机械设计啤酒发酵中低速锚式搅拌机详解.docx

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机械设计啤酒发酵中低速锚式搅拌机详解

摘要

该设计为食品机械设计基础的课程设计，主题是啤酒发酵中低速锚式搅拌机。

该搅拌设备用于啤酒发酵过程麦芽的糖化（或醪液的制备）及啤酒的主发酵中，可用于非均相（多为粘度较大的液相或悬浮物）发酵，使参加反应的物料混合均匀，强化相间的传热传质，操作条件的可控范围广，可以打开盖子清洗内部表面，也可清除醪渣。

本装置电机为动力来源，选用转速为720r/min的电机，带动减速器，它们之间为带传动，使转速降至286r/min，然后再用双级减速器减速，并减至40r/min，减速器采用直齿圆柱齿轮。

然后带动搅拌轴转动，且与其同转速。

关键词：

搅拌器;减速器;齿轮轴;设计;校核

ABSTRACT

Thedesignforthefood-basedcurriculumdesign,mechanicaldesign,themeisanchoredlow-speedmixer.Themixingequipmentusedforbeer,maltsaccharificationfermentationprocess（orthepreparationofmash）andthemainfermentationofbeer,canbeusedfornon-homogeneous（mostlyhigherviscosityliquidorsuspendedmatter）fermentationtoparticipateinresponsemixedmaterials,enhancedheatandmasstransferbetweenphases,thecontrollabilityofawiderangeofoperatingconditions,canopenthelidcleaninteriorsurfaces,butalsoclearthemashresidue.

Themotoraspowersourcedevice,selectthemotorspeed720r/mintodrivereducer,beltdrivebetweenthemastospeeddownto286r/min,andthenusethetwo-stagereductiongearreducer,andreducedto40r/min,withspurgearreducer.Thendrivenstirringshaftrotation,andwiththesamespeed.

Keywords:

blender;reducers;gears;shafts;design;check

啤酒发酵中低速锚式搅拌机

1前言

近年来随着人们生活水平的提高，啤酒越来越普遍的被人们喜爱饮用，一些企业单位（非啤酒发酵生产单位）、大中型酒店、宾馆等服务产业单位拥有了自己的啤酒生产线，其中重要的设备就是麦芽糖化器和啤酒发酵罐，低速搅拌器为其上的一重要机构，以满足良好的液体混合及好的传质相传热速率。

啤酒发酵或麦芽糖化时要求搅拌器转速低，起泡沫少，转速稳定，且料液有一定的粘度和悬浮物。

本设计针对这些进行设计。

本设计为框锚式低速搅拌器，主要分为五部分:

第一部分为电动机选择及传动系统总的传动比分配;主要确定电动机类型和结构形式、工作机主动轴功率、电动输出功率及传动系统总的传动比分配。

第二部分为带轮的设计包括带轮类型的选择、带轮尺寸参数的确定，及校核计算。

第三部分为减速器的运动和动力参数计算,主要确定各轴转速、各轴的输入功率、及各轴转矩、各圆柱齿轮的尺寸参数，选择齿轮、材料、精度、等级、确定齿轮齿数、转矩、载荷系数、轮宽系数及齿根弯曲疲劳强度校核。

第四部分为轴系的结构设计，包括轴径和轴身长度的计算和设计尺寸。

第五部分为各附件的选择和确定。

常用的搅拌器有涡轮式搅拌器、桨式搅拌器、锚式搅拌器、螺带式搅拌器、磁力加热搅拌器、磁力搅拌器。

搅拌器的类型、尺寸及转速，对搅拌功率在总体流动和湍流脉动之间的分配都有影响。

一般说来，涡轮式搅拌器的功率分配对湍流脉动有利，而旋桨式搅拌器对总体流动有利。

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。

针对设计要求本设计中搅拌器采用框锚式或锚式搅拌器，该搅拌器工作时，主要产生轴向液流。

叶轮直径与搅拌罐内径比为0.7～0.95，叶片宽度与罐内径的比为1：

12，转速低，通常为10～50r/min，线速度一般小于3m/s，由与锚与罐内壁间隙小，可清除附在槽壁上的粘性反应产物或堆积于槽底的固体物，保持较好的传热效果。

在锚外缘处存在强烈的剪切作用，产生局部涡旋，引起液体物料间的不断交换，因此锚式搅拌器尤其适合带加套的搅拌罐内料液的传热。

另外，由于叶轮直径大，且与罐底贴近，较适合与高浓度沉淀物料，能较好的防止罐壁上物料的结晶和罐底物料沉淀。

可用于搅拌粘度高达200Pa·s的牛顿型流体和拟塑性流体。

搅拌器的传动方式为带传动和齿轮传动。

带传动具有适于两轴中心距较大的传动；具有良好的弹性，可吸振缓冲，尤其是V带没有接头，传动平稳，噪声小；过载时带与带轮之间会自动打滑，防止其他零件因过载而损坏；带传动结构简单，制造与维护方便，成本低。

因此本设计采用V带传动。

齿轮传动能保证瞬时传动比的恒定，传动平稳性好，传递运动准确可靠,适用的功率和速度范围广。

传递的功率小至低于lW（如仪表中的齿轮传动），大至5×l04kW，甚至高达l×l05kW;其传动时圆周速度可达至300m/s。

传动效率高。

一般传动效率=0.94～0.99。

结构紧凑，工作可靠，寿命长。

设计正确、制造精良、润滑维护良好的齿轮传动，可使用数年乃至数十年。

因此本设计采用直齿齿轮传动。

本设计的搅拌机构可为锚式或框锚式（在轴和锚之间有肋条或肋板，兼有两者的优点）。

根据物料和工作情况的不同，安装不同的搅拌机构。

另外，对于容易起泡的物料还可以将锚的边缘做成锯齿状，增加消泡能力。

当然还有一些不足之处，比如电机质量较大，转速不可调等，需要寻求指导和改进.

2设计要求

啤酒发酵或麦芽糖化（醪液的制备）时要求搅拌器转速低，起泡沫少（搅拌器最好能起到一定的消泡作用），转速稳定，且料液有一定的粘度和悬浮物，某些特殊阶段还需控制进氧量（或溶氧量），本设计针对其中这些主要要求进行设计。

输出功率Pw=6.0Kw，输出轴转速nw=40r/min，传动不逆转，工作平稳，可有轻微振动，轻载启动，间歇操作，平均每天工作12小时，要求寿命8年。

3分析传动方案

本次设计的方案有很多，可以优先选用的三种方案：

（1）先用V带传动，再用一级齿轮减速器传动。

（2）直接用两级齿轮减速器传动。

（3）先用V带传动，再用两级级齿轮减速器传动。

方案

（1）中传动装置尺寸大，大带轮尺寸接近1m，齿轮若用软齿，齿轮直径特较大。

方案

（2）中直接用齿轮传动，平稳性没有经带传动传递后平稳，影响其寿命，且需经常维护。

若用软齿，尺寸也较大。

方案（3）中，经V带传动后，平稳性较好，第一级减速用软齿，可节省成本，结构尺寸也不大，第一级减速用硬齿，可使结构更紧凑。

因此，选用方案（3）。

本设计采用渐开线直齿圆柱齿轮，主要由于该类型齿轮在机械传动中，结构较简单，传动较平稳，强度高，制造、安装方便，应用广泛。

本设计采用深沟球轴承，主要由于轴向几乎无轴向力，该轴承适用，且摩擦阻力小，启动灵活，效率高，易配备。

本次设计的转速低，选用低转速电机，传动比较大，选用双级减速器，它们之间为带传动，减速器采用直齿圆柱齿轮，然后带动搅拌轴转动，且与其同转速。

在机械传动中，一般应将带传动设置在传动系统的高速级，使之与原动机相连，齿轮或其他传动装置在带传动之后。

这样，即可以减小传动的外廓尺寸，又可以起到过载保护的作用，还可以减少机械的振动和噪音。

传动装置的简图如图1所示。

图1设计传动方案简图

14—大、小带轮2—电机358—轴Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ6—深沟球轴承

79—一、二级减速齿轮副10—联轴器11—筒体12—锚式搅拌器

4选择电动机类型，确定各轴的运动和动力参数

4.1确定电动机的输出功率

4.1.1确定传动装置的总效率

由李秀珍主编《机械设计基础（少学时）第四版》机械工业出版社，2005版（以下未说明者均为该书籍）表11-3选取V带η1＝0.95，轴Ⅱ滚动轴承η2＝0.98、一级齿轮η3＝0.96、轴Ⅲ滚动轴承η4＝0.98、二级齿轮η5＝0.98，轴Ⅳ滚动轴承η6＝0.99、联轴器η7＝0.993；又由设计可知，需要V带传动、3对轴承、1个联轴器、2对齿轮传动，故总效率：

η＝0.95×0.98×0.96×0.98×0.98×0.99×0.993=0.84

4.1.2计算需要电动机输出的功率Pd

电动机功率Pd

Pd=Pw/η总=6.0/0.84=7.1KW

4.1.3初定电动机的转速

4.1.3.1初定各级传动的传动比，求初定总传动比I’

由表11-3查得:

V带传动比i1’=2.70齿轮传动比i2’=2.60,链传动传动比i3’=2.56,则总传动比i’=18

4.1.3.2计算所需电动机转速

nd’=I’×nw=18×40r/min=720r/min

4.1.4选择电动机型号，计算总传动比

4.1.4.1选择电动机型号

根据电动机的额定功率Ped>Pd,转速nd=nd’及工作情况。

查孔凌嘉主编《简明机械设计手册》表19-5，可选择三相异步电动机Y160L-8。

基本参数为：

额定功率Ped=7.5Kw,同步转速为750r/min,满载转速nd=720r/min,最大转矩为2.0，额定转矩为2.0。

4.1.4.2计算总传动比

i=nd/nw=720/40=18

4.1.5重新分配传动比，计算各轴的运动和动力参数

4.1.5.1重新分配传动比

将总传动比分配到各级传动中,经分析，取V带传动比i1=2.70，一级齿轮i2=2.60，则齿轮i=18/（2.70×2.60）=2.56

4.1.5.2各轴运动参数及动力参数计算

各轴运动参数及动力参数计算如表1所示。

表1初算各轴的输入功率、转矩、转速和传动比

轴号

输入功率P1/

转矩T/（N·m）

转速n（r/min）

传动比

电动机轴

7.1

94.17

720

1

Ⅰ

7.1

94.17

720

Ⅱ

6.6

236.06

267

2.70

Ⅲ

6.21

575.78

103

2.60

Ⅳ

6.02

1430.12

40

2.52

4.2V带传动的设计计算

根据上述计算已知：

输入功率Pd=7.1KW，带轮转速n1=720，n2=267r/min，轻载启动，间歇工作，平均每天工作12h。

4.2.1确定带型

工况系数由表6-4KA=1.1

设计功率Pd=P1KA=1.1×7.1KW=7.81KW

V带截型由图6-13B型

4.2.2确定V带带轮直径

小带轮基准直径由图6-13及表6-3取=125mm

验算带速v==4.71m/s

大带轮基准直径dd2==337.5mm由表6-3取dd2=315mm

传动比i=dd2/dd1=2.52

4.2.3确定中心距及V带基准长度

初定中心距由0.7（dd1＋dd2）≤a0≤2（dd1＋dd2）得

308mm≤a0