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    LW1200 ×1980N 卧式螺旋卸料沉降离心机研制

    来宝网2007年11月2日 10:07 点击:2290

    孙克栋 胡丽莉 陈正满 敬晓辉 赵同彪


    摘 要:  介绍了LW1200 ×1980N 卧式螺旋卸料沉降离心机的性能参数、结构原理、设计计算以及制造工艺。
    关键词:  离心机;生产能力;分离因数;驱动功率
    1  概述
        目前,国内卧式螺旋卸料离心机的转鼓公称?#26412;?#22823;部分在ª600mm 以下。由于离心机结构的特殊性,转鼓公称?#26412;?#170;1000mm 以上的卧式螺旋卸料离心机,设计和制造都有非常大的?#35759;?因此国内还没有生产厂家。根据离心机的行业发展趋势,离心机必然向大型化方向发展。针对市场的要求,我公司于1999 年开始研制LW1200 ×1980N卧式螺旋卸料沉降离心机,2002 年4 月17 ?#36213;?#20013;国石油辽阳石化分公司聚酯一厂PTA 装置上试运行,一次试车成功。经半年多的运行,对该设备的功率消耗、分离效率、和振动特性等进行了多次检测,其指标符合相应国家标准,性能与进口设备相同。
    2  性能参数及结构原理
    2.1  结构原理
        卧式螺旋卸料沉降离心机结构原理见图1 ,高速旋转的转鼓内有同心安装的输料螺旋, 转鼓与输料螺旋同向旋转, 但两者之间有?#27426;?#30340;转速差,该转速差由差速传动系统产生。悬浮液经中心的加料管进入转鼓, 悬浮液中大部分固体颗粒在离心力作用下沉降到转鼓内壁并被输料螺旋推送而?#26377;?#31471;排出转鼓, 澄清后的液体从转鼓另?#27426;?#30340;溢流口排出。

    2.2  性能参数
        离心机的性能参数见表1。

    3  设计计算
    3.1  计算数据
    结构参数(见图2) 为:
    转鼓内径D = 1200mm;
    转鼓内液面内径D0 = 1050mm;
    转鼓转速n = 900r/ min;
    圆锥段转鼓长H1 = 628mm;
    圆柱段转鼓长H2 = 1356mm;
    圆锥段转鼓半锥角α= 10.6 °;
    沉降区长度L = 1757mm。
    物料参数为:
    粘度μ= 8.1 ×10 - 4Pa·s ;
    固相密度ρs = 1530kg/ m3 ;
    ?#21512;?#23494;度ρf = 1085kg/ m3 ;
    临界颗粒?#26412;禿e = 15 ×10 - 6m。

    3.2  生产能力计算[1 ]
        沉降离心机的生产能力是指在满足分离液澄清度或沉渣含湿量要求前提下的进料流量。柱锥形转鼓的螺旋卸料沉降离心机的生产能力为:
    Q =ζug ∑f ( k0) = 108 (m3/ h)
    式中 ζ———修正系数
    ζ= 16164 (Δρρf) 0.3359 (de/L) 0.3674 = 0.169
     Δρ———固、?#21512;?#23494;度差
     ug ———重力沉降速度, ug = Kd2e =(Δρg/18 u)d2e
       ∑———当量沉降面积,
        ∑=(πω2/g)[ H2 (1.5 R2 + 0.5 r21)+ H1 (3 r21+ R2 + 2 Rr1/6) ]
     f ( k0) ———与k0 = r1/ R 有关的函数,
    f ( k0) =(1/2)k0 (1 - k0) 2/1 - k0 + k01n k0
     r1 ———溢流层表面半径, r1 = 01525m
     R ———转鼓的内半径, R = D/ 2
    3.3  分离因数的计算[1 ] :
    分离因数是离心力与重力的比,即
    Fr = Rω2/g= 543.3
    式中 ω———转鼓的角速度,ω= 2πn/ 60
    3.4  转鼓强度计算[2 ] :
    (1) 材料的许用应力:
    [σ] = 0.5σs = 0.5 ×210 = 105(MPa)
    [σ] = 0.33σB = 0.33 ×510 = 168.3 (MPa)
    取其小者,许用应力为[σ] = 105MPa
    (2) 转鼓应力:
    1) 转鼓圆筒部分
      空转鼓旋转时鼓壁内的环向应力:
    σ1 = 10 - 9 qρ1 R22
    ω2 = 26.2 (MPa)
    式中 q ———对不开孔转鼓的开孔系数, q = 1
     ρ1 ———转鼓材质密度,ρ1 = 7.9g/ cm3
     R2 ———转鼓平均半径, R2 = 611mm
      物料载荷离心力产生的鼓壁环向应力:
    σ2 = 10 - 9ω2 [ρ2 ( R21- R23) r1/ (2δZ) ] = 11.08 (MPa)
    式中 ρ2 ———物料的密度,ρ2 = 1.085g/ cm3
     R1 ———转鼓内半径, R1 = 600mm
     R3 ———物料环内半径, R3 = 525mm
     δ———转鼓壁厚,δ= 22mm
     Z ———加强箍系数, Z = 1
      圆筒部分应力:
    σt= (σ1 +σ2) / k = 39.24(MPa)
    2) 转鼓锥体部分
      空转鼓旋转时鼓壁内的环向应力:
    σ1 = 10 - 9 qρ1 R22
    ω2 = 26.2 (MPa)
      物料载荷离心力产生的鼓壁环向应力:
    σ2 = 10 - 9ω2ρ2 ( R21- R23) r1/ (2δcosβ) = 11.26 (MP)
      锥段应力:
    σt= (σ1 +σ2) / k = 39.43(MPa)
    取其大者σt = 39.2MPa < [σ] = 105MPa ,转鼓强度满足要求。
    3.5  驱动功率计算
        离心机所需要的功?#25163;?#35201;包括以?#24405;?#20010;方面的功率: (1) 启动转鼓等转动部件所需的功率N1 ;(2) 启动物料达到操作转速所需的功率N2 ; (3) 克服支撑轴?#24515;Σ了?#38656;的功率N3 ; (4) 克服转鼓以及物料与空气摩?#20102;?#38656;的功率N4 ; (5) 卸出物料所需的功率N5 。
    在启动?#38181;?#28040;耗的总功率为:
    N = N1 + N3 + N4
    由于启动时间不一样, 启动时消耗的总功?#23460;?#19981;一样,具体功?#25163;?#35265;表2 :

    在运转?#38181;?#28040;耗的总功率为:
      N = N2 + N3 + N4 + N5= 32.5 + 3.34 + 5.45 + 25.73 = 67(kW)
    4  制造工艺
    4.1  转鼓的两端半轴坯料的制备
        转鼓半轴的材质为0Cr18Ni11Nb , 坯材为铸件。这种材料抗拉强度σb = 210MPa ,比普通的?#29575;?#20307;不锈?#25351;?#32422;30MPa 。就其结构和材质而言,铸造过程中容易产生冲砂、?#24615;印⒄成啊?#32553;孔、疏松?#28909;?#38519;。采用了自硬化树酯砂造型新工艺,严格控制浇铸温度,在热节大的地方设置了补缩冒口,控制冷?#27492;承?取得了较好的效果。
    4.2  各零部件的机械加工
    (1) 外转鼓组件的加工:为保证离心机转鼓和螺旋卸料器的运动精度, 外转鼓组件的尺寸精度和同轴度、垂直度形位公差必须严格控制。转鼓水平段和锥?#21351;?#36710;销加工过程中必须进行翻转才能完成全部加工过程。由于装卡应力的影响,用常规的卡盘爪装卡方式无法保证工件的圆柱度和两端面的同轴度和平?#21368;取?#21033;用胎具装卡能较好地解决了这一难题。
    (2) 细长深孔的加工:在两转鼓半轴上共有5个供润滑和密封检漏的细长深孔, ?#26412;?#20026;Φ10mm,孔最长为1260mm。这种细长深孔的加工是非常困难的。小径深孔的加工的最大?#35759;?#26159;冷却排屑困难,位置不易保证,对于不锈钢材质更是困难。我们自行研制了一套深孔冷却冲洗系统,并获得了成功。
    4.3  内转子制造
    从内转子结构上可以看出制造主要有下列三个难点:
    (1) 叶片成形,特别是圆锥?#25105;?#29255;的成形;
    (2) 焊接中变形的控制,焊接后定形处理;
    (3) 叶片外廓的加工和检验。
        根据我们的国产化经验, 以往的失败主要是内转子制造上遇到困难, 一是叶片的特定角度不好保证,其次是加工后的变形。现在,在制造内转子时设计制造了大量的工装模具。首先将分段的叶片毛坯车削加工成合适的外廓, 在成型工装上?#21046;?#39044;成形,成形后的叶片分组用定形工装校形卡牢,随同工装一起进?#21368;?#24418;热处理。定形后的叶片再与内转?#26377;?#31570;组对焊接。
        在组对焊接之后,将叶片用拉筋固定,焊接中严格控制焊接?#25215;?#21644;焊接线能量, 从而防?#36141;?#25509;变形。焊接全部完成后,再次进行热处理定型,消除焊接应力。
        在加工叶片外廓时,先制造一个样板,用样板检验,以保证内转子锥?#25105;?#29255;外廓的锥角符合设计要求。
    5  总结
        LW1200 ×1980N 卧式螺旋卸料沉降离心机经实际应用,样机运行情况良好,这证明设计加工技术可行。

    (来源: 来宝网 )


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