900mm；②計算帶所需的基準長度L ≈2a +∏（d + d ）/2 + (d -d ) /4a0d122d10=2*900 +∏*590/2 +(450-140) /3600=2770mm; 由表 8-2 選帶的基準長度 L =2800mm；d③按式（8-23）計算實際中心距 a0a= a +（ L - L ）/2=900+(2800-2770)/2=915mm; 0d0d（6） ⑸驗算小帶輪上的包角 ?1=180 -（d -d )*57.3 /a?102d0=180 -(450-140)* 57.3 /915=161 ≥90 ； 00（7） ⑹計算帶的根數(shù) Z14①計算單根 V 帶的額定功率 Pr；由 d =140mm；和 n=1440r/min,查表 8-4a 得 P =2.28kw；1 0根據(jù) n =1440r/min，i=3 和 A 型帶，查表 8-4b 得 △P =0.17kw；0查表 8-5 得小帶輪包角 K =0.95，表 8-2 得 K =1.11,?LPr=（P +△P ）* K * K =（2.28+0.17）*0.95*1.11=2.58kw; 0（8） ②計算 V 帶的根數(shù) ZZ= P / Pr=5.5/2.58=2.1 ca（9）所以 V 帶的根數(shù)為 3 根。⑺小帶輪設(shè)計 材料選取 HT200；d =140mm； d ≤300mm ； 采用腹板式結(jié)構(gòu) [8]；11d=40mm，d =（1.8-2.0）*d，d 為電機軸的直徑； d =1.8d=72mm；1C=(1/7～1/4)B L=(1.5～2)d,當 B<1.5d 時，L=B C=1/4*B=15mm; 根據(jù)前面設(shè)計得小輪直徑 d =140mm，大輪直徑 d =450mm，故查表應(yīng)選用帶長1 2Ld=2800㎜、A 系列、長度修正系數(shù) Kl=1.1 的皮帶，b =11㎜，h =6㎜，ah =12mm;B=60mm; fA=81㎜ ;小皮帶輪的零件圖 5：2⑻大帶輪設(shè)計 HT200；d =420mm； d ≥300mm； 采用輪輻式結(jié)構(gòu) [9]，22d=50mm；d =(1.8～2)d,d 為軸的直徑；1d =100mm；f=12mm，h =0.8h =26mm；1 21b =0.4h =13mm；b =0.8 b =11mm；L=(1.5～2)d,當 B<1.5d 時，L=B；f =0.2h =6.5；1h =290* =290* =31.4mm=32mm； 3/anzP3*140/5.15（10）圖 5 小皮帶輪零件圖Fig. 5 Pulley parts diagram大帶輪的零件圖如圖 6：3.2.2 空心軸的設(shè)計⑴空心軸的直徑設(shè)計d≥ =A （11） nPT][2.0/953?03/pd≥A ） 式中， =d /d,即空心軸的內(nèi)徑 d 與外徑 d 之比041(*???1 1通常取 =0.5～0.6，?=T/W =(9550000P/n)/0.2d ≤[ ] （12） T?3T?查 《機械設(shè)計》教材，如表 1：表 1 軸常用幾種材料的[ ]及 Ao 值TTable 1 Axis common of several materials [ ] and Ao values?軸的材料 Q235-A20 Q275 ,35 45 40C ,35S Mrin[ ]/MpaT?15～25 20～35 25～45 35 ～55Ao 149～126 135 ～112 126 ～103 112 ～9716通過查《機械設(shè)計》教材表 2，查得 V 帶的傳動效率值為 =92%；?取 Ao=110mm； P=5.5*92%=5.06kw ；n=480r/min； =0.6；?d≥A ）=110* ）=25.5mm； 0341(*/??nP346.01(8/.5?（13） d ≥1.15*d=30mm;min圖 6 大皮帶輪零件圖Fig.6 Pulley parts diagram⑵軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計①確定裝配方案②根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度；為了滿足軸的軸向定位要求和裝配要求 [8]，此空心軸分為 3 段，Ⅰ-Ⅱ軸上裝大皮帶輪，鍵，密封圈，端蓋；外徑 DⅠ-Ⅱ=50mm 內(nèi)徑=50*60%=30mm，軸長為h=115mm；Ⅱ-Ⅲ軸上裝密封圈，軸承， 端蓋，外徑 DⅡ-Ⅲ外徑 = 55mm，軸長h=106；內(nèi)徑=33mm；Ⅲ-Ⅳ軸上裝配濾盤，密封圈，鎖緊螺母，外徑 DⅢ-Ⅳ =60mm；內(nèi)徑=36mm，軸長 h=115mm；如圖 7。③軸承的選擇；因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用兩個圓錐滾子軸承，參照工作要17求并根據(jù) DⅡ-Ⅲ =55mm；由軸承產(chǎn)品目錄中初選取 0 基本游隙組，標準精度級的圓錐滾子軸承型號 30313，其尺寸為 d=55mm，D=80mm，B=13mm。⑶軸的校核①按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取 = =18.6Mpa；ca?WTM/)(2321??查表《機械設(shè)計》表 15-1 查得[ ]=60Mpa;因此 ＜[ ]，故安全。1?ca1??②精確校核軸的疲勞強度S =S *S / ≥S （14） ca??2??S?S = /K * + * ≥S (15)1?a?m截面Ⅲ抗彎截面系數(shù) W=0.1d =0.1*55 =16637mm333抗扭截面系數(shù) W =0.2 d =0.2*55 =33250 mm T33（16） 截面Ⅲ的左側(cè)的彎矩 M 為M=166758*(71-36)/71=92534N.m （17）截面Ⅲ上的扭矩 T 為T=960000N.截面上的彎曲應(yīng)力=M/W=92534/16637=5.6Mpa ?（18）截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力=T/ W =960000/33250=28..2Mpa ?T（19） 軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理 [10]。由表 15-1 查=640Mpa； =275Mpa； =155Mpa；?B1??截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù) 及 按表查取，因???r/d=2.0/55=0.036,D/d=60/55=1.09;經(jīng)插值得:， =1.310.2???18軸按磨削加工，得表面質(zhì)量系數(shù)為= =0.92???軸未經(jīng)表面強化處理，即 =1，得qK =2.80 K =1.62??計算安全系數(shù) S 值，caS =S *S / =9.5＞＞S=1.5 ca??2??S?（20） 故可知其安全。圖 7 軸的零件圖Fig. 7 Axis parts diagram3.3 電動機的選擇由于本設(shè)計需要一個功率在 5KW 以上，重量不能太大并且采用連續(xù)周期工作制的（S6）異步電動機，其安裝形式為 V13011，通過查機械設(shè)計手冊選得：電動機 Y132S-4，技術(shù)數(shù)據(jù)如下：額定功率 5.5KW，轉(zhuǎn)速 1440r/min，額定電流 13.4A，效率 92%，功率因數(shù) 0.78，最大轉(zhuǎn)距/額定轉(zhuǎn)距為 2.3，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)距/額定轉(zhuǎn)距為 2.2，堵轉(zhuǎn)電流/額定電流為 6.5，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 GD2為 0.535N/㎡，重量為 68㎏.3.4 閥門的選擇與設(shè)計19用計算機對液壓或氣壓系統(tǒng)進行控制是技術(shù)發(fā)展的必然趨向。但是電液比例閥或者伺服閥能接收的信號是連續(xù)的電壓或電流，而計算機的指令是“開”或“關(guān)”的數(shù)字信息，要用計算機控制必須進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，其結(jié)果是使設(shè)備復雜，成本提高，可靠性降低 [11]。在這種技術(shù)要求下，20 世紀 80 年代初期出現(xiàn)了電液數(shù)字控制閥。用數(shù)字信息直接控制的閥稱為電液數(shù)字控制閥，簡稱數(shù)字閥，目前應(yīng)用較少。它可直接與計算機接口，不需數(shù)/模轉(zhuǎn)換。可以分為數(shù)字式流量閥、數(shù)字式壓力閥、數(shù)字式方向流量閥等。 下面舉例以增量式數(shù)字流量閥來說明原理：組成：步進電動機、滾珠絲杠、閥心、閥套、閥桿、傳感器等。工作原理：計算機發(fā)出信號后，步進電機轉(zhuǎn)動，通過滾絲杠轉(zhuǎn)化為軸向位移，帶動節(jié)流閥閥心移動，首先打開非全周節(jié)流，流量較小，而后打開全周節(jié)流口，流量較大，可達 3600 L/min，如圖 8。特點：1 閥心、閥套、閥桿的相對熱膨脹取得溫度補償，維持流量恒定。2 該閥無反饋功能，但裝有零位移傳感器，每個控制終了，閥心都可在它控制下回到零位，重復精度較高。單向閥是控制流體只能正向流動，不允許反向流動的閥，也可稱逆止閥或止向閥。增量式數(shù)字閥是采用由脈沖數(shù)字調(diào)制演變而成的增量控制方式，以步進電機作為電氣—機械轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動液壓閥芯工作，因此又稱步進式數(shù)字閥 [12]。微型計算機(下簡稱微機)發(fā)出脈沖序列經(jīng)驅(qū)動器放大后使步進電機工作。步進電機是一個數(shù)字元件，根據(jù)增量控制方式工作。增量控制方式是由脈沖數(shù)字調(diào)制法演變而成的一種數(shù)字控制方法，是在脈沖數(shù)字信號的基礎(chǔ)上，使每個采樣周期的步數(shù)在前一采樣周期的步數(shù)上，增加或減少一些步數(shù)，而達到需要的幅值，步進電機轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖數(shù)成比例，步進電機每得到一個脈沖信號，便得到與輸入脈沖數(shù)成比例的轉(zhuǎn)角，每個脈沖使步進電機沿給定方向轉(zhuǎn)動一固定的步距角，再通過機械轉(zhuǎn)換器(絲桿—螺母副或凸輪機構(gòu))使轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為軸向位移，使閥口獲得一相應(yīng)開度。從而獲得與輸入脈沖數(shù)成比例的壓力、流量。有時，閥中還設(shè)置用以提高閥的重復精度的零位傳感器和用以顯示被控量的顯示裝置。閥的輸出量與輸入脈沖數(shù)成正比，輸出響應(yīng)速度與輸入脈沖頻率成正比。對應(yīng)于步進電機的步距角，閥的輸出量有一定的分辨率，它直接決定了閥的最高控制精度。20本設(shè)計中 F1、F2、F3、F4、F6、F7、F8、F9、F10、F11 均采用電液數(shù)字控制閥，而 F5 采用單向閥。1—步進電動機 2—滾球絲杠 3—閥心 4—閥套 5—閥桿 6 —傳感器圖 8 數(shù)字流量閥Fig.8 Digital flow control valve3.5 傳感器的選擇與信號檢測3.5.1 傳感器的選取經(jīng)過反復比較與選擇最后選用美國 Motorola 公司生產(chǎn)的 MPX2100A 型單片集成硅壓力傳感器，其測量范圍為 0～100KPa，工作溫度范圍為-40～125℃，傳感器的輸出電壓和被測絕對壓力成正比，采用顯微機械加工、激光休整等先進和薄膜電鍍工藝，具有測量精度高、預(yù)熱時間短、響應(yīng)速度快、長期穩(wěn)定性好、可靠性高、過載能力強等優(yōu)點 [13]。若采用 5V 電源時，在 0～80℃溫度范圍內(nèi)的最大測量誤差不超過±1.8%，滿量程輸出電壓為 4.95V，壓力靈敏度為 54MV/KPa，預(yù)熱時間為 20ms，響應(yīng)時間為1ms，長期穩(wěn)定度為±0.5%，允許過載 348%FS（FS 代表滿量程）。電源允許范圍為4.85V～5.35V，典型值為 5.0V 或 5.1V，電源電流為 7.0MA（典型值）。具體資料可參見外文文獻。3.5.2 信號檢測整個工作流程由 PLC 控制，PLC 發(fā)出信號至電源和驅(qū)動器，控制其電流大小，影響電動機的功率、轉(zhuǎn)速等， 完成對被控量的控制（流量、壓力等）；而 MPX2100A 壓力傳感器將被控量負反饋給 PLC，是被控量保持在一個穩(wěn)定的波動范圍內(nèi)。3.6 控制面板的設(shè)計控制面板分為 4 大塊：4 個燈、4 個按鈕、2 個鈴21其中正常工作時，先亮過濾燈，然后是濾余液的指示燈，最后是反沖洗的燈，如此循環(huán)，前一個燈滅接著后一個燈亮；如出現(xiàn)故障則亮報警燈以及響報警鈴并且停止工作；反洗的時候同時響反洗鈴； 4 個按鈕的作用則很明顯，啟動按鈕采用綠色材料，停止按鈕采用紅色材料 [13]。另外 2 個按鈕用來控制取樣閥，來獲取樣品，從而調(diào)整工作狀態(tài)。4 控制部分的設(shè)計4.1 控制系統(tǒng)的選擇從工程的角度 ，PLC 與單片機系統(tǒng)的選用比較⑴．對單項工程或重復數(shù)極少的項目，采用 PLC 方案是明智、快捷的途徑，成功率高，但成本較高。 ⑵．對于量大的配套項目，采用單片機系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點，但這要有相當?shù)难邪l(fā)力量和行業(yè)經(jīng)驗才能使系統(tǒng)穩(wěn)定、可持續(xù)地運行。最好的方法是單片機系統(tǒng)嵌入 PLC 的功能，這樣可大大簡化單片機系統(tǒng)的研制時間，性能得到保障，效益也就有保證 [14]?；?PLC 控制系統(tǒng)優(yōu)點⑴實時性由于控制器產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)是基于控制為前提，信號處理時間短，速度快。基于信號處理和程序運行的速度，PLC 經(jīng)常用于處理工業(yè)控制裝置的安全聯(lián)鎖保護，更能滿足各個領(lǐng)域大、中、小型工業(yè)控制項目 [14]。⑵高可靠性各輸入端均采用 R-C 濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為 10~20ms。各模塊均采用屏蔽措施，以防止噪聲干擾。⑶系統(tǒng)配置簡單靈活.豐富的 I/O 卡件⑷控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)⑸安裝簡單，維修方便綜上所述，此過濾機選用 PLC 的控制系統(tǒng)。5 設(shè)計的應(yīng)用5.1 過濾器的發(fā)展常用的機械過濾器雖然能達到較好的過濾效果，但是其濾速慢，于是造成過濾器設(shè)備龐大、耗水量大，手動設(shè)備勞動強度大，而自動設(shè)備造價又太高，因此大大地限制了它的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。22十九世紀，出現(xiàn)了篩網(wǎng)過濾器，它是通過一個不銹鋼絲編織的濾網(wǎng)阻截水中較大的雜質(zhì)顆粒，這大大提高了濾速，簡化了設(shè)備，但是水中較小的顆粒和纖維仍能穿過濾網(wǎng)，更重要的是如果它們過濾時恰好卡在或纏繞在濾網(wǎng)上，再要清洗掉這些雜質(zhì)就不容易了 [15]。因此，基于這兩方面的原因篩網(wǎng)過濾在應(yīng)用中一直受到了很大的限制。新型自動盤片過濾器充分繼承了上述過濾器的優(yōu)點，同時又克服了它的缺點，具有反洗效果好、設(shè)備自動化程度高、過濾水質(zhì)穩(wěn)定、設(shè)備占地面積小的特點，自耗水率僅有 0.25%左右。5.2 盤片過濾器的特點（1）精確過濾：可根據(jù)用水要求選擇不同精度的過濾盤片，有20μ、50μ、100μ、200μ 多種規(guī)格，過濾比大于 85%。（2）徹底高效反洗：由于反洗時將過濾孔隙完全打開，加上離心噴射作用，達到了其它過濾器無法達到的清洗效果。反洗過程只需 20 秒左右即可完成。（3）全自動運行，連續(xù)出水：時間和壓差控制反洗啟動。在過濾器組套內(nèi)，各個過濾單元順序進行反洗。工作、反洗狀態(tài)之間自動切換，可確保連續(xù)出水，系統(tǒng)壓損小。（4）標準：模塊化系統(tǒng)設(shè)計，用戶可按需取舍過濾單元并聯(lián)數(shù)量，靈活可變，互換性強。（5）占地?。嚎伸`活利用現(xiàn)場邊角空間，因地制宜安裝，占地少。（6）運行可靠、維護簡單：幾乎不需日常維護，不需專用工具，零部件很少。（7）使用壽命長：經(jīng)多年工業(yè)實用驗證，過濾和反洗效果不會因使用時間而變差。例如：大慶某熱電廠 2000 年采用兩套 JY3-7 盤式過濾器作為離子交換預(yù)處理設(shè)備，過濾精度為 50μ，總處理水量 250 噸/小時；該廠原來采用的過濾器為 5 臺 3000 砂過濾器，設(shè)備龐大，而且手動控制，每天至少反洗一次，工人勞動強度大，設(shè)備自耗水率達到 8~10%[17]。采用盤式過濾器后設(shè)備占地僅為 3mX3m，同時由于自動控制可實現(xiàn)無人職守，目前過濾器約 3 小時反洗一次，每個過濾單元反洗時間 15 秒，用水量僅為 33 升，而總產(chǎn)水量約為 9X3=27 噸，自耗水率為 0.12%，是原來耗水量的八十分之一 [18]。5.3 盤片過濾器的應(yīng)用領(lǐng)域23這種過濾器除了廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的水過濾外，目前在工業(yè)水過濾領(lǐng)域有更好、更多的應(yīng)用實例，如：青島啤酒廠的工藝用水過濾、大慶熱電廠的離子交換前預(yù)處理、鄭州某項目的黃河水預(yù)過濾、北京植物園的加濕噴嘴保護等。經(jīng)過幾年來的研究開發(fā)，盤式過濾器在一些領(lǐng)域已經(jīng)具有很強的技術(shù)優(yōu)勢和很好的運行經(jīng)驗，從而大量應(yīng)用于工業(yè)循環(huán)水旁過濾、系統(tǒng)總進水過濾以及細管和噴嘴的保護等方面 [18]。同時隨著水處理領(lǐng)域的不斷擴大，在離子交換前預(yù)處理、苦咸水過濾、超濾系統(tǒng)的預(yù)過濾甚至在低 SDI 井水水源的反滲透處理中代替砂濾器等方面也有一定量的應(yīng)用，并且正在不斷擴大。參考文獻[1]文美純，劉吉普， 對全自動過濾機的探討[N].《過濾與分離》1997.第三期.75-46.[2]文美純，劉吉普，可編程序控制器在過濾器上的應(yīng)用研究[N].《過濾與分離》2002.VOl12.NO4.42-45.[3] 文美純，劉吉普 ，新型管道過濾器的開發(fā)研究[N].《過濾與分離》1996.第三期.8-16.[4]丁啟圣、王惟一.新型實用過濾技術(shù)[M] .北京：冶金工業(yè)出版社. 2000.235-45.[5]文棋.全自動自清洗過濾機過濾機理分析及控制系統(tǒng)研究[J].浙江：大學碩士學位論文.2002.4-41.[6]管力明.PLC 在硅藻土過濾機上的應(yīng)用[J].機電工程 2004 年第 21 卷第七期.2004.421-15.[7]華東工業(yè)大學、浙江大學合編.化工容器設(shè)計[M].武漢：湖北科學技術(shù)出版社.1985.85-41.[8]濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計（第 8 版）[M].北京：高等教育出版社.2006.12-45.[9]劉鴻文.材料力學（第 4 版）[M].北京：高等教育出版社.2004.14-52.[10]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編. 理論力學（第 6 版）[M].北京：高等教育出版社.2002.213-15.[11]丁伯民，黃正林.化工容器[M].北京：化學工業(yè)出版社.2002.12.145-45.[12]李建興.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社.2004.154-15.[13]姜繼海，宋錦春，高常識等.液壓與氣壓傳動[M].北京：高等教育出版社.2002.142-44.[14]賀匡國.化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計手冊（第二版）[M] .北京：化學工業(yè)出版社.2002.33-15.[15]成大先.機械設(shè)計手冊（第四版）[M].北京：化學工業(yè)出版社.2002.152-12.[16]L. 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Frey, “Formalization of Existing PLC Programs: A Survey.“, in CESA 2003, Lille (France), Paper No. S2-R-00-0239, July 2003.41-78.25鳴謝隨著畢業(yè)日子的到來，畢業(yè)設(shè)計也接近了尾聲。經(jīng)過將近二個月的的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設(shè)計終于完成了。在沒有做畢業(yè)設(shè)計以前覺得畢業(yè)設(shè)計只是對這幾年來所學知識的單純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。在這次畢業(yè)設(shè)計中也使我們的同學關(guān)系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學。我的心得也就這么多了，總之，不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。在此要感謝我的指導老師高英武老師對我悉心的指導，感謝老師給我的幫助。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學交流經(jīng)驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的也不太好，但是在設(shè)計過程中所學到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身受益。附錄