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1、 液體攪拌機(jī) ——升降系統(tǒng)計(jì)算設(shè)計(jì)說明書 學(xué) 院：湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 學(xué)生姓名：謝玉明 導(dǎo)師姓名：吳常德 學(xué) 號(hào)：201413030131 班 級(jí)：機(jī)自1404 日 期：2016年8月28日 12 一、設(shè)計(jì)題目及相關(guān)說明 3 1、設(shè)計(jì)題目 3 2、設(shè)計(jì)任務(wù) 3 3、設(shè)計(jì)參數(shù) 4 二、攪拌器市場(chǎng)調(diào)研分析 4 1、簡(jiǎn)介 4

2、 2、我國(guó)攪拌器行業(yè)現(xiàn)狀 5 3、國(guó)際發(fā)展前景 5 三、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案制定（本方案主要介紹升降系統(tǒng)) 6 1.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 6 2、運(yùn)動(dòng)方案的選擇 7 3、升降裝置設(shè)計(jì)的過程及計(jì)算 8 4、總體構(gòu)型 9 四、設(shè)計(jì)總結(jié) 9 一、設(shè)計(jì)題目及相關(guān)說明 1、設(shè)計(jì)題目 設(shè)計(jì)一款用于攪拌液體的攪拌機(jī)。 原理說明：見下圖例： 液體攪拌機(jī)的工作原理是安裝在底座上的主電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)攪拌桿旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)裝在攪拌桿下端的攪拌葉片來攪拌液體介質(zhì)（這里的液體介質(zhì)是油漆）。目的是使液體介質(zhì)組織均勻，稀稠合適。攪拌工作結(jié)束后，要使攪拌桿從裝液體介質(zhì)的桶中提起，

3、換上新的攪拌桶后，重新工作，使攪拌桿重新回到工作位置。 2、設(shè)計(jì)任務(wù) 1.可在上圖所示方案上大膽創(chuàng)新設(shè)計(jì)，除了本方案中采用的螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)之外，還可采用鋼絲繩滑輪、連桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒條、鏈傳動(dòng)、液壓氣壓傳動(dòng)等任意可行的傳動(dòng)形式。攪拌裝置可以自己設(shè)計(jì)，也可以采用市場(chǎng)上可以購(gòu)買到的成品攪拌裝置，但需做選型設(shè)計(jì)。 2.設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)并確定其傳動(dòng)比分配。 3.在圖紙上畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案簡(jiǎn)圖和運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。 4.圖紙上畫主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（包括位移曲線）；要求確定運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算及選擇主要尺寸和參數(shù)，校核相關(guān)參數(shù)。 5.編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。 3、設(shè)計(jì)參數(shù) 組別 第一

4、組 第二組 第三組 第四組 第五組 主電機(jī)功率 5.5kw 5.5kw 4kw 4kw 3kw 攪拌桿轉(zhuǎn)速（兩級(jí)）（rpm） 高速 1250 1200 1150 1100 1050 低速 1000 950 900 850 800 升降有效行程(mm) 1000 950 900 850 800 升降速度(m/min) 1 0.95 0.90 0.85 0.8 主要外形尺寸（mm） 主電機(jī)中心與攪拌桿中心的距離（可調(diào)節(jié)） 約750mm 約750mm 約750mm 約750mm 約750mm 立柱中心與主電機(jī)中心距

5、離 200 190 180 170 160 攪拌桿直徑 50 50 45 45 40 攪拌桿伸出長(zhǎng)度 1000 960 920 880 850 二、攪拌器市場(chǎng)調(diào)研分析 1、簡(jiǎn)介 攪拌是過程工業(yè)的基礎(chǔ)單元操作。攪拌器是使液體、氣體介質(zhì)強(qiáng)迫對(duì)流并均勻混合的器件，被廣泛用于化工、石油化工、醫(yī)藥、食品、生化、化妝品、膠粘劑、印刷油墨、油漆、涂料等工業(yè)。對(duì)于同一類型的攪拌器來說，在功率消耗相同的條件下，大直徑、低轉(zhuǎn)速的攪拌器，功率主要消耗于總體流動(dòng)，有利于宏觀混合。小直徑、高轉(zhuǎn)速的攪拌器，功率主要消耗于湍 流脈動(dòng)，有利于微觀混合。 本課題主要設(shè)

6、計(jì)用于宏觀混合的大直徑、低轉(zhuǎn)速的液體攪拌器。 2、我國(guó)攪拌器行業(yè)現(xiàn)狀 攪拌設(shè)備歷史悠久，應(yīng)用范圍極其廣泛。但是針對(duì)攪拌操作的研究卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。攪拌操作涉及的因素極為復(fù)雜，攪拌的物料的物性千差萬(wàn)別，攪拌的目的也不盡相同。攪拌設(shè)備形式多樣，設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)極其復(fù)雜，如何正確合理的設(shè)計(jì)以及選擇攪拌器都沒有一個(gè)嚴(yán)密的理論指導(dǎo)，仍在很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 我國(guó)大型產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)幾乎全部來自國(guó)外，普遍缺少核心技術(shù)，尤其是自動(dòng)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵配套件技術(shù)更是如此。將嚴(yán)重阻礙企業(yè)涉足高端產(chǎn)品市場(chǎng)或推進(jìn)國(guó)際化戰(zhàn)略。無(wú)法擺脫在國(guó)際攪拌設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈上的下游企業(yè)地位，增值能力有限。 3、國(guó)際發(fā)展前景 近年來

7、，攪拌器和攪拌容器獲得飛速發(fā)展的同時(shí)，正面臨著必須滿足合理利用資源、節(jié)能降耗和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。攪拌器和攪拌容器在服從裝置規(guī)模經(jīng)濟(jì)化和品種多樣化的同時(shí)，正日趨大型化。 基于節(jié)能的要求，開發(fā)出變頻調(diào)速電機(jī)、小剪切阻力槳葉、以新型密封代替機(jī)械密封和填料密封，以磁力驅(qū)動(dòng)代替機(jī)械傳動(dòng)。 基于降低產(chǎn)品總體成本、減少維修保養(yǎng)成本和提高設(shè)備平均維修間隔時(shí)間的要求，大大提高了設(shè)備運(yùn)行壽命。 基于滿足衛(wèi)生和降低清洗和殺菌成本的要求，實(shí)現(xiàn)了CIP(就地清洗)和SIP(就地殺菌)，提高了自動(dòng)化水平，避免了人與產(chǎn)品的接觸，減少了人工操作和待機(jī)時(shí)間，大大提高了產(chǎn)品的衛(wèi)生水平。 基于環(huán)境保護(hù)方面開發(fā)了各種

8、防漏密封技術(shù)，使操作過程中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的泄漏量減少到監(jiān)管法規(guī)所規(guī)定的可接受水平以下。近年來，由于控制各種污染源紛紛立法，特別是清潔空氣法(CleanAirAct)的出現(xiàn)，特別強(qiáng)調(diào)對(duì)設(shè)備泄漏的控制。 用以下幾個(gè)方面舉例： （1） 高粘度和超高粘度攪拌機(jī) 由于環(huán)保要求，強(qiáng)制限制空氣中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的含量，故很多行業(yè)在物料攪拌時(shí)采取大力降低有機(jī)溶劑用量的措施，從而物料黏度大為增加，要求有對(duì)高黏度和超高黏度物料進(jìn)行攪拌的攪拌機(jī)。 （2）新型轉(zhuǎn)子定子式攪拌機(jī) 攪拌器采用轉(zhuǎn)子一定子技術(shù)(Rotor—Stator Technology)可制造亞微米級(jí)的各種乳化劑。其原理是

9、令轉(zhuǎn)子在極高速度下轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子尖端速度極大，由于轉(zhuǎn)子和定子之間的速度差，在轉(zhuǎn)、定子間隙中產(chǎn)生極大的剪切能和湍動(dòng)能(High Shear and Turbulent En-ergy)，可使物料在被攪拌的同時(shí)，被破碎到亞微米級(jí)。這種技術(shù)叫高剪切混合技術(shù)。 （3） 多功能化和攪拌過程自動(dòng)化 針對(duì)攪拌向更高剪切、更高速度和被攪拌物料更高黏度和容積密度(Bulk Density)的趨勢(shì)，多功能化和攪拌過程的自動(dòng)化是2l世紀(jì)提高攪拌產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和滿足環(huán)境保護(hù)要求的主導(dǎo)方向，如可廣泛處理多種物料的多軸攪拌機(jī)、可自動(dòng)卸料和互換攪拌容器的攪拌機(jī)等。 雙行星攪拌機(jī) 普通立式攪拌機(jī) 三、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

10、方案制定（本方案主要介紹升降系統(tǒng)) 1.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 已知機(jī)器由按一定速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （1）執(zhí)行機(jī)構(gòu) ①攪拌裝置——?jiǎng)蛩傩D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 攪拌桿應(yīng)穩(wěn)定勻速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)桿下方葉片攪拌桶裝液體介質(zhì) ②升降架——間歇往復(fù)直線運(yùn)動(dòng) 攪拌結(jié)束后，升降架帶動(dòng)攪拌桿抬起； 待換上新的桶，再使桿下降進(jìn)行攪拌 （2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)——變速 改變電機(jī)原轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)攪拌桿1250、1000兩級(jí)變速； 升降架直線升降 2、運(yùn)動(dòng)方案的選擇 （1）攪拌裝置 能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的常用機(jī)構(gòu)有：齒輪機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、輪系等 而攪拌桿要求以自身中心軸為回轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)提供的是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)

11、的驅(qū)動(dòng)方式，因此只考慮： ①齒輪機(jī)構(gòu) ②輪系 （2）升降架 如果升降架完全采用自動(dòng)化控制，那么其運(yùn)動(dòng)應(yīng)與送桶頻率、攪拌頻率相協(xié)調(diào)。 即工作循環(huán)：上升—靜止（換桶）—下降—靜止（攪拌）—上升—靜止（換桶）…… 能實(shí)現(xiàn)間歇往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的常用機(jī)構(gòu)有：凸輪-推桿機(jī)構(gòu)、間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)+直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組合 由于移動(dòng)距離要求行程接近一米，如果采用凸輪-推桿則需要很大尺寸的凸輪，不現(xiàn)實(shí)；因此可以考慮： ①間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組合 ②采用手動(dòng)控制，并利用三相電機(jī)正反轉(zhuǎn)改變主軸轉(zhuǎn)向。因此只需采用往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)即可，如：曲柄滑塊、齒輪齒條、螺旋機(jī)構(gòu)、正弦機(jī)構(gòu)等。 （3） 整體構(gòu)思

12、 ①傳統(tǒng)攪拌機(jī)、采用升降機(jī)主體升降，葉片攪拌。 ②構(gòu)思攪拌機(jī)、攪拌機(jī)主體攪拌的同時(shí)，桶子也進(jìn)行攪拌并且在攪拌之后可以自行上升下降。 總之、進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，采用第二種方法，一是會(huì)增加成本，二是在機(jī)器工作過程中會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)（因?yàn)橥白愚D(zhuǎn)動(dòng)）。則最后考慮采用傳統(tǒng)的攪拌機(jī)攪拌方式。 3、升降裝置設(shè)計(jì)的過程及計(jì)算 前期考慮：對(duì)于升降裝置，首先它的運(yùn)動(dòng)要求是勻速上升和下降，對(duì)于這種運(yùn)動(dòng)可以有很多機(jī)構(gòu)可以完成。 （1） 由齒輪帶動(dòng)齒條可以實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng) ，不過由于齒輪齒條在運(yùn)動(dòng)停止之后不會(huì)出現(xiàn)自鎖 現(xiàn)象，即發(fā)動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，在換桶的過程中，裝置有可能會(huì)自行下降，帶來危險(xiǎn)。雖然有可能在齒輪

13、上增加棘輪機(jī)構(gòu)使裝置停在指 定位置，不過由于棘輪機(jī)構(gòu)會(huì)使整個(gè)機(jī)構(gòu)單項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。無(wú)法實(shí)現(xiàn)上升下降兩個(gè)運(yùn)動(dòng)要求，則不予采納。 升降絲桿 蝸桿，電機(jī)帶動(dòng) 渦輪 油鏡 軸承 （2） 采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，因?yàn)槲佪單仐U傳動(dòng)在某些條件下會(huì)發(fā)生自鎖現(xiàn)象，只能由蝸桿帶動(dòng)渦輪傳動(dòng)而渦輪帶不動(dòng)蝸桿傳動(dòng)，則滿足升降裝置的要求。（自鎖：蝸桿的展開螺旋角小于蝸輪蝸桿接觸的摩擦角。即β＜α，β為蝸桿的展開螺旋角，α為摩擦角；tgα=μ，μ為摩擦系數(shù)。此處和斜面上物體下滑不一樣，就是要求G*sina

14、般很小，小于摩擦角，能自鎖。一般單線蝸桿都會(huì)自鎖。有些多線蝸桿不會(huì)自鎖，不過在有些條件之下可以發(fā)生自鎖。） 中期設(shè)計(jì)構(gòu)型：決定采用渦輪蝸桿傳動(dòng)。因?yàn)橐凶枣i功能，則只能由蝸桿帶動(dòng)渦輪而不能渦輪帶動(dòng)蝸桿，則需要再運(yùn)用絲桿。綜合考慮得出，先有蝸桿帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪內(nèi)部有螺紋帶動(dòng)絲桿上下移動(dòng)。簡(jiǎn)圖如右： 后期計(jì)算：（1）設(shè)計(jì)要求：升降有效行程 1000、950、900、850、800 （mm） 升降速度 1、 0.95、 0.90、 0.85、 0.80（m/min） （2）設(shè)計(jì)思路：主要是升降行程和升降速度的影

15、響。對(duì)于升降行程，主要由絲桿的螺距限制（假設(shè)絲桿螺距為10mm時(shí)，上升100個(gè)螺距的位移即可達(dá)到要求）。 對(duì)于升降速度，直接由絲桿轉(zhuǎn)速控制，間接由發(fā)動(dòng)機(jī)控制。（當(dāng)絲桿螺距為10mm時(shí)，需要絲桿在1min之內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)上升100個(gè)螺距，而絲桿又有渦輪控制，即需要渦輪轉(zhuǎn)速為100r/min，蝸桿直接由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，進(jìn)而可以得出蝸桿和渦輪之間的傳動(dòng)比。） （3）具體計(jì)算：原理、蝸桿渦輪傳動(dòng)比計(jì)算，i12=渦輪齒數(shù)/蝸桿頭數(shù)（蝸桿有單頭和多頭之分。）要求i12=1440/100=14.4≈14。又因?yàn)闇u輪齒數(shù)在小于27時(shí)會(huì)發(fā)生跟切現(xiàn)象，所以渦輪齒數(shù)應(yīng)該大于等于27。所以最后得出：渦輪齒數(shù)為

16、28，蝸桿頭數(shù)為2。 4、總體構(gòu)型 四、設(shè)計(jì)總結(jié) 首先，對(duì)于機(jī)械原理設(shè)計(jì)，我覺得是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的核心。機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，除了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。機(jī)械原理的突破，會(huì)更加具有本質(zhì)上的改變。所以我們?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)過程之中，尋求更加合理化的機(jī)器工作原理是極為重要的。 再者，我們?cè)O(shè)計(jì)的項(xiàng)目是液體攪拌機(jī)?？傮w而言，前人已經(jīng)做得足夠好，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪，齒輪帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)來攪拌液體，使得液體變得均勻。再通過升降裝置使得整體上升下降更換桶子。對(duì)于其他的攪拌方式，我們想到可以使桶上升下降代替機(jī)器的上升下降和桶子的旋轉(zhuǎn)代替攪拌器的旋轉(zhuǎn)，不過后來經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)。我

17、們所構(gòu)想的方式還是不能市面上已經(jīng)有的機(jī)器相比較，最后我們只能以市面上的攪拌機(jī)為原型來設(shè)計(jì)。通過運(yùn)用更多的方式，讓攪拌機(jī)具有更多的功能和用途。在橫向傳動(dòng)方面，我們運(yùn)用變速裝置，使得攪拌機(jī)有1000和1250r/min兩種不同的速度，從而可以運(yùn)用得更廣泛。在升降裝置的設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們考慮過使用單電機(jī)帶動(dòng)葉片和升降兩個(gè)方面。不過由于葉片需要上升下降，他和地面之間的距離會(huì)改變，使得運(yùn)用齒輪和帶傳動(dòng)又不小的麻煩，最后我們還是選擇雙電機(jī)帶動(dòng)。一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)整體上升下降，一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)。使得兩個(gè)運(yùn)動(dòng)之間沒有矛盾的地方。 設(shè)計(jì)感想：對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)，很多時(shí)候感覺的很簡(jiǎn)單的一個(gè)機(jī)構(gòu)，但是在具體計(jì)算的時(shí)候。會(huì)發(fā)

18、現(xiàn)很多問題，尺寸的選擇、速度的選擇都會(huì)是很多大的問題。最后就是環(huán)境問題，因?yàn)槭窍奶?，中樓又沒有空調(diào)。很難在長(zhǎng)時(shí)間集中精力搞設(shè)計(jì)。 本次課程實(shí)踐任務(wù)鍛煉了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)了較為科學(xué)的思維方法和團(tuán)隊(duì)合作的能力，同時(shí)也讓我意識(shí)到了自身的不足。 我相信，每一個(gè)成功的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，都是許多人緊密配合、共同努力的結(jié)果，非常感謝老師和同組的小伙伴。一個(gè)好的機(jī)械設(shè)計(jì)師應(yīng)該有發(fā)散的思維、合作的意識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和終身學(xué)習(xí)的熱情。 課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，但并不是終點(diǎn)。 五、參考資料 [1]楊華.機(jī)械原理.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)出版社,2014. [2]鄒慧君,張青.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:高等教育出版社.2010. [3]陳登豐.攪拌器和攪拌容器的發(fā)展.2008.