在化工、食品、醫(yī)藥許多工業(yè)方面,都涉及懸浮液中固體微粒和液相分離的工藝過程,這個過程無需進(jìn)行任何化學(xué)反應(yīng),只需經(jīng)過機械方法對固液兩相進(jìn)行分離,一般采用沉降分離方法來完成此項工作。例如濾除渣物提取果汁與油料、經(jīng)過濕法粉磨的超微礦物粉料的脫水和淀粉加工等,都需考慮快速有效的固液分離技術(shù)。當(dāng)前迅速發(fā)展的精細(xì)化學(xué)工業(yè),為高價值地利用碳酸鈣、高嶺土、瓷土等非金屬礦物資源,將礦粉經(jīng)過濕法碾磨和分級,得到<2μm的微粒粉料,可以作為造紙面布涂料和 光學(xué)涂料,這樣的粉漿是一種膠體顆粒懸浮液,要使這些微顆粒在重力場中沉降分離,固體顆粒的沉降速度極小,甚至微顆粒受布朗運動的作用,重力沉降幾乎不可能。離心沉降則與重力沉降不同,從流體力學(xué)可知,顆粒在重力場中沉降,一方面顆粒受重力加速度作用而加速運動,另一方面又由于顆粒所受的液體阻力與其運動速度平方成正比,當(dāng)阻力和重力達(dá)到平衡時,無外力作用情況下,顆粒只能以平衡時的線速度勻速運動,該速度稱為顆粒的沉降速度。
國外在20世紀(jì)70年代就廣泛應(yīng)用離心沉降設(shè)備,使懸浮液處于離心力場中得到快速沉降,螺旋卸料轉(zhuǎn)鼓式離心機就是近年來被認(rèn)為理想的設(shè)備。
固液兩相混合的懸浮液,通過輸料管送入到轉(zhuǎn)鼓的離心沉降腔內(nèi),懸浮液被離心力作用在腔內(nèi)緊貼轉(zhuǎn)鼓壁形成一定厚度的液環(huán),而液環(huán)中的固相微粒,在離心力場作用下迅速向鼓壁沉降,在內(nèi)壁形成固相物的密集層,不斷供入懸浮液體,并繼續(xù)發(fā)生離心沉降過程,固相物依附鼓壁,料層不斷增厚,被螺旋卸料器推向轉(zhuǎn)鼓錐形段端側(cè),而內(nèi)層澄清液向圓筒形轉(zhuǎn)鼓段的端側(cè)溢出,從而達(dá)到了兩相分離的目的。實際上,當(dāng)離心機的分離因數(shù)達(dá)到相當(dāng)高的程度,對于不同密度的兩種不互溶液體的混合液,亦可進(jìn)行分離。
為了使很小粒徑的固體顆粒得到快速沉降,離心機必須造成足夠的離心力場將微顆粒強迫沉降,而所需的離心力則依靠離心機的轉(zhuǎn)鼓的高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生,由此可見,轉(zhuǎn)鼓的高轉(zhuǎn)速,僅僅標(biāo)志其對懸浮液分離難度的有效性,離心機更重要的性能要求,還要把沉降下來的固相物有效地收集,在分離過程中,使超細(xì)顆粒不被澄清液帶走,而且使收集的固相物的含濕量盡可能低。這就要求卸料裝置(螺旋卸料器)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的合理配置。這些技術(shù)問題,就有賴于其驅(qū)動裝置——差速器的合理設(shè)計。
美國、德國、英國、瑞士、日本等 的螺旋離心機所采用的驅(qū)動裝置為齒輪行星差速器,其轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速高達(dá)5000r/min以上,分離因數(shù)(離心加速度與重力加速度之比),可達(dá)6000以上,轉(zhuǎn)鼓與螺旋卸料器的轉(zhuǎn)差率為0.3~4%,對固液密度差>0.05g/cm3的懸浮液分離,收得的粒徑>2μm的渣料含濕量低于20%,而且這種離心機的分離效果對進(jìn)料固相濃度變化不敏感。我國自80年代引進(jìn)國外裝備,不斷消化吸收國外技術(shù),陸續(xù)設(shè)計和生產(chǎn)出多種機型的同類離心機,如WL系列離心機,是目前生產(chǎn)較成熟的產(chǎn)品,但其分離因數(shù)一般在500~2400范圍,大多采用擺線針輪式差速器。由于轉(zhuǎn)速不高,分離因數(shù)值小,其所能達(dá)到分離的效果,也只能對界限粒度>10μm的密度較大的固相顆粒進(jìn)行比較有效的分離。而當(dāng)前一些工業(yè)應(yīng)用要求對<2μm以下的顆粒進(jìn)行沉降收集,要改進(jìn)離心機的性能,技術(shù)關(guān)鍵在于提高轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速,以提高分離因數(shù),由此,作為驅(qū)動裝置的差速傳動裝置也由于提高主傳動轉(zhuǎn)速而需要考慮以下問題。
(1)要求很小的回轉(zhuǎn)半徑,很小的回轉(zhuǎn)質(zhì)量,和很高的動平衡精度。
(2)由于轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速很高,卸料速度仍需保持在一定范圍內(nèi),也即使輔傳動和主傳動輸出很小的轉(zhuǎn)速差,則行星機構(gòu)的傳動比應(yīng)很大。若主傳動轉(zhuǎn)速為5500r/min,卸料輔傳動轉(zhuǎn)速差為2r/min,則轉(zhuǎn)差率為0.036%,若輸入轉(zhuǎn)速差為100r/min,則要求行星機構(gòu)的傳動比>50,實際需要還更大,只有加大傳動比,才能準(zhǔn)確控制輸出的轉(zhuǎn)速差。
(3)保證輔傳動提供螺旋卸料器足夠的工作扭矩,可能還出現(xiàn)隨機的過載情況,同時由于尺寸限制,齒輪機構(gòu)設(shè)計的承載能力安全儲備小,所以需要帶有扭矩離合器,以保安全。
(4)行星機構(gòu)很緊湊地封裝在圓柱型外殼內(nèi),內(nèi)部裝載的潤滑油也類同于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的被分離的液體,在強大的離心力場作用下對殼壁產(chǎn)生很大的離心壓力,外殼要有可靠的密封,防止漏油。
目前的大部分離心機上所采用的差速器為擺線針輪行星機構(gòu),實際上,擺線針輪傳動機構(gòu)存在著結(jié)構(gòu)性的致命弱點,因為擺線針輪傳動是依靠少齒差行星傳動方式得到較大傳動比的,較大質(zhì)量的擺線輪的重心偏置,雖然與針齒輪的中心距不大,而且采用成對設(shè)計,但其重心偏置,沿軸向相距一個擺線輪厚度,在軸向上的偏心質(zhì)量,將在高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生進(jìn)動不平衡力矩。仍不能滿足高轉(zhuǎn)速情況下的動平衡要求,要達(dá)到離心機的分離因數(shù)>6000時,一般轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速要達(dá)到5000r/min以上,這個轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)子體是過臨界轉(zhuǎn)速,一般要求差速器的動平衡精度達(dá)到G2.5級,由此則要求差速器在此轉(zhuǎn)速下的動不平衡矩必須小于12.5~20g·cm。這樣的精度要求,對于擺線針輪行星差速器,既無法達(dá)到,也無法校整。
對于上述螺旋卸料式離心機的改進(jìn)要求,設(shè)計了NC系列的齒輪行星差速器,在較多的主機上配套,達(dá)到了較好效果,以下作簡要介紹。
1 NC系列齒輪行星差速器的結(jié)構(gòu)原理
NC型齒輪行星差速器由兩級NGW行星齒輪機構(gòu)組成,內(nèi)齒圈B1、B2連接的外殼和離心機轉(zhuǎn)鼓固連,并與主傳動皮帶輪連接,輸入主傳動轉(zhuǎn)速。輸出軸以花鍵軸頭和離心機的螺旋卸料器軸連接,一級中心輪由輔傳動皮帶輪通過扭矩離合器和輸入軸輸入輔傳動轉(zhuǎn)速,由行星輪架(系桿)自帶的二級中心輪耦合到第二級行星傳動機構(gòu),進(jìn)一步減速輸出。
設(shè)計考慮了輸出轉(zhuǎn)速差<2r/min的情況,行星機構(gòu)的傳動比設(shè)計為35,57,93和159幾個公稱傳動比,當(dāng)傳動比大時,由于中心輪直徑很小,行星輪個數(shù)受鄰接條件限制,因此傳動比>57的情況,可采用2個行星輪,而其它采用3個行星輪結(jié)構(gòu)。
行星機構(gòu)還有一個顯著的優(yōu)點,可以根據(jù)實際需要,很方便地改變各級齒輪的配齒方案,得到所需的各種傳動比。
2 差速器額定輸出轉(zhuǎn)矩的確定
差速器額定輸出轉(zhuǎn)矩是決定差速器能夠提供離心機螺旋卸料器滿足完成一定產(chǎn)量的排料能力的參數(shù),確定了這參數(shù)值后,才能對差速器各級行星機構(gòu)作準(zhǔn)確的設(shè)計。所需的輸出轉(zhuǎn)矩決定于所配主機的工作能力。要確定這個參數(shù),必須根據(jù)轉(zhuǎn)鼓和卸料器的結(jié)構(gòu)特點,螺旋卸料器葉片方向有垂直于鼓壁母線和垂直于回轉(zhuǎn)軸線兩種結(jié)構(gòu)。為便于敘述,設(shè)轉(zhuǎn)鼓為錐形,半錐角為α,將圓柱形鼓壁部分作為α=0的特例,其計算方法一致。
差速器的額定輸出轉(zhuǎn)矩決定于以下計算結(jié)構(gòu)。
2.1 對于螺旋葉片垂直于轉(zhuǎn)鼓回轉(zhuǎn)軸線情況
(1)克服沉降物離心力沿轉(zhuǎn)鼓母線分力所需的轉(zhuǎn)矩。
(2)克服沉降物與轉(zhuǎn)鼓壁摩擦力所需的轉(zhuǎn)矩。
(3)克服沉降物和螺旋桿摩擦力所需的轉(zhuǎn)矩。
2.2 螺旋葉片垂直于轉(zhuǎn)鼓錐段母線情況
(1)克服沉降物產(chǎn)生的離心力沿轉(zhuǎn)鼓圓錐母線方向的分力所需轉(zhuǎn)矩同2.1中(1)的計算。
(2)克服沉降物與轉(zhuǎn)鼓壁摩擦力所需的扭矩。
(3)克服沉降物和螺旋桿摩擦力所需的扭矩。
差速器輸出的工作扭矩為三項之和。
3 NC系列行星齒輪差速器的基本參數(shù)
NC系列行星齒輪差速器在國內(nèi)生產(chǎn)的LW、WL各種型式離心機上配套應(yīng)用,經(jīng)過長期運轉(zhuǎn)考驗,達(dá)到了較好效果??膳溆玫霓D(zhuǎn)鼓直徑在180~800mm范圍,轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速3500~5500r/min,輸出差轉(zhuǎn)速為2~80r/min,所配離心機的分離因數(shù)可達(dá)到4400~5500左右,具體性能參數(shù)如表1。表2列出未改進(jìn)前WL系列離心機所能達(dá)到的分離因數(shù)指標(biāo)值。
表1:NC系列行星齒輪差速器的基本參數(shù)
型號 | NC1 | NC2 | NC3 | NC4 |
公稱傳動比 | 35,57,96 | 57,93,159 | 57,93 | 57,96 |
額定輸出扭矩/(N·m) | 1400 | 2300 | 3300 | 4200 |
主要尺寸/mm L0 | 340 | 390 | 390 | 420 |
主要尺寸/mm L1 | 200 | 205 | 205 | 220 |
主要尺寸/mm D0 | 225 | 265 | 285 | 350 |
轉(zhuǎn)鼓直徑/mm | ≤260 | ≤360 | ≤500 | ≤800 |
驅(qū)動功率/kW | 2.2~4 | 3~5.5 | 4~7.5 | 5.5~11 |
轉(zhuǎn)速/(r/min) | 5500 | 4500 | 4000 | 3500 |
可達(dá)到分離因數(shù) | 4400 | 4078 | 4475 | 5482 |
表2:未改進(jìn)前WL系列離心機所能達(dá)到的分離因數(shù)
型號 | WL-200 | WL-350 | WL-400 | WL-600 | WL-630 |
分離因數(shù) | 2260 | 2390 | 1880~2360 | 1470 | 1400~1700 |
由數(shù)據(jù)比較可知,采用NC行星齒輪差速器提高了離心機轉(zhuǎn)速,從而提高了分離因數(shù)。