三足式沉降离心机的计算机辅助设计

来源： 2007年02月03日 10:16

张建伟　高俊岩　杨元凤　丛　磊　
【摘要】采用人工交互的设计系统,对三足式沉降离心机进行计算机辅助设计。文章阐述了这种辅助设计的步骤、基本设计思路、设计系统的功能。
关键词:离心机;CAD ;优化设计
　　离心机通常是指利用离心力来达到固—液,液—液,液—液—固分离操作的机械。主要用于脱水,浓缩,分离,澄清,净化及固体颗粒分级等工艺过程,它广泛应用于各个工程领域。
　　三足式离心机是应用的离心机。其适用范围广,对物料的适应性强。其数量占各种分离机械总和的50 %左右。三足式沉降离心机因其针对的物料不同,常需进行修改设计。
　　计算机辅助设计技术是一种新兴的设计方法,CAD 技术将计算机的快速性,准确性和设计人员的逻辑思维及综合分析能力结合起来,将大大减轻设计人员的劳动强度,加快设计进程,提高设计质量。该设计方法已应用于许多机械设计之中,如齿轮减速箱,转鼓,弹簧等。
　　将计算机辅助设计技术应用于三足式沉降离心机的设计之中,从而大大的提高了设计效率,优化了设计参数,为获得*化的设计结果提供了可能。
1 　设计任务分析
1. 1 　结构组成
　　三足式沉降离心机,由转鼓、主轴、轴承、壳体、带传动组件（皮带轮及皮带等）组成。
1. 2 　初始基本设计数据及数据库的建立
　　三足式沉降离心机的基本参数包括:转鼓的直径、转鼓的工作转速、转鼓的一次zui大加料量、物料密度、物料固液比、离心机由静止到达工作转速所需的启动时间等。对于这些参数,设计软件中利用FOXBASE 数据库管理系统将它们存储起来,使用时通过字符变量去调用。这样做使大量的已知数据由计算机自动查询,减少了不必要的（大量重复的）人机交互过程,提高了运算速率。
1. 3 　基本设计思路
　　基本设计思路是计算机参与设计过程的每个环节,其过程示意如图1 所示。计算机根据设计人员提出的设计要求和基本原始数据,进行大量而又快速的分析计算优化设计直至绘图工作。设计人员根据自己的设计经验来判断设计结果是否满足预定的要求,并根据人机对话的方式,提出修改方案的信息,这样就将传统的人工计算、人工绘图的设计过程,用的人机组合设计过程所代替。
　　对于三足式沉降离心机这样一个复杂的结构,采用分布骤设计,公用区存储数据的原则。
2 　设计系统的功能
　　通过对三足式沉降离心进行结构分析,确定该计算机辅助设计系统的总功能。包括以下四部分:

2. 1 　离心机转鼓的*化设计
2. 1. 1 　目标函数的确定
　　离心机转鼓优化设计的目标函数选为转鼓的质量。质量为zui小,一方面可节省机器造价;另一方面可以降低离心机的启动功率,降低消耗。
2. 1. 2 　约束条件的确定
约束条件包括三个方面:
（1）应力约束
σmax ≤[σ]
σmax为转鼓的zui大应力,它通过轴对称有限元计算程序得到。该有限元程序已经过转鼓应变实验验证。
[σ]为转鼓材料的许用应力, [σ] = min{σS/ ns ,σb/ nb} ,根据所分离物料选择所需的材质,由此确定材料的屈服极限,强度极限和安全系数。进而确定许用应力。
（2）位移约束
Umax ≤[ U ]
即所有点的zui大位移小于等于允许位移。
（3）几何约束
又称为刚性约束。
V min ≥[ V ]
2. 1. 3 　图形输出
　　优化设计计算出的参数结果,直观地用计算机显示出图形,并用绘图机输出。
　　同时,对优化设计出的转鼓,计算出其各部分转动惯量,并汇总成总转动惯量,并将该数据存入公用数据区。
2. 2 　确定电动机功率
　　电动机功率的计算,是建立在使整个电动机功率消耗在以下几方面的基础上:
（1）启动转鼓达到工作转速所消耗的功率。
（2）启动物料达到工作转速所消耗的功率。
（3）转鼓与空气摩擦消耗的功率。
（4）轴与轴承摩擦消耗的功率。
　　计算时调用公用区的数据,zui后计算得到的结果需由控制模块引导到人工判别功能区,与电机样本给定数据进行判别,从而选择合适的电机,并将此电机的有关数据再存入公用数据区。
2. 3 　皮带传动设计计算及皮带轮设计
　　从公用区中调出必要的电机数据及结构数据,进行带传动的设计计算,zui后确定出带的根数、带中心距和带对轴的拉力等数据存入公用区,并进行带轮结构设计,绘制出带轮结构图。
2. 4 　轴系统设计计算
2. 4. 1 　轴的设计计算
　　按轴的材料和结构要求,调用公用区的部分数据,确定出轴的各部分直径,校核轴的强度。
2. 4. 2 　轴系的临界转速计算
　　离心机为高速回转机械,主轴的转速较高,若主轴的工作转速靠近轴系统的临界转速,则可能发生共振,转动件与静止件相碰撞,发生严重的事故。应用解析法计算出离心机这一单转子轴系的临界转速,与轴的工作转速比较判断是否可行,若不可行,则回到3. 4. 1 节修改轴的结构尺寸,重新校核,直到可行为止。
2. 4. 3 　滚动轴承的选择与计算校核
　　根据载荷和轴的转速选定轴承,然后运行滚动轴承校核的程序,输出轴承的寿命。人工判断是否可行。
整个设计系统为基本自动设计型系统,主机为内存64M以上的微机,并配有绘图软件资源UNIX操作系统。
3 　模块划分
　　程序系统分为计算部分和图形部分。计算部分的功能块见图2 所示。

（1） OPTB 　转鼓的优化设计和转动惯量计算
（2） MPC 　电机功率计算
（3） GBD 　带传动设计计算
（4） GSH 　轴系计算
　　这些操作在程序系统结构图中处在第二层,它们的每一块还可用自顶向下的方法逐步分解为更小的模块,图3 以优化设计转鼓为例,给出了模块的进一步分解。

4 　结束语
　　三足式沉降离心机的设计,本身即为一项较复杂的设计。其计算机辅助设计工作也较复杂,采用全自动的连续式设计系统,实现起来相当困难,甚至是不可能的。因此,这里采用人机交互的设计系统,对每一个阶段性工作结果由设计者进行评价、选定、满意时则进行下一步工作,不满意时则返回,重新工作,直至获得满意结果为止。运行程序过程中,需要设计者进行操作时,则在显示屏上显示出供选择的菜单,为设计者的操作提供方便。

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