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离心分离器结构设计及solidworks建模

学士学位毕业论文（设计）

离心分离器结构设计及Solidworks建模

学生姓名：

指导教师：

所在学院：

专业：

中国·大庆

2009年5月

摘要

　离心分离器又称离心机。

利用离心力将溶液中密度不同的成分进行分离的一种设备。

　　可进行固液分离、液液分离（重液体和轻液体及乳浊液等）。

该设备的主要部分是电机带动一可旋转的圆筒，称做转鼓。

有的转鼓壁上有很多小孔，离心分离时，转鼓壁上衬有滤布，使固体物留在鼓壁而液体通过小孔甩出。

也有的转鼓无小孔，被甩液体可以用导管排出。

　　离心机的转速可分为常速和高速，离心机的转速越高，分离效果越好（实际应该是看离心力，离心力越大分离效果越好，但是离心力的大小与转速的平方成正比，所以也可认为转速越高分离效果越好）。

按分离的机理来说，离心机可分为过滤离心机和沉降离心机。

按主轴和转鼓轴线的方向可分为立式和卧式。

按离心机操作特征可分为间歇式和连续式。

按卸料方式分为推料式、刮刀式和螺旋式等。

关键字：

离心分离器，油气分离器，Solidworks

Abstract

Centrifugalseparator,alsoknownascentrifuges.Theuseofcentrifugalforceinthedensityofthesolutiontoseparatethedifferentcomponentsofadevice.

Canbesolid-liquidseparation,liquid-liquidseparation（heavyliquidandlightliquidandemulsion,etc.）.Themainpartofthedeviceisamotordrivenrotatingcylindercanbe,knownasthedrum.Somewallshavemanysmalldrum,centrifugalseparation,thedrumwallhasclothlining,sothatsolidsremaininthedrumwallandreleasestheliquidthroughsmallholes.Drumandsomenon-smallholecathetercanbeleftdischargedliquid.

Speedcentrifugecanbedividedintoconstantspeedandhigh-speed,highspeedcentrifugetoseparatetheeffectofthebetter（actuallylookatthecentrifugalforceshouldbe,thebettertheeffectofcentrifugalforce,thegreatertheseparation,butthesizeofthecentrifugalforceisproportionaltothesquareofthespeed,socanalsobeseparatedfromtheeffectthatthehigherthespeedthebetter）.

Accordingtothemechanismofseparation,thecentrifugecanbedividedintocentrifugesandsedimentationcentrifugefilter.Spindleanddruminaccordancewiththedirectionoftheaxiscanbedividedintoverticalandhorizontal.Accordingtothecharacteristicsofcentrifugeoperationcanbedividedintointermittentandcontinuous.Bywayofdischargingmaterialintopush-type,andspiralscraper,etc..

Keywords:

Centrifugalseparator,oilandgasseparator，Solidworks

目录

1.绪论1

1.1课题简介1

1.2离心分离器原理1

2.油气分离器结构设计3

2.1转子结构设计3

2.2转子计算7

3.传动系统设计10

3.1轴的设计10

3.2联轴器的选择：

12

3.3轴承的选择12

4.分离器三维造型14

4.1Solidworks简介14

4.2分离器壳体建模14

4.3盖的建模18

4.4转子的建模20

4.5装配模型22

5.分离器盖夹具设计23

5.1夹具设计23

小结25

参考文献26

致谢27

1.绪论

1.1课题简介

离心分离装置是润滑系统的重要组成部分,在润滑油的流动过程中,大量的游离空气和燃气抽到润滑油中来,使润滑油中的空气含量增加这将降低它的冷却能力,增大其消耗量及管路中的流油阻力,影想泵的抽油能力，因此在靠近油箱的回油路出口上需要设计油气分离器，把润滑油中含有的大部分空气分离出来。

分离器有多种形式，其中离心分离器效果最好，它主要利用离心力场将油液中的未溶气体分离出来，在这种情况下，工作液为重物质，在离心力场的作用下甩向转子外缘，而气体较轻，在压力场的作用下集中在转子中心，在此加以聚集并排出。

本文现针对某型发动机润滑系统中的分离器进行了油气分离技术的分析并根据分离效果的要求来初步确定分离器转子的结构尺寸，建立了理论推导的计算模型并使用SOLIDWORKS技术对其进行三维造型设计。

润滑系统中由供油泵从油箱中抽出一定流量的润滑油,经过压力调节活门的调压使泵出口的润滑油压力基本恒定,压力油经过油滤过滤后通过直射式喷油嘴向轴承内圈外缘喷油,借助离心力将润滑油带入轴对发动机前后轴等进行润滑,润滑过后的热润滑油靠回油泵流回有箱,由于润滑过后的润滑油中含有大量气体对系统不利。

因此,在流回油箱前需进油气分离器把润滑油于气体分离。

润滑油系统所采用的油气分离装置主要有三种类型：

动压式油气分离器，离心机式油气分离器，平板式油气分离器。

其中平板式最简单,它利用润滑油以薄层流过平板或孔隙或滤网时气泡破裂使空气从润滑油中溢出从而使油气分离，显然在润滑油粘度较大及气泡直径较小时分离效果较差,且当油流较大时,需要较大的平板,它用于早期的或小型发动机。

动压式油气分离器是利用液体旋转离心力来进行油气分离的,在摩擦阻力大,液体旋转角度下降快的情况分离效果较差,一般设计在回油箱的回油管的出口,回油在压力作用下切向进入油气分离器,在内壁上旋转使气体分离逸出,离心机式分离效果最佳,这是由于离心机式分离器依靠转子的旋转使油气获得较高的切向速度,但它需要消耗一定的功率来驱动转子。

1.2离心分离器原理

离心分离器主要利用离心力场将油液中的未溶气体分离出来，在这种情况下，工作液为重物质，在离心力场的作用下甩向转子外缘，而气体较轻，在压力场的作用下集中在转子中心，在此加以聚集并排出。

分离器一般是有转子,壳体,转子轴等零件组成如图2.1所示由经验得出,油气进口位置一般在较小的径向位置上,这样可以使进口的阻力减小,同时便于油气分离,而润滑油出口一般设计在最大径向位置上,以达到最高的分离效果,并足以克服最大的出口反压,通气口则要安置在转子中心轴上的低压区,轴上开孔或沿轴向做环形间隙,于气体从通气孔排出。

图2.1分离器总体结构

离心分离器中，转子是对油施加旋转的核心。

因此转子在结构上大多采用辐板结构。

辐板起到了连接和加强的作用，更主要的目的是使油气进入转子内腔后能尽快获得圆周运动，使油气迅速分离，缩短了转子轴向尺寸。

采用辐板数目的多少直接影响到了油汽分离器的分离效果。

辐板数目不能太多也不能太少。

辐板数目太少。

液体将不能很快的没整个周向展开形式，圆柱形的自由表面，不利于油气分离；并且当出口反压很小时；还可以将气体带出；辐板数目太多，则占据了过大的空间，也使分离面积减小；一般取4-8片为宜。

2.油气分离器结构设计

2.1转子结构设计

离心分离器，直接由发动机轴通过减速齿轮带动旋转；油气乳化液在转子里的运动实际是油，现在计算可以进行适当的简化由于分离器的通道坡度不大，不考虑附面层影响，可以认为通道内的轴向速度不变；即油气的轴向速度为V，因为发动机所用的润滑油求在较低或较高的温度下均能正常工作；并要求有小的粘度，所以可能把润滑油假定为理想流体。

在离心力的作用下，较重的润滑油甩向周边再流入油箱，而留在转子

中心的空气和润滑油蒸气通向发动机的内通风腔。

为了简化运算建立如下模：

认为转子半径为尺寸，内部通道的半径为

R2如图2.2所示。

取一流体微团作为研究对象，现在进行一般情况下的运动分析。

图2.2转子结构简图

由理论力学关于加速度合成的定理可以得到焦点，运动的绝对加速度，αa等于相对加速度αr；牵连加速度αe与斜式加速度αc三者的和。

当原点以V。

的速度进入转子做匀速曲线运动，认为原点在图式位置时的曲率半径为r，则这三项加速度分别为：

（1）αr相对加速度：

由于流体微团相对于转子叶片做匀速曲线运动，故只有法向加速度；

即αr=V。

2/r（2.1）

（2）αe牵连加速度：

因为转子做匀速运动，故只有向心加速度即：

αe=（P·W）2r（2.2）

（3）αc科氏加速度：

由αc=2WeVr可确定αc在图示平面所垂直的平面内，并与V。

垂直它的大小为：

αc=2WeVrsin（90-β）=2（ψw）Vrcosβ（2.3）

为了方便计算，将相对加速度，牵连加速度，科氏加速度在OX’；OY’和O2’坐标轴上投影得：

（2.4）

（2.5）

（2.6）

（2.7）

因此

式中m——流体微团的质量；

——油珠对转子角速度的滞后系数；

ω——转子的角速度；

v0——油气的入口速度；

β——入口速度和轴向夹角的余角。

对于该油气分离器来说；因为油气的流量Q，恒定转子半径近似相等，原以可以认为油气相对于油气分离器中做匀速直线运动。

所以：

ar相对加速度：

由于流体微团相对于转子叶片做匀速直线运动，即式（2.4）和（2.1）中

故不存在相对加速度，即ar＝0

ae牵连加速度:

因为转子做匀速运动，故只有向心加速度，即

ae=

方向如图所示。

式中r——流体微团到转子中心的距离。

ac科氏加速度：

由ac=2

，且相对速度和角速度的方向平行。

所以在式（2.5）和（2.6）中β为90度，即ac＝2

sin（90-β）＝0，所以绝对加速度aa=ae=

，流体微团所受到的离心力为

（2.8）

式中d——流体微团的当量直径；

ρ0——滑油密度。

它所受到的阻力是：

（2.9）

阻力系数

是雷诺数Re的函数。

当Re在1×105～15×105范围内时，适用以下的经验公式：

，所以阻力为

（2.10）

由于流体微团的重力和离心力相比小的很多，所以可以忽略不计。

在运动流体内中所受的内摩擦力也可以相互抵消。

所以它所受的离心力和阻力相互平衡，即Fd=Fc。

由此可以解出流体微团的相对抛离速度：

（2.11）

它在油气分离器中所需要的抛离时间为

式中Sr——为微团的抛离距离，这个值随着油珠所在的位置不同而异，我

们可以知道当

时这个抛离距离最大。

vr——流体微团的相对抛离速度，由公式（2.11）可知，当r取最小值时拥有最小的抛离速度，所以取r＝R2。

即

（2.12）

也就是说当油气乳化液入口时贴近转子内通风腔外表面的部分是分离时间最长的部分。

当油气以速度v0相对于转子向前运动时它在分离器内的最大停留时间为

（2.13）

由于

，

，式（2.13）可以改写为

（2.14）

式中A0——油气分离器入口的实际面积；

L——油气分离器通道的总长度；

Q——通过油气分离器的总流量；

k——面积系数；

R2——转子轴中间的通道内径；

R1——转子的当量外径。

若流体微团在油气分离器停留的时间大于他的抛离时间（t0max>trmax），则可以保证在直径为d的油粒全部甩向转子的边缘，达到油气分离的目的。

而t0max＝trmax为保证抛离的临界条件，由此可以得出该油气分离器可以分出去的油粒的最小直径为：

（2.15）

式中υ——滑油的运动粘度。

由公式2.2得:

trmax=Srmax/Vrmin

=（R1-R2）/[4d1.8p0.8R（ωΨ2）/5/6]/75U0.8]5/6

=（36-17）/[4×31.8×（1.5×102）0.8×17（1×10）2/（75×0.35）0.8]5/6

=19/[47.4×28.23×1700/37.24]5/6

=0.015（s）

即当油气乳化液入口时贴近转子内能风腔外表面的部分是分离时间最长的部分。

将实际数据带入公式2.14得：

Tomax=[Lπ（R12-R22）/Q]·K=0.25

2.2转子计算

2.2.1转子结构尺寸计算

通过以上的分析计算，我们得到了可分离的油气的临界直径d为

对于油气分离器有经验值：

，

。

将L=R1λ1，R2=R1λ2带入式（2.15），可以导出转子外径R1为

（2.16）

由R2＝R1·λ2可以得出转子轴中间的通道内径。

由L＝R1·λ1可以得出转子通风腔的长度。

通过比例的分析计算，我们得到可分离的油气的临界直径d为：

d=（V）4/9（75/4R2）5/9[Q/Πkl（R1+R2）]2/3（1/4W）10/9

=（0.19×102）4/9（75/4×17）5/9[20/3.14×1×70（36+17）]2/3（1/0.5×17）10/9

=0.069

根据花键轴的轴径为31mm，可得转子的外壁为82mm,转子壁厚为7~10，顾转子内壁为55和73mm，两中孔距离为13~15mm，地孔距离为13~16mm。

2.2.2转子平衡计算

（1）刚性转子的静平衡计算

如图为一盘状转子。

已知m1和m2和r1和r2

当转子以角速度w回转时，各偏心质量所产生的离心惯性力为：

为平衡这些离心惯性力，在转子上加一平衡质量mb，使Pb与Pi相平衡，即：

矢径ri质径积miri

平衡质径积mbrb的大小和方位可根据上式用图解法求出。

求出mbrb后，可以根据转子的结构选定rb，即可定出平衡质量mb。

也可在rb的反方向rb’处除去一部分质量mb’来使转子得到平衡，只要保证mbrb=mb’rb’即可。

结论：

1）静平衡的条件：

分布于转子上的各个偏心质量的离心惯性力的合力为零或质径积的向量和为零。

2）对于静不平衡的转子，不论它有多少个平衡质量，都只需在同一平衡面内增加或除去一个平衡质量就可以获得平衡，---------单面平衡。

（2）刚性转子的动平衡计算

如图为一长转子。

已知m1，m2和m3

以及r1，r2和r3。

当转子以角速度w回

转时，各偏心质量所产生的离心惯性力

将形成一空间力系。

1）将力P分解为相互平行的两个分力：

2）选定两个回转平面I及II作为平衡基面，

将各离心惯性力分别分解到平衡基面I及II内。

将P1,P2和P3分解为平衡基面I内的P1,P2,P3和平衡基面II内的P1,P2,P3空间力系转化为两个平面汇交力系。

3）在平衡基面I及II内适当地各加一平衡质量，分别使两个基面内的惯性力之和分别为零，则转子达到动平衡。

平衡基面I及II内的平衡质量的大小和方位的

确定同静平衡计算方法。

分别列出基面I及II内的平衡条件；

选取适当的比例尺，用图解法求出mbrb和mbIIrbII；

根据转子的结构选定rb和rbII，定出平衡基面I及II

内的平衡质量mb和mbII。

结论：

动平衡的条件：

当转子转动时，转子分布在不同平面内的各个质量所产生的空间离心惯性力系的合力和合力矩均为零。

对于动不平衡的刚性转子，不论它有多少个偏心质量，以及分布在多少个回转平面内，都只需在选定的两个平衡基面内增加或除去一个适当的平衡质量，就可以使转子获得动平衡。

---------双面平衡。

静平衡的转子不一定动平衡。

动平衡同时满足静平衡的条件经过动平衡的转子一定静平衡；反之，经过

3.传动系统设计

3.1轴的设计

3.1.1选取轴的材料和热处理的方法

离心分离器是一般机器设备，所受载荷不大，主要承受扭矩作用根据钢的材料的力学性能选择，45钢粗加工后进行调质处理便能满足使用要求。

经查《机械传动装置设计手册》P158得

αB=640mpa

αs=355

α-1=300mpa[α-1]

=60mpa

3.1.2.按扭转强度估算轴的直径

轴的最小直径计算公式为：

dmin≥A3√P/n

由教材表，查得：

A=110-97

轴dmin≥（110-97）3√3.79/320

=15.90-18.90

在轴的左端轴径为25，右端为15。

3.1.3轴的结构设计

在花键轴已初选用600Z型轴承与轴承配合的轴径为φ15，以轴肩作轴向定位，另外还要考虑在油气分离过程中，被分离的气体，要从轴的中心排出，因此该轴应做成空心的轴，如图3.1所示。

因为半联轴器与轴配合部分的长度为38mm，为需要轴左边第一段应比38mm略小，顾取35mm。

图3.1轴的简图

3.1.4轴的强度计算

（1）作用在轴端上的拉力F1和F2向轴线简化，其结果如图3.2～3.4所示，

（2）传动轴受铅垂力。

F-FG+F1+F2

=（S+6+3）·KN

=1.8KNM

此力使轴在铅垂面内发出弯曲变形。

外力偶矩为T=F1R-F2R

=（6×0.6-3×0.6）KNM

=1.8KNM

此力偶矩与电机传给轴的扭矩相平衡，使轴产生扭转变形，故此轴属于变扭组合变形。

（3）内力分析

分别作出轴的弯矩图和扭矩图如上图所示。

由内力图可以产断C截面为危险截面，该截面上的内力矩为：

Mmax=4.2KNM

Tn=1.8KNM

（4）轴的转速

离心力RCF=11.2R（r/min1000）2

F=mv2/r

R代表转子的分类半径，r/min代表的是转速。

从计算公式中可看出加大离心力的方法有两种：

第一，增大转子的旋转半径；第二，提高转速。

如果只增大离心机转子的旋转半径离心机的体积将会增大，不如直接增高转速来提高离心力，提高更直接。

现在离心机厂商酶标板转子所承受的离心力大多在3000以下，要想提高离心力必须提高电机转速这一点比较容易，但更重要的是考虑安全性，离心机外壳用足够厚的钢板和离心机良好的减震系统，本设计转子半径为82mm，分离时间为0.25s,顾本设计轴的转速选择为3500r/min。

（5）强度校核

按第三强度理论得：

αxd3=√M2max+Tn2/wm

=√（4.2×103）2+（1.8×103）2Pa/π×0.1332

=46.6mpa＜[α]

故该轴满足强度要求

3.2联轴器的选择：

分离器转子轴采用弹性柱销联轴器。

由前计算知T2=410N·m。

由教材查表选用弹性柱销联轴器，型号为HL3，联轴器45×84GB/T5014-1985。

主要参数尺寸如下：

许用最大扭矩：

Tmax=630N·m。

许用最大转速：

Nmax=5000r/min。

3.3轴承的选择

（1）选轴承类型：

根据载荷情况和转速选用深沟球轴承类型代号6；

（2）选轴承尺寸：

查表12-5得轴承内径d=15

内径代号为02;

查表13-6选尺寸系列代号02；

4.分离器三维造型

4.1Solidworks简介

SolidWorks软件以其功能强大，易学易用和技术创新三大特点，以逐步成为世界上领先的三维CAD解决方案。

随着新版软件的推出，其功能更加强大。

全世界已经有越来越多的高校，科研所和集团公司采用该软件进行产品的设计和开发。

该软件可广泛运用航空航天，汽车交通，国防军工等行业，及科研研究。

该软件的研究与开发吸取了当今图形处理技术和计算机技术的最新成果引领着三维CAD造型的发展趋势。

其最大特点在于所绘图形可以进行尺寸驱动，便于修改草图。

而在三维造型中，草图的正确与否直接关系到三维实体零件能否顺利生成与质量的好坏。

因此，准确，快速完成草图的绘制，是更好的进行下一步工作的前提，应当给予足够的重视

在进行草图绘制时，首先分析草图的基本构成，区分清楚基准线，中间线段和连接线段，从整体上把握草图，做到心中有数起，其次，应用SolidWorks提供的各种草图绘制工具绘制几何图元。

这里又可以分成三个层次，先绘制基准线和已知线段，应用尺寸标注工具和几何关系工具完成几何图元的定形和定位，在绘制中间线段，最后绘制连接线段，再次，应用草图编辑工具对所绘制的草图进行修剪。

最后对草图进行局部细化，完成草图绘制。

SolidWorks2004具有很强的文件交换功能,可以输入,输出数十种文件格式,可以与AutoCAD，pro/ENGINEER,SolidEdge,CAM等软件很方便地进行文件交换。

4.2分离器壳体建模

对于一个新产品设计，首先要建立零件文件；

（一）建立新的文件

1、单击标准工具栏上的新建命令按钮，或选择“文件”——“新建”菜单命令，打开“新建Solidworks”文件“对话框”。

2、单击“零件”图标（或单击“高级”按钮），进入Turtial窗口；然后选择零件图标，如图4.1所示。

3、单击“确定”按钮。

这时就会创建一个新的零件文件。

图4.1新建Solidworks文件对话框

（二）绘制草图：

经过对壳体形状的分析

首先绘制壳体部分的草图，然后进行旋转特征生成形状由于该部分属于四转体因此，画草图时要先画一条中心线利用中心线方可生成旋转特征；

（1）、在FetureManager设计树中选择前视基准面；

（2）、单击草图绘制工具栏中的草图绘制命令按钮，此时在前视基准面上打开一张草图；

（3）、单击草图绘制工具栏上的中心线命令按钮，将指针移到草图原点处。

当指针变为点时，表示指针E位于原点上。

此时在草图上即可画，一条通过原点的中心线。

（4）、单击草图绘制工具栏上的直线命令按钮或选择“工具”——“草图绘制实体”——“直线”菜单命令，根据零件图的形状初步将其画好，其颜色变为蓝色表示直线处于欠定义状态，然后用同样方法，再画出底部的圆弧，根据零件图的尺寸要求将图形定义，此时原先的蓝线将变为黑线表示此草图已定义。

图4.2草图特征

（三）调整形状和大小

1、单击标准工具栏上的选择命令，选择要调整的直线范围双