卧螺过滤离心机液压螺旋差速器的设计.pdf

机械 设 计与 制造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 4期 2 0 1 4年 4月 卧螺过滤 离心机液压螺旋差速器的设计 王琪 1 ,2刘琳 ， 袁明新 ， 黄伟彬 1 舡 苏科技大学 机械工程学院， 江苏 镇江2 1 2 0 0 3 ； 2 舡 苏华大离心机制造有限公司， 江苏 张家港2 1 5 6 0 0 摘 要 液压螺旋差速器是卧式螺旋卸料过滤离心机的关键部件。 通常的机械式差速器结构复杂、 加工精度要求高， 差转 速唯一， 液压螺旋差速器结构简单、 传递扭矩大、 差转速无级可调。根据卧式螺旋卸料过滤离心机的使用要求， 进行了液 压螺旋差速器的结构设计， 确定了低转速大扭矩计算方法。对关键部件液压马达、 放置联轴器和接管座进行了结构设计 分析， 同时， 对液压螺旋差速器的液压与电子系统的控制与调节进行了分析设计。最后， 通过试验分析， 对具有液压螺旋 差速 器的卧式螺旋卸料过滤 离心机特性进行 了分析 ， 确认 了其使 用性能。 关键词 卧式螺旋卸料过滤离心机； 液压螺旋差速器； 结构设计与分析 中图分类号 T H1 6 ； T Q 0 5 1 ． 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 4 0 0 9 2 0 4 Ho r i z o n t a l S p i r a l Di s c h a r g i n g F i l t e r i n g Ce n t r i f u g e Hy d r a u l i c Di f f e r e n t i a l S p i r a l De s i g n WA N G Q i ， L I U L i n ， Y U A N Mi n g - x i n ， H U A N G We i - b i n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， J i a n g s u Z h e n j i a n g 2 1 2 0 0 3 ， C h i n a ； 2 ．J i a n g s u H u a d a C e n t r i f u g a l Ma c h i n e Ma n u f a c t u r i n g C o ． ， kd ． ， J i a n g s u Z h a n g j i a g a n g 2 1 5 6 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t H y d r a u l i c d if f e r e n t i a l s p i r al a r e k e y c o m p o n e n t s i n h o r i z o n t al s p i r al d is c h a r g i n g fi l t e r i n g c e n t r if u g e ．T h e u s u al me c h a n i c al d if f e r e n t i a l s t r u c t u r e c o m p l e x p r o c e s s i n g a c c u r a c y r e q u i r e m e n t i s h i g h ， d if f e r e n t i al s p e e d b e i n g o n l y ， a n d 6 t r a n s mi s s i o n t o r q u e h y d r a u l i c d iff e r e n t i al s p i r al s t r u c t u r e i s s i m p l e a n d d iffe r e n t i a l s p e e d a d j u s t a b l e and s t e p l e s s ． A c c o r d i n g t o t h e h o r iz o n t a l s c r e w d i s c h a r g e fil t e r i n g c e n t r if u g e s u s e r e q u i r e m e n t ， i t d e s i g n s t h e h y d r a u l i c d iffe r e n t i a l s p i r a ]s t r u c t u r e ， and t h e l o w s p e e d h i g h t o r q u e c al c u l a t i o n me t h o d i s d e t e r m i n e d ． K e y c o m p o n e n t s o fh y d r a u l i c m o t o r p l ace d c o u p l i n g a n d o v e r ar e are a n al y z e d i n s t r u c t u r a l d e s i g n ，a t t h e s a me t i m e ，t h e h y d r a u l i c d iffe r e n t i al s p i r a l h y d r a u l i c and e l e c t r o n i c s t e m s of c o n t r o l and r e g u l a t i o n i s ana l y z e d a n d d e s i g n e d ． F i n al l y ， t h r o u g h t h e t e s t a n a l y s is ， h y d r a u l i c s c r e w d iffe r e n t i al c h a r act e r i s t i c s o f h o r i z o n t al s c r e w u n l o a d i n g fih e r i n g c e n t r if u g e are ana l y z e d a n d i t c o r m e d i t s u s e p e ff o r ma n e e ． Ke y W o r d s Ho r i z o n t a l S p i r a l Di s c h a r g i n g Fi l t e r i n g Ce n t r i f u g e ；Hy d r a u l i c Di ffe r e n t i a l S p i r a l ；S t r u c t u r e De s i g n a n d An a l y s i s 1引言 近年来，卧式螺旋卸料过滤离心机因分离因数高，且体积 小、 产量大、 脱水效率高、 滤饼干及运转费用低等优点， 而成为了 研究的热点 ， 液压螺旋差速器是它实现内外转子差速运转的一 个重要的关键部件， 它具有结构紧凑， 传输功率大的特点。目前 ， 在国外的应用较普遍，不仅应用于建筑行业的各类大型机械上， 而且利用其特有的缓冲性和柔软性也应用于卧式螺旋卸料过滤 离心机中， 文献 因其制造成本相对较大， 价格偏高， 一般用户较 难接受。这类离心机在我国市场上很少见， 国内常见的都是用电 或机械的方式来控制离心机中的差速器。文献同 等针对 N C系列 差速器的结构原理进行了详细阐述 ； 文献 讨了国产化液压差 速器在卧螺离心机上的应用 ， 表明使机器制造使用成本降低使国 产离心机具备了与国外竞争的实力。文献_司 歹 0 出了离心机配置液 压差速器的优点和与一般离心机的对比和应用。以输出扭矩为 4 4 6 0 N M的液压螺旋差速器作为研究对象， 介绍了液压螺旋差速 器的结构设计， 无冲击导轨曲线的设计 ， 旋转联轴器的密封原理 以及差速器配油工作的原理， 液压螺旋差速器的控制与调节。 2液压螺旋差速器的设计 2 ． 1液压螺旋差速器的输出扭矩的设计计算 液压螺旋差速器的额定输出扭矩是决定差速器能够提供离 心机螺旋卸料器满足完成一定产量的排料能力的参数 ， 确定这些 参数值后， 才能对差速器的各部件进行准确的设计。所需的输出 扭矩决定于所配主机的工作能力。要确定这个参数 ， 必须根据转 鼓与螺旋的结构特点。 螺旋叶片母线垂直于转鼓母线和螺旋叶片 母线垂直于转鼓回转轴线。 1 螺旋叶片垂直于转鼓回转轴线的情况 ①克服沉降物离心力沿转鼓母线分力所需的扭矩 ． Gn 2 ． H t a n a N g M 1 g an ‘ ②克服沉降物与转鼓壁摩擦力所需的扭矩 来稿 日期 2 0 1 3 1 0 1 7 基金项目 江苏省科技支撑计划项目 B E 2 0 1 2 0 8 0 ； 江苏科技大学研究生创新计划项目的资助 1 0 2 0 8 0 3 0 4 作者简介 王琪， 1 9 6 2 一 ， 男， 江苏盐城人， 博士， 教授， 硕导， 主要研究方向 机械设计制造及其自 动 特种装备设计与制造技术； 刘琳， 1 9 8 6 一 ， 男， 江西宜春人， 硕士研究生在读， 主要研究方向 数字化设计与制造技术 第 4期 王琪等 卧螺过滤 离心机液压螺旋差速 器的设计 9 3 M 0 4 R ， gain ‘ O s ④ 兜服沉降物干 “ 螺旋之 的扭Ⅺ 4 ．3 舯z 酣 2 螺旋 叶片 r t J 转鼓锥段母线情况 2 3 ①克服沉降物离心 沿转鼓圆锥段 线方向分力所需的扭 ㈦ I ff ,j 汁算 ② 兜服} ， C 降物t j 转鼓 摩擦力所需的扭矩 fw g M 4 克服沉降物和螺旋之 J 自 扭 Ms 1． Ⅱ 5 謦速器输 ⋯的 I 作手 儿 为上述 i 项之 和， 即 M Ml A ， 2 Mj 6 r } G 一离心机} C 降物排“ 艟； R ，_离心机的特征半径，对于 锥形转鼓墩平均 R b ／ 2 ； R 一内径； 6 一螺旋叶片宽 度 m ； 一螺 旋卸料段水平 长度 m J ； Z一螺 旋叶片周 数； 一 沉降物 鼓 或螺旋杆内筒 及沉渣与螺旋叶片 的 系数， 2 _ 2液压螺旋差速器的结构设计 液J 螺旋差速器 f { 1 内 线 导轨式lf t 塞滚子驱 动液压 马达 、 旋转联轴器干 “ 接锊鹰t夫郝分组成， 盘 1 所永 左端盖 2和存 端盖4央持导轨 3彤成 一 T ‘ 作腔，转了 1 0在活塞 1 1 上的滚子 1 2的往复作川 f 下做 转运动，左端盖通过螺栓连接到离心机的 外转鼓 L，输Ⅲ轴 1 通过矩彤花键连接刮离心机的内螺旋 l ， 转子的带动 F 驱动螺旋转动 配油盘 6通过一 定位键机械地连接 导轨 轮 L， f i f 通过 组弹簧 ， 紧密地靠在转子的端面上 ， 使其 端 } 的油孔 j 转于非常良好的连通， 速器的动静转换是通过 一 液 旋转联轴 器 9完成的 来 h外苜液压站的液压进 H ； 油管通 过一接管 7 j 『人 】 部的油管 8 连接 1液 螺旋趁谴 毖小 中 句 示意冈 F i g ． I Hy dr a u l i c 。1 i f f e r n t i a l S p i r a l S t r u ’| u r e Dia g r a m 装 离心机转于 的螺旋 速器与外 的液压站以及渊 控制装 一起卡 勾 成 一 个先整的驱动系统 导tf t i t l l 线的没汁足低速大抓 液 螺旋差速器的主要没计 部分， 在 确选川材料卡 加 ] 方法的条件下差速器的寿命主要取 决于导轨 线的没、 1‘ f q内一 々家从l 大 l I l l1 线导轨的接触疲劳强 度进仃分析， 提f f ； r等接触臆力『 } I { 线I ， f 【 ll 是 丁该曲线形式比较 复杂， 实际『 J I I 1 过程r t ， ， 往往不能达到精度婴求 不能广泛应 川 为扶得肜 简单， 没_仃冲击的导轨内f l I 1 线对简谐运动f m 线的 幅值干 ” d 期进“修 ，将修1 后的曲线作为羞速器 轨的内曲 线 其 傲 标 h 为 I 6 ． 7 x [ I o s 8 ． 3 7 2 x t J 9 8 ， 4 3 r r ／ 1 8 0 S 9 8 4 3 r r ／ l 8 0 ￡ ≤r r ／ 4 2 ． 3液压螺旋差速器的关键部件设计 液 螺旋麓速器主要I I I 液 马达I “ ” 、 放置联轴器和接管座 等三在部分组成 1 液J _li 达是一种变 积径 往塞 马达 ． 此液压马达r h 一 液压站 动 『 K I I I 经接僻 7进 人油管的内腔． 通过一液 旋 转联轴器9进人， 低损牦情况 I 通过 定轴和进H ； 油接管座体 输送到 配流 盘 6 ， t q - 经眦流蕊 I 的油孔 ， 依次进 人转 _『的油 缸内 作用 _ r 堪 1 I ， 拊动朴摩 外运动 ， 迪使钍塞向外 菥倾斜 的盘 形凸轮轨迹移动 ， 轨 轮 2传递卜 h 佳塞 力施 性塞滚 _f 1 2㈨ 力． ． 这个力的切阳分力迫他转f 1 0旋转Iq此转子 的 油缸交淤地 液 进油系统的高_『 1 i 和壳体的低压接通．． 转子转过 一 定的 『 f j 度 ， 端 i ft 的汕孔 fl L ； lt l 盘 lc f t g lt HL 接通 ， 岛 油 进入低 油 ． 铃的外 通过l l fi l l 符⋯刮f II 1 箱内 存液压 油的几 作 F， 使得转 r干 先体之Ii 1 J 的产生旋转运动、 2 转 始终各有 4个配油孔 配油盛的进油孔和 h t ih 4 L 分 别相连 ， 离J K i t h 绛 { I { j 髓进入转 于的油缸 ． 何 4个佳寒 罔 2 f 1 4 、 5 、 9 、 1 0 通过滚f 时作川丁 轨的一侧， 迫使转子朗一个方 向运转 ，”外彳 『4个拄崔 时存 轨的另一侧 0配流蕊卡 } j 通 ， 卸 载流进低 腔 尚J f 油借助于液 旋转联轴器从静J l _ fl ,J 接僻鹰流 人马达的旋转部分 、 lI 作Gff , 尢 力油 通过接锊 体流唧液压 站。液 螺旋蔗速器外端 连接 螺旋卸料过滤离心机的转鼓 上， 转f连接离心f J 【 的螺旋推料器 卜．转子 负载ff ,J ff t] 下油压 发 变化． 通过拎 洲系统转换后转速 无级可调 当负茼增加时 ， 系 统 力增J J I 】 ， 莽迷度也 l l g Z 提舟， J】 l l快 r 卸渣的速度 ，这样， 就在 可州的篪速池⋯内 动螺旋， 它 j 转鼓的转速无火 轩 l 2 速器 湘 1 作啄 罔 l g ． 2 W‘ k i n g l ’ r i l i l ’ f }f t h e Di f f t I t l t i a l Oi l 1 i s t r i b u t i o n Di a g r a m 3 液J 旋转联轴器足 i 装 篪速器旋转系统r t l 自 勺 球头偏 一 、体通过一 蚁锥f f ii ff ,J 怂浮环 ‘ j 静止的补偿帽村 1 连， 此补偿帽具 有球向顶端 联轴 1 ． - I i, t 滑动什卡 H ft ． 之问』 力足平衡的， 时 互相始终保持卉线性接触， 达纠常封的H的． ． 悬浮环在球头偏心 体和球ff i N “ 偿I l 做滑移 地摆动， 此能将接触点 J 的摩擦痕 迹随时 新修平， 始终保持良好的晰封状念， 盘 I 1 3所永 机 械 设计 与 制造 No ． 4 Ap r ． 2 01 4 转鼓和加料泵电机。②当油温超过 7 0 。 时， 关闭油泵电机， 接着关 、 闭转鼓和加料泵电机。左述删-1 丁t - 不--意图， 如图5所示。 图3旋转联轴器密封原理 F i g ．3 Ro t a t i n g S e a l Co u p l i n g P r i n c i p l e 3液压螺旋差速器的控制与调节 差速器工作需配置液压工作站， 液压站基本工作原理， 如图 4所示。电机驱动油泵 8 ， 通过配有高压滤清器 5的控制箱 6 ， 将 泵出的油流经旋转联轴器输送到螺旋驱动装置的液压螺旋差速 器 1 中； 工作后回流的油通过冷却器7后再流回到油箱 9中。控 制模块按事先规定好的参数调节特性曲线， 控制输送到螺旋驱动 装置中的流量。螺旋差速器和液压站之间用高压软管连接。 1 ． 螺旋差速器 2 ． 旋转联轴器 3 ． 压力开关 4 ． 压力表 5 ． 滤清器 6 ．控制模块 7 冰冷却器 8 ． 油泵 9 ．油箱 图4 液压控制原理图 F i g ．4 Hy d r a u l i c Co n t r o l l r i n c i p l e Di a g r a m 液压螺旋差速器的控制与调节包括数字或模拟调节差速。 数字调节允许用手工进行调节固定的差速。 在某个可调的预先调 整压力 螺旋扭矩 下， 差速会很快的上升到顶限。模拟调节允许 用手工进行调节固定的差速 基本转速 △ n 。当压力 螺旋扭矩 上升的时候， 差速会逐渐的增长。差速增长的出发点 调节点 J p I ， 即基本差转速 是可变的而且差速的增长率 也是可调的。 以上的两种调节系统的油泵和转鼓驱动均设有安全保险开 关。 压力开关用于防止系统超载， 不至引起机械损坏。 调整阀门的 开关压力高于转鼓驱动开关压力， 当转矩超过 的时候 转鼓堵 塞 ， 转鼓驱动“ 关闭” 。转鼓转速下降到某个程度， 离心力下降， 料渣对转鼓的径向压力下降， 螺旋继续旋转， 将沉渣卸出。 堵塞的 离心机亦可做不卸料的空运转。 3 ． 1液压调节系统 1 压力调节系统。液压调节系统模块用来将差速的压力或 扭矩直接反馈到系统中。 利用液压调节机构设定预先拟定的 3 个 压力调节值 P I 、 P 2 和 P 3 调整差速度，当压力超过 P 2 设定值时进 料泵阀门关闭； 压力超过 设定值时关闭转鼓驱动电机， 以达到 安全运行的目的。 2 温度调节系统。有两种紧急功能设置联接在压力传感器 的压力开关。 ①当油位太低时， 开关立即关闭油泵电机， 接着关闭 图 5差速调节示意图 Fi g ．5 Di f f e r e n t i a l Re g u l a t i o n o f S c h e ma t i c Di a g r a m 3 ． 2电子调节系统 电子调节控制箱用一只比例阀控制液压站工作。输送给螺 旋驱动装置的压力介质流量， 相当于施加在阀门线圈上的控制电 流。另外配有一只电子压力传感器， 在电子显示器和调节器插件 箱上显示出测得的压力和扭矩。电子显示器可以显示下列参数 1 差速 通过转速传感器 ； 2 转鼓转速 通过转速传感器 ； 3 系统的液压压力 通过压力传感器 。 操作盘上的电位计可以调出预先规定的3个调节值，电子 调节在最低转速范围内也能达到精确的调节而且能集成较大的 控制系统。P L C控制系统简图， 如图6所示。 电位计 图 6 P L C控制系统简图 F i g ．6 A Di a gra m o f PL C C o n t r o l S y s t e m 4新型液压螺旋差速器离心机的特f生 分析 经试验，所设计的新型液压螺旋差速器直接安装在卧式螺 旋卸料过滤离心机旋转部分的总成上。 它可以实现任何工况条件 下的从零到最大差速度间的无及调速，差速度的控制精确无误。 相对同类机械式差速器体积更小质量更轻， 自适应能力更强。因 此， 所配备新型液压螺旋差速器的离心机具有以下特性 1 低转速高扭矩 ， 不易堵料。传统的机械差速器的差速是 依靠转鼓与螺旋的转速共同决定的， 转速较高。由于采用固定差 速所以一旦悬浮液的进料量或含固量不稳定时，易造成机械差速 器的损坏， 从而使离心机发生堵料。 差速反馈调节， 推料功率自动补偿功能， 当负载发生变化时， 它会自 动调整输出的转矩与差速， 从而使离心机不易堵料。而且同样的差 速器， 液压螺旋差速器的转矩是机械差速器转矩的 2 ～ 3 倍。 2 易于实现无级变速。传统的机械差速器， 一般输出的转 睡 No ． 4 A p r ． 2 0 1 4 机 械 设 计 与制 造 9 5 矩是固定的， 不易调整。 如果要调整转鼓与螺旋的差速， 必须先停 机然后在更换皮带轮。 但液压螺旋差速器可以通过改变液压油的 流量， 很容易的加以调整。转鼓与螺旋之间的差速不需要停机就 可以任意调整。 3 差速小易分离难以分离的物料。液压螺旋差速器的差速 可以达到 1 ～ 1 0 r ／ mi n ， 也就是说转鼓与螺旋的最小差速可以再 1 2 r ／ mi n的条件下进行工作，而一般机械差速器做不到这一 点。因此机械差速器不能处理的难分离物料， 液压差速器可以同 样 的进行分离 。 4 无齿轮传动， 无需重调， 没有因超负荷而使零件破坏， 一 只安全栓确保安全运行， 无扭矩震动一液力阻尼， 直接阅读扭矩 和差速 。 5 不论何时泥饼湿度总是最小使干燥器的负荷降至最小 程度。改善分离率处理后的液体比较清洁。 5结论 差速器是螺旋卸料离心机实现螺旋与转鼓间形成差速运动 的主要部件之一。通常的机械式差速器结构复杂 、 加工精度要求 高， 差转速唯一。液压螺旋差速器是将液压技术应用到传统的差 速器中， 其结构简单、 传递扭矩大 、 差转速无级可调， 可充分改善 离心机工作转矩的功效执行。研究的液压螺旋差速器技术要点 1 将内曲线液压马达原理应用于差速器中， 利用液压系统的可 变压力传递扭矩 ， 适应螺旋卸料离心机负荷大、 负载变化不一的 特点。 2 试验选择合适的内曲线凸轮运动轨迹 ， 使差速器负载变 动最合理。 3 端面配油技术的研究。 通常的内曲线液压马达配油 是采用径向配油的方法， 当静止的配油芯轴与旋转的转子配合面 之间因磨损等原因间隙增大时， 系统会产生漏油， 效率降低。 本技 术将采用端面配油的方法， 配油盘通过一组轴向弹簧作用始终与 转子密封接触 ， 不会因零件磨损而产生漏油现象。 4 旋转密封装 置。 通常的液压密封常选用橡胶密封圈或机械密封。 橡胶密封因 磨损容易产生泄漏， 而机械密封装置又结构复杂， 而且体积偏大。 本项 目研制的球形悬浮密封装置不仅密封组合件的结构紧凑 、 可 靠、 占用空间少、 零件少、 易拆卸维修而且对于提高差速器的使用 寿命极为有利。 参考文献 l 1 J Mi h a i l B o i a n g i u ， T e o d o r S i ma ， A u r e l A l e c u ． F l e x i o n mo v e me n t a n a l y s i s o f h o r i z o n t a l c e n t r i f u g e s r o t o r s h a v i n g t h e b a s k e t b e t w e e n t h e b e a r i n g s [ D] ． T h e D i s s e r t a t i o n o f P o l i t e h n i c aU n i v e r s i t y o f B u c h a r e s t ， 2 0 1 0 1 2 ． 1 2 j F e n g Hu i ， Z h a n g J i a n r u n ， Z h o u H u i ． T h e D y n a mi c a n a l 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] 杨永亮 ． 基于有限元的车床床 身结构优化 [ D] ． 大连 大 连理 1 二 大学 ， 2 0 0 6 ． Ya n g Yo n g-l i a n g ．Th e s t r u c t u r a l o p t i mi z a t i o n o f l a t h e- b e d b a s e d o n fi n i t e e l e me n t [ D] ．D ali a n Da l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 夏玲玲， 袁军堂， 汪振华． K V C 1 0 5 0 N立式加工中心有限元分析与模态 试验 【 J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 2 1 1 8 2 0 ． Xi a L i n g l i n g ， Y u a n J u n t a n g ， Wa n g Z h e n - h u a ．F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s a n d mo d a l t e s t o f a v e rt i c a l ma c h i n i n g ． e n t e r o f K VC I O 5 0 N t y p e l J J ． Me c h a n i c a l d e s i g n ＆m a n u f a c t u r e ， 2 0 1 2 1 l 8 2 0 ． [ 6 ] 傅志方， 华宏星．模态分析理论与应用[ M] ． 上海 上海交通大学出版 社 ， 2 0 0 0 ． F uZ hi - F a n g ， Hu aHo n g - x i n g ．Th e o r y a n dAp pl i c a t i o n o f Mo d a l An a l y s i s l M j ． S h a n g h a i S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 0 ． [ 7 ]张力 ， 林 建龙 ， 项辉宇 ．模 态分析与实验 [ M] ． 北京 清华大学 出版 社 ， 2 0l 1 ． Z h a n g L i ． L i 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