液体搅拌机计算说明书.docx
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液体搅拌机计算说明书
液体搅拌机
——升降系统计算设计说明书
学院：
湖南大学机械与运载工程学院
学生姓名：
谢玉明
导师姓名：
吴常德
学号：
201413030131
班级：
机自1404
日期：
2016年8月28日
一、设计题目及相关说明
1、设计题目
设计一款用于搅拌液体的搅拌机。
原理说明：
见下图例：
液体搅拌机的工作原理是安装在底座上的主电机通过皮带传动带动搅拌杆旋转，从而带动装在搅拌杆下端的搅拌叶片来搅拌液体介质（这里的液体介质是油漆）。
目的是使液体介质组织均匀，稀稠合适。
搅拌工作结束后，要使搅拌杆从装液体介质的桶中提起，换上新的搅拌桶后，重新工作，使搅拌杆重新回到工作位置。
2、设计任务
1.可在上图所示方案上大胆创新设计，除了本方案中采用的螺旋传动、齿轮传动、带传动之外，还可采用钢丝绳滑轮、连杆机构、齿轮齿条、链传动、液压气压传动等任意可行的传动形式。
搅拌装置可以自己设计，也可以采用市场上可以购买到的成品搅拌装置，但需做选型设计。
2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3.在图纸上画出机构运动方案简图和运动循环图。
4.图纸上画主要机构设计图（包括位移曲线）；要求确定运动规律，计算及选择主要尺寸和参数，校核相关参数。
5.编写设计计算说明书。
3、设计参数
组别
第一组
第二组
第三组
第四组
第五组
主电机功率
5.5kw
5.5kw
4kw
4kw
3kw
搅拌杆转速（两级）（rpm）
高速
1250
1200
1150
1100
1050
低速
1000
950
900
850
800
升降有效行程（mm）
1000
950
900
850
800
升降速度（m/min）
1
0.95
0.90
0.85
0.8
主要外形尺寸（mm）
主电机中心与搅拌杆中心的距离（可调节）
约750mm
约750mm
约750mm
约750mm
约750mm
立柱中心与主电机中心距离
200
190
180
170
160
搅拌杆直径
50
50
45
45
40
搅拌杆伸出长度
1000
960
920
880
850
二、搅拌器市场调研分析
1、简介
搅拌是过程工业的基础单元操作。
搅拌器是使液体、气体介质强迫对流并均匀混合的器件，被广泛用于化工、石油化工、医药、食品、生化、化妆品、胶粘剂、印刷油墨、油漆、涂料等工业。
对于同一类型的搅拌器来说，在功率消耗相同的条件下，大直径、低转速的搅拌器，功率主要消耗于总体流动，有利于宏观混合。
小直径、高转速的搅拌器，功率主要消耗于湍
流脉动，有利于微观混合。
本课题主要设计用于宏观混合的大直径、低转速的液体搅拌器。
2、我国搅拌器行业现状
搅拌设备历史悠久，应用范围极其广泛。
但是针对搅拌操作的研究却远远不够。
搅拌操作涉及的因素极为复杂，搅拌的物料的物性千差万别，搅拌的目的也不尽相同。
搅拌设备形式多样，设备内部流动极其复杂，如何正确合理的设计以及选择搅拌器都没有一个严密的理论指导，仍在很大程度上依赖于经验设计。
我国大型产品的关键技术几乎全部来自国外，普遍缺少核心技术，尤其是自动控制系统等关键配套件技术更是如此。
将严重阻碍企业涉足高端产品市场或推进国际化战略。
无法摆脱在国际搅拌设备产业链上的下游企业地位，增值能力有限。
3、国际发展前景
近年来，搅拌器和搅拌容器获得飞速发展的同时，正面临着必须满足合理利用资源、节能降耗和对环境保护要求的严峻挑战。
搅拌器和搅拌容器在服从装置规模经济化和品种多样化的同时，正日趋大型化。
基于节能的要求，开发出变频调速电机、小剪切阻力桨叶、以新型密封代替机械密封和填料密封，以磁力驱动代替机械传动。
基于降低产品总体成本、减少维修保养成本和提高设备平均维修间隔时间的要求，大大提高了设备运行寿命。
基于满足卫生和降低清洗和杀菌成本的要求，实现了CIP（就地清洗）和SIP（就地杀菌），提高了自动化水平，避免了人与产品的接触，减少了人工操作和待机时间，大大提高了产品的卫生水平。
基于环境保护方面开发了各种防漏密封技术，使操作过程中挥发性有机物（VOCs）的泄漏量减少到监管法规所规定的可接受水平以下。
近年来，由于控制各种污染源纷纷立法，特别是清洁空气法（CleanAirAct）的出现，特别强调对设备泄漏的控制。
用以下几个方面举例：
（1）高粘度和超高粘度搅拌机
由于环保要求，强制限制空气中挥发性有机物（VOCs）的含量，故很多行业在物料搅拌时采取大力降低有机溶剂用量的措施，从而物料黏度大为增加，要求有对高黏度和超高黏度物料进行搅拌的搅拌机。
（2）新型转子定子式搅拌机
搅拌器采用转子一定子技术（Rotor—StatorTechnology）可制造亚微米级的各种乳化剂。
其原理是令转子在极高速度下转动，使转子尖端速度极大，由于转子和定子之间的速度差，在转、定子间隙中产生极大的剪切能和湍动能（HighShearandTurbulentEn-ergy），可使物料在被搅拌的同时，被破碎到亚微米级。
这种技术叫高剪切混合技术。
（3）多功能化和搅拌过程自动化
针对搅拌向更高剪切、更高速度和被搅拌物料更高黏度和容积密度（BulkDensity）的趋势，多功能化和搅拌过程的自动化是2l世纪提高搅拌产品质量、产量和满足环境保护要求的主导方向，如可广泛处理多种物料的多轴搅拌机、可自动卸料和互换搅拌容器的搅拌机等。
三、机构设计方案制定（本方案主要介绍升降系统）
1.机构运动分析
已知机器由按一定速度匀速转动的电机驱动。
（1）执行机构
①搅拌装置——匀速旋转运动
搅拌杆应稳定匀速旋转，带动杆下方叶片搅拌桶装液体介质
②升降架——间歇往复直线运动
搅拌结束后，升降架带动搅拌杆抬起；
待换上新的桶，再使杆下降进行搅拌
（2）传动机构——变速
改变电机原转速，实现搅拌杆1250、1000两级变速；
升降架直线升降
2、运动方案的选择
（1）搅拌装置
能够实现旋转运动的常用机构有：
齿轮机构、双曲柄机构、转动导杆机构、轮系等
而搅拌杆要求以自身中心轴为回转轴匀速转动，同时电机提供的是匀速转动的驱动方式，因此只考虑：
①齿轮机构
②轮系
（2）升降架
如果升降架完全采用自动化控制，那么其运动应与送桶频率、搅拌频率相协调。
即工作循环：
上升—静止（换桶）—下降—静止（搅拌）—上升—静止（换桶）……
能实现间歇往复直线运动的常用机构有：
凸轮-推杆机构、间歇运动机构+直线运动机构组合
由于移动距离要求行程接近一米，如果采用凸轮-推杆则需要很大尺寸的凸轮，不现实；因此可以考虑：
①间歇运动机构与直线运动机构组合
②采用手动控制，并利用三相电机正反转改变主轴转向。
因此只需采用往复直线运动机构即可，如：
曲柄滑块、齿轮齿条、螺旋机构、正弦机构等。
（3）整体构思
①传统搅拌机、采用升降机主体升降，叶片搅拌。
②构思搅拌机、搅拌机主体搅拌的同时，桶子也进行搅拌并且在搅拌之后可以自行上升下降。
总之、进行比较发现，采用第二种方法，一是会增加成本，二是在机器工作过程中会出现危险（因为桶子转动）。
则最后考虑采用传统的搅拌机搅拌方式。
3、升降装置设计的过程及计算
前期考虑：
对于升降装置，首先它的运动要求是匀速上升和下降，对于这种运动可以有很多机构可以完成。
（1）由齿轮带动齿条可以实现这种运动，不过由于齿轮齿条在运动停止之后不会出现自锁
现象，即发动机停止转动，在换桶的过程中，装置有可能会自行下降，带来危险。
虽然有可能在齿轮上增加棘轮机构使装置停在指定位置，不过由于棘轮机构会使整个机构单项运动。
无法实现上升下降两个运动要求，则不予采纳。
（2）采用蜗轮蜗杆传动，因为蜗轮蜗杆传动在某些条件下会发生自锁现象，只能由蜗杆带动涡轮传动而涡轮带不动蜗杆传动，则满足升降装置的要求。
（自锁：
蜗杆的展开螺旋角小于蜗轮蜗杆接触的摩擦角。
即β＜α，β为蜗杆的展开螺旋角，α为摩擦角；tgα=μ，μ为摩擦系数。
此处和斜面上物体下滑不一样，就是要求G*sina整理得：
tga<μ，即a因为蜗杆的螺旋角一般很小，小于摩擦角，能自锁。
一般单线蜗杆都会自锁。
有些多线蜗杆不会自锁，不过在有些条件之下可以发生自锁。
）
中期设计构型：
决定采用涡轮蜗杆传动。
因为要有自锁功能，则只能由蜗杆带动涡轮而不能涡轮带动蜗杆，则需要再运用丝杆。
综合考虑得出，先有蜗杆带动涡轮转动，涡轮内部有螺纹带动丝杆上下移动。
简图如右：
后期计算：
（1）设计要求：
升降有效行程1000、950、900、850、800（mm）
升降速度1、0.95、0.90、0.85、0.80（m/min）
（2）设计思路：
主要是升降行程和升降速度的影响。
对于升降行程，主要由丝杆的螺距限制（假设丝杆螺距为10mm时，上升100个螺距的位移即可达到要求）。
对于升降速度，直接由丝杆转速控制，间接由发动机控制。
（当丝杆螺距为10mm时，需要丝杆在1min之内转动上升100个螺距，而丝杆又有涡轮控制，即需要涡轮转速为100r/min，蜗杆直接由电动机带动，进而可以得出蜗杆和涡轮之间的传动比。
）
（3）具体计算：
原理、蜗杆涡轮传动比计算，i12=涡轮齿数/蜗杆头数（蜗杆有单头和多头之分。
）要求i12=1440/100=14.4≈14。
又因为涡轮齿数在小于27时会发生跟切现象，所以涡轮齿数应该大于等于27。
所以最后得出：
涡轮齿数为28，蜗杆头数为2。
4、总体构型
四、设计总结
首先，对于机械原理设计，我觉得是机械设计制造及其自动化专业的核心。
机械行业的发展，除了科学技术的进步。
机械原理的突破，会更加具有本质上的改变。
所以我们在机械设计过程之中，寻求更加合理化的机器工作原理是极为重要的。
再者，我们设计的项目是液体搅拌机。
总体而言，前人已经做得足够好，发动机带动齿轮，齿轮带动叶片旋转，通过旋转来搅拌液体，使得液体变得均匀。
再通过升降装置使得整体上升下降更换桶子。
对于其他的搅拌方式，我们想到可以使桶上升下降代替机器的上升下降和桶子的旋转代替搅拌器的旋转，不过后来经过研究发现。
我们所构想的方式还是不能市面上已经有的机器相比较，最后我们只能以市面上的搅拌机为原型来设计。
通过运用更多的方式，让搅拌机具有更多的功能和用途。
在横向传动方面，我们运用变速装置，使得搅拌机有1000和1250r/min两种不同的速度，从而可以运用得更广泛。
在升降装置的设计当中，我们考虑过使用单电机带动叶片和升降两个方面。
不过由于叶片需要上升下降，他和地面之间的距离会改变，使得运用齿轮和带传动又不小的麻烦，最后我们还是选择双电机带动。
一个电机带动整体上升下降，一个电机带动叶片旋转。
使得两个运动之间没有矛盾的地方。
设计感想：
对于机械设计，很多时候感觉的很简单的一个机构，但是在具体计算的时候。
会发现很多问题，尺寸的选择、速度的选择都会是很多大的问题。
最后就是环境问题，因为是夏天，中楼又没有空调。
很难在长时间集中精力搞设计。
本次课程实践任务锻炼了我综合运用所学知识解决实际问题的能力，培养了较为科学的思维方法和团队合作的能力，同时也让我意识到了自身的不足。
我相信，每一个成功的设计产品，都是许多人紧密配合、共同努力的结果，非常感谢老师和同组的小伙伴。
一个好的机械设计师应该有发散的思维、合作的意识、严谨的态度和终身学习的热情。
课程设计结束了，但并不是终点。
五、参考资料
[1]杨华.机械原理.长沙:
湖南大学出版社,2014.
[2]邹慧君,张青.机械原理课程设计手册.北京:
高等教育出版社.2010.
[3]陈登丰.搅拌器和搅拌容器的发展.2008.
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