翻倒卸料离心机的计算机辅助设计研究

于婧超，王达理

（1.北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110142；2.沈阳科技学院，辽宁 沈阳 110167）

三足式离心机是用途最广泛离心机[1]，近年来，由于电力、石油化工、食品加工、生物工程、精细加工，环保水处理等部门中新技术的不断发展，对分离技术与设备提出了新的挑战和更高的要求。不仅要求提供更多更好的品种和规格，而且迫切需要在分离效率上能有更大的提高[2-4]。翻倒卸料离心机是在三足式卸料离心机基础上研发而成的一种新型离心机。它具有对物料适应性强，操作方便等特点，克服了三足式卸料离心机劳动强度大、工作效率低的缺点，同时又避免刮刀卸料离心机在卸料时刮滤网和破坏物料晶粉的缺点，本机可广泛用于化工、轻工、医药、食品等领域。

离心机设计计算过程相当繁琐，涉及到许多参数图标的查询和反复校核计算。将计算机辅助设计技术与离心机的设计计算结合起来，不仅优选了各种计算的数学公式，同时，CAD技术[5]可以保存离心机的设计参数，有良好的可视化图形界面，人机交互过程均采用对话框进行，操作简单方便，从而提高了设计效率，优化了设计参数，为获得最优的设计结果提供了可能。

1 翻倒卸料离心机设计

1.1 结构组成

翻倒卸料离心机主要有以下基本结构组成：转鼓组件，主轴，带传动组件，轴承组件，翻倒机构等。

1.2 设计的原始数据及数据库的建立

离心机设计过程中所包括的原始数据有转鼓的直径、转鼓的工作转速、转鼓的一次最大加料量、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，采用office access作为数据库将它们存储起来，并且提供计算中部分参数的数据库查询，将计算结果存储到数据库中，提供多次计算结果的对照与比较。

图1 离心机结构示意图

1.3 人机界面

人机界面为设计者与计算机之间相互交换信息提供必要的手段。离心机辅助设计软件采用Visual Basic作为开发平台，在Visual Basic环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。从而开发出了一套具有适用于多用户参数输入模式，运用了图形界面环境，使程序的使用变得更友好，用户用起来更加方便，采用人工交互的设计系统，更好的对离心机进行计算机辅助设计。如图1所示。

1.4 基本设计思路

离心机辅助设计软件是在整体设计满足需求的基础上，对整体内容进行详细的划分，共分为六部分，如图1所示，在离心机设计计算的算法框架内需要依次进行离心机转鼓强度计算与校核、功率的计算、带传动设计计算、主轴的计算及强度校核、刹车轮的结构设计与强度计算、翻倒架的强度计算。

离心机辅助设计软件图形界面的每个部分完成相应的计算，将设计全过程编入计算机程序，在给定原始数据的情况下，计算机可以优选各种计算的数学公式，迅速计算出全部结果。过程的设计、分析以及选取的各种表格数据，均可由计算机完成，从而提高了设计人员的工作效率，降低了项目开发的成本。

各个模块完成既定功能基本流程图如下。

图2 离心机辅助设计基本流程图

2 设计与实现

2.1 离心机转鼓的强度计算与校核

离心机有一个绕本身轴线高速旋转的圆筒，称为转鼓，通常由电动机驱动。离心机转鼓是离心机的关键部件之一[6]。本模块包括转鼓鼓壁的确定和转鼓底的强度计算，计算机根据设计者输入的已知参数，通过已经编写的数据库和公式进行计算。

2.2 功率的计算[7]及电机的选择

离心机所需功率主要包括：转鼓与物料起动加速到工作转速所消耗的功率；转鼓与轴承由于摩擦所消耗的功率；卸出物料所消耗的功率等。选择电机的标准[8]根据所计算出的轴功率，选择电机，点击电机选择，在弹出的对话框中参照电机选择的表按要求输入各个参数。

2.3 带及带轮的设计

带传动是以张紧在至少两轮上的带作为中间挠性件，靠带与轮接触面间产生摩擦力来传递运动和动力。带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉、适于远距离传动等优点，在机器中被广泛应用。设计界面中提供相应的参数输入部分，部分参数提供查表功能，根据相关公式计算结果。

2.4 轴的设计

轴的设计应该满足：合理的结构，足够的强度，必要的刚度和震动稳定性及良好的工艺性等条件。离心机为高速回转机械，主轴的转速较高，主轴的设计，完全采用设计者自己设计页面给出各个部分的数据，输入即可。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。输入参数后，计算机会自动根据数据库中存储的公式计算出临界转速。

2.5 刹车轮的结构设计与强度计算

本部分根据被制动对象的运动状态，可分为水平移动制动与垂直移动制动。确定制动力矩，进行制动器的强度校核，摩擦面比压校核，钢带拉伸应力的校核。

2.6 翻倒架的设计计算

翻倒卸料离心机的翻倒机构主要由左轴、右轴、翻倒架等组成。在设计时，按照简支梁的力学模型进行强度校核，同时对右轴进行弯扭组合的强度校核。

3 离心机软件的功能模块

（1）数据库维护模块：在初次使用该软件的时候会出现查表数据不全的情况，用户需要在其他的地方查询一些自己所需要的信息，在用到该软件时可以把查到的相关信息更新到查表数据当中，在以后的使用过程中更方便。

（2）信息输入模块：该软件有离心机转鼓的强度计算与校核、功率计算、带及带轮的设计、主轴的计算及强度的校核等六个部分，每个部分都有相关方面的信息提示，用户根据相应的提示输入所对应的数据。

（3）历史数据导入模块：在程序的计算过程中会输入大量的数据，包括转鼓参数、带轮参数以及翻倒架参数等，总体数据个数能达到上百个，并且计算并不是一次就能完成的，往往要进行多次的计算，如果用户一一输入会浪费大量的时间，因此，程序对用户输入的数据进行了保存，当用户需要的时候可以进行导入。

（4）计算模块：六个部分中每个部分数据单独输入后，都需要进行单独的运算，系统会把运算结果显示在相应的部分当中，供给用户观察比对，在后面的部分当中会有一些需要用到前面的计算结果来参与计算。

图3 离心机功能模块图

4 结论

翻倒卸料离心机作为高速回转机械，包括转鼓组件、主轴、传动组件、翻倒机构等部分，针对每一种使用工况（如不同物料性质、加料量等），在设计过程中均需要具体计算，需要很大的计算工作量，并且离心机设计计算的过程相当繁琐，涉及到许多参数和图表的查询并且反复校核计算。

本文在前人工作的基础上，将CAD的思想引入到该离心机的设计中，运用ADO、Visual Basic6.0、Microsoft Access开发了离心机辅助设计软件，采用了人工交互的设计系统，操作简单方便，计算机可以根据设计者输入的原始数据，优选出最佳的数学公式。在计算时有些参数是未知需要预先假定，如果计算数据不满足要求，设计者可以重新输入并计算直至得到满意的结果，这样大大减少了设计者的工作量，提高了工作效率，为设计者的工作提供了方便。