高剪切均质机说明书.docx

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高剪切均质机说明书

摘要

均质机主要用于生物技术领域的组织分散、医药领域的样品准备、食品工业的酶处理,，食品中农药残留以及兽药残留检测以及在制药工业、化妆品工业、油漆工业和石油化工等方面。

均质机采用不锈钢系统，可有效的分离护体样品表面和被包含在内的微生物均一样品，样品装在一次性无菌均质袋中，不与仪器接触，满足快速、结果准确、重复性好的要求。

目前，高剪切均质机主要具备结构紧凑、操作简便、性能稳定可靠、均质效果显著等优点。

为了更好的满足实际工作要求，设计者们还应努力尝试设计出能应对多种介质、实现最大自动化生产的机械设备。

近年来出现各种功能独特的食品机械，在这方面我国与国外先进水平的差距确实存在，但是正在不断缩小。

国内在设计制造特种食品机械的过程中也积累了大量的实际经验。

本次毕业设计是关于高剪切均质机的设计。

首先对高剪切均质机作了简单的概述；接着分析了各部分元件、零件的选型原则及计算方法；然后根据这些设计准则与计算选型方法按照给定参数要求进行选型设计；接着对所选择的各主要零部件进行了校核。

本次设计主要由动力输出电机、联轴器、主轴、筒体、均质轮、端盖、轴承、密封件、紧固件、底座等部件组成。

最后简单的说明了安装与维护。

本次设计代表了设计的一般过程,难免存在各种纰漏、失误。

权当一次难得的实践过程，希望对今后的选型设计工作有一定的参考和借鉴价值。

关键词：

高剪切均质机；选型设计；主要部件；养护维修。

Abstract

Homogeneousmachineismainlyusedfordecentralizedorganizationinthefieldofbiotechnologyandmedicalfieldsamplepreparation,foodindustryofenzymetreatment,foodpesticideresiduesanddetectionofveterinarydrugresiduesaswellasinthepharmaceuticalindustry,cosmeticsindustry,paintindustry,petrochemicalindustry,etc..Homogeneousmachineusesthestainlesssteelsystem,whichcaneffectivelyseparationbarrieronthesurfaceofthesampleandiscontained,microbehomogenoussamples,sampleswerepackedindisposablesterilehomogeneousbag,andinstrumentcontactmeettherequirementsoffast,accurateandreproducible.

Atpresent,thehighshearhomogenizationmachinehastheadvantagesofcompactstructure,simpleoperation,stableandreliableperformance,andhomogeneouseffect.Inordertobettermeettheactualworkrequirements,designersshouldalsotrytodesigncandealwithavarietyofmedia,toachievemaximumautomatedproductionmachineryandequipment.Inrecentyears,avarietyoffeaturesuniquefoodmachinery,thegapbetweenChinaandforeignadvancedleveldoexistinthisarea,butisshrinking.Domesticdesignandmanufacturingofspecialfoodmachineryintheprocesshasaccumulatedalotofpracticalexperience.

Thisgraduationdesignisaboutthedesignofhighshearhomogeneousmachine.Firstofhighshearinghomogenizermadebriefoverview;followedbyanalysisofthecomponentsandpartsselectionprinciplesandcalculationmethods;thencalculatedbasedonthesedesigncriteriaandselectionmethodinaccordancewiththegivenparametersrequiresselectionofdesign;thentochoosethemainpartsarechecked.Thisdesignismainlycomposedofthepoweroutputofthemotor,theshaftcoupling,themainshaft,thecylinderbody,thehomogeneouswheel,endcover,bearings,seals,fasteners,baseetc.parts.Finally,simplyexplaintheinstallationandmaintenance.

Thisdesignrepresentsthegeneraldesignprocess,therearemanyflaws,mistakes.Rightwhenararepracticalprocess,Ihopetohaveareferencevalueforfuturedesignwork..

Keywords:

highshearhomogeneousmachine;typeselectiondesign;maincomponents;maintenanceandmaintenance.

绪论

顾名思义，高剪切均质机是在定子和转子相对转动的作用下，在合理狭窄的间隙中形成强烈、往复的液力剪切、摩擦、离心挤压、液流碰撞等综合效应；使物料在容器中循环往复以上工作过程，最终获得产品的机械设备。

合理选择均质机是保证产品质量，提高经济效益的重要途径。

一般来说，应密切联系生产实际，尽量选择质量好、效率高、结构简单、使用维修方便、体积小、重量轻的均质机。

宏观来讲应以满足生产工艺为主要原则。

首先应根据介质原料的性质选择适宜的均质机，以满足生产工艺要求。

其次，应使均质机的生产能力和前后工序的生产能力相匹配。

以下是选择时需要仔细考虑的部分：

（1）最小流量：

越小越好，可以节约物料。

目前某些药品的原料达到几千元/克，用户当然是希望用最少物料就能完成一次均质实验。

而且实验是一个多次反复的过程，最少试样量越大，浪费的物料就越多。

（2）均质压力：

并不是压力越高越好。

对于一般的物料，首先：

从某种意义上来讲，压力越高，物料的的粒径就可以处理到越小;其次，压力越高，可以处理的物料种类就更多，例如，某些液体乳剂只需要在15000psi就可以均质到100nm以下，而一些药品、食品，尤其是液体中带有一定量固体颗粒的混悬液，那么则至少要26,000psi以上的压力下才能做到纳米级。

但是不排除一些物料在高压力下产生凝聚。

（3）处理效果：

用户当然是希望做出来的物料，一是能够达到纳米级的程度，二是纳米级的同时，分布很均匀，而不是有的颗粒已经是几十个纳米，而有的还是微米级的。

（4）清洗和灭菌：

进口的高压均质机，在清洗和灭菌时很方便，建议最好考虑可以在线清洗和灭菌的。

通过上述几个方面的考察，可以对高压均质机设备的多方面进行比较，从而可以决定自己最需要哪一款设备。

为了使产品在使用操作、精度误差、装机调整、设备清洗、维护保养等方面更加简单方便，均质机的设计应紧凑合理、外形简洁美观，工作速度调节方便。

均质机的工艺范围是指其适应不同生产要求的能力。

工艺范围越宽，越能提高设备的利用率，实现一机多用，即利用同一设备可以剥壳多种原料和规格。

因此为了适应食品加工行业多品种、多规格的生产要求，应选择工艺范围尽可能宽的均质机。

选择高剪切均质机的设计作为毕业设计的选题，能培养我们独立解决工程实际问题的能力。

通过这次毕业设计是对所学基本理论和专业知识的一次综合运用，也使我们的设计、计算和绘图能力都得到了全面的训练。

原始参数

1.工作环境：

正常状态下的室内厂房。

2.流量：

500L/h

3.压力：

0-20MPa

4.外形尺寸：

583mm（长）x280mm（宽）x360（高）

设计解决的问题

熟悉高剪切均质机各部分的功能与作用，对主要部件进行选型设计与计算，解决在实际使用中容易出现的问题，并大胆地进行创新设计。

高剪切均质机设计概述

高剪切均质机的工作原理

高剪切均质机主要是由动力输出电机、联轴器、主轴、筒体、均质轮、端盖、轴承、密封件、底座等部分组成。

其外形布置及工作原理如图5-1-1所示。

图5-1-1外形布置及原理简图

1-电机2-联轴器3-轴4-筒体

5-均质轮6-端盖7-轴承8-密封件9-底座

动力输出电机

动力源是由普通四级三相异步电机所提供。

此种电动机具有结构简单、制造、使用和维护方便、运行可靠以及质量较小、成本较低等优点。

异步电动机主要广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数工农生产机械以及家用电器和医疗器械等。

此装置是整个设备的动力输出源泉。

为正台设备的正常运转提供了先决条件。

此结构的特点为：

稳定性高、造价低廉、控制简单明了。

联轴器

联轴器用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。

在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。

联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。

一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。

本次设计所选用的是弹性套柱销联轴器。

其特点为结构简单，安装方便，更换容易，尺寸小，重量轻。

由于弹性套工作时受到挤压发生的变形量不大，且弹性套与销孔的配合间隙不宜过大，因此弹性柱销联轴器的缓冲和减震性不高，补偿两轴之间的相对位移量较小。

轴

轴作为整个设备的骨骼和脉络是整个装置能够完好、精确运行的前提和根本。

其强度及加工精度直接影响设备的性能与寿命。

本次设计所用轴为外径30mm，长度268mm的45#实心轴。

轴向通过轴端的止口圆锥棍子轴承相配合实现轴向定位；径向通过平键限制其自由度。

其优点为强度可靠、制造简单、加工性好；另外45#钢在市面上应用广泛，价格低廉。

如果想进一步提高轴的强度和硬度，可以对轴进行调质和表面淬火。

筒体

筒体作为整个设备的外壳起到保护和支持内部元件的作用，本次设计的筒体为45#钢铸造后机械加工而成。

先铸造毛坯再精细加工的有点是节省人力及物力成本。

ZG45#其优越的强度及加工性是其余金属不可比拟的，另外在同等要求之下ZG45#的价格也相对低廉的。

均质轮

均质轮作为整个设备的核心部件，其作用不容小觑。

壳体上的栅格轮作为定子，均质轮作为转子。

依靠定子、转子之间的相互运动从而达到均匀介质的目的。

均质轮的材质采用不锈钢制成，以达到耐腐蚀的目的。

端盖

端盖是与筒体相配合的零件，起到支撑主轴及密封整个系统的作用。

其材质为不锈钢。

轴承

轴承采用圆锥滚子轴承。

由于圆锥滚子轴承外圈的角度以及外滚道直径尺寸已与外形尺寸相同被标准化规定了。

不允许在设计制造时更改。

以致圆锥滚子轴承的外圈与内组件之间可在世界范围内通用互换。

圆锥滚子轴承主要用于承受以径向载荷为主的径向与轴向联合载荷。

与角接触球轴承相比、承载能力大，极限转速低。

圆锥滚子轴承能够承受一个方向的轴向载荷，能够限制轴或外壳一个方向的轴向位移。

密封件

由于本次设计所针对的介质主要为液体，并且最大压力达到20MPa；故此设备的密封性是重中之重。

密封性的好坏决定了本设备设计的成败。

故而本设备所选取的密封件均为高压橡胶密封件；可承受超过100MPa的压力。

底座

钢结构底座作为整个装置的骨架为其他各部分元件提供可依靠，安装的平台。

底座为普通型材、钢板焊接、加工而成，成本低廉，强度可靠；若应对酸、碱、高温等情况时酌情采用特殊材质金属制作，本设计不予考虑。

主体的钢结构的强度足以应付300kg以下的负载，在运料及承重方面性能卓越。

另外，为提高传动装置的稳定性及可靠性可以从以下方面考虑：

（1）严格执行图纸尺寸，配合表面确保润滑条件；

（2）安装之后反复调试，确保万无一失，如果存在问题早发现早解决；

（3）养护工作及时、到位，增加使用寿命及年限。

高剪切均质机的工艺原理

（1）介质由进料口进入筒体内；

（2）运行减速机，为整个设备提供动力输出；

（3）均质轮由电机的带动下强烈转动；

（4）介质均匀融合后由出口排出。

高剪切均质机的设计计算

已知原始数据及工作条件

高剪切均质机的设计计算，应满足下列原始数据及工作条件资料

1.工作环境：

正常状态下的室内厂房

2.流量：

500L/h

3.压力：

0-20MPa

4.外形尺寸：

583mm（长）x280mm（宽）x360（高）

初始数据的计算

电动机的确定

由于普通四级电机应用最为普遍，故选择三相异步四级电机；其转速为1400r/min；

设备排量的计算

根据电机转速确定此设备排量：

排量=流量/转速=500L/h/1400r/min=0.006L/r。

介质流速的确定

流速的确定：

查表得中等粘度的流体，在DN50-DN300的管径中流动的速度约为0.5-1.0m/s；故取极限低值V=0.5m/s进行计算。

设备最小通径的计算

根据公式：

“通径截面积S=流量/流速”（6-4-1）

得S=0.5m³/3600s/0.5m/s=2.8cm²；

根据S=πR²确定最小通径大于30mm。

电机功率初略确定

根据：

“功率P=流量x压力”（6-4-5）

得P=0.5m³/3600s*20000000Pa=2780w；

故电机选择型号为：

Y100L2-4（3kw）。

联轴器的选择

查样本得到Y100L2-4电机轴径为28mm故选择联轴器为GB4323-TL5型弹性套柱销联轴器。

主轴轴径初略确定

根据电机轴径（d=28mm）拟定主轴为Ø30mm（有待校核）；

密封形式的确定

根据本设备的压力要求（0-20MPa）；轴端采用GB10708--Y型橡胶密封圈进行密封。

底座的形式

考虑到加工及成本的原因该设备底座确定为Q235型材及板材焊接而成。

具体计算及校核

三相异步电机

三相异步电机（Triple-phaseasynchronousmotor）是靠同时接入380V三相交流电源（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。

当电动机的三相定子绕组通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

三相异步电机工作原理图

当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生感应电流，“感应电机”的名称由此而来。

感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。

我们让闭合线圈ABCD在磁场B内围绕轴xy旋转。

如果沿顺时针方向转动磁场，闭合线圈经受可变磁通量，产生感应电动势，该电动势会产生感应电流（法拉第定律）。

根据楞次定律，电流的方向为:

感应电流产生的效果总是要阻碍引起感应电流的原因。

因此，每个导体承受相对于感应磁场的运动方向相反的洛仑兹力F。

确定每个导体力F方向的一个简单的方法是采用右手三手指定则（磁场对电流作用将拇指置于感应磁场的方向，食指为力的方向。

将中指置于感应电流的方向。

这样一来，闭合线圈承受一定的转矩，从而沿与感应子磁场相同方向旋转，该磁场称为旋转磁场。

闭合线圈旋转所产生的电动转矩平衡了负载转矩。

三组绕组间彼此相差120度，每一组绕组都由三相交流电源中的一相供电.

绕组与具有相同电相位移的交流电流相互交叉，每组产生一个交流正弦波磁场。

此磁场总是沿相同的轴，当绕组的电流位于峰值时，磁场也位于峰值。

每组绕组产生的磁场是两个磁场以相反方向旋转的结果，这两个磁场值都是恒定的，相当于峰值磁场的一半。

此磁场.在供电期内完成旋转。

其速度取决于电源频率（f）和磁极对数（P）。

这称作“同步转速”

只有当闭合线圈有感应电流时，才存在驱动转矩。

转矩由闭合线圈的电流确定，且只有当环内的磁通量发生变化时才存在。

因此，闭合线圈和旋转磁场之间必须有速度差。

因而，遵照上述原理工作的电机被称作“异步电机”。

同步转速（ns）和闭合线圈速度（n）之间的差值称作“转差”，用同步转速的百分比表示。

s=[（ns-n）/ns]x100%（s为下标）运行过程中，转子电流频率为电源频率乘以转差率。

当电动机起动时，转子电流频率处于最大值，等于定子电流频率。

转子电流频率随着电机转速的增加而逐步降低。

处于恒稳态的转差率与电机负载有关系。

它受电源电压的影响，如果负载较低，则转差率较小，如果电机供电电压低于额定值，则转差率增大。

同步转速三相异步电动机的同步转速与电源频率成正比，与定子的对数成反比。

例如:

ns=60f/p式中ns—同步转速，单位为r/lminf-频率，单位为Hz,P磁极对数给出了在50Hz,60Hz以及100Hz工业频率下，对应于不同磁极数的旋转磁场转速或同步转速。

实际上，即使电压.正确无误，如果供电频率高于异步电机的额定频率，一也未必能够提高电机转速。

必须首先确定其机械和电气容量。

由于存在转差率，带负载的异步电机的转速稍稍低于表格中给出的同步转速。

改变电动机的旋转方向,改变电源的相序即可实现,即交换通入到电机的三相电压接到电机端子中任意两相就行。

因为三相异步电机转子线圈中的感应电流是由于转子导体与磁场有相对运动而产生的。

三相异步电机的转子转速不会与旋转磁场同步，更不会超过旋转磁场的速度。

如果三相异步电机转子的转速与旋转磁场的转速成大小相等，那么，磁场与转子之间就没有相对运动，导体不能切割磁力线，因此转子线圈中也就不会产生感应电势和电流，三相异步电机转子导体在磁场中也就不会受到电磁力的作用而使转子转动。

因而三相异步电机的转子旋转速度不可能与旋转磁场相同，总是小于旋转磁场的同步转速。

但在特殊运行方式下（如发电制动），三相异步电机转子转速可以大于同步转速。

综上所述，确定电机型号为：

Y100L2-4（3kw）。

其外形尺寸如下图：

轴的作用及类型

轴是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件，但也有少部分是方型的。

轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。

一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。

机器中作回转运动的零件就装在轴上。

材料使用：

1、碳素钢

35、45、50等优质碳素结构钢因具有较高的综合力学性能，应用较多，其中以45钢用得最为广泛。

为了改善其力学性能，应进行正火或调质处理。

不重要或受力较小的轴，则可采用Q235、Q275等碳素结构钢。

2、合金钢

合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。

例如采用滑动轴承的高速轴，常用20Cr、20CrMnTi等低碳合金结构钢，经渗碳淬火后可提高轴颈耐磨性；

汽轮发电机转子轴在高温、高速和重载条件下工作，必须具有良好的高温力学性能，常采用40CrNi、38CrMoAlA等合金结构钢。

轴的毛坯以锻件优先、其次是圆钢；

尺寸较大或结构复杂者可考虑铸钢或球墨铸铁。

例如，用球墨铸铁制造曲轴、凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好，对应力集中的敏感性较低、强度较好等优点。

轴的力学模型是梁、多数要转动，因此其应力通常是对称循环。

其可能的失效形式有：

疲劳断裂、过载断裂、弹性变形过大等。

轴上通常要安装一些带轮毂的零件，因此大多数轴应作成阶梯轴，切削加工量大。

结构设计：

轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。

它由轴上安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式，载荷的性质、方向、大小及分布情况，轴承的类型与尺寸，轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输，对轴的变形等因素有关。

设计者可根据轴的具体要求进行设计，必要时可做几个方案进行比较，以便选出最佳设计方案，以下是一般轴结构设计原则：

1、节约材料，减轻重量，尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截面形状；

2、易于轴上零件精确定位、稳固、装配、拆卸和调整；

3、采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施；

4、便于加工制造和保证精度。

技术要求

1、加工精度

尺寸精度轴类零件的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺寸精度。

按使用要求，主要轴颈直径尺寸精度通常为IT6-IT9级，精密的轴颈也可达IT5级。

轴长尺寸通常规定为公称尺寸，对于阶梯轴的各台阶长度按使用要求可相应给定公差。

几何精度轴类零件一般是用两个轴颈支撑在轴承上，这两个轴颈称为支撑轴颈，也是轴的装配基准。

除了尺寸精度外，一般还对支撑轴颈的几何精度（圆度、圆柱度）提出要求。

对于一般精度的轴颈，几何形状误差应限制在直径公差范围内，要求高时，应在零件图样上另行规定其允许的公差值。

相互位置精度轴类零件中的配合轴颈（装配传动件的轴颈）相对于支撑轴颈间的同轴度是其相互位置精度的普遍要求。

通常普通精度的轴，配合精度对支撑轴颈的径向圆跳动一般为0.01-0.03mm，高精度轴为0.001-0.005mm。

此外，相互位置精度还有内外圆柱面的同轴度，轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。

2、表面粗糙度

根据机械的精密程度，运转速度的高低，轴类零件表面粗糙度要求也不相同。

一般情况下，支撑轴颈的表面粗糙度Ra值为0.63-0.16μm；配合轴颈的表面粗糙度Ra值为2.5-0.63μm

加工工艺

1、轴类零件的材料

轴类零件材料的选取，主要根据轴的强度、刚度、耐磨性以及制造工艺性而决定，力求经济合理。

常用的轴类零件材料有35、45、50优质碳素钢，以45钢应用最为广泛。

对于受载荷较小或不太重要的轴也可用Q235、Q255等普通碳素钢。

对于受力较大，轴向尺寸、重量受限制或者某些有特殊要求的可采用合金钢。

如40Cr合金钢可用于中等精度，转速较高的工作场合，该材料经调质处理后具有较好的综合力学性能；选用Cr15、65Mn等合金钢可用于精度较高，工作条件较差的情况，这些材料经调质和表面淬火后其耐磨性、耐疲劳强度性能都较好；若是在高速、重载条件下工作的轴类零件，选用20Cr、20CrMnTi、20Mn2B等低碳钢或38CrMoA1A渗碳钢，这些钢经渗碳淬火或渗氮处理后，不仅有很高的表面硬度，而且其心部强度也大大提高，因