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离心分离机结构设计

初选参数：转鼓直径400mm，转速0-3000r/min
1. 转鼓设计

表1 转鼓直径与允许的最大转速和分离因数的关系

转鼓直径m
0.2
0.35
0.4
0.45
0.6
0.8
1.0
最大转鼓转速r/min
7200
4100
3600
3200
2400
1800
1400
最大分离因数
5700
3300
2890
2550
1900
1400
1150
表一
表2 国内外主要的卧式螺旋卸料离心机的基本参数

离心机型号
转鼓直径 mm
转鼓转速 r/min
分离因数
LW400
400
2200～3550
1080～2810
LW450
450
2000～3400
1000～1900
LW500
500
2000～3200
1120～2860
LW600
600
1400～2500
660～2100
LW630
630
1400～2500
690～2200
LW800
800
1250～2000
700～1790
表二
1.1 转鼓内径的选取
转鼓的内径是离心机的主要结构参数，转鼓内径越大，其处理量也越大。但由于受材料强度、加工制造难度等因素的影响，转鼓直径增大时，离心机的转速必然降低，分离因数趋小。目前生产、使用较多的是转鼓直径为200～1000 ㎜的卧式螺旋卸料沉降离心机。
针对某厂的污水处理量，并通过查阅相关资料、调查研究国内外相近型号离心机的技术参数及国内外制造水平的差异，确定了转鼓的内径为400㎜。
1.2 长径比λ 的选取
长径比即离心机转鼓的轴向有效长度与其直径的比值。长径比越大，沉降区越长，分离效果越好，但轴功率也越大。应根据不同悬浮液的性质(主要是沉降性能)选择不同长径比，同时要与转速结合考虑。用于固液分离的卧式螺旋卸料沉降离心机，为了提高单机容量，一般λ 取值为1～4。对于易分离的物料，长径比为1～2，一般在1.5左右；对于难分离的物料，长径比为2.5～4，一般在3左右；长径比超过4时，在制造上有困难，但它是未来发展的方向。考虑直径较大的特点，如果长径比过长，则整机的长度尺寸较大，易发生振动影响使用寿命，并出于安全方面的要求。在此长径比入选为3，即转鼓的有效工作长度为1200 ㎜。
1.3 转鼓转速和分离因数的选取根据离心机工作原理，分离因数与转鼓半径的平方成正比，转速越高，分离因数越大，转鼓转速越高分离效果越好、沉渣越干、澄清液越清、轴功率亦越大，但实际操作中并不是说转速越高越好。一般来说，对于易于沉降的物料，转速提高轴功率增大，容易引起机械故障或推渣困难，造成物料堵塞。因此要根据进料状况和分离效果等因素来选择合适的转速(分离因数)。
分离因素：被分离的物料在离心力场中所受的离心力和它所受的重力的比值，称为分离因数，即：

式中 ——离心力场中物料的质量（kg）
——转鼓角速度：
——转鼓内半径：

1.4转鼓转速N和分离因数Fr的检验
初选转鼓转速N=3000r/min，D=400mm，转鼓材料为1Cr18Ni9Ti 为例，转鼓直径与允许的最大转速和分离因数的关系见表1。
由于,（其中ω —离心机的角速度； r F 为离心机的分离因数；r 为转鼓的内半径。） 计算得到ω =314.16rad/s， F r =1068.56N。
由表1 可知转鼓直径与允许的最大转速和分离因数之间的关系。由于F r =1282.3＜2890，并且根据表2 可知转速N=2500r/min 在允许的范围内，所以可以初步证明本设计中转鼓转速N 和分离因数F r 在强度方面的选取是正确的。

1.5转鼓直径
转鼓直径D的确定要考虑离心机系列型号的标准尺寸，单机生产能力的物料性质。转鼓直径是系列型号的主要尺寸数据。系列中转鼓直径的数值是从优先数系中，选取几何级数公比来确定的。在L/D一定情况下，生产能力大致与成正比。
本设计中转鼓直径：D=400mm
转鼓形状：柱锥形 材料：1Crl8Ni9不锈钢

1.6转鼓半锥角
这种类型离心机在液面下靠近液面处有一锥角变化点，使沉渣输出液池之后在平缓的坡度上稳定移动，而在液池下采用大锥角使得回流力减小，因此沉渣回流现象也变小。由于第一锥段锥角大，使得第一锥段轴向距离变短，在离心机总长不变时，第二锥段相应变长。故可以适当增大双锥角卧螺离心机液池深度，而不会使得转鼓的干燥距离变短。同时液池深度的增大使得转鼓沉降面积增大，根据生产能力与沉降面积成正比的关系，双锥角卧螺离心机生产能力也增加了。
一般取取值范围5°~18°；>8°为推送较难输送的沉渣。 本设计采用双锥角结构，选取半锥角：
取1=15°，2=8°。在设计结构时候可以以=10°的单锥角计算。这样取的好处是，当12与只差不一样时候，锥段长度也不一样。为了使大椎段长度短些，取较大的大椎角。根据1.7求出r1，r2，L2等等参数，根据几何方法列两个二元一次方程可以分别得到a的值和b的值。 以提供以后转鼓的加工参数。

找几何关系： a+b=L2 ；
atan15°+btan8°=r1-r3
根据1.6的计算结果可得到：其中L2=397mm；r1-r3=70mm。计算出：a=110mm
b=287mm
1.6转鼓长度
转鼓长度L 按长径比值来确定。转鼓体的全长同最大直径的比(称为长径比)也是很关键的参数。对于易分离的物料，长径比为1～2，一般在1.5左右；对于难分离的物料，长径比为2.5～4，一般在3左右；长径比超过4时，在制造上有困难，但它是未来发展的方向。
现取长径比=3，则转鼓长度 =400×1200 mm
当转鼓直径D、总长度、锥段小端出渣口直径D3 一定时，沉降区长度受液层深度h和半锥角变化的影响。如图2-3所示当L、、不变，将实线所示的、h改为虚线所示尺寸时，可以看出沉降区长度的变化是很大的。因而h值和角值的选择对悬浮液处理能力有影响。
这里采用双锥角结构，为了方便计算，采用中间值=10°计算。
取1=15°，2=8°。则=10°。
图 ，h值对沉降区长度的影响示意图

——柱锥段总长度：L=800mm
——柱筒段沉降区长度
——锥段长度
——锥筒段沉降区长度
——物料环内径
——转鼓内径：
——锥段小端出渣口半径
——液层深度：
1——圆锥段大半锥角
2——圆锥段小半锥角

从图可知 柱筒段沉降区长度：

式中，一般常用值=0.6~0.7，取=0.65
将上述各数据代入可得：
锥段小端出渣口半径：

柱筒段沉降区长度（即转鼓柱筒段长度）：

803mm

则转鼓锥段长度 ：

液层深度h=30mm 则物料环内径：

锥筒段沉降区长度：

则沉降区长度：

1.7转鼓转速
又因转鼓材料为1Crl8Ni9Ti不锈钢，这种材料的各种转鼓直径的最大允许转速和分离因数如下表2-1所示。
转鼓直径m
0.2
0.35
0.4
0.45
0.6
0.8
1.0
最大转鼓转速r/min
7200
4100
3600
3200
2400
1800
1400
最大分离因数
5700
3300
2890
2550
1900
1400
1150

现选取转速n=3000 r /min

1.8池深与转鼓半径比

规定范围为0.05～0.2，现取0.1。

1.9螺旋输送器
选择连续整体螺旋输送器，左旋，双头螺旋。

1.10生产能力
表2-2 螺旋沉降离心机的生产能力范围
系　　列
LW-200
LW-350
LW-450
LW-600
LW-800
LW-1000
生产能力
Q※（）
G （）
0.5-1.5
0.1-0.3
1.5-4
0.3-1
4-10
0.75-2
10-30
1.5-4
—
2-6
—
5-10
※值是按≤3考虑的，当 =4时，值可以提高20-30%
参考上表，生产能力范围

设计参数汇总：
表2-3 基本参数及主要计算数据
基本参数
单位
内容
转鼓转速
r/min
0~3000
差转速
r/min
5~30
转鼓大段内径
mm
400
转鼓长度
mm
1200
长径比

3
半锥角平均

10°
沉降区长度
mm
973
转鼓直段长度
mm
803
转鼓锥段长度
mm
397
物料粘度
cp
0.81
物料固相密度
kg/m³
1600
物料液相密度
kg/m³
1360
物料颗粒度
μm
15~300
螺旋螺距
mm
？？

离心机的功率消耗与离心机的类型、操作方式和离心机的结构有关，一般情况下，离心机所需的功率包2括以下几个方面：
2.1.1启动转鼓等传动件所需功率N1；
2.1.2启动物料达到操作转速所需功率N2；
2.1.3克服轴与轴承摩擦所需功率N3；
2.1.4克服转鼓、物料与空气摩擦所需功率N4；
2.1.5卸出物料所需功率N5；
2.1.1启动转鼓等传动件所需功率
1.启动转鼓等传动件所需功率N1
欲使离心机转鼓等转动件，由静止状态达到工作转速具有一定的功能，必须由外界作功，该功为：

式中 —转动件线速度，m/s；
为转动件绕轴旋转的转动惯量，kg·m2。
启动转动件的平均功率N1为：
KW （2-1）

=

=131.6KW

式中 —启动时间， S；——转鼓总质量，估算≈1000kg；
—离心机的角速度，=78.5。
转动件的转动惯量，主要考虑转鼓、皮带轮、制动轮等质量较大、半径较大的转动件的转动惯量。此外还有一些较小的转动件，启动时也需要功率，可不逐一计算，只要将上述计算的功率增加10%~20%即可。由公式(5.2)可以看出，选择不同的值可计算出不同的启动功率。按启动时间计算所需启动功率如表5-1所列：
表5-1 启动转动部件所需功率列表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9

10
20
30
40
50
60
70
80
90

131.6
65.8
43.9
32.9
26.32
21.9
18.8
16.5
14.6

2启动物料达到操作转速所需功率
加入转鼓中的物料有静止状态达到工作转速时也需要外界做功，它与加料方式有关。
加入的物料被分离为滤渣和滤液（过滤式离心机），或沉渣和分离液（沉降式离心机），或沉渣、轻液和重液（分离机）等组分。可分别求出某一种分离操作中每种组分所需的功率，然后求和。
假设某种分离操作，单位时间内排出的z个组分中，各组分的质量（kg/s），各组分在转鼓内卸出位置半径为（m），则使加入的物料达到工作转素所需功率为：
KW （2-2）

=4.26KW
式中 —物料被分离的组分数
m1—沉渣质量
r1—沉渣卸出位置半径
m2—分离液质量
r2—分离液卸出位置半径。
2.1.3克服轴与轴承摩擦所需功率
运动件由于摩擦所消耗功率，应为摩擦力与摩擦面之间的线速度之积。
KW （2-3）
式中 —轴与轴承间的摩擦系数；
滑动轴承=0.05～0.1，滚动轴承＝0.005～0.02
、—分别为轴颈表面的线速度，m/s；
、—分别为两轴承处支反力，N；
、—分别为两轴承处轴颈直径，m。
关于轴承支反力、，应考虑在转子的静载荷与动载荷作用下轴承的支反力。静载荷为转鼓及其它转动件总质量，动载荷为由于转动件偏心产生的离心惯性力。一般按偏心距（为转鼓直径）计算。所以轴上的总载荷为：
e==0.45

N

由总载荷计算出支反力，代入（3）式中求出。
由图可知：
F1+F2=4353
F1975=F590
求得：
F1=2634 , F2=1719

N3=

=0.46 KW
2.1.4克服转鼓、物料与空气摩擦所需功率
离心机工作时，转鼓外表面、物料层内表面与空气摩擦消耗功率，可根据下式计算：
N （2-4）

N

KW
—转鼓的长度，m；
—转鼓的旋转角速度，red/s；
—转鼓外半径，m；
—转鼓中物料层内半径，m；
—空气密度，常压下取=1.29kg/m3。
2.1.5卸出物料所需功率
一些离心机卸料时的阻力增加了主轴的负荷而消耗一部分主轴的功率。此功率的大小与卸料方式有关。
螺旋卸料是将沉渣从转鼓上某处推送到卸料口卸出机外，故卸料功率消耗应包括：
⑴克服沉渣的离心惯性力沿转鼓母线的分力消耗功率；
⑵克服沉渣与转鼓壁摩擦所消耗功率；
⑶克服沉渣与螺旋叶片摩擦消耗功率；
功率计算式推导如下，有两种情况：
第一种 螺旋叶片垂直于转鼓轴线，如图所示。

螺旋卸料转鼓

设每秒钟获得沉渣质量为公斤，回转时产生离心惯性力，沿转鼓母线的分力为，则

= N

沉渣在转鼓内被推移的距离不等，设平均路程为母线的，即

m

则克服沉渣离心惯性力沿转鼓母线分力所消耗的功率为：

= KW （2-5）

沉渣离心惯性力垂直于转鼓母线的分力为，

N

则克服沉渣与转鼓壁间摩擦消耗的功率为：

= KW （2-6）
若螺旋外径处的螺旋升角为，则垂直与叶片的沉渣的作用力为：

若螺旋圈数为，设沉渣在螺旋叶片表面上行走的路程为螺旋表面全长的，即

= m
则克服沉渣与螺旋叶片间的摩擦消耗的功率为：

=
= KW （2-7）
螺旋输送器推卸沉渣消耗的总功率为：

= （2-8）

式中 —转鼓平均内半径，m；
—圆锥形转鼓半锥角；
—沉渣与转鼓壁间摩擦系数 取0.2；
—沉渣与螺旋叶片间摩擦系数 娶0.1；
—螺旋叶片圈数。
第二种 螺旋叶片垂直于转鼓母线，如图所示，

螺旋卸料转鼓

假设每秒钟获得沉渣质量为 kg。根据第一种情况的推导，可得到克服沉渣离心惯性力沿转鼓母线分力消耗的功率与（5）式相同，为：

= KW （2-9）
克服沉渣与转鼓壁摩擦消耗的功率也同式

= KW （2-10）

沉渣垂直于螺旋叶片的作用力为：

沉渣沿螺旋叶片表面行走路程为：
= m
则克服沉渣于螺旋叶片间摩擦消耗的功率为：

= （2-11）
由于我设计的离心机的螺旋采用的是垂直于转鼓壁的形式，故螺旋输送器推卸沉渣所消耗的总功率为：

=（2-12）

=67.5（0.15+0.15+0.71）
=67.5 KW
2.1.6离心机功率确定
上述各种离心机的功率计算，都不是在同一时间内存在的，因而在确定离心机功率时，不能把它们全部迭加起来，应根据离心机的结构、操作方式等具体情况来决定。
连续运转、连续加、卸料离心机
启动阶段消耗的总功率为：

KW
运转阶段消耗的总功率为：

KW
一般情况下，这类离心机常以运转阶段的总功率作为选择电机的主要依据。`
2. 电机选型

3. 带轮参数

4. 转鼓设计

表1 转鼓直径与允许的最大转速和分离因数的关系

转鼓直径m
0.2

0.35
0.4
0.45
0.6
0.8
1.0
最大转鼓转速r/min
7200
4100
3600
3200
2400
1800
1400
最大分离因数
5700
3300
2890
2550
1900
1400
1150
表一
表2 国内外主要的卧式螺旋卸料离心机的基本参数

离心机型号
转鼓直径 mm
转鼓转速 r/min
分离因数
LW400
400
2200～3550
1080～2810
LW450
450
2000～3400
1000～1900
LW500
500
2000～3200
1120～2860
LW600
600
1400～2500
660～2100
LW630
630
1400～2500
690～2200
LW800
800
1250～2000
700～1790
表二
1.1 转鼓内径的选取
转鼓的内径是离心机的主要结构参数，转鼓内径越大，其处理量也越大。但由于受材料强度、加工制造难度等因素的影响，转鼓直径增大时，离心机的转速必然降低，分离因数趋小。目前生产、使用较多的是转鼓直径为200～1000 ㎜的卧式螺旋卸料沉降离心机。
针对某厂的污水处理量，并通过查阅相关资料、调查研究国内外相近型号离心机的技术参数及国内外制造水平的差异，确定了转鼓的内径为400㎜。
1.2 长径比λ 的选取
长径比即离心机转鼓的轴向有效长度与其直径的比值。长径比越大，沉降区越长，分离效果越好，但轴功率也越大。应根据不同悬浮液的性质(主要是沉降性能)选择不同长径比，同时要与转速结合考虑。用于固液分离的卧式螺旋卸料沉降离心机，为了提高单机容量，一般λ 取值为1～4。对于易分离的物料，长径比为1～2，一般在1.5左右；对于难分离的物料，长径比为2.5～4，一般在3左右；长径比超过4时，在制造上有困难，但它是未来发展的方向。考虑直径较大的特点，如果长径比过长，则整机的长度尺寸较大，易发生振动影响使用寿命，并出于安全方面的要求。在此长径比入选为3，即转鼓的有效工作长度为1200 ㎜。
1.3 转鼓转速和分离因数的选取根据离心机工作原理，分离因数与转鼓半径的平方成正比，转速越高，分离因数越大，转鼓转速越高分离效果越好、沉渣越干、澄清液越清、轴功率亦越大，但实际操作中并不是说转速越高越好。一般来说，对于易于沉降的物料，转速提高轴功率增大，容易引起机械故障或推渣困难，造成物料堵塞。因此要根据进料状况和分离效果等因素来选择合适的转速(分离因数)。
分离因素：被分离的物料在离心力场中所受的离心力和它所受的重力的比值，称为分离因数，即：

式中 ——离心力场中物料的质量（kg）
——转鼓角速度：
——转鼓内半径：

2 转鼓转速N 和分离因数r F 的检验初选转鼓转速N=3000r/min，D=400mm，转鼓材料为1Cr18Ni9Ti 为例，转鼓直径与允许的最大转速和分离因数的关系见表1。
由于,（其中ω —离心机的角速度； r F 为离心机的分离因数；r 为转鼓的内半径。） 计算得到ω =314.16rad/s， F r =1068.56N。
由表1 可知转鼓直径与允许的最大转速和分离因数之间的关系。由于F r =1282.3＜2890，并且根据表2 可知转速N=2500r/min 在允许的范围内，所以可以初步证明本设计中转鼓转速N 和分离因数F r 在强度方面的选取是正确的。

5. 螺旋输送器设计
6. 差速器设计
7. 调速系统设计
8. 外形以及零部件设计及校核