【正文】 筒強(qiáng)度要求下，軸承內(nèi)徑選擇為120mm，查手冊(cè)軸承表[22]，選擇適合軸承，代號(hào)61824。m 本設(shè)計(jì)中，三級(jí)傳動(dòng)中最弱材料均為鑄鐵（帶輪材料），在輕微沖擊條件下，查表可得鍵連接許用擠壓應(yīng)力=55 MPa；將計(jì)算的轉(zhuǎn)矩分別帶到式（331）中，有一級(jí)傳動(dòng)選用圓頭平鍵10860，則擠壓應(yīng)力，MPa 二級(jí)傳動(dòng)選用圓頭平鍵10822，則擠壓應(yīng)力MPa 三級(jí)傳動(dòng)選用圓頭平鍵10822，則擠壓應(yīng)力MPa 由此可見(jiàn)，所有鍵均滿足擠壓強(qiáng)度要求。m N假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件[20]： （331）式中：T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，N/m； k——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=，此處h為鍵的高度，mm； l——鍵的工作長(zhǎng)度，mm，圓頭平鍵l=Lb；b為鍵的寬度，mm； d——軸的直徑，mm； ——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的擠壓應(yīng)力，MPa；其中：對(duì)于轉(zhuǎn)矩計(jì)算有 （332）式中：P——傳遞的功率，kW；N——轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速，r/min。除非有嚴(yán)重過(guò)載，一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷。為了使V帶的工作面與帶輪的輪槽工作面緊密貼合，將V帶輪輪槽的工作面的夾角做成小于40176。V帶輪的輪槽與所選的V帶型號(hào)相對(duì)應(yīng)，查資料[20]見(jiàn)輪槽截面尺寸。對(duì)于，基準(zhǔn)直徑=200mm，小于300mm，配合轉(zhuǎn)筒的軸徑為140mm，顯然=200≤=350mm，因此，采用實(shí)心式，如圖311。當(dāng)帶輪直徑為≤（d為安裝帶輪的軸的直徑，mm）是，可采用實(shí)心式；當(dāng)≤300mm時(shí)，可采用腹板式；當(dāng)≤300mm，同時(shí)≥100mm時(shí)，可采用孔板式；當(dāng)＞300mm時(shí)，可采用輪輻式[20]。 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)輪輻結(jié)構(gòu)的不同，V帶輪可以分為實(shí)心式、腹板式、孔板式、橢圓輪輻式。二級(jí)傳動(dòng)的最小初拉力：N （328）三級(jí)傳動(dòng)帶的根數(shù)： （329）取1根。 二級(jí)和三級(jí)傳動(dòng)V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算為方便加工及良好互換性，二級(jí)和三級(jí)傳動(dòng)也采用B型V帶，傳動(dòng)比i=1，故而二級(jí)和三級(jí)帶輪的基準(zhǔn)直徑也均相同，mm；中心距也與一級(jí)傳動(dòng)相同，mm；帶長(zhǎng)mm。查文獻(xiàn)[20]表可得，q=。查表得，；，帶入式（325），于是 取3根。由mm和n=1460r/min，通過(guò)查表可得，=。（5）確定帶的根數(shù) （325）式中：——包角修正系數(shù)； ——V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度系數(shù)； ——單根普通V帶額定功率的增量，kW?！?0176。（4）驗(yàn)算包角為了保證帶傳動(dòng)的工作能力，需要驗(yàn)算小帶輪的包角。根據(jù)水力旋流器整體結(jié)構(gòu)，以及V帶傳動(dòng)的總體尺寸的限制條件，初選中心距mm；則有： （322）式中：——初選中心距所對(duì)應(yīng)的帶長(zhǎng)，mm； 1348mm 實(shí)際中心距a有： （323）根據(jù)計(jì)算帶長(zhǎng)，由[21]中普通V帶表，選擇V帶B型帶標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)長(zhǎng)度mm。顯然，以上選取符合設(shè)計(jì)要求。其中，經(jīng)查表可得，=，代入式（320），有kW 已知，小帶輪轉(zhuǎn)速為1460r/min，根據(jù)圖39，V帶的帶型選擇為B型帶（2）V帶輪的基準(zhǔn)直徑及驗(yàn)算帶速取傳動(dòng)比i=1，參考[20]中，普通V帶輪的基準(zhǔn)直徑系列，選取大小帶輪的基準(zhǔn)直徑mm。參考手冊(cè)[21]，選擇三相異步電動(dòng)機(jī),型號(hào)Y160M4，額定功率11kW，額定轉(zhuǎn)速1460 r/min。則：kW （317）kW （318）kW （319）式中：——V帶傳動(dòng)效率，~，； ——第三、第二、第一級(jí)V帶需要傳遞的功率。此時(shí)。其中，V有 （316）式中：——細(xì)轉(zhuǎn)筒段的長(zhǎng)度，m； ——粗轉(zhuǎn)筒段的長(zhǎng)度，m； ——細(xì)轉(zhuǎn)筒段的外徑，m； ——細(xì)轉(zhuǎn)筒段的內(nèi)徑，m； ——粗轉(zhuǎn)筒段的外徑，m； ——粗轉(zhuǎn)筒段的內(nèi)徑，m。則： （314）式中：——摩擦副直徑，mm；——摩擦系數(shù)；g——重力加速度，；m——單旋體旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量，kg。而在水力旋流器剛開始啟動(dòng)的時(shí)候，需要很大的功率才能將其帶動(dòng)起來(lái)，這部分主要靠帶輪傳遞的轉(zhuǎn)矩克服旋流體在摩擦副的摩擦阻力矩，主要是在滾動(dòng)軸承處的摩擦。則： （310）式中：Q—— 處理量，kg/s；D—— 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑，m；d—— 旋轉(zhuǎn)柵中心孔徑，m；r—— 選取質(zhì)點(diǎn)距中心的距離，m；—— 轉(zhuǎn)筒角速度，rad/s；—— 液流在進(jìn)入旋轉(zhuǎn)柵時(shí)的初速度，m/s；其中，Q=12 =kg/s=（311） rad/s （312）將Q和等各個(gè)參數(shù)帶入式（110），則： == 84W 考慮到液流離開旋轉(zhuǎn)柵，在轉(zhuǎn)筒后段液流微觀分子間的相互作用，外在表現(xiàn)為內(nèi)部摩擦而會(huì)使切向速度有所減小，因此應(yīng)適當(dāng)放大旋轉(zhuǎn)柵的功率。由此，我們可以計(jì)算得到單旋體所需要的功率。圖37 收油錐結(jié)構(gòu)示意圖 單旋體需要的功率及電機(jī)的選擇本文設(shè)計(jì)的水力旋流器，是通過(guò)螺釘固定在轉(zhuǎn)筒上的旋轉(zhuǎn)柵旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)液流旋轉(zhuǎn)，使液流得到足夠的切向速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)的液體起導(dǎo)流和預(yù)加速作用。本文設(shè)計(jì)的旋流器油錐錐角選取9176。為使旋流腔內(nèi)的流場(chǎng)不因此結(jié)構(gòu)的變化而產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)放置收油錐，且收油錐角不宜太大。有收油錐主要目的是增加收油處流場(chǎng)的穩(wěn)定和溢流嘴位置的靈活布置，以得到較好的分離效果，同時(shí)也可減緩大處理量的液力沖擊，更好地保持低能耗。此外，改變溢流嘴位置需綜合考慮操作參數(shù)的調(diào)節(jié)及其它因素（如共振等）的影響。圖35 不同溢流嘴直徑對(duì)分離效率的影響 溢流嘴位置圖36中溢流嘴直徑為6mm，其操作條件及參數(shù)同圖35，溢流嘴伸入到轉(zhuǎn)筒內(nèi)的位置選取收油端轉(zhuǎn)筒連接端面為基準(zhǔn)，獲得的分離效率關(guān)系為，這說(shuō)明改變溢流嘴位置的布置對(duì)分離效率也有一定的影響。轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)1m，內(nèi)徑為95mm，分流比15％，~12mm時(shí)，有很好的分離效率，且效率穩(wěn)定性較好，直徑為6~10mm時(shí)分離效率更好。該關(guān)系的優(yōu)選設(shè)計(jì)較復(fù)雜，因?yàn)樗粌H涉及入水口含油量、介質(zhì)粘度、油滴粒徑分布、油水密度差、溫度等，而且與操作參數(shù)（如處理量、工作壓力、轉(zhuǎn)速、分流比等）關(guān)系密切。目前解決該問(wèn)題的辦法是除了合理選取結(jié)構(gòu)形式外，還需要有效地控制操作參數(shù)，保證排油區(qū)與排水區(qū)間有較高的壓力降差值，以便油相介質(zhì)能夠順利排出。排油口直徑大小不僅與入液含油濃度有關(guān)，而且會(huì)直接影響處理后油中含水或水中含油的分離指標(biāo)。可見(jiàn)，溢流嘴設(shè)計(jì)成漏斗形內(nèi)錐面和外橢錐體外表面。在x=0處，y=0；在x=d處，；在處。經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)計(jì)算，得到它的流線方程為： （39）對(duì)于的流線，c=0，則有：y=0， 由此可知，的流線是由x軸與對(duì)稱于x軸的一條曲線構(gòu)成。實(shí)踐表明，其加工方便、經(jīng)濟(jì)合算，室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果很好[16]?；谠撍枷耄瑑?yōu)選設(shè)計(jì)得到溢流嘴內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)形式，見(jiàn)圖33和圖34。溢流嘴外表面主要作用是把油水從分界面分開并引導(dǎo)液流平穩(wěn)過(guò)渡，避免產(chǎn)生劇烈的旋渦，以致破壞局部的流場(chǎng)穩(wěn)定。本樣機(jī)溢流嘴內(nèi)表面形狀及參數(shù)見(jiàn)圖32，其中溢流口的有效直徑取10mm，內(nèi)錐面入口直徑取18mm。時(shí)，收縮現(xiàn)象基本消除，流道暢通，有利于減小尺寸。為了能夠獲得較好的預(yù)期分離效率，收油內(nèi)表面采用漏斗形錐面，獲得的速度平面為扇形區(qū)域，這可緩解入口收縮現(xiàn)象。假如溢流嘴橫截面積為過(guò)流面積，那么嘴壁入口處的流速不可能無(wú)限大。觀察數(shù)值模擬結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)柵葉片長(zhǎng)度為100mm的分離效率與95mm時(shí)很接近，也有很高的分離效率，本文設(shè)計(jì)選用100mm長(zhǎng)葉片。其中：= （37）s （38） 將和t帶入式（36）中，可得mm 由此可得。若保證液體充分旋轉(zhuǎn)，則液滴在旋轉(zhuǎn)柵內(nèi)必須有足夠的存留時(shí)間，查閱材料[13]可知，液滴要得到充分旋轉(zhuǎn)，則液滴至少要在旋轉(zhuǎn)柵內(nèi)轉(zhuǎn)3周。柵片是后續(xù)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)產(chǎn)生和流場(chǎng)穩(wěn)定的實(shí)物載體，其直線長(zhǎng)度直接影響液體的驅(qū)旋時(shí)間，但并不是柵片越長(zhǎng)越好，柵片太長(zhǎng)，雖然驅(qū)旋作用加強(qiáng)，但其間液流速度提高。因而，中心孔徑d=75mm合理。帶入式（34），得： =4452 而，旋轉(zhuǎn)柵中心孔面積=== 4416 （35）式中：——旋轉(zhuǎn)柵中心孔面積。為避免過(guò)大的入口速度波動(dòng)造成局部的阻力損失，一般要求旋轉(zhuǎn)柵中心孔面積應(yīng)稍大于旋轉(zhuǎn)柵各流道面積之和；若旋轉(zhuǎn)柵流道數(shù)越多，液流過(guò)流面積就會(huì)減小，也導(dǎo)致液體流動(dòng)平穩(wěn)性較差，壓力損失及液滴的剪切破碎程度也會(huì)增加，將不利于分離[16]。則計(jì)算式[16]為： （34）式中：L——葉片長(zhǎng)度，mm； d——中心軸直徑，mm；h——葉片厚度，mm。圖31 旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)圖 旋轉(zhuǎn)柵中心孔徑選擇旋轉(zhuǎn)柵位于轉(zhuǎn)筒入口處，起導(dǎo)流與預(yù)旋轉(zhuǎn)加速作用，使分離液在旋流腔內(nèi)迅速形成強(qiáng)渦流。在轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度為2m的條件下，采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)對(duì)分離效率的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明：隨著葉片數(shù)的增加，分離效率先升高后降低；當(dāng)葉片數(shù)為3時(shí)，分離效率最高，如表33所示[17]。旋轉(zhuǎn)柵對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)的液體起導(dǎo)流和預(yù)加速作用?；诶碚摲治龊驮囼?yàn)研究，優(yōu)選出了葉片式和螺旋式兩種結(jié)構(gòu)形式。旋轉(zhuǎn)柵固定于空心驅(qū)動(dòng)軸軸向外端，是實(shí)現(xiàn)油水混合液旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的關(guān)鍵部件。表32 轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)徑比對(duì)分離效率的影響名稱轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度L（m）轉(zhuǎn)筒內(nèi)經(jīng)D（mm）長(zhǎng)徑比K平均分離效率G（%）H1H2H3H4H550909095140201317214 旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)確定旋轉(zhuǎn)柵位于轉(zhuǎn)筒入口端，若單靠轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁與液流間的摩擦使液流作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則產(chǎn)生的旋流強(qiáng)度未必滿足分離的要求。= （32）K=~20最佳值區(qū)間。動(dòng)態(tài)水力旋流器的存留時(shí)間一般為3~8s[17]?？紤]到影響設(shè)備分離性能的各種因素，在設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)徑比一般應(yīng)在15~20間選取。若L過(guò)長(zhǎng)，則勢(shì)必導(dǎo)致動(dòng)力損耗加大、振動(dòng)加強(qiáng)，反而影響分離效果。表31 轉(zhuǎn)簡(jiǎn)長(zhǎng)度對(duì)分離效率的影響轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度/m分離效率%轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度/m分離效率% 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑D確定長(zhǎng)徑比K是指轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度L與其主直徑D的比值。利用數(shù)值模擬研究了轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度對(duì)分離效率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度為2m時(shí)，分離效率最高，如表31所示。處理量確定時(shí)，液滴的存留時(shí)間取決于轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度。D和L均會(huì)影響動(dòng)態(tài)旋流器處理量[16]。L影響輕相介質(zhì)向轉(zhuǎn)筒中心的運(yùn)移效果，L越大，混合介質(zhì)在腔內(nèi)存留時(shí)間越長(zhǎng)，輕相介質(zhì)向轉(zhuǎn)筒中心運(yùn)移越充分。第3章 動(dòng)態(tài)水力旋流器主要構(gòu)件設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)筒參數(shù)化造型設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度L確定轉(zhuǎn)筒參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)、內(nèi)徑以及長(zhǎng)度，動(dòng)態(tài)旋流器分離液的旋流強(qiáng)弱與其密切相關(guān)。因?yàn)楫?dāng)人口流量和轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，適當(dāng)減小分流比，溢流流量相應(yīng)減少，隨溢流排出的水相應(yīng)減少，人口所含的油盡可能多地都從溢流排出，因此分離效率得到提高[3]。分流比大小的確定與人口含油（含水）百分比有關(guān)。分流比與分離效率之間的關(guān)系如圖212。另外，流量過(guò)大會(huì)破壞動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定性，使分離效率下降[3]。確定合理流量區(qū)間為10~13m3/h。 （21）式中：——溢流出口流量（即溢流量）；——底流出口流量（即底流量）。實(shí)際應(yīng)用要求額定處理量區(qū)越大越好，以利于適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況的變化，具有更高的靈活性。處理量過(guò)低會(huì)使液流進(jìn)入水力旋流器的流速大幅度下降，不能形成強(qiáng)度足夠的渦流，對(duì)分離也是很不利的。圖210 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速與分離效率關(guān)系曲線 處理量處理量即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)水力旋流器的液體量的大小，即入口流量，通常用Q，表示，國(guó)際單位m3/h，表示每小時(shí)或每天的流量（m3）。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，旋轉(zhuǎn)柵對(duì)分散相油滴乳化程度加大而難以分離，使分離效率下降。一般認(rèn)為，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速較高時(shí)效率也高，這是因?yàn)榱髁恳欢〞r(shí)液流加快，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速增高，油水介質(zhì)的徑向壓力差