2713 高壓均質(zhì)機(jī)傳動(dòng)端的設(shè)計(jì),高壓,均質(zhì)機(jī),傳動(dòng),設(shè)計(jì) 高壓均質(zhì)機(jī)傳動(dòng)端的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真第 1 頁 共 34 頁摘 要本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的是高壓均質(zhì)機(jī)動(dòng)力端主要零件。首先，文章介紹了高壓均質(zhì)機(jī)的工作原理。流體在高壓狀態(tài)下通過細(xì)小縫隙時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的剪切力、撞擊力和空穴力，使流體中的固體顆粒破碎為微小顆粒，高壓均質(zhì)機(jī)就是利用這一原理工作的。接著，文章參考現(xiàn)有的均質(zhì)機(jī)結(jié)構(gòu)，確定了均質(zhì)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后，按照高壓往復(fù)泵的設(shè)計(jì)方法對(duì)高壓均質(zhì)機(jī)的主要零部件，如傳動(dòng)裝置、曲軸、連桿等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。還有液力端泵閥的設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的強(qiáng)度校核。最后，文章介紹了本次設(shè)計(jì)中還有高壓均質(zhì)機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真，采用了 C 語言程序，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的說明。關(guān)鍵詞：高壓均質(zhì)機(jī) 食品機(jī)械 均質(zhì)閥江南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第 2 頁 共 34 頁目 錄摘要………………………………………………………………… 1緒論………………………………………………………………… 4第一章 均質(zhì)機(jī)及其基本參數(shù)………………………………………… 51.1 均質(zhì)機(jī)的均質(zhì)原理…………………………………………… 51.2 均質(zhì)機(jī)的工作原理…………………………………………… 51.3 均質(zhì)機(jī)的基本參數(shù)…………………………………………… 6第二章 總體設(shè)計(jì)…………………………………………………… 92.1 傳動(dòng)端結(jié)構(gòu)形式的選擇……………………………………… 92.2 液力端結(jié)構(gòu)形式的選擇……………………………………… 92.3 確定泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)……………………………………… 102.4 原動(dòng)機(jī)的選擇……………………………………………… 12第三章 動(dòng)力端的設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………… 143.1 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)…………………………………………… 143.2 曲軸的設(shè)計(jì)………………………………………………… 153.3 連桿與其軸瓦………………………………………………… 153.4 十字頭……………………………………………………… 16第四章 液力端零部件設(shè)計(jì)…………………………………………… 164.1 泵閥設(shè)計(jì)……………………………………………………16第五章 運(yùn)動(dòng)仿真………………………………………………………205.1 C 語言程序簡介…………………………………………………205.2 傳動(dòng)端運(yùn)動(dòng)及程序………………………………………………20高壓均質(zhì)機(jī)傳動(dòng)端的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真第 3 頁 共 34 頁設(shè)計(jì)小結(jié)………………………………………………………………32致謝…………………………………………………………………33參考資料……………………………………………………………… 34江南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第 4 頁 共 34 頁緒 論高壓均質(zhì)是一種制備超細(xì)液液乳化物或液固分散物的通用設(shè)備，被廣泛應(yīng)用與各行業(yè)的生產(chǎn)者和科技研領(lǐng)域。例：一、 食品飲料行業(yè)：豆奶、花生奶、松子奶等各種植物蛋白飲料。核桃露、杏仁露、蓮子露、椰子汁等各種懸浮果汁飲料。酸奶、均質(zhì)奶、純牛奶、甜牛奶、乳酸飲料、冰淇淋、豆奶粉等各種乳品和乳制品。二、 制藥：抗生素、各種乳劑、漿液制劑、中藥制劑、花粉破碎及各種營養(yǎng)保健液。三、 輕工化工行業(yè)：香精香料、化妝品、乳化硅油、感光劑、增亮劑、高級(jí)涂料、顏料、染料等。四、 生物工程技術(shù)：對(duì)大腸桿菌、胞進(jìn)行破碎，撮取其有效成分。隨著人民生活水平的提高，食品工業(yè)必將跟上時(shí)代的步伐，不僅要求食品本身的營養(yǎng)豐富，還對(duì)其質(zhì)量、口味、外觀、保存等提出了高標(biāo)準(zhǔn),這樣必然把食品工業(yè)推上一個(gè)新高潮。食品品種繁多，本設(shè)計(jì)是主要應(yīng)用于乳品工業(yè)中。它是一種特殊的高壓泵，用于噴霧干燥設(shè)備中，可使液體分散成細(xì)微的霧滴，便于干燥成粉狀。通過均質(zhì)的煉乳、冰淇淋、代乳粉，液體中的分散項(xiàng)破裂成細(xì)微狀態(tài)，可減少沉淀，增加粘稠性，口感細(xì)膩，并延長存放時(shí)間。均質(zhì)機(jī)不僅在乳品工業(yè)和冰淇淋生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，而且還適用于醫(yī)藥、化工生產(chǎn)中?？傊?，在我國均質(zhì)機(jī)發(fā)揮出的作用越來越大，因此需要人們對(duì)其進(jìn)行深入的研究，以便設(shè)計(jì)生產(chǎn)。本設(shè)計(jì)參考現(xiàn)有的均質(zhì)機(jī)而設(shè)計(jì)，力求經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)合理,但肯定還有許多的不足之處，希望在老師和同學(xué)的幫助下，得到進(jìn)一步的改進(jìn)。高壓均質(zhì)機(jī)傳動(dòng)端的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真第 5 頁 共 34 頁第 1章 均質(zhì)機(jī)及其基本參數(shù)均質(zhì)機(jī)是一種特殊的高壓泵,利用高壓的作用，使物料中的脂肪球的破裂到直徑小于2 m 達(dá) 99%。均質(zhì)機(jī)由均質(zhì)頭和高壓泵組成,即往復(fù)柱塞泵。它包括液力端和動(dòng)力端。通?過均質(zhì)后的牛奶、脂肪球直徑和所占比例均發(fā)生變化，如表 1-1：表 1-1 脫脂乳與均質(zhì)乳中的脂肪球比較均質(zhì)乳（﹪）脂肪球（ ）m?脫脂乳（﹪） 一段 二段0～1 41.8 19.2 89.21～2 47.7 66.5 10.32～3 9.2 12.6 0.53～4 0.9 1.7 04～5 0.1 0 05～6 0 0 01.1均質(zhì)機(jī)的均質(zhì)原理1.1.1剪切作用流體在高速流動(dòng)時(shí)，在均質(zhì)機(jī)頭隙縫處，產(chǎn)生剪切作用而均質(zhì)。脂肪球通過三個(gè)柱塞往復(fù)泵吸入泵體時(shí)，在縫隙處先是被延展，同時(shí)又存在著液流通過均質(zhì)閥時(shí)的渦動(dòng)作用，使延展部分被剪切為更小的脂肪球微粒。又因?yàn)橐毫髦写嬖谥砻婊钚晕镔|(zhì)，它圍繞在更細(xì)小的脂肪球微粒外層形成一種這些微粒不再互相粘合的膜.脂肪滴由此離開，而后面部分的還沒有流進(jìn)縫隙。當(dāng)?shù)竭_(dá)均質(zhì)閥活門縫隙處時(shí)，會(huì)同樣的剪切作用繼續(xù)形成更小的脂肪球微粒。1.1.2撞擊學(xué)說三聯(lián)柱塞往復(fù)泵的高壓作用使液體中脂肪球和均質(zhì)閥發(fā)生高速撞擊現(xiàn)象，因而使料液中的脂肪球破裂。1.1.3空穴學(xué)說因高壓作用使料液高速流過均質(zhì)閥縫隙處時(shí)，造成相當(dāng)于高頻振動(dòng)的效果，能在瞬間引起空穴現(xiàn)象，使脂肪球碎裂。在實(shí)際工作中，高壓均質(zhì)機(jī)的原理是以上幾種學(xué)說的綜合。1.2均質(zhì)機(jī)的工作原理如圖 1-1 所示，當(dāng)高壓液體通過閥的閥座和閥桿的狹窄通道時(shí)(可以用調(diào)節(jié)手柄調(diào)節(jié)江南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第 6 頁 共 34 頁間隙大小)，使液料速度達(dá) 150~300m/s，壓力降低至液料汽化壓力，使之形成氣泡。當(dāng)液料離開閥座門間的間隙時(shí)，其速度降低，壓力升高，導(dǎo)致氣泡被壓破，產(chǎn)生內(nèi)爆，產(chǎn)生的空穴和高頻振動(dòng)使脂肪球顆粒破碎。此過程中，能量強(qiáng)烈釋放，液料形成湍流，沖擊沖擊流，完成均質(zhì)過程。 均 質(zhì) 料 液 均 質(zhì) 料 液第 一 級(jí) 調(diào) 節(jié) 閥 柄第 二 級(jí) 調(diào) 節(jié) 閥 柄圖 1-1 雙級(jí)均質(zhì)閥工作示意圖1.3均質(zhì)機(jī)的基本參數(shù)1.3.1瞬時(shí)流量理論上，瞬時(shí)流量=工作腔容積變化率如圖 1-2 θ圖 1-2高壓均質(zhì)機(jī)傳動(dòng)端的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真第 7 頁 共 34 頁π圖 1-3 雙缸泵的無因次流量曲線 π/3圖 1-4 三缸泵的無因次流量曲線q = A =Au=Ar (u)txd??(q)= = (u)?r其中 (q) -無因次瞬時(shí)流量;(u)-無因次瞬時(shí)速度, (u)= =-(sin + sin2 )。??ru?2?衡量流量脈動(dòng)性的指標(biāo)為不均勻系數(shù) = =Q?tqmaxZAsin單缸泵： B =3.14 ； 雙缸泵： B /2=1.57 ；Q????三缸泵： B /3=1.04 ； 四缸泵： B1.1 ；可以看出,四缸泵的脈動(dòng)性反而比三缸泵有所增加,流量曲線如圖 1-3，圖 1-4。1.3.2泵的壓力江南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第 8 頁 共 34 頁均質(zhì)壓力對(duì)脂肪球大小的影響如表 1-2：表 1-2壓力（kgf/cm ）2脂肪球直徑（ ）m?平均直徑（ ）m?0 1～18 3.7135 1～14 2.3970 1～7 1.68105 1～4 1.40141 1～3 1.08176 1～3 0.99211 0.5～2 0.76隨著壓力的提高，脂肪球顆粒減少，考慮到制造工藝性、經(jīng)濟(jì)性，壓力不宜太高，所以本機(jī)選 180 kg f/cm 。21.3.3均質(zhì)溫度均質(zhì)與溫度的關(guān)系如表 1-3表 1-3脂肪球直徑（ ）m?20℃ 40℃ 65℃0～1 2.3﹪ 1.9﹪ 4.3﹪1～2 29.3﹪ 36.7﹪ 74.4﹪2～3 23.3﹪ 21.1﹪ 9.0﹪3～4 29.8﹪ 25.2﹪ 12.3﹪4～5 - 15.2﹪ 05～6 15.2﹪ 0 0表中可以看出，均質(zhì)最佳溫度為 65℃。本設(shè)計(jì)要求料液溫度為 60~70℃，同時(shí)，可以提高密封圈效率。1.3.4效率理論流量與實(shí)際流量之間有一定的流量損失，即容積損失，它包括四部分：流體的壓縮或膨脹造成的△ ，1V?閥在關(guān)閉時(shí)滯后造成的△ ，2閥關(guān)閉不嚴(yán)造成的泄漏△ ，3V柱塞與密封圈之間的泄漏△ ，4?高壓均質(zhì)機(jī)傳動(dòng)端的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真第 9 頁 共 34 頁取 = + + + =0.8V?123V4?第 2章 總體設(shè)計(jì)2.1傳動(dòng)端結(jié)構(gòu)形式的選擇傳動(dòng)端為從動(dòng)力輸入端到十字頭為止的部件，包括機(jī)體、曲柄、連桿、曲軸、十字頭及潤滑冷卻等輔助設(shè)備。2.1.1曲軸曲軸為整體澆鑄體，材料為 QT60-2，本機(jī)采用二支點(diǎn) 三拐式。三個(gè)曲柄相位角相差 120o，曲柄與連桿之間軸瓦材料用 20%錫鋁合金。確定曲軸半徑時(shí)考慮到兩個(gè)方面的問題.較小時(shí)，強(qiáng)度、剛度無法滿足,撓度、轉(zhuǎn)角增加；較粗大時(shí)，要考慮加工撓性問題。曲拐的運(yùn)動(dòng)順序?yàn)橐?、三、二。第一曲拐轉(zhuǎn)角 = ，第二曲拐轉(zhuǎn)角 = +240，第1?2?三曲拐 = +120。這可以使偏角 大致相等，力求使機(jī)械慣性力和慣性力矩得到平3??衡，減輕對(duì)基礎(chǔ)的餓撓性載荷。2.1.2連桿連桿大頭采用剖分式，用特制定位螺栓定位，扣緊螺母防松，小頭定位。是澆鑄件，材料為 QT60-2。連桿體和大小頭中開油槽，油孔，來潤滑曲柄和十字頭。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)選 =r/l=0.0625。?2.1.3軸承有沖擊載荷，適宜選用滾子軸承。2.1.4十字頭整體鑄件，材料 ZG35。2.1.5傳動(dòng)方式選擇采用一級(jí)帶傳動(dòng)。2.2液力端結(jié)構(gòu)形式的選擇液力端是從柱塞一直到泵進(jìn)出口管接頭的部件，是介質(zhì)的過流部分，包括液體缸、柱塞和密封件、吸排液閥組件、缸蓋、閥箱蓋。在選擇液力端結(jié)構(gòu)形式時(shí)，應(yīng)遵循下述基本要求：a 過流性能好，水力阻力損失小，為此，液流通道應(yīng)力求短而直，盡量逃避拐彎和急劇的斷面變化；b 液流通道應(yīng)利于氣體排出，不允許有死區(qū)，造成氣體滯留。通常，吸入閥應(yīng)置于液缸體頂部；c 吸入閥和排出閥一般應(yīng)該垂直布置，以利于閥板正常起閉和密封；d 余隙容積應(yīng)盡可能的小，尤其是對(duì)高壓短程泵；江南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第 10 頁 共 34 頁e 易損件壽命長，更換方便；f 制造工藝性好。2.2.1泵體臥式三聯(lián)單作用泵的泵體為一整體式長方體不銹鋼塊鍛造，材料為 1Cr18Ni9Ti,其剛性好，工作腔間距小，機(jī)加工量小，吸排出閥布置為直通式三通體。其優(yōu)點(diǎn)為過流性能好，余隙容積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，柱塞雖然不可以從液缸前塞處裝拆，但 T 型孔加工工藝性好。2.2.2柱塞柱塞材料為 3Cr13，表面經(jīng)高頻淬火，再精密加工和磨光，具有等硬度和光潔度的表面，有較高的耐磨性和防腐性。因?yàn)橹睆叫?，采用?shí)心結(jié)構(gòu)，加工簡單。為不使柱塞發(fā)熱，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，柱塞上冷卻水不可斷。柱塞與十字頭之間采用平面連接，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，易于裝拆。2.2.3均質(zhì)閥均質(zhì)閥借調(diào)整螺旋彈簧對(duì)閥心的壓力，得到調(diào)整流體壓力的作用。在雙級(jí)均質(zhì)閥中，第一級(jí)流體壓力為 18MPa，主要使脂肪球破碎，第二級(jí)壓力減至 2.7MPa,主要使脂肪球均勻分散。本機(jī)用手動(dòng)輪直接控制壓力，操作方便，體積減小。均質(zhì)頭制造成兩面均可使用的圓柱形結(jié)構(gòu)，加工方便，使用壽命長。2.3確定泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)2.3.1活塞平均速度 U 的選擇mU 的大小直接影響泵各運(yùn)動(dòng)副零部件的摩擦和磨損，特別是對(duì)柱塞及其密封的m影響尤為顯著。U 過大則摩擦和磨損嚴(yán)重，會(huì)造成泄漏，流量下降，排出壓力也不m能達(dá)到額定值。U 過小則液力端徑向尺寸增加，傳動(dòng)端受力也增加從而使泵的總體尺寸和重量增加。一般可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到 U 的定量選取范圍：mU = K N m/smt4.0ez式中 U —柱塞平均速度，m/s；K —統(tǒng)計(jì)系數(shù)，液壓機(jī)用三聯(lián)或多聯(lián)機(jī)動(dòng)泵一般為 0.21~0.70;tN —折合成單聯(lián)單作用泵的有效功率,kw。ezN =( p - p ) Q / [612Z (k+1)]ez21高壓均質(zhì)機(jī)傳動(dòng)端的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真第 11 頁 共 34 頁≈p Q/ [612Z(k+1)] kw2式中 Q—泵的流量，l/minp —泵的排出壓力，kg f/cm ；2 2p —泵的吸入壓力，kg f/cm ；1當(dāng) p > p 或 p 為常壓時(shí)，全壓力 p – p ≈p 。21 212Z—泵的聯(lián)數(shù)（柱塞數(shù)） ；K—系數(shù)，K-1= A /A，K=0，對(duì)雙作用泵，A /A#include #define PI 3.1415926int xa=70,ya=270,xb,yb,xc,yc,xd=183,yd=270,xe,ye,xf,yf=75;double lalfa,lalfa1=360.0;double lab=50.5,lbc=108.75,lcd=112.5,lad=112.5,lde=225,lef=315,lb=195;double A,B,C,ac,a3,omiga1=5.236,omiga2,omiga3,omiga4,sc,vc;double alfa1,alfa2,alfa3,alfa4,alfa5;double ab=67.5,bc=145,cd=150,ad=150,de=300,ef=420,b=260;int alfa=0,l=300,m=100,xxc,yxc,xvc,yvc,xac,yac;/***************************************************************************/void set_angle(){lalfa1-=10;if(lalfa164)yxc=yxc-64;*/setcolor(RED);lineto(xxc,yxc);}draw_v(){xvc=(int)(alfa+m);yvc=(int)(l-vc);setcolor(YELLOW);lineto(xvc,yvc);}draw_a(){xac=(int)(alfa+m);江南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第 24 頁 共 34 頁yac=(int)(l-ac);setcolor(GREEN);lineto(xac,yac);}chart(){int graphdriver=VGA,graphmode=VGAHI;initgraph(&graphdriver,&graphmode," ");moveto(m,l);setbkcolor(BLACK);do{alfa1=alfa*PI/180;set_c();draw_x();alfa=alfa+1;}while(alfa64)yxc=yxc-64;*/setcolor(RED);lineto(vxxc,vyxc);}vdraw_v(){vxvc=(int)(valfa+vm);vyvc=(int)(vl-vvc);setcolor(YELLOW);lineto(vxvc,vyvc);}高壓均質(zhì)機(jī)傳動(dòng)端的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真第 27 頁 共 34 頁vdraw_a(){vxac=(int)(valfa+vm);vyac=(int)(vl-vac);setcolor(GREEN);lineto(vxac,vyac);}vchart(){int graphdriver=VGA,graphmode=VGAHI;printf("Please Chose The 1:L1=150,L2=955.5,b=0, omiga1=50r/min\n");printf(" or 2:L1=101,L2=433,b=260, omigal=50r/min\n");printf("HaHa,Which one do you chose??? :-)\n");scanf("%d",&vjust);if(vjust==1){vab=150;vbc=955.5;vb=0;}if(vjust==2){vab=101;vbc=433;vb=260;}initgraph(&graphdriver,&graphmode," ");moveto(vm,vl);setbkcolor(BLACK);valfa=0;do{valfa1=valfa*PI/180;vset_c();vdraw_x();valfa=valfa+1;}while(valfa360)_alfa=_alfa-360;_alfa1=PI*_alfa/180;}void _drawlink(){double l,i;xx2=(int)(_ab*cos(_alfa1))+xx1;yy2=yy1-(int)(_ab*sin(_alfa1));l=2*_ab*cos(_alfa1);xx3=(int)((l+sqrt(l*l-4*(_ab*_ab-_bc*_bc)))/2)+xx1;setbkcolor(BLUE);setcolor(RED);setlinestyle(0,0,3);moveto(xx1,yy1);lineto(xx2,yy2);lineto(xx3,yy3);setcolor(15);setlinestyle(0,0,0);line(250,156,640,156);circle(xx1,yy1,5);floodfill(xx1,yy1,WHITE);circle(xx2,yy2,5);floodfill(xx2,yy2,WHITE);moveto(xx1,yy1);lineto(xx1-10,yy1+10);lineto(xx1+10,yy1+10);lineto(xx1,yy1);line(xx1-15,yy1+10,xx1+15,yy1+10);for(i=4;iwarring.Pump Manual,7 th edition.1984(10) NIKKISO Metering Pump Technicai Data,1989