自清洁离心机转鼓结构设计与模型分析

邓 飞，崔洪斌，冯 运

（河北科技大学 机械工程学院，石家庄 050018）

0 引言

直接从植物的花、叶、茎中提取的各种香料或添加剂，由于绿色天然且无副作用，越来越受到市场的欢迎，目前传统的提取工艺是将采摘下来的原材料运输到生产厂家，用离心机等设备进行提取。在汁液分离工序，植物固液混合物送入离心机转鼓后，转鼓高速旋转，固液混合物中的液体在离心作用下，穿过转鼓内壁上的滤网，而固体部分被滤网阻挡，从而实现固液分离。分离过程中产生的植物残渣，会积存在转鼓内，并且经常会有少部分粘结在转鼓滤网上堵塞网孔，因此传统离心机设计有螺旋桨机构以输出固体残渣，设计刮刀机构以清理堵塞滤网孔的粘性残渣。传统离心机体积较大，分离工作过程是一个断续的过程，输出残渣和清理滤网经常需要停机，因此生产效率较低。并且，原材料的长途运输会造成有益成分挥发损失较大，提取率变低，而分离后剩余的植物纤维残渣还要进行废料处理，以防污染环境。这些原因造成天然植物提取物成本很高，市场价格昂贵，高昂的价格造成了各种化学添加剂在我国的流行使用。基于以上原因，开发一种针对植物汁液提取的小型自动化离心机，设备可被机动运输到不同的原材料主产区快速生产，不但减少了原材料的运输成本和运输损耗，而且可极大提高生产效率和汁液提取率。

1 创新设计原理

离心机的核心工作部件是转鼓，通过对转鼓的创新结构设计，在固液分离的同时，实现滤网防堵塞和废料自动输出功能，省去传统离心机中的螺旋输出和刮刀清淤等复杂笨重装置，使离心机在不间断工作过程中能够自动清洁转鼓，从而实现离心机的小型化。主要技术创新点包括：

1）设计一种椭圆锥体旋转仓筒和圆柱体旋转仓筒相组合的转鼓结构，利用离心作用原理在转鼓内壁和滤网之间安装一套高频自振动装置，转鼓高速旋转时，高频振动装置带动滤网做高频低幅振动，使固液混合物不易附着在滤网上，从而省去传统设备中的刮刀清淤装置。

2）利用伯努利原理，在转鼓上设计一种自动出料装置，实现设备在连续工作过程中的废料自动输出功能，省去传统螺旋输出机构。

2 转鼓结构创新设计与模型分析

2.1 转鼓主体结构设计

如图1所示，转鼓由两段旋转仓筒组合而成，分别是AB段和BC段，其中AB段为圆柱旋转仓筒，其垂直方向剖面如图2(a)所示，截面形状为空心圆形截面。BC段为椭圆锥旋转仓筒，其垂直方向剖面为空心椭圆形截面，如图2(b)所示。在椭圆锥旋转仓筒部分，从C点到B点，空心椭圆截面的长轴和短轴的比值逐渐变小且长轴和短轴的绝对长度逐渐变大，B点处是圆柱旋转仓筒和椭圆锥旋转仓筒接合处，因此，相对于椭圆锥旋转仓筒而言，B-B剖面是空心椭圆截面的长轴和短轴比值最小处，等于1，因此B-B剖面为空心圆形截面，在C点处的C-C椭圆截面处，椭圆长轴和短轴的比值最大，即转鼓的旋转仓筒从C点的椭圆形截面渐变为B点的圆柱形截面，并保持圆柱形截面至A点。

图1 转鼓整体结构示意图

图2 圆柱旋转仓筒和椭圆锥旋转仓筒截面示意图

2.2 高频振动结构设计

待分离的固液混合物，从图1所示的转鼓右端输入，因此在转鼓的BC段旋转仓筒内，固液混合物粘性相对最大，最容易发生滤网堵塞问题，传统的解决方案是在转鼓内部设计刮刀机构，定期停止转鼓运行以清理附着在滤网上的残渣。为了解决滤网粘接堵塞问题，设计了一种高频振动机构安装在椭圆锥旋转仓筒的内壁上，具体结构如图3所示，图3为转鼓椭圆锥仓筒壁上任意Di点处实际结构放大图：在转鼓内壁上，设计了一组振动簧组，每个振动簧一端固定在转鼓内壁上，另一端安装一个振动球，振动球依靠球固定网进行网点式固定，形成振动球组。工作原理为：当转鼓高速旋转时，振动球同步旋转，振动簧受到周期变化的作用力，使振动簧产生周期性变化的纵向变形，从而带动振动球做高频振动，此高频振动传递给滤网。固液混合物在高速旋转过程中，液体通过滤网后从转鼓空隙分离出去，而被分离后的固体残渣受到高频振动的作用，不易附着在滤网上。

图3 Di处高频振动结构示意图

2.3 振动球力学振动特性分析

以图3所示椭圆锥旋转仓筒上任意Di点处振动球为力学定性分析对象，依图1所示建立XY坐标系，Di振动球在旋转过程中，其离心力为Fdi，方向垂直于X轴向，其运算公式为：

式中：m是小球质量，ω是转鼓旋转角速度，ri是Di振动球到X轴的垂直距离。

离心力Fdi可被分解成两个方向的分力F1i和F2i，F1i的方向与椭圆锥斜面垂直，F2i的方向与椭圆锥斜面平行， F1i是引起振动簧纵向变形的分力之一。

式中：αi是Di振动球处椭圆锥的锥角，Di点处振动球的重力为Fm。

如图4所示，在ZY坐标系中，Fm可以分解成两个相互垂直的分力Fm1和Fm2，其中Fm1指向圆心o，Fm1是引起振动簧纵向变形的分力之二。

图4 振动球重力分解示意图

式中：βi是Di振动球旋转角度为βi（与Z轴夹角）；

振动簧的纵向变形是由分力F1i和Fm1共同作用的结果，根据弹性变形公式，有：

式中：k是振动簧的弹性系数，xi是振动簧的纵向变形量。将式(2)和式(4)式代入式(5)，变形得：

运动特征分析结论：（根据椭圆锥的特性可知，椭圆锥在旋转过程中，对于特定Di点，锥角αi是一个定量；对于不同位置的Di点，锥角αi是不同的）

1）在式(6)中，当转鼓高速旋转时，特定Di点振动球做圆形旋转运动，βi在0～360°之间旋转变化，因此，xi是周期性变量，xi的周期性变化带动滤网进行高频振动，振动的振幅受转鼓转速ω、椭圆锥上Di点的半径ri、椭圆锥锥角αi和振动簧的弹性系数k综合影响。

2）在ZY坐标系内，同一个椭圆截面上的各个振动球，其环绕X轴旋转时，每个振动球的旋转半径ri是不同的，因此，同一个椭圆截面上各个振动球的xi是不同的。

3）在XY坐标系内，同一个椭圆锥斜截面上的各个振动球，锥角αi是不同的，因此，椭圆锥斜截面上的各个振动球xi是不同的。

4） 在式(7)和式(8)中，F2i和Fm2引起振动簧做高频横向振动，这个横向高频振动可被球固定网吸收，对滤网的作用力影响可忽略不计。

通过以上分析，在转鼓高速旋转过程中，椭圆锥旋转仓筒部分，内壁滤网在振动球的作用下做复杂的高频振动。

2.4 自动出料结构设计

为了进一步将设备小型化，提高设备运行自动化，利用伯努利原理设计了一种废料自动输出装置，省去了常规设备中的螺旋输出机构。具体结构如图5所示，在转鼓的圆柱旋转仓筒部分，环绕安装两圈出料管，出料管为中空结构，外端为圆弧状粗头形状，另一端和转鼓的圆柱旋转仓筒内部连通。

图5 自动出料结构示意图

对于转鼓内外的空气压强，利用伯努利原理进行分析，建立伯努利方程如下：

式中：p是流体中某点的压强，v是流体在该点的流速，ρ是流体密度，g是重力加速度，h 是该点所在高度，C 是常量。

在如图6所示的转鼓的圆柱旋转仓筒结构中，以ZY坐标系为基准坐标系，将转鼓内外的参数代入式(8)，得出：

式中：p1是圆柱仓筒与出料管连接内孔处空气压强，v1是圆柱仓筒与出料管连接内孔处空气流速，ρ1是圆柱仓筒与出料管连接内孔处空气密度，h1是圆柱仓筒与出料管连接内孔处高度，p2是出料管外端孔处空气压强，v2是出料管外端孔处空气流速，ρ2是出料管外端孔处空气密度，h2是出料管外端孔处高度。

在式(9)中，转鼓内外的空气密度ρ1和ρ2基本相同，且数值很小，因此空气高度h引起的压强ρ1gh1和ρ2gh2本身数值很小，其压强差值更小，可以忽略不计，因此式(9)化简并变形得：

式中：ρ是转鼓内、外的空气密度。

式中： r1是圆柱仓筒与出料管连接内孔处旋转半径，r2是出料管外端孔处旋转半径。两个位置的角速度ω是相同的，将式(11)、式(12)式代入式(10)整理得：

分析式(13)可得出以下结论：

1）转鼓旋转的角速度ω和出料管的长度是影响出料管两端孔处压强的关键因素，当转鼓高速旋转时，出料管的外端孔处的压强低于转鼓内部的内端孔处压强。

2）出料管外端设计成外圆弧状粗头形状，当转鼓旋转时，空气做为流体，沿外圆弧流动，在外端口的空气实际流速要大于计算出的流速v2，因此，出料管内外端孔处的实际压强差要大于计算出的压强差。

3）当转鼓高速旋转时，固液分离后转鼓内的废料在圆柱旋转仓筒内部，受内外压强差的作用，自动向出料管内孔口运动，并通过出料管被甩出。

3 固液分离工作过程

离心机工作时，转鼓高速旋转，磨碎的植物固液混合物从转鼓的右端进料口输入，随转鼓做高速旋转运动，混合物中的液体在离心作用下，逐渐渗透通过滤网被甩出。受高频振动的作用，混合物不易粘接堵塞滤网，而是在椭圆锥旋转仓筒内做旋转运动的同时，沿椭圆锥锥角方向向转鼓左端移动，逐步移动到椭圆锥旋转仓筒和圆柱旋转仓筒的连接B处，在这个连接处，植物固液混合物的旋转半径最大，因此离心作用最强烈，此时固液混合物分离效果达到极限，分离后剩余的植物纤维残渣逐渐在B处累积，随着累积量的增加，在伯努利效应的作用下，自动向出料管内端口处运动并被甩出转鼓。

4 结论

自清洁转鼓的创新结构设计，为专用于植物汁液提取的离心机小型化提供了可能，离心机可方便的运输到不同的工作场地迅速开展工作，避免了汁液成分在长途运输中的挥发损失，分离后剩余的植物纤维废料，可作为一些家禽牲畜的饲料就地处理，不但可产生额外效益，而且整个生产过程环保无污染，因此，课题成果具有较好的应用推广前景。目前，本成果已被授权国家发明专利（专利号：201310169256.0），正在进行样机试制。

[1] 王一平,黄建中.离心机在制药工业应用中的技术要求[J].过滤与分离,2005,15(4)：37-39,42.

[2] 于萍,林苇,王晓彬,等.卧螺离心机离心分离场速度仿真分析[J].机械工程学报,2011,47(24)：151-157.

[3] 周知进,傅彩明.卧螺离心机转鼓主要参数对其模态的影响[J].机械设计,2006,23(9)：28-30.

[4] 荆宝德,刘京广,王彬,等.卧螺离心机转鼓锥角结构设计及参数优化[J].机械工程学报,2013,49(4)：168 -173.

[5] 任兰柱,刘克铭,杨伟红,等.卧式振动离心机有限元仿真与模态分析[J].机械设计与研究,2010,26(3)：128-131.

[6] 韦建军,李书平,肖学勤.白砂糖手动离心机的特点及自动化技术升级[J].制造业自动化,2009,31(9)：132-134.

[7] 冯涛,李洪涛,袁占亭,等.伯努利节点网络模型的拓扑鲁棒性分析方法[J].电子学报,2011,39(7)：1673-1678.