(通過(guò)審核)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)位畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)食品加工工業(yè)攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)正文

1、沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文1緒論1.1攪拌的目的和功用1.1.1攪拌的作用攪拌操作是通過(guò)攪拌器的作用，使流體物料在攪拌槽內(nèi)按一定的流型流動(dòng)，從而達(dá)到使物料混合或分散均勻的目的。在食品、纖維、造紙、石油、水處理等工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌作為工藝流程的一部分獨(dú)立存在。攪拌操作可以使兩種或者多種不同的物質(zhì)在彼此之中相互分散，從而達(dá)到均勻混合，同時(shí)加速傳熱和傳質(zhì)的過(guò)程。在工業(yè)生產(chǎn)尤其是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，無(wú)論是加熱、冷卻、液體萃取、氣體吸收等物理變化，還是化學(xué)工藝中的種種化學(xué)變化，都是以物質(zhì)的充分混合為前提，往往需要采用攪拌操作才能得到很好的效果。攪拌設(shè)備 是工業(yè)中專門用于實(shí)施攪拌行為的設(shè)備，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。攪拌

2、設(shè)備主要由攪拌裝置、軸封和攪拌罐三大部分組成。攪拌設(shè)備的主要作用是達(dá)到使物料均勻混合、強(qiáng)化傳熱的效果，對(duì)于具體的攪拌過(guò)程還可以使氣體在液相中很好地分散、固體粒子在液相中均勻懸浮、不相溶的某一液相均勻懸浮或者充分乳化、以及強(qiáng)化相間的傳質(zhì)。1.1.2攪拌的功用在工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌操作一般具有下列功用:1、使互溶物料均勻混合。2、使不互溶物料很好地分散或懸浮，包括氣相在液相中的均勻分散、固相顆粒在液相中的均勻懸浮、一種液相在另一種液相中的均勻懸浮或充分乳化。3、強(qiáng)化傳熱或傳質(zhì)過(guò)程。正因?yàn)閿嚢璨僮骶哂猩鲜龉τ茫湓诠I(yè)生產(chǎn)特別是在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛，是常見(jiàn)的單元操作之一。由于本課題所涉及的生化反應(yīng)

3、中需要菌體、酶和廢水充分混合，而且在有氧生化反應(yīng)中有熱量放出。而攪拌可以使物料均勻混合和增大傳熱系數(shù)，從而可以促進(jìn)反應(yīng)熱快速地傳出，防止物料的局部過(guò)熱，保證細(xì)菌的活力。（圖1.1）攪拌設(shè)備示意圖1.2攪拌設(shè)備和工藝的發(fā)展雖然攪拌設(shè)備的使用歷史悠久，應(yīng)用范圍較廣泛，但對(duì)攪拌以及攪拌設(shè)備的相關(guān)研究還不是十分深入。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝性隨客觀條件的不同及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而變化。影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝性的因素大致有生產(chǎn)類型，制造條件，工藝技術(shù)的發(fā)展三個(gè)方面。1、生產(chǎn)類型 生產(chǎn)類型是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝性的首要因素。當(dāng)單件、小批生產(chǎn)零件時(shí)，大都采用生產(chǎn)效率較低、通用性較強(qiáng)的設(shè)備和工藝裝備，采用普通的制造方法，因此，機(jī)器和零

4、部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)與這類工藝裝備和工藝方法相適應(yīng)。在大批大量生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)必須與采用高生產(chǎn)率的工藝裝備和工藝方法相適應(yīng)。所以，在單件小批生產(chǎn)中具有良好工藝性的結(jié)構(gòu)，往往在大批量生產(chǎn)中，其工藝性并不一定好，反之亦如此。因此當(dāng)產(chǎn)品由單件小批量生產(chǎn)擴(kuò)大到大批量生產(chǎn)時(shí)，必須對(duì)其結(jié)構(gòu)工藝性進(jìn)行審查和修改，以適應(yīng)新的生產(chǎn)類型的需要。2、制造條件 機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)必須與制造廠的生產(chǎn)條件相適應(yīng)。具體生產(chǎn)條件應(yīng)包括：毛坯的生產(chǎn)能力及技術(shù)水平；機(jī)械加工設(shè)備和工藝裝備的規(guī)格及性能；熱處理的設(shè)備及能力；技術(shù)人員和工人的技術(shù)水平；輔助部門的制造能力和技術(shù)力量等。3、工藝技術(shù)的發(fā)展 隨著生產(chǎn)不斷發(fā)展，新的加工設(shè)備和工藝方法不斷

5、出現(xiàn)。精密鑄造、精密鍛造、精密沖壓、擠壓、鐓鍛、軋制成形、粉末冶金等先進(jìn)工藝，使毛坯制造精度大大提高；真空技術(shù)、離子氮化、鍍滲技術(shù)使零件表面質(zhì)量有了很大的提高；電火花、電解、激光、電子束、超聲波加工技術(shù)使難加工材料、復(fù)雜形面、精密微孔等加工較為方便。1.3攪拌裝置的組成攪拌裝置是攪拌設(shè)備的主體部分，其中包括傳動(dòng)裝置，攪拌軸，攪拌器。攪拌設(shè)備中具有獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般有電動(dòng)機(jī)，減速裝置，聯(lián)軸器以及攪拌軸統(tǒng)一組成。攪拌設(shè)備選用電動(dòng)機(jī)一般根據(jù)攪拌需要確定系列，功率，轉(zhuǎn)速以及安裝形式，防爆要求等幾項(xiàng)內(nèi)容。電動(dòng)機(jī)有D2，T2，D2/T2，L3，D2/L3等幾種不同的安裝形式，常用的電動(dòng)機(jī)有一般異步電動(dòng)機(jī)

6、，變速異步電動(dòng)機(jī)，防爆異步電動(dòng)機(jī)。由于攪拌器的轉(zhuǎn)速比電動(dòng)機(jī)的速度要低的多，所以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中必須要有一定的減速裝置。不同的減速裝置也決定了攪拌器傳動(dòng)方式的不同。常用的減速裝置有齒輪減速機(jī)，渦輪減速機(jī)，三角皮帶以及擺線針齒行星減速機(jī)等。設(shè)計(jì)人員在減速機(jī)的具體選型過(guò)程中主要應(yīng)參考以下幾個(gè)方面的因素：1、 出軸旋轉(zhuǎn)方向單向或雙向2 、攪拌軸軸向力方向以及減速機(jī)是否承受軸向力3 、傳動(dòng)比，功率，進(jìn)出軸的轉(zhuǎn)速。兩軸的相對(duì)位置4、 防爆或非防爆5、 外型尺寸需要滿足安裝與檢修的要求6 、工作平穩(wěn)性，如震動(dòng)和載荷變化情況連軸器與攪拌軸的設(shè)計(jì)，是攪拌設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中先后需要經(jīng)理選型，功率計(jì)算，強(qiáng)度計(jì)算軸徑計(jì)

7、算等環(huán)節(jié)。（圖1.2）攪拌設(shè)備裝置示意圖（圖1.3）常規(guī)攪拌設(shè)備內(nèi)部（圖1.4）一般攪拌設(shè)備總體安裝外部（圖1.5）組合式攪拌設(shè)備2攪拌器總體設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)計(jì)劃2.1.1設(shè)計(jì)要求攪拌操作是應(yīng)用最廣泛的化工單元操作之一。例如在食品、染料、制藥、油漆等生產(chǎn)中，幾乎所有的反應(yīng)裝置都裝有不同類型的攪拌裝置。攪拌能使物料產(chǎn)生流動(dòng)，分散，細(xì)微化，從而可以增加接觸面積，降低界面阻力，以促進(jìn)傳質(zhì)過(guò)程的進(jìn)行。攪拌能增加傳熱速率，提高傳熱系數(shù)，促進(jìn)傳熱過(guò)程。在激烈的溫度變化和濃度變化的場(chǎng)合，通過(guò)攪拌充分混合，可以消除局部過(guò)熱和局部反應(yīng)，防止較多副產(chǎn)物的生成。在固一液系統(tǒng)中攪拌可防止顆粒沉降，促進(jìn)固體顆粒的溶解。在

8、吸附和結(jié)晶過(guò)程中，攪拌能增加表面吸附作用，以及析出均勻的結(jié)晶等。總之?dāng)嚢璨僮髋c反應(yīng)、傳熱、吸附、溶解、結(jié)晶等單元操作均有密切的關(guān)系。 本次設(shè)計(jì)的攪拌器主要是特定針對(duì)液體-液體和液體-溶解固體混合攪拌，假設(shè)在一個(gè)食品加工廠需要安裝在一個(gè)特定攪拌容器里不間斷攪拌能夠互溶液體原料（主要是水密度液體）。使原料水、液體原料和少量的完全溶解固體原料成分充分均勻的拌和。攪拌容器內(nèi)壁光滑，沒(méi)有加熱棒和導(dǎo)流設(shè)備，D=3m，H=3m,液面高不高于2.6m不低于2m容器內(nèi)無(wú)擋板和倒流槽。液體原料由容器上部裝入下部排出，少量固體原料在攪拌過(guò)程中由容器上部裝料口裝入，需要注意的是在攪拌過(guò)程中不能使液體流量過(guò)快以避免液體

9、由于過(guò)于劇烈流動(dòng)而使液體中混入大量空氣和使原料局部溫度升高導(dǎo)致整體溫度不平衡。在食品加工工業(yè)中有很多需要攪拌設(shè)備的工序，最普遍的例如飲料、飲品的加工制作，食品提純、稀釋等。在本次設(shè)計(jì)中我們還針對(duì)特定的場(chǎng)合在完成設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)對(duì)攪拌器的設(shè)計(jì)提出了下列要求：1、 為了經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越，出于節(jié)省能源的目的，所設(shè)計(jì)的攪拌器的攪拌功率盡可能小。2、 攪拌效果也就是排液量盡可能大，這樣可以使整個(gè)容器中的液體充分的攪拌均勻，最好效果的完成攪拌。為了盡可能的設(shè)計(jì)出符合本次設(shè)計(jì)要求的設(shè)備，我們首先要根據(jù)本次要求進(jìn)行完整的初步設(shè)計(jì)，然后在經(jīng)過(guò)不斷的設(shè)計(jì)優(yōu)化。2.1.2設(shè)計(jì)步驟及程序制定攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格

10、的設(shè)計(jì)步驟。其原因主要有兩點(diǎn)：1工業(yè)中應(yīng)用體系的混合目的、物料性質(zhì)和攪拌設(shè)備形式的多樣性，以及物料在攪拌設(shè)備中流動(dòng)的復(fù)雜性。2 缺乏公認(rèn)的攪拌效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)難以在一個(gè)嚴(yán)密的理論指導(dǎo)下完成，在很大程度上仍依賴于經(jīng)驗(yàn)。 攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)首先要考察過(guò)程目標(biāo)，對(duì)過(guò)程的體系、性質(zhì)、要求的目標(biāo)進(jìn)行了解。然后從攪拌器 設(shè)計(jì)角度分析攪拌任務(wù)的尺度和難度。所謂尺度是指攪拌體系中物料的量。所謂難度是指達(dá)到攪拌效果所需要克服的阻力。在此基礎(chǔ)上可選定攪拌器的型式， 葉輪尺寸，轉(zhuǎn)速及所需功率。然后確定攪拌器的安裝尺寸及附件等。攪拌器設(shè)計(jì)好之后還要在滿足工藝條件的要求下從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行優(yōu)化。攪拌器的設(shè)計(jì)基本程序

11、一般為：攪拌條件的設(shè)定和確認(rèn)攪拌葉輪型式及附件的選定。確定葉輪尺寸及轉(zhuǎn)速，計(jì)算攪拌功率。 物料性質(zhì)從有關(guān)圖表資料中查出該物料系統(tǒng)的相關(guān)物理、化學(xué)性質(zhì)。如粘度、密度 等。任務(wù)攪拌任務(wù)的基本內(nèi)容包括：明確被攪拌的物料系統(tǒng)；攪拌操作所要達(dá)到的目的；攪拌物料的處理量(間歇操作按一個(gè)周期的批量、連續(xù)操作按時(shí)班或年處理量)；明確有無(wú)化學(xué)反應(yīng)、有無(wú)熱量傳遞等。攪拌器選型目前尚無(wú)完善的客觀尺度，往往在同一攪拌目的下，幾種攪拌器均可適用。實(shí)際選用時(shí)，首先應(yīng)考慮在達(dá)到攪拌目的的同時(shí)，力求消耗較小的功率。根據(jù)攪拌葉輪的一般選擇原則，在葉輪選定之后，還應(yīng)考慮葉輪直徑的大小與轉(zhuǎn)速的高低。攪拌器的選型不能滿足于從同類工藝

12、中借鑒，還應(yīng)根據(jù)任務(wù)要求具體分析。攪拌裝置機(jī)械設(shè)計(jì)中各項(xiàng)程序簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：1 確定操作參數(shù)：攪拌器操作的壓力和溫度、攪拌的容積和時(shí)間、連續(xù)或間歇操作、葉輪的直徑和轉(zhuǎn)速、物料的有關(guān)性質(zhì)和物料系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，都屬于操作參數(shù)，而最基本的目的則是要通過(guò)有關(guān)參數(shù)，計(jì)算攪拌的雷諾數(shù)，確定流動(dòng)類型，進(jìn)而計(jì)算功率消耗。2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在確定攪拌器類型和操作參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容是確定葉輪構(gòu)型的幾何尺寸、攪拌槽的幾何形狀和尺寸。3 功率計(jì)算：攪拌槽的功率計(jì)算包括兩個(gè)步驟：第一步 確定攪拌的凈功率消耗；第二步 確定適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)額定功率，進(jìn)而選用適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)。4 傳熱計(jì)算：攪拌操作過(guò)程中存在熱量傳遞時(shí)

13、，應(yīng)進(jìn)行傳熱計(jì)算，其主要目的是核算攪拌裝置提供的傳熱面積是否滿足傳熱的要求。5 機(jī)械設(shè)計(jì)：在完成上述各項(xiàng)設(shè)計(jì)程序的基礎(chǔ)上，通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)，確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行必要的強(qiáng)度計(jì)算，并提供攪拌器的全部加工尺寸，最后應(yīng)繪制零部件加工圖和總體配裝圖，以便組織加工與安裝。實(shí)際的攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)放大過(guò)程還需要進(jìn)行多次的反復(fù)計(jì)算才能設(shè)計(jì)出符合各種標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用的最優(yōu)設(shè)備。2.2攪拌器的設(shè)計(jì)2.2.1確定攪拌的種類和形狀2.2.1.1確定攪拌器的種類攪拌作為一種單元操作，涉及流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)等多領(lǐng)域知識(shí)，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的操作過(guò)程。攪拌以使攪拌介質(zhì)的各部分接近均質(zhì)為目的，操作過(guò)程中會(huì)受到許多因素的影響。但無(wú)論攪拌

14、過(guò)程如何復(fù)雜多變，無(wú)一不是通過(guò)攪拌器或者其他手段，使攪拌設(shè)備內(nèi)的流體產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)狀態(tài)，并在特定的流動(dòng)狀態(tài)中達(dá)到各種所需的攪拌目的。流動(dòng)場(chǎng)問(wèn)題和攪拌能量問(wèn)題一直是攪拌過(guò)程所研究的主要課題。不同操作目的的攪拌過(guò)程需要不同的流動(dòng)場(chǎng)、需要供給能量的多少也不同。按照攪拌介質(zhì)的相態(tài)，攪拌過(guò)程可以分為均相系和非均相系兩大類。前者為互溶液體的攪拌，后者包括不互溶液體的攪拌、氣一液相的攪拌和固一液相的攪拌.當(dāng)攪拌介質(zhì)粘度特別高的時(shí)候，其流動(dòng)狀態(tài)具有相當(dāng)?shù)奶厥庑?，所以一般又單?dú)分類為高粘度液的攪拌。總之，不同的攪拌過(guò)程對(duì)攪拌的要求有著明顯的不同?；ト芤后w的攪拌旨在使兩種或數(shù)種液體相互之間達(dá)到濃度、密度、溫度以及

15、其他物性的均勻狀態(tài)。 式（2.1）式（2.2）tm-混合時(shí)間（s）n-攪拌漿轉(zhuǎn)速（rpm）k-比例系數(shù)，決定于示蹤物的判定方式和混合終了的判定條件，一般情況取0.1dj-攪拌器直徑（mm）D-攪拌槽直徑（mm）NQd-排出流量數(shù)（m3/s）由上式判斷當(dāng)攪拌速度為11000時(shí)攪拌器直徑約為400mm1000mm之間，所以初設(shè)定攪拌器的直徑在3001000之間攪拌罐內(nèi)液體的循環(huán)速度取決于循環(huán)流動(dòng)液體的體積流量。從葉輪直接排出的液體體積流量，稱為葉輪的“排液量”。參與循環(huán)流動(dòng)的所有液體的體積流量，稱為“循環(huán)流”。由于葉輪排出流產(chǎn)生的夾帶作用，循環(huán)流可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于排液量，二者差別的大小取決于排出流的夾帶能

16、力。對(duì)于幾何相似的葉輪，其排液量Q,、葉輪直徑d和轉(zhuǎn)速。之間存在如下的關(guān)系： 式（2.3）式中Q1一葉輪的排液量，m3/sn 一葉輪的轉(zhuǎn)速，r/sd 一葉輪的直徑，m在離心泵中，壓頭(揚(yáng)程)就是離心泵對(duì)單位重量(1N)液體所提供的有效能量，單位為J/N或m。與離心泵葉輪的作用相似，攪拌器的葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)既能使液體產(chǎn)生流動(dòng)又能產(chǎn)生用來(lái)克服摩擦阻力的壓頭。一般用速度頭的倍數(shù)來(lái)表示壓頭。液體離開(kāi)葉輪的速度，于是壓頭可表示為： 式（2.4）式中 H一 壓頭，m；u 一 液體離開(kāi)葉輪的速度，m/s由于攪拌器葉輪的排液量和壓頭均與離心泵的流量和壓頭存在相似的關(guān)系，所以攪拌器葉輪所消耗的功率N和離心泵的功率計(jì)

17、算式相類似： 式（2.5）把上三式綜合可得： 式（2.6）由上式可知，攪拌功率消耗于液體在罐內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)和剪切流動(dòng)兩個(gè)方面。不同工藝過(guò)程中液體流動(dòng)方式各異，兩種流動(dòng)所消耗的功率之比也各異，常常近似地用Q/H表示兩種方式所消耗功率之比。該比值對(duì)攪拌效果具有重要意義。 式（2.7）當(dāng)功率一定時(shí)，也為定值，由此可得：將上兩式分別代入從上兩式可看出葉輪操作的基本原則，即:在消耗相同功率的條件下，如采用低轉(zhuǎn)速、大直徑的葉輪，可用增大液體循環(huán)量和循環(huán)速度，同時(shí)減少液體受到的剪切作用，有利于宏觀混合。反之，如采用高轉(zhuǎn)速、小直徑的葉輪，結(jié)果與此相反。所以初設(shè)定攪拌器的直徑dj =800mm。由于存在兩相問(wèn)題，

18、固一液相攪拌問(wèn)題要比均相液體的攪拌復(fù)雜得多。這種攪拌過(guò)程對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的要求是使固體顆粒在液相中懸浮起來(lái)不沉降，這就是要求攪拌液流的上升速度大于固體顆粒的沉降速度。固體沉降速度的影響因素除了與固一液重度差、固體顆粒幾何形狀、固相在液相中的濃度等有關(guān)，還與攪拌時(shí)流體產(chǎn)生的湍流狀態(tài)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，固一液相攪拌過(guò)程中存在一個(gè)使固相懸浮的最低攪拌轉(zhuǎn)速，其計(jì)算公式如下。這個(gè)臨界速度與固液密度差、固液相密度、液相粘度、粒徑等物性條件有關(guān)。 式（2.8） =0.086541 式（2.9）式中：K-系數(shù)，與攪拌槽形狀、攪拌器形式與尺寸有關(guān)，約為200250； D-攪拌槽的內(nèi)徑（m）； dp-固體顆粒直徑（m）；

19、-固體顆粒與液體密度差（g/cm3）； -液體密度（g/cm3）； -液體粘度（cp）； VP-固體顆粒的真實(shí)體積（m3）； VP。-固體顆粒視體積（m3）；由于使固體充分混合在液體中所需要的流動(dòng)速度和實(shí)際需要速度差距很大，所以可以不考慮。當(dāng)氣體從攪拌器下部通入攪拌槽內(nèi)，會(huì)形成逐漸增大的氣泡從槽底上升。當(dāng)進(jìn)行攪拌并將轉(zhuǎn)速提高到一定的程度時(shí)，在槳葉附近由于剪力和動(dòng)壓變動(dòng)的力使氣體分散為更小的氣泡，并隨著液體的循環(huán)流動(dòng)而散布到槽的全部容積內(nèi)。氣泡的大小和數(shù)量決定了氣一液的接觸面積。液體單位體積中氣泡的表面積大小以及達(dá)到這一指標(biāo)所需的攪拌操作時(shí)間，可以作為氣一液攪拌的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于一定的攪拌槽和給定

20、的氣體空槽速度，攪拌器有一個(gè)最低的使用轉(zhuǎn)速。同樣，在一定的攪拌轉(zhuǎn)速下氣體流速也有一個(gè)最適宜的范圍，在此范圍氣一液的分散效果較為理想。粘度反映了流體運(yùn)動(dòng)時(shí)剪切應(yīng)力和剪切速度梯度的比值關(guān)系。攪拌器攪拌低粘度液時(shí)，在槽內(nèi)造成湍流狀態(tài)并不困難，但是當(dāng)粘度上升到一定數(shù)值，由于粘滯力的影響液體只能出現(xiàn)層流狀態(tài)，而且層流也只能出現(xiàn)在槳葉的附近，離槳葉遠(yuǎn)些的高粘度液體仍然是靜止的。高粘度液體攪拌的首要問(wèn)題就是要解決液體流動(dòng)和循環(huán)的問(wèn)題5。此時(shí)不能依靠增大攪拌轉(zhuǎn)速來(lái)提高攪拌器的循環(huán)流量，如果轉(zhuǎn)速過(guò)高還會(huì)在高粘度液體中形成溝流，周圍液體仍然為死區(qū)。若要使槳葉能夠推動(dòng)更大范圍的液體，在設(shè)計(jì)攪拌設(shè)備的過(guò)程中需要注意相

21、應(yīng)增大攪拌器直徑與槽徑之比與槳葉寬度與槽徑之比，有時(shí)還需要增加攪拌器的層數(shù)，以增大攪拌的范圍。以上各類攪拌過(guò)程存在一定的共性和各自的特點(diǎn)，攪拌槽內(nèi)對(duì)流循環(huán)的流動(dòng)狀態(tài)也有一定的差異，這些是由攪拌過(guò)程的目的及物料性質(zhì)所決定的.2.2.1.2攪拌器的形狀不同型式的攪拌器能夠提供不同的流動(dòng)場(chǎng)、供給相應(yīng)的能量，進(jìn)而達(dá)到一定的攪拌目的。攪拌器的攪拌作用是通過(guò)槳葉不停歇的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，槳葉的形狀、尺寸、數(shù)量以及轉(zhuǎn)速都會(huì)不同程度地影響著攪拌器的功能。攪拌介質(zhì)的物性差異、攪拌器在攪拌槽內(nèi)的安裝位置以及攪拌器的工作環(huán)境，都會(huì)在一定程度上對(duì)攪拌器的功能產(chǎn)生影響。其中攪拌器的工作環(huán)境，包括攪拌槽的形狀尺寸、擋板的

22、設(shè)置情況、物料的進(jìn)出方式等方面。攪拌介質(zhì)物性方面的因素已在上文加以了一定的闡述，本節(jié)將主要討論工作環(huán)境對(duì)攪拌器功能的影響。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)攪拌器的過(guò)程中，務(wù)必考慮攪拌介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)、攪拌器與攪拌槽徑的幾何關(guān)系，以及攪拌器排出性能、剪切性能與混合性能等多方面的因素。典型的機(jī)械攪拌器型式有槳式、渦輪式、推進(jìn)式、錨式、框式、螺帶式、螺桿式等。攪拌器按槳葉形狀可分為三類，即平直葉、折葉和螺旋面葉。槳式、渦輪式、錨式和框式等攪拌器的槳葉為平直葉或折葉，而推進(jìn)式、螺帶式和螺桿式攪拌器的槳葉則為螺旋面葉。根據(jù)攪拌操作時(shí)槳葉主要排液的流向(又稱流型)，又可將攪拌器分為徑流型葉輪和軸流型葉輪兩類。平直葉的槳式、渦

23、輪式是徑流型，螺旋面葉的推進(jìn)式、螺桿式是軸流型，折葉槳面則居于兩者之間，一般認(rèn)為它更接近于軸流型。 平直葉單槳式 折葉槳式 圓盤渦輪式 推進(jìn)式 特殊框式式（圖2.1）幾種典型的攪拌葉槳形式平葉的槳面與運(yùn)動(dòng)方向垂直，即運(yùn)動(dòng)方向與槳面的法線方向一致。折葉的槳面與運(yùn)動(dòng)方向成一個(gè)傾斜角度。，一般0為45“或600 ,螺旋面葉是連續(xù)的螺旋面或者是其中的一部分，槳葉曲面與運(yùn)動(dòng)方向的角度逐漸變化。對(duì)于平直葉型攪拌器，由于槳葉的運(yùn)動(dòng)方向與槳面垂直，所以當(dāng)槳葉低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流體的主體流動(dòng)為水平環(huán)向流動(dòng)。當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)速增大時(shí)，流體的徑向流動(dòng)將逐漸增大，槳葉轉(zhuǎn)速越高，由平直葉排出的徑向流則越強(qiáng)，而此時(shí)槳葉本身所造成的軸向

24、流仍是很弱的。對(duì)折葉攪拌器，由于槳面與運(yùn)動(dòng)方向成一定傾斜角B,所以在槳葉運(yùn)動(dòng)時(shí)，除有水平環(huán)向流外，還產(chǎn)生軸向分流。在槳葉轉(zhuǎn)速增大時(shí)，還有漸漸增大的徑向流。螺旋面可看成許多折葉的組合，這些折葉的角度逐漸變化，所以螺旋面所造成的流向也有水平環(huán)向流、徑向流和軸向流，其中軸向流最大 。在選擇攪拌器時(shí)，應(yīng)考慮的因素很多，最基本的因素是介質(zhì)的粘度、攪拌過(guò)程的目的和攪拌器能造成的流動(dòng)狀態(tài)。由于流體的粘度對(duì)攪拌狀態(tài)有很大的影響，所以根據(jù)攪拌介質(zhì)粘度的大小來(lái)選型是一種基本的方法。一般隨著粘度的提高，各種攪拌器的使用順序?yàn)橥七M(jìn)式、渦輪式、槳式、錨式、螺帶式和螺桿式等。根據(jù)攪拌過(guò)程的目的來(lái)選擇攪拌器是另一種基本的方

25、法。低粘度均相流體混合消耗功率小、循環(huán)容易，是難度最小的一種攪拌過(guò)程，只有當(dāng)攪拌槽的容積很大并且要求混合時(shí)間很短時(shí)才比較困難。由于推進(jìn)式攪拌器的循環(huán)能力強(qiáng)并且消耗功率小，所以最為適用。而渦輪式攪拌器因其功率消耗大，其雖有高的剪切能力，但對(duì)于這種混合過(guò)程并無(wú)太大的必要，所以若用在大容量槽體的混合就不太合理。槳式攪拌器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在小容量流體混合中仍廣泛采用，但在大容量槽體混合時(shí)，其循環(huán)能力就有點(diǎn)不足了。由于槳式攪拌器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，制造簡(jiǎn)便并易于表明其尺寸，故廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)中，并且由上表可知槳式攪拌器能夠滿足生化反應(yīng)中的對(duì)流循環(huán)混合和強(qiáng)化傳熱的要求，所以選擇槳式攪拌器。根據(jù)具體條件

26、對(duì)比選擇大體形狀為如圖的形式攪拌器。（圖2.2）雙平直槳結(jié)構(gòu)示意圖此類型為最基本的一種槳型，低速時(shí)為水平環(huán)流型，層流區(qū)操作：高速時(shí)為徑流型。上下循環(huán)流，湍流強(qiáng)，適用于低粘度液的混合、分散、固體懸浮、傳熱、液相反應(yīng)等過(guò)程。2000cp，n=1100rpm，V150m/s。2.3攪拌器的具體參數(shù)確定2.3.1功率的計(jì)算任何一種型式的攪拌器在具有一定物性的介質(zhì)中以一定的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，必須依靠一定的動(dòng)力才能獲得理想的流動(dòng)狀態(tài)并完成操作達(dá)到預(yù)期的攪拌目的。攪拌過(guò)程中所需要的的動(dòng)力就是攪拌器的功率。通常情況視達(dá)到攪拌目的所消耗的軸功率為攪拌過(guò)程從攪拌器得到的功率，而不討論這種能量供給的是否過(guò)多或過(guò)少，

27、是否為系統(tǒng)的最佳狀態(tài)。攪拌器功率實(shí)際上包括著兩個(gè)不同而又有一定內(nèi)在聯(lián)系的概念，即攪拌器功率和攪拌作業(yè)功率。以一定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的攪拌器對(duì)攪拌介質(zhì)進(jìn)行攪拌時(shí)，對(duì)液體作功并使之發(fā)生流動(dòng)。使攪拌器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的功率就是攪拌器功率。攪拌器功率應(yīng)該是攪拌器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、物料物性參數(shù)以及攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)等的函數(shù)，其中不包括機(jī)械傳動(dòng)與軸封部分所造成的動(dòng)力消耗。2.3.1.1影響攪拌器功率的因素?cái)嚢杵鞯墓β逝c槽內(nèi)造成的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，影響流動(dòng)狀態(tài)的因素必然是影響攪拌器功率的因素。其中包括：1、攪拌器的幾何參數(shù)與運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)：槳徑d、槳寬b、槳葉角度e、槳轉(zhuǎn)速n、槳葉數(shù)量2，槳葉距離槽底的安裝高度c等。2、攪拌槽的幾何參數(shù)

28、：槽內(nèi)徑D，液體深度H，擋板寬度W，擋板數(shù)量z,，以及導(dǎo)流筒的有關(guān)尺寸等。3、攪拌介質(zhì)的物性參數(shù):液相密度p、液相粘度cP、以及重力加速度q等。以上的許多參數(shù)都直接會(huì)對(duì)攪拌形成的流動(dòng)狀態(tài)以及攪拌器功率造成一定的影響。根據(jù)前面所計(jì)算，初設(shè)定攪拌器的轉(zhuǎn)速n=100r/min計(jì)算攪拌器外緣線速度： 式（2.10）攪拌器旋轉(zhuǎn)角速度 式（2.11）2.3.1.2雷諾數(shù)的計(jì)算攪拌過(guò)程中我們使用雷諾數(shù)來(lái)表示流體粘滯力對(duì)流動(dòng)的影響，以此表示液體的流動(dòng)狀態(tài)雷諾數(shù)。根據(jù)雷諾數(shù)Re數(shù)值的大小范圍，攪拌槽流動(dòng)狀態(tài)可劃分為層流、過(guò)渡流和湍流等三種情況。當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)速很低的時(shí)候，Re的數(shù)值很小，流動(dòng)處于層流狀態(tài);加速后Re的

29、值有所增大，在Re10的時(shí)候，液體流動(dòng)呈現(xiàn)為湍流狀態(tài)。攪拌液體達(dá)到湍流狀態(tài)，液體的軸向流動(dòng)增加，攪拌的效果比較理想。所以當(dāng)流動(dòng)處于層流區(qū)域內(nèi)時(shí)，攪拌器功率與液體粘度成正比，與槳葉轉(zhuǎn)速的二次方、槳徑的三次方也都成正比。Re的數(shù)值在30-10范圍的時(shí)候，攪拌處于過(guò)渡流區(qū)域.此時(shí)的功率因數(shù)曲線隨著Re的變化而呈現(xiàn)出曲線狀的變化。在這一區(qū)域中，各種槳型攪拌器的曲線并不一致，且存在比較大的差異。如果攪拌棺內(nèi)沒(méi)有安裝擋板，隨著Re數(shù)值的增大液面中心將出現(xiàn)漩渦。 式（2.12）n-攪拌器轉(zhuǎn)速（rpm）dj-攪拌器直徑（m）-液體密度（kgfs2/m4）-液體粘度（kgfs/m2）永田公式計(jì)算雷諾數(shù)： 式（2

30、.13）=8.0163=8.0163Rc臨界雷諾數(shù)，即：湍流和層流轉(zhuǎn)變點(diǎn)的雷諾數(shù)。初步計(jì)算的雷諾數(shù)符合已知條件，由兩中方法計(jì)算的雷諾書相差在合理范圍之內(nèi)，取整為Re=8。 雷諾數(shù)控制在10以內(nèi)，攪拌時(shí)液體處于層流狀態(tài)，攪拌效果比較理想。2.3.1.3攪拌器功率計(jì)算攪拌功率的目的有兩個(gè)方面，一是為了解決一定型式的攪拌器能向被攪拌介質(zhì)提供多大功率的問(wèn)題，以滿足攪拌過(guò)程的要求，并選配合適的電機(jī)。二是為攪拌器強(qiáng)度的計(jì)算提供依據(jù)，以保證槳葉、攪拌軸的強(qiáng)度。關(guān)于攪拌功率計(jì)算的公式很多。許多專家進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，有的得到了實(shí)驗(yàn)曲線，整理出算圖，有的從理論推出了與實(shí)驗(yàn)基本吻合的公式。算圖主要有Rushton算圖

31、(推進(jìn)式、渦輪式和槳式)。日本永田進(jìn)治等人根據(jù)在無(wú)擋板直立圓罐中攪拌時(shí)“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”半徑的大小及槳葉所受的流體阻力進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了一些系數(shù)而得出雙葉攪拌器功率的計(jì)算公式。 式（2.14）當(dāng)有全擋板條件時(shí)的攪拌功率是最大功率，這時(shí)液體中沒(méi)有“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”攪拌器時(shí)葉片所變的液體阻力最大。但本次設(shè)計(jì)中沒(méi)有擋板，在湍流區(qū)由于反應(yīng)器中液體出現(xiàn)“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”，因而葉片所變的液體阻力較低，故攪拌功率也低。永田公式 雖然是雙葉槳式的功率計(jì)算式，但沒(méi)有列出槳徑、槳葉寬度和折葉角度的限制，可以允許這些參數(shù)有較大的變化范圍，這就使它的應(yīng)用很方便。作者又驗(yàn)證了在湍流區(qū)時(shí)多種攪拌器在槳徑相同時(shí)

32、，只要槳葉寬度和槳葉數(shù)量的乘積相等，即一定，它們的功率相等。作者還驗(yàn)證了罐內(nèi)槳葉安裝高度在湍流區(qū)對(duì)功率影響很小。 代入： 式（2.15） 攪拌功率=5.00917（kw） 2.3.1.4電動(dòng)機(jī)功率攪拌設(shè)備的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、減速裝置、軸聯(lián)節(jié)以及攪拌軸等獨(dú)立組成。在設(shè)計(jì)攪拌設(shè)備的過(guò)程中，主要是依據(jù)電動(dòng)機(jī)系列、功率、轉(zhuǎn)速以及安裝型式和防爆要求等幾項(xiàng)內(nèi)容來(lái)選用電動(dòng)機(jī)。攪拌器由靜止啟動(dòng)，槳葉需要克服自身的慣性，以及槳葉推動(dòng)液體的慣性和液體的摩擦力。攪拌器在全擋板條件下操作時(shí)，消耗的運(yùn)轉(zhuǎn)功率最大，近似等于從湍流到層流的轉(zhuǎn)變點(diǎn)臨界雷諾數(shù)Re下的攪拌功率，這個(gè)功率在數(shù)值上幾乎和攪拌器開(kāi)始瞬間的功率相等。也就

33、是說(shuō)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)功率和運(yùn)轉(zhuǎn)功率近似相等。所以選擇電機(jī)時(shí)不必以啟動(dòng)功率為準(zhǔn)，應(yīng)以攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)功率作為電機(jī)功率的選擇基準(zhǔn)，并對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與密封機(jī)構(gòu)方面的功率損失予以一定的考慮。電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算公式如下： 式（2.16）其中根據(jù)初步設(shè)計(jì)裝置的結(jié)構(gòu)，得出機(jī)械傳動(dòng)效率： 由于選用的攪拌器槳板為平直葉雙槳式，所以槳板的工作效率相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低，但如以上所論證，平直葉雙槳式有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍廣、攪拌低密度液體效率高、對(duì)軸和其他附件要求低等明顯特點(diǎn)，所以槳板的工作效率相對(duì)考慮的要少一些。固選擇平直葉雙槳式攪拌器符合實(shí)際要求。查表得槳板機(jī)械效率： 2.3.2攪拌器槳葉的校和和優(yōu)化一般通過(guò)分析受力情況，確定危險(xiǎn)截面

34、，再計(jì)算槳葉的厚度。由離心力引起的拉應(yīng)力可忽略不計(jì)。計(jì)算槳葉強(qiáng)度時(shí)的最大功率： 式（2.17）式中啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)過(guò)載系數(shù)（從電動(dòng)機(jī)特性表查出K=2.1）傳動(dòng)機(jī)械效率；電動(dòng)機(jī)功率；（kw）。2.3.2.1攪拌器的強(qiáng)度校合平直葉雙槳式攪拌器如圖所示，槳葉斷面如圖所示。 （圖2.3）平直葉雙槳式攪拌器結(jié)構(gòu)示意（圖2.4）槳葉斷面圖在攪拌器強(qiáng)度計(jì)算中，對(duì)于加強(qiáng)肋的槳葉除驗(yàn)算I-I斷面外，還須驗(yàn)算：II-II斷面（在槳長(zhǎng)的1/2處）。分別驗(yàn)算如下：I-I 斷面彎矩：（kgcm）式（2.18）式中計(jì)算槳葉強(qiáng)度時(shí)的最大功率（kw）II-II 斷面彎矩：（kgcm）式（2.19）單側(cè)有加強(qiáng)肋的槳葉斷面模數(shù)：其中

35、 H斷面高度（cm）； =7-2.3696=4.6304(cm) =2.3696-1.2=1.1696(cm) =56.059(cm3)I-I和II-II斷面的彎曲應(yīng)力及校核：(kg/cm2) 式（2.20） 式中 或斷面的彎矩； 或斷面的抗彎截面模數(shù)；材料的許用彎曲應(yīng)力。代入數(shù)值計(jì)算得：所以 ，槳葉設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。2.3.2.2攪拌器的設(shè)計(jì)優(yōu)化在機(jī)械設(shè)計(jì)中，如果評(píng)定某個(gè)設(shè)計(jì)方案好壞僅涉及一項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，則稱為單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是實(shí)際上，對(duì)于一個(gè)零件、部件、機(jī)構(gòu)或分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，常常期望幾項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最有值，這就提出了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。優(yōu)化目標(biāo)之間通?；ハ嘀萍s，要想同時(shí)使目標(biāo)都得到優(yōu)化，因此

36、必須進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在工程實(shí)際中存在大量的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，此類問(wèn)題往往比較復(fù)雜，目前求解這一類問(wèn)題的方法還不夠完善，最主要的有兩大類：一類時(shí)把多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)或一系列單目標(biāo)問(wèn)題求解作為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)解；另一類是直接求非劣解，然后從中選擇較好解。攪拌器的乘除法優(yōu)化設(shè)計(jì)：如果能將q個(gè)目標(biāo)分為兩類：一類屬于費(fèi)用類，如成本、材料、人力、重量等；表現(xiàn)為目標(biāo)函數(shù)值越小約好；另一類屬于效果類，如產(chǎn)量、效率、利潤(rùn)等，表現(xiàn)為目標(biāo)函數(shù)值越大約好。對(duì)于這種情況，其統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)可取為： 式（2.21）式中s-q個(gè)目標(biāo)函數(shù)中的屬于費(fèi)用類的目標(biāo)函數(shù)總數(shù)。然后，再求統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)： 式（2.22）的最有解，此即

37、為原多目標(biāo)問(wèn)題的最終解答。攪拌器優(yōu)化設(shè)計(jì)中的攪拌功率和扭矩都屬于費(fèi)用類，而排液量的大小就屬于效果類。數(shù)學(xué)模型的建立概述設(shè)計(jì)變量：攪拌器的轉(zhuǎn)速n，攪拌槳的直徑d，反應(yīng)罐的內(nèi)徑D，槳葉的寬度b，液面高度H。目標(biāo)函數(shù)：攪拌功率盡可能小，攪拌軸所受的扭矩盡可能小，排液量盡可能大。約束條件：約束條件有雷諾數(shù)的大小約束、反應(yīng)罐內(nèi)的流體體積的大小約束、槳葉的幾何比例約束、轉(zhuǎn)速約束、葉端線速度等。設(shè)計(jì)公式： 式（2.23）由于所以排液量的大小可以用nd3的大小來(lái)衡量。攪拌軸的扭矩?cái)嚢枥字Z數(shù)： 反應(yīng)罐內(nèi)的流體體積： 葉端線速度：優(yōu)化數(shù)學(xué)模型綜上所述，可得如下的數(shù)學(xué)模型：設(shè)計(jì)變量：攪拌器的轉(zhuǎn)速n，攪拌槳的直徑d,

38、 反應(yīng)罐的內(nèi)徑D，槳葉的寬度b，液面高度H。目標(biāo)函數(shù)：用乘除法建立多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)如下約束變量： 雷諾數(shù)的大小條件：反應(yīng)罐的容積的范圍：攪拌槳的直徑和反應(yīng)罐的內(nèi)徑的比例范圍：攪拌槳的寬度和直徑的比例范圍攪拌槳的轉(zhuǎn)速的范圍 葉端線速度的范圍4) 優(yōu)化的結(jié)果如下:初始點(diǎn)：X0=80，0.8，0.18T得全局最優(yōu)解：X*=101.0657，0.8038， 0.1516T圓整為：X*=100.0000，0.8000， 0.1500T（圖2.5）平直雙葉攪拌槳確定攪拌器部分具體尺寸如下：Dj=800mmh=60mmh1=40mmm=100mmd=40mmc=140mm=15mm2.4軸的設(shè)計(jì)攪拌

39、軸是攪拌設(shè)備中實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)槳葉運(yùn)動(dòng)的主要組件，軸的設(shè)計(jì)是攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要壞節(jié)。攪拌軸的計(jì)算主要是確定軸的最小截面尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算，以便保證攪拌軸能夠安全平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)。以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時(shí)考慮制造工藝問(wèn)題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。軸一般由軋制圓鋼或鍛件經(jīng)切削加工制造。軸的直徑較小，可用圓鋼棒制造；對(duì)于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，可采用鍛坯。為節(jié)約金屬和提高工藝性，直徑大的軸還可以制成空心的，并且?guī)в泻附拥幕蛘咤懺斓耐咕?。?duì)于形狀復(fù)雜的軸（如凸輪軸、曲軸）可采用鑄造在機(jī)械工程應(yīng)用的材料，按用途的不同，可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料通常是指工程上要求

40、強(qiáng)度、韌性、硬度、塑性、耐磨性等機(jī)械性能的材料。功能材料是指具有電、光、熱、磁等功能和效用的材料。按材料結(jié)合件的特點(diǎn)及性質(zhì)，一般可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)材料三大類。其中金屬材料是機(jī)械工程中最常用的材料，可分為黑色金屬材料和有色金屬材料。黑色金屬材料是鐵基金屬合金，包括碳鋼、鑄鐵及各種合金鋼。其余的金屬材料都屬于有色金屬材料。（圖2.6）零件實(shí)物圖2.4.1軸材料的選用 軸的材料常用材料是優(yōu)質(zhì)碳素鋼。對(duì)于受力較大、軸的尺寸和重量受到限制以及有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼。但在一般工作溫度下，合金鋼的彈性模量與碳素鋼相近，所以，只為了提高軸的剛度而選用合金鋼是不合適的。合金結(jié)構(gòu)鋼是在

41、碳素結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上加入適量的一種或幾種合金元素而形成的，它比-碳素結(jié)構(gòu)鋼的綜合性能要好，是合金鋼中用量最大的一類鋼，廣泛應(yīng)用于制造各種重要的機(jī)器零件和各類工程結(jié)構(gòu)。根據(jù)工作條件要求，軸可在加工前或加工后經(jīng)過(guò)整體或表面處理，以及表面強(qiáng)化處理（如噴丸、輥壓等）和化學(xué)處理（如滲碳、滲氮、氮化等），以提高其強(qiáng)度（尤其疲勞強(qiáng)度）和耐磨、耐腐蝕等性能。對(duì)于受載較小或不太重要的軸，也可用Q235、Q275等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。當(dāng)零件的形狀復(fù)雜、截面尺寸較大、機(jī)械性能較高、滲透性較好時(shí)，采用碳素結(jié)構(gòu)鋼常常難于滿足要求，而合金鋼由于合金元素的作用，能夠明顯地提高強(qiáng)度、韌性和耐磨性，并具有良好的淬透性。對(duì)于大型零件，由

42、于合金結(jié)構(gòu)鋼淬透性較高，能夠在零件整個(gè)大截面上淬透而得到均勻一致的良好的綜合機(jī)械性能，既有高強(qiáng)度又有足夠的韌性。因此，強(qiáng)度、韌性要求均高的重要零件或截面尺寸較大、形狀復(fù)雜的零件采用合金結(jié)構(gòu)鋼制造比較理想。合金結(jié)構(gòu)鋼通常需要熱處理，以獲得良好的綜合機(jī)械性能，按其含碳量和熱處理工藝的不同，可將合金鋼分為合金調(diào)質(zhì)與滲碳鋼兩類。合金調(diào)質(zhì)鋼含碳量在0.250.5%范圍內(nèi)，一般采用淬火和高溫回火的調(diào)質(zhì)處理，可以得到高強(qiáng)度和足夠的韌性，為進(jìn)一步提高零件表面的耐磨性，對(duì)某些中碳合金調(diào)質(zhì)剛可在調(diào)質(zhì)后進(jìn)行氮化處理。合金調(diào)質(zhì)鋼的淬透性直接影響調(diào)質(zhì)處理后的綜合機(jī)械性能，因此，選材時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮其臨界淬透性直徑與工件表面的

43、截面尺寸的協(xié)調(diào)。合金調(diào)質(zhì)鋼多用于制造高強(qiáng)度、高韌性、綜合機(jī)械性能優(yōu)良的重要零件，如齒輪、各種軸（發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、機(jī)床主軸）及高強(qiáng)度連接螺栓。 軸的材料優(yōu)質(zhì)碳素鋼型號(hào)很多，常用材料是35、45、50，最常用的是45鋼。本次設(shè)計(jì)由前面對(duì)軸強(qiáng)度的計(jì)算中沒(méi)有特別的要求，故本設(shè)計(jì)所采用的軸的材料為45鋼。又由前面的攪拌器的計(jì)算可以規(guī)定攪拌軸徑為40mm。2.4.2軸的計(jì)算在確定攪拌軸軸徑時(shí)，應(yīng)該注意使攪拌軸能夠同時(shí)滿足強(qiáng)度和剛度計(jì)算的兩個(gè)條件。在一般情況中，剛度條件下計(jì)算所得的軸徑應(yīng)該比由強(qiáng)度條件計(jì)算得到的軸徑要稍大一些。通常對(duì)攪拌軸來(lái)說(shuō)，應(yīng)主要以剛度條件確定軸徑。如果由剛度條件確定的數(shù)值與由強(qiáng)度條件確定的

44、數(shù)值相差很大的時(shí)候，應(yīng)該考慮改變軸的材質(zhì)，也就是選用強(qiáng)度較差的材料，當(dāng)然材料改變后，攪拌軸仍然需要滿足強(qiáng)度條件的要求。尤其是在轉(zhuǎn)速較低功率較大的情況下，強(qiáng)度條件是不可忽視的。2.4.2.1攪拌軸的強(qiáng)度計(jì)算攪拌軸在工作過(guò)程中承受扭轉(zhuǎn)和彎曲聯(lián)合作用，其中以扭轉(zhuǎn)作用為主，工程應(yīng)用中往往使用近似的方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。首先假定軸只是承受扭矩的作用，然后使用增加安全系數(shù)降低材料許用應(yīng)力的方法來(lái)彌補(bǔ)由于忽略受彎曲作用引起的誤差.當(dāng)攪拌軸承受扭轉(zhuǎn)作用時(shí)，軸截面上產(chǎn)生剪應(yīng)力。軸扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度條件是： 式（2.24）-截面上最大剪應(yīng)力-軸所傳遞的扭矩-抗扭截面系數(shù)-降低后的扭轉(zhuǎn)許用剪應(yīng)力軸扭轉(zhuǎn)材料的許用剪應(yīng)力值可以通過(guò)

45、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)獲得的屈服極限、或強(qiáng)度極限。除以安全系數(shù)來(lái)決定。由于攪拌軸除了承受扭轉(zhuǎn)作用以外，還常常受到彎曲作用，所受的不是靜載荷，因此規(guī)定的許用應(yīng)力，在數(shù)值應(yīng)該偏低一些。由上式可以計(jì)算軸的抗扭斷面系數(shù)： 式（2.25）（實(shí)心軸） 式（2.26） 式（2.27）d-攪拌軸直徑（cm）N-攪拌傳遞功率（kw）n-攪拌軸轉(zhuǎn)速（rpm）綜合公式得 式（2.28）整理得 式（2.29）令則得滿足強(qiáng)度條件的攪拌軸軸徑為由上式可以看出，系數(shù)A的數(shù)值是隨許用剪應(yīng)力變化而改變。A值不僅隨材料的不同而變化，而且與載荷性質(zhì)有著密切的關(guān)系。查軸材料與A值表可以知道45鋼為300400；A為10.69.64。2.4.2.2

46、軸的剛度計(jì)算為防止攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的扭轉(zhuǎn)變形，致使引起旋轉(zhuǎn)中造成的軸封失效，應(yīng)該將軸的扭轉(zhuǎn)變形限制在一定的范圍內(nèi)，這就需要在設(shè)計(jì)中考慮軸的剛度條件。所謂的剛度條件在工程上就是要求單位長(zhǎng)度的扭轉(zhuǎn)角 。小于許用扭轉(zhuǎn)角，由于設(shè)計(jì)條件我們知道需要設(shè)計(jì)的攪拌設(shè)備不屬于高精度穩(wěn)定攪拌也不屬于低精度攪拌傳動(dòng)，本次的攪拌設(shè)備由攪拌速度和混合精度等參數(shù)判斷應(yīng)該在一般攪拌和底精度攪拌之間選擇，一般精度攪拌所以理論上允許的應(yīng)該取0.5o1o。所以我們?cè)O(shè)定不大于0.7o。即： 式（2.30）-軸扭轉(zhuǎn)變形的扭轉(zhuǎn)角-剪切彈性模數(shù)。-截面的極慣性矩將和（實(shí)心圓柱）代如公式整理后可以得到滿足剛度要求的攪拌軸軸徑： 式

47、（2.31）B，C為系數(shù)，根據(jù)特定的角度要求我們可以查到對(duì)應(yīng)的B，C值。=0.5o1o 時(shí)查表得B，C值：B=108.5，C=0.620.52代入上式計(jì)算后取最大d值13.5371（mm）因?yàn)樵跀嚢杵鞯脑O(shè)計(jì)中根據(jù)攪拌器比例已經(jīng)規(guī)定了軸的外徑大體為40mm遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸的強(qiáng)度要求，本著節(jié)省材料不浪費(fèi)資源的原則本次設(shè)計(jì)的軸選為空心軸設(shè)計(jì)?？招妮S需要對(duì)傳遞功率進(jìn)行必要的換算，然后再進(jìn)行有關(guān)的強(qiáng)度、剛度校核。換算公式如下： 式（2.32）其中b0為換算值，根據(jù)b0值可以查表得到空心軸的內(nèi)徑和外徑比，根據(jù)前面所知道的最大功率和換算表b0取0.98770.9375之間，由于前面計(jì)算功率的時(shí)候我們已經(jīng)采取的保守

48、算法，所以我們現(xiàn)在取b0的最小值0.9375。查表我們可以知道空心軸的內(nèi)徑外徑比為1/2。所以可以確定軸的外徑為40mm，內(nèi)徑為20mm。（圖2.7）軸受力圖本次設(shè)計(jì)攪拌設(shè)備為開(kāi)放式攪拌設(shè)備，而且為中低速對(duì)低密度液體進(jìn)行攪拌，所以攪拌容器內(nèi)壓力為常壓，一般考慮三項(xiàng)受力情況。對(duì)于一個(gè)普通的攪拌軸，在其正常工作中，會(huì)承受到多個(gè)力與力矩的作用，包括扭矩，液體作用力產(chǎn)生的彎矩，軸與攪拌器重量，設(shè)備內(nèi)外壓力差造成的軸截面向上推力，攪拌器葉片產(chǎn)生軸向液流時(shí)的反推力等。攪拌軸的受力與力矩情況如圖所示.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受軸向力和力矩的聯(lián)合作用，所以選用傳動(dòng)裝置需要考慮各力和力矩的影響。由 于密封裝置所消耗功率較小，

49、可以忽略不計(jì)，所以攪拌軸傳遞的最大扭矩可視為各層攪拌器的扭矩和。 =4792.8358 式（2.33）如果有多層攪拌器最大的彎矩，是液體作用力與各層攪拌器到位于最下方軸間距乘積的總和。如果就一層攪拌器就算一層就可以了，攪拌器的層數(shù)不影響公式的準(zhǔn)確性。其中液體動(dòng)力產(chǎn)生的最大水平力F、可通過(guò)下式計(jì)算獲得: 式（2.34）算得：=2342.86式中：L-各層攪拌器從流體動(dòng)力作用點(diǎn)至最下方軸承的距離(cm);dj -攪拌軸直徑(cm);Tmax-作用在攪拌軸上的最大扭矩(kgf.cm);N0-單個(gè)攪拌器的攪拌功率(kW);（圖2.8）軸的受力、彎矩、扭矩圖2.4.3軸的校核：2.4.3.1軸強(qiáng)度校核攪

50、拌主軸選用無(wú)縫鋼管，內(nèi)徑d0=20mm,外徑d=40mm。軸在危險(xiǎn)截面由彎矩和轉(zhuǎn)矩合成的當(dāng)量彎矩為：=3518.57 式（2.35）式中 根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)而定的校正系數(shù)，對(duì)穩(wěn)定不變的轉(zhuǎn)矩，取=0.3；軸的直徑是按照軸在危險(xiǎn)截面的直徑的安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，所以危險(xiǎn)截面鋼管的強(qiáng)度滿足要求。軸的扭轉(zhuǎn)剛度滿足要求。2.4.3.2臨界轉(zhuǎn)速校核為了使軸的工作轉(zhuǎn)速n避免達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速n,應(yīng)按懸臂軸計(jì)算n。懸臂軸臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算： 式（2.36） 式中：E-軸的彈性模數(shù)，查表得206GPa；I-軸的慣性矩，（mm4）L1-攪拌器受力中心線到最下軸承的距離，1300mmLA-兩軸承距離；Wl-攪拌器重量Wd-等效軸重量Wx-

51、攪拌軸系等效重量對(duì)于雙支承，一端外伸且斷面均勻的軸，取Cl=0.249,經(jīng)過(guò)計(jì)算： Wl=348N.Wd=ClWw=0.249412=103N.Wx=Wl+Wd=451N.Ww外伸端軸重451N；Cl與比值有關(guān)的系數(shù)。=1683（轉(zhuǎn)/分） 式（2.37） 2.4.3.3遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速的措施：1、增加軸的剛度；2、減輕攪拌器和軸的重量，可采用階梯軸或空心軸來(lái)提高臨界轉(zhuǎn)速；3、減小攪拌軸的長(zhǎng)度來(lái)提高臨界轉(zhuǎn)速；4、降低工作轉(zhuǎn)速；5、采用底軸承可增加臨界轉(zhuǎn)速，提高穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)速n=100轉(zhuǎn)/分，n遠(yuǎn)離臨界nk，符合要求。2.4.3.4軸的支撐條件為了保持?jǐn)嚢栎S懸臂的穩(wěn)定性，其懸臂軸的允許長(zhǎng)度用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 在本設(shè)計(jì)中L1=1300mm,LA=300mm,d=40mm,并且d有較大的選擇余量，故設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)滿足要求。2.5軸承的選擇2.5.1軸承的分類支承相對(duì)旋轉(zhuǎn)的軸的部件叫做軸承。軸承一般分為三大類：關(guān)節(jié)軸承；滾動(dòng)軸承和直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)支承。 滾動(dòng)軸承的套圈和滾動(dòng)體，一面反復(fù)承受高接觸壓力，一