重力式谷糙分離機(jī)設(shè)計【谷物清選機(jī)設(shè)計】【谷物分離機(jī)設(shè)計】

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本課題所涉及的問題在國內(nèi)（外）研究現(xiàn)狀及分析 .3 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析 .3 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀分析 .3 1.3 研究重力式分離可行性在于 .3 2 設(shè)計方案的選擇 .4 2.1 整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .4 2.2 重力式谷糙分離機(jī)的工作 .5 2.3 方案的確定 .5 3.動力機(jī)構(gòu)的設(shè)計及選擇電動機(jī)的選擇 .6 3.1 參數(shù)選擇的依據(jù) .6 3.2 電動機(jī)的選擇 .6 4.主要工作部件的設(shè)計計算 .8 4.1 凸輪的設(shè)計 .8 4.2.凸輪軸的設(shè)計 .8 4.2.1.凸輪軸的計算和校核 .8 4.2.2. 凸輪軸最小直徑的計算 .9 4.3. 凸輪軸剛度的驗算 .9 4.4 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .10 5.谷糙分離過程 .12 5.1 谷糙分離過程概述 .12 5.2 谷糙分離板的運動分析 .12 5.3 谷糙分離板的上物料的運動分析 .13 5.3.1 谷糙分離板的上料層稻谷的運動 .13 5.3.2 谷糙分離板的下料層糙米的運動分析 .16 5.4 對運動方程的分析 .17 6 結(jié)論 .18 6.1 關(guān)于逐漸完成的分層與分流問題 .18 6.2 關(guān)于稻谷分流后的運動 .18 6.3 關(guān)于流動跡線問題 .19 小 結(jié) .21 致 謝 .22 參考文獻(xiàn) 22 1 重力式谷糙分離機(jī)設(shè)計 1 緒論 緒論隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)的投入和技術(shù)創(chuàng)新。加大宣傳力度， 提高農(nóng)民的積極性。同時要使谷糙分離的穩(wěn)定性和速度大大提高，降低生產(chǎn)成本和勞動強(qiáng) 度。我國在重力式谷糙分離機(jī)研制過程中，需要進(jìn)一步完善與去除設(shè)施及相應(yīng)的配套技術(shù)。 在引進(jìn)基礎(chǔ)上要克服不足，盡量設(shè)計出適合經(jīng)濟(jì)作物的分離機(jī)，加強(qiáng)自動重力式的研究， 增加檢測與傳感裝置，適時地控制分離過程。力求達(dá)到預(yù)期的分離效果。同時還要加強(qiáng)自 動分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計，增強(qiáng)分離機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性，提高其通用性。 1.1 本課題來源及研究的目的和意義 谷糙在不同大小是分離機(jī)械中的主要問題，因此要了解稻谷和糙米在不同的分離階段 所需要的分離和分層情況，可根據(jù)谷和糙的大小和形狀，分析谷糙的運動規(guī)律，調(diào)節(jié)上下 料板的運動量，充分利用地球的吸引力，以最少的能量投入達(dá)到更高的收入從而提高能量 利用率，改善工作環(huán)境，增加農(nóng)業(yè)種植效益。單臂連桿重力式谷糙分離機(jī)，由于縮小了凸 臺分級板的尺寸，減少了級層，并且采用了單臂連桿傳動，分離箱體內(nèi)側(cè)進(jìn)料方式，從而 使整機(jī)體積大為縮小，運動平穩(wěn)，在日產(chǎn)噸以下大米的小組合米機(jī)配套中，凈糙含谷 少，回礱谷含糙率低。在進(jìn)入碾米（面）機(jī)之前把稻谷中的秸稈、枝節(jié)、砂石、灰塵分離 出來 保證米潔凈度。利用谷糙之間的比重、粒度及表面摩擦系數(shù)的差別，借雙向傾斜、往 復(fù)運動的工作板之作用，增加自動分級來進(jìn)行谷糙分離的設(shè)備。 重力式谷糙分離機(jī)分離谷糙的最大特點在于振動分離的結(jié)構(gòu)體系是綜合稻谷和糙米的 物理特性來進(jìn)行設(shè)計的。谷糙在分離過程中都是沿用傳統(tǒng)的人工分離的方法，傳統(tǒng)分離方 法勞動力大、強(qiáng)度大，適應(yīng)性低，能耗高、效率較低等問題。要實現(xiàn)由傳統(tǒng)谷糙分離技術(shù) 向現(xiàn)代谷糙技術(shù)的轉(zhuǎn)變。需因地制宜，大力發(fā)展谷糙分離機(jī)械化。為了充分利用資源減少 人工勞動，爭取高產(chǎn)，機(jī)械化分離是有效途徑。這樣可以解決人工分離過程中的栽植勞動 強(qiáng)度大，所需勞動力較多，工具原始，成本高、效率低，質(zhì)量難以保證的問題?，F(xiàn)代設(shè)計 方法不僅要考慮機(jī)械靜強(qiáng)度，而且還要考慮機(jī)械的動態(tài)性，這樣才能提高機(jī)械設(shè)備的性能 和效率。隨著分離技術(shù)的作用日益突出，降低了農(nóng)民的勞動強(qiáng)度、提高工作效率，機(jī)械分 離質(zhì)量穩(wěn)定可靠，為谷糙分離的規(guī)?；岣吡饲疤幔瑸楣I(yè)作業(yè)打下了良好的基礎(chǔ)。 農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展已經(jīng)步入新的歷史起點，農(nóng)業(yè)機(jī)械化作為發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的主要內(nèi)和 主要標(biāo)志，適合地區(qū)生產(chǎn)需要的分離機(jī)種類較少、單一，科技含量不高，不能滿足果業(yè)生 產(chǎn)發(fā)展的要求。人工勞動強(qiáng)度大，需勞動力多，效率低，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)作物出產(chǎn)的發(fā)展， 不能較快地推進(jìn)農(nóng)業(yè)工業(yè)化的發(fā)展。新型的重力式谷糙分離機(jī)的改造和設(shè)計提高了機(jī)具的 性能和效率，并為其他的林業(yè)與木工機(jī)械動態(tài)設(shè)計開辟新的道路，使得我國的機(jī)械趕得上 時代并達(dá)到世界的水平，這對于提高我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)程有巨大的推動作用，同時對于 我國農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益具有重大意義。也對農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。 因此，加快發(fā)展重力式谷糙分離機(jī)勢在必行。 1.2 本課題所涉及的問題在國內(nèi)（外）研究現(xiàn)狀及分析 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析 中國改革開放30多年來，在政治、經(jīng)濟(jì)和科技上已取得了舉世矚目的成就，有力地促 進(jìn)了農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級。其中對“三農(nóng)”的投入相對也是比較多的， 因此，農(nóng)業(yè)的發(fā)展速度還是比較快的，特別是谷糙分離機(jī)這塊更是有很大變化，為適應(yīng)集 約化，規(guī)?；潭雀叩淖魑锷a(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，由歐美國家率先提出的，其邊際效應(yīng) 與經(jīng)營規(guī)模成正相關(guān)。自動谷糙分離機(jī)也是這樣。隨著我國農(nóng)村市場化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整， 在墾區(qū)農(nóng)場和大面積作物生產(chǎn)原區(qū)，借助于精確農(nóng)作物精確管理是通過把收割的谷糙塊劃 2 分為若干個特性相對一致的小單元的思路來展開，所以谷糙分離機(jī)技術(shù)可以不使用變量控 制設(shè)備，可采用人工和小機(jī)械操作。不過我們應(yīng)看到重力式谷糙分離機(jī)技術(shù)在我國仍處于 摸索階段，所以在我國開展重力式谷糙分離機(jī)必須結(jié)合結(jié)合節(jié)能環(huán)保的思想，在實踐中不 斷探索總結(jié)。 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀分析 谷糙分離機(jī)是日本佐助公司早年的發(fā)明。我國糧機(jī)科技工作者和國外的一些相關(guān)領(lǐng)域 的專家對谷糙分離機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了甚為深入的研究，并取得了多項專利陳果。 一些文獻(xiàn)闡述了物料在分離板上進(jìn)行谷糙分離的基本原理和特定情況下的運動規(guī)律，并以 實驗分析方法，描述了谷糙分離的工藝過程和工藝效果，討論了結(jié)構(gòu)和運動主參數(shù)對分離 效果的影響。在世界范圍內(nèi),重力式谷糙分離機(jī)技術(shù)已很成熟,并已形成行業(yè),正在以優(yōu)良 的性能不斷地沖擊谷糙分離機(jī)市場。國外的重力式谷糙分離機(jī)發(fā)展很早,MGCZ 型谷糙分離 機(jī),TGCZ 型谷糙分離機(jī)，PS 系列谷糙分離機(jī)等等?，F(xiàn)代的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代機(jī)械。就是現(xiàn)代化分離 利用機(jī)械但也離不開人的操作，在任何的設(shè)計中都要積極的考慮到人機(jī)工程學(xué)原理。凡 是人使用的各種機(jī)械設(shè)備，都應(yīng)進(jìn)行完善的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計，以其符合人的心理和生理 學(xué)特性，從而最大限度地減輕使用者的操作疲勞和心理負(fù)擔(dān)，能夠使人舒適和高效率的工 作，使整個人機(jī)系統(tǒng)具有和諧的人機(jī)關(guān)系和最優(yōu)的綜合效能。盡量減少噪音對操作者的 影響，同時要考慮安全性，操作者在操作機(jī)械的時候要有足夠的時間和空間，提高操作者 的安全系數(shù)。 1.3 研究重力式分離可行性在于 重力式谷糙分離機(jī)應(yīng)用可充分節(jié)約我國電力資源，減少社會對電力的成本。 谷糙分離勞動量大，不易以人工來充分利用，所以必須通過機(jī)械的施用以節(jié)省人工 及時間，這樣才能達(dá)到事半功倍的效果。 隨著畜農(nóng)業(yè)的快速、規(guī)?；l(fā)展，主要農(nóng)作物數(shù)量越來越多，若沒有有效加以充分 處理，日積月累，直接就造成經(jīng)濟(jì)損失，所以重力式谷糙分離的方法，如有適當(dāng)?shù)臋C(jī)具加 以利用，可直接提升利用效率達(dá)到物盡其用的目的。 我國一般農(nóng)家在谷糙分離上還停留在人工勞力階段，相當(dāng)辛勞，加上農(nóng)村青年人口 外流、農(nóng)村人力老化，為了節(jié)省農(nóng)民們在收獲作業(yè)時勞力的負(fù)擔(dān)，以達(dá)到省時省工的目標(biāo) 并降低成本，最佳解決途徑應(yīng)使其機(jī)械化。 根據(jù)我國對農(nóng)業(yè)的處理情況，本文對重力式谷糙分離機(jī)進(jìn)行了研究。重力式谷糙分離 機(jī)利用勢能，分離純度好，因此具有廣泛的使用價值。 重力式谷糙分離機(jī)按分離過程方式分為加谷糙、分離篩和谷糙分離三類。本設(shè)計采用 機(jī)械設(shè)計知識，按我國勞動人民的經(jīng)驗和習(xí)慣，設(shè)計出重力式分離機(jī)。結(jié)合目前的研究條 件，此有重力式谷糙分離機(jī)擬采用偏心輪傳動機(jī)構(gòu)和上下物料板為主要的工作部件的結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，傳動效率高，同時能適應(yīng)現(xiàn)有的農(nóng)場。本課題的主要動力來源 于機(jī)的電機(jī)，經(jīng)過電力的傳動使偏心輪運動，重力式谷糙分離機(jī)的最大特點在于振動分離 機(jī)構(gòu)體系是綜合稻谷和糙米的物理特性來進(jìn)行設(shè)計的。按照物料在分離板上的主要運動方 式可以把谷糙分離全過程用分層和分流兩個概念來描述。谷糙混合物從進(jìn)料口落到分離板 后，由于受分離板振動作用以及顆粒之間固有的物性差異而首先產(chǎn)生物料間的相互分層運 動（自動分級） 。一般來說，在前段篩板上較短時間內(nèi)完成的自動分級過程使得糙米“沉 到下層而與分離板接觸，稻谷浮”于糙米層之上。這樣由于兩層物料的力學(xué)環(huán)境不同， 在以后的流動就產(chǎn)生不同的運動方式和運動跡線，也就是谷糙的分流。分流過程按其本質(zhì) 來說是由于物料于物料之間，物料于分離板之間的摩擦方式和摩擦系數(shù)不同而發(fā)生的。 隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)的投入和技術(shù)創(chuàng)新。加大宣傳力度，提高 農(nóng)民的積極性。同時要使分離的穩(wěn)定性和速度大大提高，降低生產(chǎn)成本和勞動強(qiáng)度。我國 3 在重力式谷糙分離機(jī)研制過程中，需要進(jìn)一步完善與收割設(shè)施及相應(yīng)的配套技術(shù)。在引進(jìn) 基礎(chǔ)上要克服不足，盡量設(shè)計出適合經(jīng)濟(jì)作物的分離機(jī)，加強(qiáng)自動收割器于分離機(jī)的結(jié)合 研究，增加檢測與傳感裝置，適時地控制栽植過程。力求達(dá)到預(yù)期的分離效果。同時還要 加強(qiáng)分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)將分離篩的通用性，增強(qiáng)分離機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性，提高其通用性。 2 設(shè)計方案的選擇 2.1 整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 單臂式重力谷糙分離機(jī)，主要與 7 個部件組成，是進(jìn)料機(jī)構(gòu)，均料機(jī)構(gòu)，分離箱體， 偏心傳動機(jī)構(gòu)，支承機(jī)構(gòu)，和機(jī)座組成。分離箱體采用整體框架密閉設(shè)計，既美觀，又能 防止粉塵外揚(yáng)，有利于改善操作環(huán)境和文明生產(chǎn)，同時提高了箱體的可靠性。分離板上的 分級區(qū)的設(shè)立，滿足了產(chǎn)量，降低了凈糙含谷和回礱含糙率，穩(wěn)定了工藝效果。減震機(jī)構(gòu) 具有減振效果好，運行平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，同時降低了動力的消耗。該機(jī)的全面的技術(shù)測定， 產(chǎn)量為 2.8-3.6t/h,凈糙含谷為 7-10 顆/kg,回礱效率為 8-14%，各項指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)。 可以勝任谷糙分離的工作。 均料機(jī)構(gòu)：谷糙混合物流入均料機(jī)構(gòu)，通過大雜篩板的作用，自動清除混合物中的大 中雜物；調(diào)節(jié)分料槽板，能均勻地向分料板輸送物料。 分離箱體：分離箱體采取整體框架密閉設(shè)計，造型美觀，且能防止粉塵外揚(yáng)。分離板 式該機(jī)的主要工作部件，被固定在箱體內(nèi)，借助電機(jī)的動力，作往復(fù)振動，從而分離出純 凈的糙米；分離盤的進(jìn)料口的適合位置設(shè)計有一定區(qū)域的分級區(qū)，分級區(qū)的設(shè)立有利于谷 糙間的分級、分離和分流，起到穩(wěn)定和提高工藝性能耳朵作用。 偏心傳動機(jī)構(gòu)：借助電機(jī)動力的作用，運用偏心傳動機(jī)構(gòu)既凸輪使分離箱作正弦往復(fù) 的運動。 支承機(jī)構(gòu)：支持定位分離箱體，保證分離箱體的運動軌跡；升降系統(tǒng)能靈活調(diào)節(jié)分離 箱體的分離角，以滿足工藝性能的需要。 重力式谷糙分離機(jī)設(shè)計圖 2-1 如下 4 圖 2-1 重力式谷糙分離機(jī) 2.2 重力式谷糙分離機(jī)的工作 谷糙混合物到回礱谷機(jī)的過程如圖 2-2 所示，谷糙混合物在均料機(jī)構(gòu)中去除大中雜物之 后進(jìn)入分離篩中，利用分離板的往復(fù)運動使得稻谷與糙運動方向相反，最終使得谷和糙分 離的進(jìn)米機(jī)和回礱谷機(jī)?？梢苑蛛x的谷物可以使稻谷，小麥或者是高粱等。調(diào)節(jié)偏心機(jī)構(gòu) 的頻率可以使綜合稻谷和糙米的物理特性得谷物，由于受分離板振動作用以及顆粒之間固 有的物性差異而首先產(chǎn)生物料間的相互分層運動（自動分級） 。 圖 2-2 谷糙分離過程圖 2.3 方案的確定 運用單臂連桿重力谷糙分離機(jī)，在分離箱體內(nèi)有若干層傾斜布置的分離篩板 1，在每 層分離篩板 1 上增加與之形成一定夾角的、傾斜方向與之相反的副分離篩板 2；副分離篩 板 2 的寬度與分離篩板 1 的寬度之比為 0.30.51；在副分離篩板 2 與分離篩板 1 的夾 角的角軸線上設(shè)一長度小于分離篩板 1 的擋板 3；角軸線的右側(cè)為正向區(qū)，其上設(shè)正向凸 臺或凹槽推進(jìn)面，方向向右；角軸線的左側(cè)為反向區(qū)，其上設(shè)反向凸臺或凹槽推進(jìn)面，方 向向左。本實用新型能使物料在篩面上的分離更加充分，同時也提高了單位面積的產(chǎn)量， 具有結(jié)構(gòu)簡單，加工制造容易，使用維護(hù)方便，分離效果高等優(yōu)點，可作為現(xiàn)有谷糙分離 篩的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 單臂式重力谷糙分離機(jī)，由于縮小了凸臺分級板的尺寸，減少了級層，并且采用了單 臂連桿傳動，分離箱體內(nèi)側(cè)進(jìn)料方式，從而使整機(jī)體積大為縮小，運動平穩(wěn)，在日產(chǎn) 噸以下大米的小組合米機(jī)配套中，凈糙含谷少，回礱谷含糙率低。 采用獲得專利的機(jī)械結(jié)構(gòu)，自平衡效果好，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、機(jī)械性能穩(wěn)定可靠。整機(jī)結(jié)構(gòu) 緊湊，占地面積小，工藝流程安排簡單方便（只有三個出口） 。 采用不銹鋼制造的分離篩 板，表面光滑，經(jīng)久耐用不粘糠，適用范圍廣，分離能力強(qiáng)，可適應(yīng)長短粒型稻米谷糙的 分離。 能耗低, 噪音小，單位篩理面積大，產(chǎn)量高（與雙體重力谷糙分離機(jī)單邊產(chǎn)量一致） 。 結(jié)合國內(nèi)外稻米原料的實際，適應(yīng)現(xiàn)代碾米企業(yè)生產(chǎn)工藝需要，創(chuàng)新設(shè)計的新型谷糙分離 設(shè)備,具備較高的性價比，是日產(chǎn) 80-100 噸米廠非常實用的谷糙分離設(shè)備。 3.動力機(jī)構(gòu)的設(shè)計及選擇電動機(jī)的選擇 3.1 參數(shù)選擇的依據(jù) 根據(jù)現(xiàn)有谷糙分離機(jī)的工作原理，結(jié)合查閱資料確定了重力式谷糙分離機(jī)的結(jié)構(gòu)與傳 動方案，根據(jù)谷糙的特性，對重力式谷糙機(jī)工作時的力進(jìn)行了分析推導(dǎo)，得出了旋轉(zhuǎn)時離 心力的計算公式，為計算往復(fù)運動時所需的功率提供了理論依據(jù)，也為結(jié)構(gòu)有限元分析提 供了力學(xué)模型。 建立結(jié)構(gòu)草圖，運用以參數(shù)化特征思想為基礎(chǔ)的 CAD 軟件對重力式谷糙機(jī)進(jìn)行設(shè)計， 并求解出偏心輪在一定轉(zhuǎn)速時消耗的功率，從而求出整個重力式谷糙分離機(jī)消耗的功率， 5 根據(jù)計算功率選擇電機(jī)。 3.2 電動機(jī)的選擇 經(jīng)查閱手冊及相關(guān)資料，只要軸轉(zhuǎn)矩滿足 T5N m，即可滿足一般谷糙的分離。由 于偏心輪太快了反而不好，不能保證質(zhì)量，初步擬定轉(zhuǎn)速 250r/min，取轉(zhuǎn)矩 T=15 Nm 950np （31） WkTp7.950 （32） 由于功率不大，為了使用方便，選用單相電動機(jī)，額定電壓是 220V 的。 查閱機(jī)械課程設(shè)計手冊，可選用小功率異步電動機(jī) YC 系列。該系列的特點是單相電 容起動，起動力矩大，起動電流小，適用于滿載起動的機(jī)械。這樣在進(jìn)行分離時完全可以 將谷糙放進(jìn)料斗以后在開動機(jī)器。 根據(jù)功率和轉(zhuǎn)速，由機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊查出的電動機(jī)型號有以下兩種傳動比選擇 方案符合，如下表據(jù)機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊可知有： 表 3-1 電動機(jī)的類型 方案 電動機(jī)型 號 額定功率 /W 電壓 /V 轉(zhuǎn)速 minr 電動機(jī) 質(zhì)量 kg 傳動裝置 傳動比 1 YC90L4 750 220 1400 23 3 2 YC90S2 750 220 2800 22 6 綜合考慮電動機(jī)和傳動裝置的尺寸，質(zhì)量以及傳動比。由于采用 V 帶傳動，采用第一種方 案，設(shè)計 V 帶傳動比為 3 即可，不必另外安裝減速器。故采用第一種方案。因此選定電動 機(jī)的型號是 YC90L4。 該電動機(jī)的主要外型和安裝尺寸如下表 32： 表 3-2 電動機(jī)主要外形尺寸 其主要外形安裝尺寸如圖 31 中心高 外形尺寸 地腳安裝尺寸 地腳螺栓孔直徑 軸伸尺寸 裝鍵部位尺寸 90 310190175 100140 10 5024 8 6 圖 3-3 電動機(jī)主要外形安裝尺寸 根據(jù)轉(zhuǎn)速初步確定傳動比為 i=3， 電動機(jī)功率 Pd=750W，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 （33） MNnpTdd 12.590 其中 nd電動機(jī)轉(zhuǎn)速 刀盤軸輸入功率 P=pdv=750W0.94=720W （34） v=0.94 其中 vV 帶傳遞效率 這樣刀盤軸的轉(zhuǎn)矩 （35）MNiTvd 7.1496.0312.50 轉(zhuǎn)矩也符合要求。 刀盤軸轉(zhuǎn)速 （36） min/4/ rind 4.主要工作部件的設(shè)計計算 4.1 凸輪的設(shè)計 凸輪的運動可以頂起分離板的上下運動，分離板的上下運動可以帶動行均料開關(guān)的開 閉。其次，凸輪的轉(zhuǎn)動過程可以通過計算基圓分析可得。 將余弦加速度運動規(guī)律代入壓力角公式 )cos1(2 inarct1hRb （41） 的 函 數(shù) 關(guān) 系和 bmR 7 21)(arctnhRbm （42） 令 ，求出mbR37.641)tan(221h 為簡化計算，對于對心移動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，可按俠士公式計算基圓半徑 bR （假定 發(fā)生在推程的中點2t1hvRmbm 處，且具有最大速度 ，這樣假定的誤差一般不會很大）2hs mm90.62tan1hvmb 圖 4-1 凸輪的輪廓線 4.2.凸輪軸的設(shè)計 軸和凸輪連為一體，軸的右端連接傳動部分，左端連接傳動部分，根據(jù)傳動部分傳動 到凸輪軸的速度及功率， 4.2.1.凸輪軸的計算和校核 凸輪軸除了應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足剛度要求。強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭 轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機(jī)構(gòu)主傳動系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因 此，疲勞強(qiáng)度不是主要矛盾。除了載荷很大的情況外，可以不必驗算軸的強(qiáng)度。剛度要求 保證軸在載荷下不致產(chǎn)生過大的變形。如果剛度不足，軸上的零件如軸承等將由于軸的變 形過大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動和噪聲、發(fā)熱、過早磨損而失效。因此，必須保證 傳動軸有足夠的剛度。通常，先按扭轉(zhuǎn)剛度計算軸的直徑，畫出草圖之后，再根據(jù)受力情 況、結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗算彎曲剛度。 4.2.2. 凸輪軸最小直徑的計算 P=p kw 8 P-電動機(jī)的輸出功率為 7.5kw p該傳動軸的輸入功率 從電動機(jī)到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積（不計該軸軸承上的效率） 。 n電動機(jī)的速度為 1400r/min。 c-常數(shù) (4-3)(3mn pcd 計算轉(zhuǎn)速 n 是傳動件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速。各傳動件的計算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速 圖上，按主軸的計算轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的傳動關(guān)系而確定， 軸 n=420 r/min ； 由式 4-3 ： 112.5 =30mm3npcd34208 得軸 d 5=30mm ； 4.3. 凸輪軸剛度的驗算 1）.軸的彎曲變形的條件和允許值 軸的彎曲剛度驗算，主要驗算軸上凸輪和軸承處的橈度 y 和傾角 。各類軸的橈度 y 和裝凸輪和軸承處傾角 ，應(yīng)小于彎曲剛度的許用值Y和值，即： yY； 由于書寫量比較大而篇幅不足的原因，所以在此就省了。 2）.軸的彎曲變形計算公式 計算軸本身變形產(chǎn)生的橈度 y 和傾角 時，一般常將軸簡化為集中載荷下的簡支梁， 按參考書中的表中的有關(guān)公式進(jìn)行計算。 當(dāng)軸的直徑相差不大且計算精度要求不高時，可把軸看作等徑軸，采用平均直徑來進(jìn) 行計算。由于本次設(shè)計的說明書的篇幅和時間的關(guān)系就不在此詳細(xì)的列出了。但一般的計 算公式為： 圖 4-2 凸輪軸扭矩 受最大扭矩 T=mg.l 根據(jù)本次設(shè)計的情況，軸的剛度要求必須進(jìn)行校核，具體的剛度校核結(jié)果如下： 首先，把軸上的軸承所能承受的載荷在機(jī)械設(shè)計手冊 3中查出，見下： 深溝球軸承 2105BDd 9 其基本額定載荷為： KNCr2.43 計算軸上的載荷 軸的選材為 45 號鋼，查表可知 45 號鋼的許用扭切應(yīng)力為， ， 。Mpa403 經(jīng)校核設(shè)計的軸符合要求，可以正常工作。 由此可得在軸上的剛度是完全合格的。因此確定凸輪軸的最小直徑為 30mm， 軸的材料：軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。由于碳鋼比合金鋼價格便宜，對應(yīng)力集中的敏 感性較低，同時也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，所以本 設(shè)計采用 45 號鋼作為軸的材料。調(diào)制處理。 軸上零件的定位 為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運動，軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn) 的要求者外，都必須進(jìn)行軸向和周向定位，以保證其準(zhǔn)確的工作位置。 4.4 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 小帶輪的材料選擇HT150，由小帶輪的基準(zhǔn)直徑 =40mm2.5d=2.520=50mm，因此1d 小帶輪可采用實心式；由機(jī)械設(shè)計第八版表810得Y 型槽的結(jié)構(gòu)尺寸 bd=5.3mm,ha=2.2mm,e=8mm,Z=2，d a=dd+2ha=75+22.2=80.5mm，B=(Z1)e2f=(2 1)8+212.5=33mm。 10 圖43 小帶輪結(jié)構(gòu) 大帶輪的材料選擇HT150，由大帶輪的基準(zhǔn)直徑 =224mm0）和上行（ 0）的運動過程，且在一個周期內(nèi)， 2dst2dst 上行后下行，下行相位應(yīng)大于上行。故 使得（式 5-7）式 =0，求得 和 ； 2sdtatb 使得（式 5-10）式 =0 求的 和 ； 2tctd 選擇參數(shù)使 - - ;btadc 而糙米的運動反應(yīng)為斜向上的滑動結(jié)合 y 正向運動，且一個周期內(nèi) y 正向運動距離大 于 y 負(fù)向滑動距離。 我們在此提出，理想的谷糙分離條件應(yīng)是反映為上滑和下滑相結(jié)合的運動方式，而下 滑是谷糙分流的出路。 上列方程所反映情況正是如此。 17 當(dāng)曲柄在、象限時，稻谷運動都具有斜向下的趨勢，但稻谷可能實現(xiàn)斜向下運動 （與 小 軸夾 角） ，而糙米因為 趨向無窮大，只能沿 y 軸正向運動，這樣就導(dǎo)致稻谷1x 和糙米運動方向不同而產(chǎn)生分流。這種分流本質(zhì)上來說是谷糙之間、糙板之間摩擦特性不 同所致。 當(dāng)曲柄在、象限時，谷糙均可斜向上運動，但是也是因為 致使谷、糙的r 上滑加速度和加速區(qū)間不同，加速方向 a 亦不同，即谷糙間也存在相對運動，這一相對運 動是促使分層的，其運動的本質(zhì)也是摩擦特性不同所致。 6 結(jié)論 以上所作的運動分析只是單顆粒的理想運動情況，而且是基于分層之后理想化料層來 討論的。在實際作業(yè)中，有以下修正。 6.1 關(guān)于逐漸完成的分層與分流問題 實際情況下，因群體料流運動，物料在分離板上的分層和分流是逐漸完成的一個動態(tài) 的變化過程，由于進(jìn)料壓力及料流本身引起的橫向力的作用，物料間存在堆壓和推料的作 用，加之物料顆粒、容重等特性之間無明顯的界點，理想化完全分層是不可能的，因此直 至分離板出口仍有來不及分流或不可能分層而分流的谷糙混合物部分。 6.2 關(guān)于稻谷分流后的運動 分層所得到的稻谷層在后面的運動中與糙米逐漸分開，并最終有部分稻谷落在分離板 上以板面為滑動面。上面的運動分析是建立在糙米層之上的，離開米層后，稻谷的運動扔 可沿用以上公式，因為洼孔或突點高度小于稻谷高度，故稻谷可以斜向上運動，在 x 軸正 向不受限制，此時可將分離板對稻谷的摩擦角代替原公式中的 。值得指出，稻谷在板面 上的下行運動主要是滾動通過突點或洼孔陡邊，這樣，稻谷的整個運動可能是在糙米層上 的滑動和在分離板上的滾動，最終進(jìn)入凈谷出口。 6.3 關(guān)于流動跡線問題 谷糙流動宏觀及單顆粒情形見圖 61、圖 62。 從理論分析中知道稻谷和糙米作折線型運動，實際中因側(cè)向壓力及堆料壓力的作用， 群體流動情況與單顆粒有所區(qū)別，整體物料呈現(xiàn)曲線形式，曲線流型的曲率和流向區(qū)域大 小受料流構(gòu)成、料量等因素的影響。 18 圖 61 谷糙在分離板上的流動情況 19 圖 6-2 （a）帶箭頭的之字線為稻谷顆粒運動跡線 （b）帶箭頭的折線為糙米顆粒運動跡線 20 小 結(jié) 2012 年 3 月，我開始了我的畢業(yè)設(shè)計工作，時至今日，設(shè)計基本完成。從最初的茫然 不知所措，到慢慢的進(jìn)入狀態(tài)，再到對思路逐漸的清晰，整個設(shè)計過程的坎坷難以用語言 來表達(dá)。歷經(jīng)了幾個月的奮戰(zhàn)，緊張而又充實的畢業(yè)設(shè)計終于落下了帷幕?；叵脒@段日子 的經(jīng)歷和感受，我感慨萬千，在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我擁有了無數(shù)難忘的回憶和收獲。 2011 年 12 月初，正值期末考試之際，與導(dǎo)師的交流討論中我的題目定了下來是：重 力式谷糙分離機(jī)設(shè)計。在完成考試后，我便立刻著手資料的收集工作中，當(dāng)時面對浩瀚的 書海真是有些茫然，不知如何下手。在搜集資料的過程中，我認(rèn)真準(zhǔn)備了一個筆記本。我 在學(xué)校圖書館和網(wǎng)上查找各類相關(guān)資料，將這些寶貴的資料全部記在筆記本上，盡量使我 的資料完整、精確、以便于今后設(shè)計的順利進(jìn)行。 直至 4 月初，資料已基本查找完畢了，我開始著手設(shè)計工作。在設(shè)計過程中遇到困難 我就及時和導(dǎo)師聯(lián)系，并和同學(xué)互相交流，請教專業(yè)課老師。在大家的幫助下，困難一個 一個解決掉，設(shè)計也慢慢成型。而后便認(rèn)認(rèn)真真的開始大量計算設(shè)計所用到的零件，通過 不斷地摸索和反復(fù)論證，學(xué)到了許多，給自己帶來了巨大的收獲。 看著一個構(gòu)想在自己的努力下逐漸成形，這其中的喜悅時之前所無法想象的。我不會 忘記這難忘的幾個月。它給了我難忘的回憶。記憶最深的是每一步小小思路實現(xiàn)時那幸福 的心情；看著自己的設(shè)計，心里滿滿的只有喜悅而毫無疲憊。這段旅程看似荊棘密布，實 則蘊(yùn)藏著無盡的寶藏。我從資料的收集中，掌握了很多以前有所遺忘或是沒有理解的知識， 讓我對我所學(xué)過的知識有所鞏固和提高。在整個過程中，我學(xué)到了新知識，增長了見識。 在今后的日子里，我仍然要不斷地充實自己，爭取在所學(xué)領(lǐng)域有所作為。 腳踏實地，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，實事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度，不怕困難、堅持不懈、吃苦耐勞的精神 是我在這次設(shè)計中最大的收益。我想這是一次意志的磨練，是對我實際能力的一次提升， 也會對我未來的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。 在這次畢業(yè)設(shè)計中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂 的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識有很大的幫助，所以在這里非 常感謝幫助我的同學(xué)。在此更要感謝我的導(dǎo)師和專業(yè)老師，是你們的細(xì)心指導(dǎo)和關(guān)懷，使 我能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計。在我的學(xué)業(yè)和設(shè)計的研究工作中無不傾注著老師們辛勤的汗 水和心血。老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度、淵博的知識、無私的奉獻(xiàn)精神使我深受啟迪。從尊敬的 導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的 導(dǎo)師安老師致以最衷心的感謝和深深的敬意。 21 致 謝 四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將 面對又一次征程的開始。四年的求學(xué)生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲 滿囊，在設(shè)計即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。本次設(shè)計是在安靜老師的悉 心指導(dǎo)與嚴(yán)格要求下進(jìn)行的。從設(shè)計（論文）的選題、方案的設(shè)計、具體的繪圖到說明書 撰寫的每個環(huán)節(jié)，都凝聚著安老師的心血和汗水。安老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、開拓創(chuàng)新的工 作作風(fēng)及對事業(yè)的奮進(jìn)執(zhí)著精神，都將使我銘記在心，并時刻激勵著我不斷追求勇往直前。 此外，本文最終得以順利完成，也是與機(jī)電院其他老師的幫助分不開的，他們在設(shè)計過程 中給我提供了不少的意見和建議，使我少走了許多彎路，在此向他們表示深深的感謝！ 大學(xué)時光已經(jīng)接近尾聲，在此我想對我的母校，我的老師和同學(xué)們、表達(dá)我由衷的謝 意。感謝我的母校塔里木大學(xué)給了我在大學(xué)的本科四年深造機(jī)會，讓我能繼續(xù)學(xué)習(xí)和提高。 塔里木大學(xué)四季如春的校園，美麗如詩的風(fēng)景都深深的留在了我的記憶里。四年珍貴的學(xué) 習(xí)期間，讓我的知識體系更加完善，思想觀念更加成熟，整體素質(zhì)得到了極大的鍛煉。 “自 強(qiáng)不息，求真務(wù)實”的校訓(xùn)我將銘記于心，在未來的學(xué)習(xí)和工作中躬身踐行。 再次,感謝我的同學(xué)們,以及在設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者。在畢業(yè)設(shè)計過程 中得到了他們無私的幫助，以及許多啟發(fā)性的指導(dǎo)和建議。在此向所有支持、關(guān)心、幫助 我的人表示由衷的感謝!祝他們永遠(yuǎn)健康、幸福! 最后，感謝我的父母、親人們對我學(xué)習(xí)的默默支持，使我能順利完成本科學(xué)業(yè)。在未 來的日子里，我會更加努力的學(xué)習(xí)和工作，這或許是對他們最大的報答！ 參考文獻(xiàn) 22 1湯智輝，賈首星.兵團(tuán)林果業(yè)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展.農(nóng)機(jī)化研究.2008.（11）：58. 2劉磊，陳永成.兵團(tuán)稻谷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展概況.農(nóng)機(jī)化研究.2008.（9）:240241. 3金誠謙.重力式谷糙分離機(jī)作業(yè)質(zhì)量影響因素分析.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報.2008.（8）：196 198. 4宋代平.生態(tài)植樹機(jī)動態(tài)性能的理論研究.東北林業(yè)大學(xué)碩士論文.2004.（9）：1105. 5于建國，屈錦衛(wèi).國內(nèi)分離機(jī)機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.農(nóng)機(jī)化.2007.(1)：5657. 6黃志兵.加快農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的思考J.中國農(nóng)機(jī).2007.(6)：4448. 7韓占全,封俊,曾愛軍. 谷物分離的現(xiàn)狀和發(fā)展前景J現(xiàn)代化農(nóng)業(yè).2000.(8).64-65 8何新川，差心玲，邵艷英.多功能谷物機(jī).農(nóng)機(jī)化.2007.1：54. 9中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院主編：農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊上、下冊，機(jī)械工業(yè)出版社， 1988,307-318 10北京農(nóng)業(yè)機(jī)械化學(xué)院主編：農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)上、下冊，農(nóng)業(yè)出版社.1981.312-315. 11農(nóng)機(jī)實用手冊，劉景泉主編.-北京：人民交通出版.1998.685-687. 12實用農(nóng)機(jī)技術(shù)手冊，山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械管理局編，山東科學(xué)技術(shù)出版社.1993.263-264 13 單輝祖.材料力學(xué)（第二版）.高等教育出版社. 12 吳宗澤.機(jī)械課程設(shè)計手冊.高等教育出版社. 13 濮良貴,紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計第六版:高等教育出版社.2001. 附錄1 專題：水射流清洗技術(shù)的研究現(xiàn)狀 摘要 近年來水射流清洗技術(shù)已在眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并且取得了顯著的成效。本文主要介紹了水射流清洗技術(shù)的工作原理、特點及其應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望其發(fā)展前景和趨勢。 關(guān)鍵詞 水射流清洗技術(shù) 應(yīng)用現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢 Abstract In resent years, water jet cleaning technology has obtained extensive application in many fields, and results of its application are notable. This paper mainly introduces operating principle feature and current situation of application of water jet cleaning technology, then, describes its development foreground and trend. Key words water jet cleaning technology current situation of application development trend 水射流清洗是一項不斷發(fā)展的清洗技術(shù)，傳統(tǒng)的水射流清洗是延用至今的低壓大流量水射流沖洗，那時水射流清洗作業(yè)又稱為“水力剝層”。而高壓水射流清洗技術(shù)是水射流清洗技術(shù)的最新發(fā)展。由于世界各國對環(huán)境保護(hù)日益重視，高壓水射流清洗技術(shù)以其廣泛的通用性和對環(huán)境無害性在清洗行業(yè)異軍突起，備受清洗行業(yè)的表睞，應(yīng)用日益廣泛。 1.高壓水射流清洗技術(shù)的工作原理和特點 高壓水射流清洗技術(shù)的工作原理是利用高壓水泵將普通水的壓力提高至40－250MPa，單槍流量約為20-39L/min，從噴嘴射出，形成超高壓水射流或磨料水射流，利用水射流的強(qiáng)大沖擊力、沖蝕力和剝離能力，快速地將涂層、結(jié)垢，鐵銹和油漆去除干凈。在清洗時，可采用純水射流清洗和磨料水射流清洗兩種方式。采用純水清洗時，水射流的壓力很高，可采用旋轉(zhuǎn)噴頭，清洗速度快，設(shè)備簡單。采用磨料水射流清洗時，水射流的壓力相對較小，磨料為便宜的石莫砂，操作相對復(fù)雜。水射流清洗技術(shù)是射流技術(shù)和清洗設(shè)備組合在一起而形成的。磨料水射流是磨料與高速流動的水或者與高壓水互相混合而形成的液固兩相介質(zhì)射流。磨料射流也稱為高效射流（也包括脈沖射流，空化射流等），分為后混合磨料射流，前混合磨料射流和外混合磨料射流。外混合磨料射流主要用于清洗。在清洗技術(shù)中實際應(yīng)用的水射流大致可以分為三種類型：連續(xù)射流、脈沖射流和空化射流。連續(xù)射流又根據(jù)其周圍介質(zhì)分為：淹沒射流和非淹沒射流，高壓水射流清洗使用非淹沒連續(xù)射流。水射流清洗的工作參數(shù)主要是射流的工作壓力和流量，其中，尤以壓力對水射流的影響顯著，只有當(dāng)水射流的工作壓力達(dá)到一定值時，才能對材料造成破壞。提高水射流的沖蝕和切割效果的有力措施是適當(dāng)?shù)靥岣吖ぷ鲏毫Γ岣咚淞鞯谋懒?、剝離及沖運效果，則要在保證足夠壓力的情況下，增加射流的水流量。高壓水射流清洗裝置稱為高壓水射流清洗機(jī)主要由高壓柱塞泵、動力部分、噴嘴、高壓軟管及工作附件等組成。 2. 高壓水射流清洗的應(yīng)用現(xiàn)狀 高壓水射流清洗是物理清洗方法中的一項重要的新技術(shù)，物理清洗技術(shù)是世界清洗技術(shù)發(fā)展的方向，而化學(xué)清洗只能適用于有限的清洗對象。通過多年的研究與實踐，越來越多的用戶開始尋找和轉(zhuǎn)向物理清洗方法。與傳統(tǒng)的手工、機(jī)械方法清洗、化學(xué)方式清洗相比，高壓水射流清洗具有如下優(yōu)點： 1． 選擇合適的壓力等級，高壓水射流清洗不會損傷被清洗機(jī)體。 2． 清洗過后的零部件不需要進(jìn)行潔凈處理。 3． 能夠清洗形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，能在空間狹窄、復(fù)雜環(huán)境、惡 劣有害的場合進(jìn)行清洗。 4． 清洗效率高、質(zhì)量好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全可靠。 5． 易于實現(xiàn)機(jī)械化、自動化、便于數(shù)字控制。 6． 高壓水射流清洗是用普通自來水于高速度下的沖刷清洗，所以它不污染，環(huán)境，不腐蝕設(shè)備，不會造成任何機(jī)械損傷，還可除去用化學(xué)清洗難溶或不能溶的特殊垢。 由于高壓水射流清洗是利用水射流的打擊力將附著物清除掉，在水中不需加入任何化學(xué)藥劑。因此高壓水射流清洗技術(shù)范圍非常廣泛，幾乎遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，被清洗物的形狀、大小和性質(zhì)差異很大，清洗要求也各不相同。具體來說，在石油化工、電力、冶金等工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，可用于清洗容器，也可用于清洗各種設(shè)備、管道、煤氣管線及換熱器，還可用于清洗船舶上積附的海洋生物和鐵銹、鋼鐵鑄件上的清砂等。 水射流技術(shù)的清洗對象主要有：換熱器，包括列管式換熱器、管程換熱器、螺旋板式換熱器、蒸發(fā)器等；管道，包括各種輸送物料管、廢水、廢渣排放管、管網(wǎng)及管式干燒器等；容器，包括反應(yīng)塔、缸、罐釜、沸騰槽、混合器、冷卻塔、槽車仍儲罐等，專業(yè)器材包括船舶、機(jī)場跑道、鉆桿、鉆具、機(jī)車、軋機(jī)和鋼鐵構(gòu)件及陽極板等；其它設(shè)備包括過濾機(jī)板框、柵格板、水泥地板、排風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管及大型零部件等，被清洗的物料包括各種類型的結(jié)垢、結(jié)晶、板結(jié)、附著物、反應(yīng)成沉淀物料及涂料、油漆、油污等。近年來，高壓水射流清洗技術(shù)還要更深入、更廣泛的領(lǐng)域擴(kuò)展、延伸。高壓水射流清洗火箭發(fā)動機(jī)，清洗飛機(jī)跑道、清洗50萬伏超高壓線路，清洗火炮筒壁等主面也都取得了一定進(jìn)展。此處，高壓水射流技術(shù)非常適合核電站及核化條件清洗。對核電站的清洗，是保證核電站安全正常運行必不可少的重要工作。水射流清洗核電站技術(shù)優(yōu)于化學(xué)、機(jī)械等清洗方法，是目前最理想的清洗方法。在野戰(zhàn)條件下式軍事演習(xí)后對遭受核生化污染的人員、武器、技術(shù)裝備也可采用高壓水射流清洗。 3. 高壓水射流清洗技術(shù)的發(fā)展前景 采用先進(jìn)的高壓水射流清洗技術(shù)，取代傳統(tǒng)落后的清洗方法，可大幅度地提高清洗質(zhì)量和清洗效率、降低成本、改善工作環(huán)境，避免污染。特別是近10年來，由于高壓往復(fù)式柱塞泵以及與配套的高壓軟管。高壓閥和旋轉(zhuǎn)接頭等輔助裝置的提高，性能的改善；國內(nèi)外一些高壓水射流清洗技術(shù)的研究成果已逐步形成商品，應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍還在迅速擴(kuò)大。 從整體上來說，水射流清洗產(chǎn)業(yè)的回化進(jìn)程將加快，即向?qū)I(yè)化、社會化、系列化和高級化方向發(fā)展，全能化和全程化服務(wù)水平不斷提高【1】。在工業(yè)清洗行業(yè)中，高壓水射流清洗技術(shù)將占絕對優(yōu)勢，是我國工業(yè)清洗的必由之路【3】。在高壓水射流技術(shù)設(shè)備自身實現(xiàn)可靠運行的前提下，提高智能化水平。高壓水射流、機(jī)器人與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的結(jié)合，將是高壓水射流清洗技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 參考文獻(xiàn)： 【1】 曹昊翔，張正學(xué).水射流清洗技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及其前景.長沙礦山研究建院50周年院慶論文集，2006.10 【2】 孫建勛，陳毅強(qiáng)，趙隕.高壓水射流清洗技術(shù).管道技術(shù)與設(shè)備， 2001.2 【3】 辛承梁.高壓水射流的清洗功能.化學(xué)清洗，1992. 附錄2 水射流的數(shù)值模擬 摘要 計算流體力學(xué)的方法已經(jīng)發(fā)展到找出在磨料－空氣－水噴射形成期間在管嘴處相遇的微粒和空氣的速度的分布情況。這項研究已進(jìn)行了采用一種多相方法。磨粒被視為一個固體顆粒連續(xù)相。被用于抽取磨粒進(jìn)入噴射裝置的空氣被視為一連續(xù)相，水被視為主要的連續(xù)相?；痉匠屉x散為采用有限體積方法?；痉匠痰慕夥ㄊ遣捎孟嚅g滑移算法?；痉匠探剖褂猛牧髂Ｐ汀．?dāng)空氣相集中于混合頻管的中心區(qū)域時，磨粒進(jìn)入噴嘴和集中管，在這兩個地方微粒沿著無孔壁面分布、沿著管壁飄動。在集中管處，空氣相和水相的分布形式表明了一個可能的振動。采用不同的磨料進(jìn)口角度和不同的磨料進(jìn)口位置進(jìn)行仿真模擬實驗。模擬的結(jié)果清楚地表明，磨料進(jìn)口角度和位置對集中管出口處速度分布的影響。從模擬中發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的磨料進(jìn)口角度取決于磨料在混合室中的位置。當(dāng)磨料進(jìn)口位置靠近錐形部分，即混和空氣的較低部分時，較低的角度是有益的；當(dāng)磨料進(jìn)口位置靠近開孔口（節(jié)流口）的，即混合空氣的較高部分時，較高的角度是優(yōu)秀的。在出口處的空氣、水和磨料的速度和體積分?jǐn)?shù)與可得到的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。模擬的結(jié)果顯示出與試驗數(shù)據(jù)很好的一致性。 1.引言 速度分布在磨料水射流精密切割中是非常重要的參數(shù)。找到水和磨料的速度的實驗結(jié)果已經(jīng)采用不同的方法獲得。但是在實際情況下，磨料水射流包含三相的流動（水、空氣和固體）。大多數(shù)研究者已經(jīng)進(jìn)行了磨料和水的實驗，由于在集中管的出口處的空氣速度是難以測量的。 Scharner et al 在1998年根據(jù)磨料的流動頻率計算出空氣的流動頻率。從他們的研究論文可以清楚地知道，混合室的幾何形狀對空氣流動頻率有很大的影響。Abduka和 Crofton在1998年指出，在混合室內(nèi)部的真空壓力隨著水壓力的增加而增加，而且也取決于孔口部位的直徑。Neusen et al 在1994年指出關(guān)于容積積位的磨料水射流是由大約4%至6%的水，0.2%至0.5%的磨料和93%至95%的空氣所組成。Tazibt et al在1996年指出磨粒吸收的空氣占磨料水射流多于百分之九十的體積，于是在磨料水射流中，空氣有很大的影響。有些作者已試圖模擬磨料水射流，但是他們僅考慮到兩相（水和固體）。JainYe在1996年也試圖模擬磨料水射流，他考慮到粒子運動和粒子運動的拉格朗日方程的軌線。他指出漸細(xì)的進(jìn)口角度對在噴嘴出口的粒子聚集和運動的能量分布有著深遠(yuǎn)的影響。J Ye和R Kovacevic在1999年也還模擬了水射流的兩相，在這兩個模擬中，他們采用了直接注射的磨粒水射流（磨粒射流）。在本篇文章中，鑒于傳統(tǒng)噴嘴三相射流的情況，我們已試著模擬磨料水射流。 用計算流體力學(xué)方法來分析磨料水射流對找出在磨料水射流形成期間存在的不同相的速度分布是十分有用的工具。軟件CFX-4被用于這些模擬。水和固體被認(rèn)為是不可壓縮流，而空氣被認(rèn)為是可壓縮流。 本文論述磨料水射流所模擬的存在于傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的三相和不同磨料進(jìn)口角度及在混合室中的磨料進(jìn)口位置。 2.數(shù)學(xué)模型 依據(jù)雷諾數(shù)，顯然磨料水射流是湍流。水通常是以高速通過節(jié)流口的，然而空氣和磨料是以相當(dāng)小的速度流動。從高速水到低速的磨粒有一個能量轉(zhuǎn)移，從而影響了工件。因此，磨料射流的沖擊性能是沖擊微粒的總質(zhì)量和他們在碰撞中的速度的一個參數(shù)。所有磨粒的平均速度是一個數(shù)量，這就必須決定提高截割頭設(shè)計。為了找出在噴嘴出口的速度分布采用模擬技術(shù)，水、空氣和固體系統(tǒng)需要被視為多相流。對穩(wěn)定狀態(tài)、湍流和關(guān)于熱傳遞也進(jìn)行了模擬。在多相中水被視為主要相。模擬技術(shù)隨著湍流模型（湍流的動能和能量損耗）采用CFX-4軟件而得到改善。 2.1模擬方程 三相由希臘記號、和標(biāo)記，它們分別代表水、空氣和固體，表示相的數(shù)目。每一相的體積分?jǐn)?shù)被標(biāo)記為。當(dāng)模擬仿真采用柱面坐標(biāo)系進(jìn)行時，變量由三個分量，像，所有的三相用歐拉方法。 由連續(xù)性方程： -------------------------------------------------- （1） 由動量方程： ------------------------（2） 這里， ----------------------------------------------------------------------（3） 和 -----------------------------------------------------------------------（4） 及能量方程（不可壓縮流） -----------------------------（5） 其中是焓（熱函），，于是，狀態(tài)代數(shù)方程和每相的分量方程如下： ---------------------------------------------------------------------（6） ----------------------------------------------------------------------（7） 考慮到體積分?jǐn)?shù)總和是1： 普遍對流損耗方程是： --------------（8） 術(shù)語描述在和之間范圍的相間轉(zhuǎn)換。 。于是，所有的相間的轉(zhuǎn)換術(shù)語的總和是0。 體積分?jǐn)?shù)方程： ------------------------------------------------（9） 其中 體積分?jǐn)?shù)的湍流擴(kuò)散采用Eddy擴(kuò)散假說來模擬。假設(shè)在一個湍流相中參數(shù)為k和的運輸方程將以同樣的形式作為相對標(biāo)量的對流損耗方程。 --------（10） --------（11） 源術(shù)語被視為同它們的單相相似一樣，于是 --------------------------------------------------------------（12） -----------------------------------（13） 其中P是剪切應(yīng)力，并且G是由于內(nèi)部力而產(chǎn)生的。 常數(shù)被設(shè)置為。 由于空氣被視為可壓縮流，其密度將隨著壓力的變化而變化，理想氣體定律： -----------------------------------------------------------------------（14） 其中 用代碼存儲和解決的壓力P實際上是不同于熱力壓力p和固定參考壓力 . 2.2幾何和參數(shù) 柱坐標(biāo)系是用來創(chuàng)建常規(guī)霧沬噴射的幾何。示意圖顯示在圖1中，對于三相流（水，空氣和固體）來說，環(huán)境被認(rèn)為是在大氣條件。由那個原因額外的阻塞被創(chuàng)建，被當(dāng)作大氣壓和100％空氣的壓力邊界。然而，水壓被視為276MPa，幾何尺寸和參數(shù)見表1。磨料進(jìn)口角度和它的位置見圖2。 3．模擬仿真驗證 盡管模擬發(fā)展為三相，為了充分驗證理論結(jié)果，測量三相的速度是十分困難的。然而，在集中管出口處的速度分布已被Zoltani和Bicen在1990年所出版的一相流的實驗數(shù)據(jù)所證實。完全湍流，直徑25.4mm的兩相圓射流，20m/s的出口速度，包含1.5％的載荷密度的直徑為80μm的小珠在他們的測試中被檢驗。他們利用激光多普勒在出口少數(shù)幾個位置測量空氣和固體的速度，展現(xiàn)在圖3到圖5的結(jié)果表明，發(fā)展起來的數(shù)值模擬與實驗研究處于良好的量的一致性。 一些其它的實驗發(fā)現(xiàn)也被用來驗證模擬結(jié)果，這些實驗發(fā)現(xiàn)提供在出口處三相體積分?jǐn)?shù)的測量法及提供對水、空氣和固體的分析。例如，Neusen et al在1991年使用X光掃描密度計來測量在出口處空氣、水和固體的體積分?jǐn)?shù)。X光掃描器產(chǎn)生一束非常細(xì)的為0.125mm的X射線，它通過射流并且受包含在射流內(nèi)的物質(zhì)的相互作用而減弱。X－射線束的強(qiáng)度通過使用一個閃爍探測器而被測得。吸光系數(shù)接著被用來估計空氣、水和磨料的局部平均物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)。他們使用范圍從207到345MPa的壓力，和從0.34到0.57kg/min的磨料流動率來測量4mm投射距離的體積分?jǐn)?shù)。源于模擬的體積分?jǐn)?shù)與這些實驗結(jié)果進(jìn)行比較。在集中管出口處即0mm投射距離處；從模擬中獲取體積分?jǐn)?shù)。在集中管出口處水的模擬體積分?jǐn)?shù)在靠近壁處是更高的。這可能導(dǎo)致射流裝置可能的閃爍現(xiàn)象。比較的體積分?jǐn)?shù)結(jié)果顯示于圖6.7.8中。 4.磨料進(jìn)口角度和它的位置的影響 模擬被發(fā)展為在混合室中不同的磨料進(jìn)口角度和它的位置。集中管出口處的速度分布在本節(jié)中被介紹。出口處的射流速度被發(fā)現(xiàn)取決于在混合室中的混合過程及磨粒加速過程中所花費的時間，也有從水到磨粒的動量轉(zhuǎn)移。對于傳統(tǒng)的噴射系統(tǒng)，模擬條件在表1中被給出。 對于精密切割，靠近中心軸線的射流速度是重要的，而且靠近射流中心位置的速度應(yīng)該是最大速度。三個不同的磨料進(jìn)口位置被使用為獲得最佳的進(jìn)口位置（圖2）。磨料的中心距離距裝置的錐形部分是2.25mm。距混合室的較低部分分別為5.25mm和6.75mm的另外兩個磨料進(jìn)口位置也被考慮。對于不同的磨料進(jìn)口角度，空氣和固體將從在混合室、錐形部分和集中管中的不同位置彈回。表2說明了這些現(xiàn)象。 顯然，從表2中，如果進(jìn)口角度在20.56°和55.56°之間，在距錐形部分為2.25mm的磨料進(jìn)口位置，磨料將會擊中斜面。如果進(jìn)口角度少于20.56°，那么它將擊中混合室。圖9表明了在集中管出口為不同磨料進(jìn)口角度的水速。對于30°進(jìn)口角度，水速被發(fā)現(xiàn)比沿半徑的其它水速要高。同樣，圖10和11顯示了不同的磨料進(jìn)口角度的空氣和固體的速度。從圖9至圖11，顯然，對于30°磨料進(jìn)口角度，由噴嘴的這種幾何輪廓射流速度才變成最大。但是如果幾何尺寸被改變，像混合室長度和直徑，錐形進(jìn)口角度等，在最大射流速度，最佳磨料進(jìn)口角度可能會改變。 在這里還應(yīng)該提到，對于30°磨料進(jìn)口角度，沿半徑方向的不同相的速度是不準(zhǔn)確的模式。這暗示著在混合室內(nèi)混合過程是不足夠得到在射流中心位置處的最大速度。圖12顯示了不同磨料進(jìn)口角度的射流的平均速度。顯然，對于30°磨料進(jìn)口角度（29°磨料進(jìn)口角度也被使用為獲得一個精確的模式），射流的平均速度是最大的。圖13顯示了靠近中心軸線處水、空氣和固體的速度，并且能看出對于30°磨料進(jìn)口角度，不同相的各自速度是最大的，而且遵循一個幾乎相似的模式。若是75°，三相的速度是相似的但不是最大。 下一步準(zhǔn)備找出不同磨料進(jìn)口角度對進(jìn)口位置的影響。就圖12中所說明的結(jié)果而論，模擬技術(shù)被發(fā)展為不同的磨料進(jìn)口角度（30°，45°和60°）和不同的進(jìn)口位置。 新的磨料進(jìn)口位置距錐形部分為6.75mm，模擬是采用為30°，45°和60°磨料進(jìn)口角度進(jìn)行的。一個附加的模擬被實施采用45°磨料進(jìn)口角度，進(jìn)口位置為5.25mm。對于精密切削，靠近射流中心區(qū)域射流速度應(yīng)該是最大。圖14至16展示了在沿著半徑方向為30°磨料進(jìn)口角度和兩個不同的進(jìn)口位置的出口平面處的速度分布。盡管為以前的進(jìn)口位置，卻獲得了一個更好的結(jié)果。但是如果45°進(jìn)口角度，對5.25mm的進(jìn)口位置來說，更好的結(jié)果會被獲得。這些結(jié)果展示在圖17，18和19中。但是如果是60°的磨料進(jìn)口角度（圖20，21和22），當(dāng)使用6.75mm的磨料進(jìn)口位置，更好的結(jié)果會被找到。于是，顯然，對于靠近孔口或者混合室的較高面的進(jìn)口位置，一個更高的角度是最佳磨料進(jìn)口角度。對于磨料進(jìn)口角度的較高位置，速度分布圖顯示了最大速度是在射流中心線的附近。 5.結(jié)論 如果磨料進(jìn)口位置接近錐形部分即混合室的底部，當(dāng)考慮到射流的最大速度時，一個較低的角度將是最佳的磨料進(jìn)口角度。 如果進(jìn)口位置朝著孔口方向改變（即混合室的較高位置），一個較高的磨料進(jìn)口角度將是最佳的。一個磨料進(jìn)口角度的較高位置即靠近孔口速度分布圖，表明射流的最大速度是在中心軸線附近。這也在混合室中，混合過程是最佳的，于是射流的閃爍現(xiàn)象減至最低限度，因此精密射流切割能夠?qū)崿F(xiàn)。 6．致謝 編者們要感謝澳大利亞研究咨詢委員會支持本項工作（作品）。 7．參考文獻(xiàn)（略） 8．學(xué)術(shù)用語 B 內(nèi)部力 c相間術(shù)語 C常數(shù) D集中管直徑 F內(nèi)部相非阻力 G基于內(nèi)部力的產(chǎn)品 h熱力學(xué)焓 H總焓或狀態(tài)焓 k動能 相的總數(shù) p熱力學(xué)壓力 P壓力/剪切應(yīng)力 參考壓力 r半徑 R普遍氣體常數(shù) S源術(shù)語 t時間 T溫度 U速度 射流速度 W分子量 x出口距離 柱面坐標(biāo) 錐形進(jìn)口部分計算角度 磨料進(jìn)口角度 物理性質(zhì) 密度 湍流普蘭特爾數(shù) 湍流動能損耗 導(dǎo)熱系數(shù) 分子黏度 湍流黏度 渦流渦流擴(kuò)散系數(shù) 下標(biāo)（腳碼、索引） a空氣 P磨粒 w水 T湍流 、、相 符號 d阻力 h熱轉(zhuǎn)移 T張量 9.表格 表格1. 模擬條件 噴嘴尺寸 孔口直徑 0.33mm 混合室直徑 6mm 混合室長度， 12mm 錐形進(jìn)口角度 集中管直徑， 1.27mm 集中管長度 75mm 磨料進(jìn)口直徑 3mm 水的密度 空氣密度 磨料密度 磨料直徑 進(jìn)口條件 水壓 氣壓 磨料質(zhì)量流動率 空氣流動率 磨料進(jìn)口角度 表格2 距錐形管距離(mm) 角度范圍（空氣和磨料將擊中斜面） 角度范圍（空氣和磨料將通過集中管） 2.25 5.25 6.75 10.圖 圖1，磨料水射流噴嘴示意圖 圖2，混合室中的網(wǎng)格和板型 圖3，空氣速率 圖4，固體粒子速率 圖5，水的速率 圖6，水的體積分?jǐn)?shù) 圖7，磨料的體積分?jǐn)?shù) 圖8，空氣的體積分?jǐn)?shù) 圖9，集中管出口處沿半徑方向的水速 圖10，集中管出口處沿半徑方向的空氣速度 圖11，集中管出口處沿半徑方向的固體速度 圖12，不同磨料進(jìn)口角度的射流平均速度 圖13，不同磨料進(jìn)口角度的射流中心線附近的相的速度 圖14，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的水的速度 圖15，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的空氣速度 圖16，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的固體速度 圖17，三個不同位置處磨料進(jìn)口角度的水的速度 圖18，三個不同位置處磨料進(jìn)口角度的空氣速度 圖19，三個不同位置處磨料進(jìn)口角度的固體速度 圖20，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的水的速度 圖21，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的空氣速度 圖22，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的固體速度 附錄3