胶乳类碟式分离机的研究与开发

魏玉龙 程春艳

摘要：为了更好地满足橡胶工业的发展需要，本文研究与开发了胶乳类碟式分离机。介绍了碟式分离机的发展状况和胶乳类碟式分离机的开发思路，并对胶乳类碟式分离机的关键技术进行了研究，如碟片组优化设计、碟式分离机内流特性以及分离效率的研究、碟式分离机柔性支承振动特性的研究、碟式分离机液力刹车系统的研究、碟式分离机柔性传动及润滑系统研究及控制系统设计。

关键词：胶乳，碟式分离机，振动，分离效率，控制系统

引言

天然橡胶作为一种世界性的工业原料，因其很强的弹性和良好的绝缘性、可塑性、隔水隔气、抗拉和耐磨等特点，广泛地运用于工业、农业、国防、交通、运输、机械制造、医药卫生领域和日常生活等方面。天然橡胶组分复杂，加工要求严格，其初加工主要分成干胶加工和浓缩胶乳加工。目前生产浓缩胶乳的主要方法是离心法，离心法具有生产效率高、生产过程短、产品纯度高和质量容易控制等显著优点，因而其产量较多，约占浓缩胶乳总量的90%。碟式分离机是应用最广的分离机械之一，被广泛应用于农业、食品加工、香料生产、医药工业、化学工业、石油工业等领域，而且碟式分离机在分离机行业中的比重逐年提高，因此碟式分离机的发展能有效推动我国分离机械产业。本文针对胶乳浓缩预处理需求，开发新型的碟式分离机有利于提高胶乳产业的生产效率，符合国家振兴装备制造业的需求，有着巨大的市场潜力，并有着广泛的社会和经济意义。

1.碟式分离机的发展状况

碟式分离机是一种高速沉降离心机，它是利用转鼓内的一组锥形碟片和转鼓高速旋转产生的强大离心力（如图1所示）。碟式分离机转速高，分离因数大，能很好的实现乳浊液的分离和高分散悬浮液的澄清。国际上在分离机械自主设计及制造方面领先的企业有瑞典的ALFA-LAVAL，美国的道尔-奥立弗、夏普尔斯，德国ELLERWERK、鲁瓦SMS、黑特尔豪斯，英国的威廉希尔顿，法国的罗巴特尔等。

图1  碟式分离机工作原理图

瑞典ALFA-LAVAL公司是世界上最大的分离机械制造公司，产品由分离机发展到各种离心机、过滤机等成套设备，ALFA-LAVAL公司的AX-215机型的分离因数均已超过15000，并且开发用于生物工程的Fux-510机型，则带有振动监视装置和具有自动调节的涡旋形喷嘴;目前德国ELLERWERK公司已制成转鼓直径为3000mm 的分离机，而碟式机的最大处理量已达300m3/h;丹麦的RUSTER研制了带电子控制及可加热和冷却的离心机，WESTFALIA则开发了CNB45分离机，该公司的三相逆流离心机已在华北药厂成功地用于青霉素的萃取。

我国碟式分离机的发展已有50年的历史，其主要技术有从其他行业用分离机改型以及从国外同类产品消化吸收而来的。目前，我国广泛用于离心法浓缩胶乳的胶乳分离机是ALFA-LAVAL公司生产的LRH410型以及国产LX-460/LX-560型。与国外的LRH410相比，LX-460延长了停机除渣时间，缩短了开机启动时间，但是在生产效率和制成率方面与国外先进技术水平还存在一定的差距。

对于胶乳的预处理，国外已经形成了较为完善的研究体系，并取得了一些显著的成果。然而国内目前所有的浓缩胶乳的加工工艺中并没有采用预处理措施，在很大程度上限制了浓缩胶乳的制成率，对胶乳的预处理机——碟式分离机系统的研究是现在亟需完成的任务。

2.胶乳类碟式分离机的开发思路

尽管碟式分离机在国内形成了初步的设计规模，但是将碟式分离机作为胶乳预处理机却是一个全新的理念。鲜胶乳粘性大，内含杂质多，易于吸附在转鼓表面形成残渣。碟式分离机作为预处理机，与分离其他介质如葡萄酒、等有很大的区别，其目的就是将鲜胶内的固体杂质分离出来，保证鲜胶乳的稳定性，提高鲜胶乳的保质时间，很大程度上降低了浓缩胶乳的成本。为了深入的了解碟式分离机作为预处理机的可操作性及研制适合胶乳预处理的新型碟式分离机，需要对碟式分离机进行更深入的研究。

碟式分离机立轴的弹簧支撑结构使转子处于柔性振动状态，目前国内还没有形成系统的理论对碟式分离及的柔性支撑特性进行分析，不能对转子的振动特性做出准确的估计，在设计轴系的过程中往往存在偏差，因此对柔性支撑下的振动特性进行研究可以给碟式分离机的结构设计提供有力的依据。国内现有的碟式分离机都是采用齿轮进行传动，然而齿轮传动的润滑系统不易检测，而且齿轮传动的故障率也比较高，需要对预处理机的传动机构进行改进，采用柔性传动的皮带传动方式，并研究适合柔性传动的润滑系统。

碟式分离机对物料分离效果的好坏，是分离机自身结构和分离机的使用工况及过程工艺参数相互制约的结果，液体在碟片间流动情况及粒子在碟片间运动情况相当复杂，不仅受到离心加速度的影响，同时还受到哥氏加速度及液体粘滞阻力的影响。分离机自身结构的影响还需要在实际应用过程中不断探索和积累经验，根据不同的物料确定其结构，同时分离机的使用工况及过程工艺参数需要进行调整，选择合适的工况以及合理的工艺参数才能达到最佳的分离效果。

转鼓中的碟片组部件是碟式分离机的核心部件。合理设计碟片组不仅是保证碟式分离机能正常、安全运行的前提，而且将直接影响离心机的技术经济指标。强度计算是碟式分离机碟片组设计的重要内容，目前国内的碟片组强度计算大多数是根据机械工程手册推荐的离心机强度计算方法。由于碟式分离机的转速很高，转鼓质量较大，为了提高生产效率节省停机时间，要想在短时间内停车所需要的阻力矩比较大，但是目前国内采用常规电磁刹车等制动式刹车法会使分离机内的胶液温度升高，以至于发生质变，影响分离后的产物，使碟式分离机的分离效果降低。

3.胶乳类碟式分离机的关键技术研究

3.1碟片组优化设计

影响碟式分离机分离效率主要因素是转鼓内的上碟、碟片及进料分配器等零件结构参数的设计。碟式分离机的碟片组主要包括进料分配器、碟片和上碟三部分，不仅要满足生产工艺的需要，还要求其结构简单，满足强度要求等。运用ANSYS软件建立等效的力学模型，对不同工况下碟片组的受力状况进行研究，分析不同转速下碟片分配孔、碟片间距以及碟片半锥角对碟片组应力分布的影响。在有限元应力分析的基础上，结合Fluent对内流特性的分析结果，以满足强度和提高分离效率为优化目的，以碟片分配孔、碟片间距以及碟片半锥角等结构参数为优化参数，建立了碟片组的优化设计数学模型，对碟片组的结构进行优化设计。

3.2碟式分离机内流特性以及分离效率的研究

在距离很小的碟片间隙内，液体在高速旋转下流动，其内流特性是影响分离效率的关键因素。鉴于碟式分离机内流特性复杂，对其正常工况下的内流特性进行研究，用Fluent软件模拟碟式分离机内流场，分析碟片分配孔、碟片间距以及碟片半锥角等对内流场的影响，对其结构进行优化设计，并用Fluent软件分析碟片分配孔与轴线之间存在一定的夹角时对内流场的影响，确定内流特性与碟式分离机工作效率之间的关系。对不同的物料进行分析确定碟式分离机的结构，同时根据分离机的使用工况及过程工艺参数需要进行调整，选择合适的工况以及合理的工艺参数以达到最佳的分离效果，从碟式分离机的自身结构、使用工况及过程工艺参数来分析影响分离效果的因素。

3.3碟式分离机柔性支承振动特性的研究

由于碟式分离机的转鼓质量大，结构复杂，转速高（通常在4000～10000r/min之间），容易引起剧烈的震动，甚至破坏机器结构，危及操作人员的安全。碟式分离机产生振动的原因有很多，如转鼓组件中零部件的装配精度不高;主轴与转鼓的定位不准确;上、下轴承与主轴轴颈之间的配合间隙偏大，运转时轴承和轴颈的单边不均匀磨损等，都会造成系统振动。但是，对于碟式分离机影响最大的是工作频率接近系统的固有频率所引起的系统共振，共振导致轴承、传动件的使用寿命急剧下降，严重的将破坏机器。

利用ADAMS建立了分离机主轴系统的虚拟样机模型，并进行了计算机仿真。运用ADAMS建立主轴振动模型，研究主轴系统中几何参数对系统固有频率的频谱响应，从而使工作频率避开系统的固有频率，保证了转鼓的平稳运行。利用ADAMS建立分离机立轴轴系计算模型，对立轴的各阶临界转速进行分析。在刚性支承转子的基础上，用ADAMS建立考虑柔性支承参振质量的转子动力模型，并分别计算出在柔性支承下的主轴和立轴的各阶临界转速，与刚性条件下的结果进行对比分析，分析柔性支承下的振动特性，为碟式分离机结构设计和动平衡提供依据。

3.4碟式分离机液力刹车系统的研究

人工排渣型碟式分离机在工作过程中经常要排渣、清洗，启停机频繁，由于碟式分离机的转速很高，转鼓质量较大，为了提高生产效率节省停机时间，要求在短时间内停车，需要较大的制动力矩，现行的电磁刹车等制动式刹车法会使分离机内的胶液温度升高，影响产品质量，而液力刹车系统由于液体与转鼓之间的摩擦仅产生很低的摩擦热，而且循环的液体会把这少部分的热带走，保持停车过程中分离机内胶液温度恒定，故提出采用液力刹车的结构改进方法。

进行碟式分离机液力刹车系统设计，在分离机主从动端分别采用液力涡轮制动器及射流制动器，其中液力涡轮制动器将转鼓的转动能量转换为水压能并供给射流制动器，利用Fluent软件分别对其内流场进行模拟，探索液力刹车的制动力矩与循环液流量、压力及喷嘴参数等的关系，开展液力涡轮制动器与射流制动器的匹配性研究，对液力刹车系统进行优化设计，并搭建碟式分离机液力刹车系统试验台，研究液力刹车系统的制动性能及其影响因素。

3.5碟式分离机柔性传动及润滑系统研究

同其它大多数的机器一样，齿轮失效也是碟式分离机的主要故障之一，而且碟式分离机的工作转速很高，其齿轮传动经常发生故障而影响生产，这种传动方式通常采用飞溅润滑，齿轮搅动润滑油，消耗功率大，易发热，而且齿轮传动时里面的润滑油含量没法准却估计残余油量。采用新型皮带传动结构，并对其润滑油系统进行改进，设计一种适用于皮带传动的润滑系统。

3.6控制系统设计

控制系统采用PLC控制，PLC可编程控制器控制各种逻辑功能，有互锁、过载、过流、短路保护功能，自动控制机器的进料、排渣、冲洗、停机等各种动作;电机采用变频启动，可以减少机器启动时的冲击，使机器平稳升速，还可调节机器的转速;用触摸屏可设定和显示各种参数值（封闭转鼓时间、分离时间、排渣时间等），显示机器的运行状态;具有振动监测装置与报警指示，可以显示离心机的瞬时振动烈度。

4.结束语

胶乳类碟式分离机的研究和开发有利于提高胶乳产业的生产效率，符合国家振兴装备制造业的需求，有着巨大的市场潜力，对加快我国橡胶工业向大型化发展起着极大地推动作用，对我国乃至世界橡胶工业的发展也是极其有利的。

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