卧式螺旋离心机研究与设计

卧式螺旋离心机研究与设计

徐汉琦

南京莫尼亚离心机科技发展有限公司 江苏 南京 210000

摘要：当前，我国在螺旋离心机领域发展起步相对较晚，整体水平有待提高。要满足设备使用房污、防爆和密闭等工艺要求，需要探讨离心机的设计思路。下文简要论述卧式螺旋离心机原理，并对其应用优势和不足进行分析，探讨设备的设计思路、以供参考。

关键词：卧式螺旋离心机；研究；设计

一、卧式螺旋离心机原理和主要部件

（一）原理

卧式螺旋离心机工作原理为，机壳内部两个同心轴连接螺旋推进器、转鼓，其中主电动机借助皮带使转鼓转动，轴承空心轴、差速机外壳作为连接转鼓装置，运用差速器使转股、螺旋推进器之间同向转动。选择正转差率，物料受到离心惯力等于差转速、转鼓转速产生力和，有助于沉降分离控制。若以负转差率运行，则利于沉渣输送，还能降低减速器的传动功率。本研究离心机使用负差转速进行旋转，悬浮液自右侧加料管进入，在推进器的作用之下，使物料被送入转鼓当中，受到离心力影响，导致转鼓中产生环形液池，在离心沉降作用之下，纵向颗粒可顺利被运送至转鼓之内，沉渣随之形成。[1]。

二、卧式螺旋离心机优点和不足分析

（一）优点分析

卧式螺旋离心机的优点如下：第一，可以自动和连续化操作，不需要过滤布和过滤网，设备能够长期运行，且维护便利；第二，设备应用范围较广，在具体应用过程，对于容易分离的物料可以实现固相之间的脱水，与过滤式离心机的处理效果不相上下。分流压缩固相类悬浮液之时，利用螺旋离心机就能将分离过程完成。在液相澄清方面，获得沉渣相对较多，允许悬浮的固相浓度相对较高，能够将固相重度轻类型悬浮液。分离过程，首先过滤式分离机，但是如果固相属于可压缩类型物料，要考虑滤布清洗操作，需要对离心机进行改良。分离固液液混合物，其中固相含量超过14%，传统分离方式为，需先完成液固分离，之后采取液液分离，选择卧式螺旋离心机则可一次性完成固相、轻液与重液的分离。卧式离心机还可根据固相颗粒的大小进行粒度分级。第三，卧式螺旋离心机对于物料适应性强，可以分离固相粒度范围广，即使被分离物当中的颗粒分布不均匀，也可实现有效分离，对于悬浮液浓度无过高要求，即使待分离悬浮液的浓度改变，对分离效果影响不大。第四，结构紧凑，能够在低温、加压等条件下工作。第五，单机生产能力相对较大，比如：沉降面积达到10000m2的时候，1台卧式螺旋离心机的生产能力可以达到190m3/h，分离质量高[2]。

（二）不足分析

卧式螺旋离心机的缺点如下：第一，沉渣含量要高于过滤离心机；第二，对于沉渣洗涤效果不够好；第三，机身结构复杂，且造价高。

三、卧式螺旋离心机设计

（一）工艺计算

分离因数可代表分离机能力，当物料承受离心力越大的时候，分离效果也就越好。分离因数是被分离物料属于离心场承受离心力、重力之比。因为分离因数和转鼓半径之间成正比，所以，将转鼓半径增大的时候，其受到应力状态也随之改变。结构特点如下：一是分离因数大，二是直径小，三是转速高。在设计期间，注意设计过程分离参数设置提高并非任意限制，还要考虑转鼓强度这一影响因素考虑其中。

计算设备生产能力时，考虑悬浮液自进料口向转鼓内流入后，分离液相会沿着转鼓的方向溢流口流入，并被甩出鼓外。固相粒子会跟随液相而被移动，在离心力影响之下，粒子径向下沉。粒度细粒子处于液相内速缓慢沉降，抵达鼓壁所需时间长。此时悬浮液的进量大，加上轴向的速度高，就会导致细粒子停留在转鼓内时间短，小于其沉降时间。细粒子跟随液体向鼓外溢流，难以被分离出去。对此，在离心机设计过程当中，要将其生产能力考虑其中，保证分离过程，最小固相物质可以在鼓内沉降。分离不同或者相同类型物料时，要将物料设备的生产能力差异考虑其中，此项指标与液体轴向、粒子离心沉降等速度息息相关。在离心机生产能力为沉渣含湿量、分离澄清度等要求满足这一前提之下，经过计算，本项目离心机的产能力为30m3/h。

（二）功率计算

功率计算主要内容如下：第一，计算启动类转动件运行功率，利用公式来计算，代表转动部件惯量，转动体启动平均工率，启动时间t。针对高速转动的离心机，由于启动操作消耗的时间长，因此离心机启动之时，会将电机电能转化为机械能，此时设备使用效率相对较低，因为部分能量会转化，变为热能。因为启动时间和电动机整体尺寸与设计息息相关，所以，在设计大功率离心机时，要规避其有频繁启动的问题存在，可将启动频率设置为1～2次/h。再离心机启动环节转鼓功率计算期间，应保证离心机转动件自静止至工作状态动能一定，设计转动件的转动惯量时，将大质量与大半径构件，如制动轮、转鼓、皮带轮转动惯量需求考虑其中。部分小转动件的启动也需要功率值，但不需要进行逐一计算，将计算功率值提高5%左右即可。本研究；离心机转鼓长度2767mm，材料密度7900kg/m，经过计算直段转鼓的转动惯量25.3kg·m2，锥段转鼓的转动惯量1.78kg·m

2，前、后半轴转动惯量取值分别为13.8kg·m2，差速器转动惯量等同于前半轴，也取值13.8kg·m2，皮带轮的转动惯量7kg·m2，推进器叶片转动惯量9kg·m2，综合以上计算结果，整体转动惯量为90.3kg·m2，将离心机的其他传动部件考虑其中，将转动惯量扩大1.08倍，最终结果为97.5kg·m2，若启动时间取值为30s，则离心机启动过程转动体的平均功率为40kW。

加速物料所需功率为14764W，轴承磨损功率损耗2336W，空气摩擦产生的功率消耗1976W。部分离心机卸料装置卸料过程产生阻力，可能将主轴负荷增加，对于主轴功率产生消耗。离心机以螺旋状叶片实现沉渣推送，使沉渣流入卸料口，辅助卸料操作执行。卸料功率消耗有三个方面，一是克服沉渣的惯性消耗，二是沉渣、转鼓等摩擦消耗，三是沉渣、叶片等功率消耗，共计18.75kW。综合以上计算结果，离心机的启动功率设计值为44.312kW，离心机的运转功率设计为37.822kW。选择Y225M-2型电动机。

（三）传动设计

设备传动设计：一是输送器参数，涵盖螺距、螺旋头和叶片高等推料器参数，还包括推料器的转鼓间隙，螺旋叶片可以选择单头、多头、双头，如果头数增加一倍，对应输渣效率也提高一倍。需要注意，头数增加，对于沉降区域产生扰动也随之增加，导致在分离液相当中固相含量不断增加，影响沉降效果。综合多重因素考虑，本设计选择双头螺旋叶片。设计过程，选择离心机柱段，以185mm等螺距方式，这一段选择变螺距设计方式，螺距可变范围在100mm至185mm之间。选择变螺距结构可将沉降时间延长，优化分离效果。当螺距减小的时候，物料在锥段受到挤压，泥饼当中含水量也出现降低。螺旋推料器外圆、转鼓内圆必须同心，二者之间存在0.5~2.5mm间隙。当间隙越小时，产生的推料效果越优越。但是需要考虑装配、加工等方面因素，如果间距过小，可能导致转鼓、推料器偏心摩擦，出现安全事故，因此间距值设定为1mm。工业离心机螺旋叶片通常要以和鼓壁垂直方式而设计，这样设计更节约功率。本设计将叶片以垂直的方式设计在转鼓内壁当中。叶片设计使用整体连续式叶片，厚度8mm，螺旋升角5°，材料为不锈钢，为将叶片耐磨性提高，可对其表面采取硬化处理。

（四）强度校核

主轴强度校核，考虑轴上零件传递荷载，计算过程，可以将集中力简化，选择后来分不断终点，从传动件宽度终点位置开始起算，将轴作为支座量，支反力作用点和轴承类型、轴承布置情况相关，根据图1所示：

图1轴支反力作用点图

图b中a值可以从轴承手册当中查阅，图d当中e值和滑动轴承宽径比相关，经过计算主轴强度为45 MPa，符合设计要求。

转鼓的疲劳强度校核按照标准GB3705要求执行，测定材料承受循环荷载2×106次以后疲劳强度进行，计算结果转股抗疲劳极限为45MPa，安全系数1.56，高于标准要求1.2，可知转鼓设计安全性高。

结束语：综上分析，经过上文对于卧式螺旋离心机结构、原理及重要参数展开分析，计算其分离因数及生产能力，校核主轴、转鼓等位置参数，经过计算和校核，发现离心机设计能够达到设计要求，设计后离心机的主体结构长径比增大，有效提高其沉降与分离效果，可以更彻底将固体和液体相分离，使得分离液的澄清度更高。同时，脱料器选择变螺距设计方式，有利于沉降污泥产生，使其处于干燥区被挤压脱水，从而将污泥内含水量降低。

参考文献：

[1]戴明,王明珠,孟昭朋.卧螺离心机的减振降噪技术研究[J].机床与液压,2022(08):050.

[2]张伟健,胡大鹏.三相卧螺离心机性能分析及结构改进[J].大连理工大学学报,2023,63(1):7.