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1、I 摘要在制药行业中， 离心机起着举足轻重的作用， 随着制药行业精细化程度的越来越高，行业对离心机的水平要求也越来越高。不仅要求可以达到所需要的机械性能和精细化程度， 并且由于制药行业的特殊性，对离心机的生产材料、 生产工艺等有着很高的要求，要求所生产的离心机是无毒的，对人体无害的。离心机除了用在制药行业之外， 在精细化工领域及食品行业中的固液分离领域，依靠转动时产生的离心力， 使得加工的材料中的固体和液体分离开来，最终达到提取液体和固体的目的。本文参考国外先进的制药用离心机，在LGZ16000离心机的设计基础上，设计试制符合 GMP 要求的离心机。对该离心机的两大关键部件布料部件和料层控制部
2、件进行了结构设计、 强度校核、 三维模型及二维图形绘制， 并对其中的关键零件进行了有限元仿真分析。 设计的部件原理正确， 能够完成所需的动作和功能，强度校核及有限元仿真分析的结果都证明结构参数设计合理，各零部件均可满足使用要求。关键词：离心机；制药机械；机械设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 27 页 - - - - - - - - - II Abstract In the pharmaceutical industry, the centrifuge p
3、lays an important role, with the increasing degree of fine pharmaceutical industry, the level of the industrys requirements for the centrifuge is also getting higher and higher. Requires not only can achieve the required mechanical properties and the degree of precision, and due to the special natur
4、e of the pharmaceutical industry, on the centrifuge production materials and production technology has a very high requirements, production requirements of the centrifuge is non-toxic, harmless to the human body. Centrifuge in addition to in addition to the pharmaceutical industry, in fine chemical
5、industry and food industry in the solid-liquid separation field, the centrifugal force generated by the rotational, makes the processing of materials in the solid and liquid are separated, and ultimately achieve the extraction liquid and solid. This article refer to the foreign advanced pharmaceutic
6、al centrifuge, based on the design of LGZ16000 centrifuge, the design of the centrifuge to meet the requirements of GMP. The two key components of the centrifuge - material components and material layer control unit of structure design, strength check, 3D models and 2D graphics rendering, and on one
7、 of the key parts of the finite element simulation analysis. The design of the component principle is correct, can complete the required action and function, strength check and finite element simulation analysis results all prove that the structural parameters design is reasonable, all parts can mee
8、t the use requirements. Keywords: centrifuge;pharmaceuticalmachine;machine design 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 27 页 - - - - - - - - - III 目录摘要 . IAbstract . II第一章绪论 . 11.1 选题背景及研究意义. 11.2 国内外研究现状. 11.2.1 国外研究现状 . 11.2.2 国内研究的现状. 21.3 论文研究的主要内容
9、. 4第二章PGZ1600 离心机简介. 52.1 PGZ1600 离心机的工作原理. 52.2 PGZ1600 离心机的组成部件及技术创新 . 52.2.1PGZ1600 型离心机主要组成部件 . 52.2.2 PGZ1600 型离心机主要技术创新 . 62.3 Ansys workbeench的简介 . 7第三章离心机布料部件设计. 93.1 布料部件工作原理 . 93.2 主要零部件设计计算. 103.2.1 异步电机的选用 . 103.2.2 滚动轴承的设计计算 . 103.3 主要零件有限元仿真. 11第四章离心机料层控制部件设计. 154.1 工作原理 . 154.2 挡料轴设计及
10、强度校核 . 164.3 有限元仿真. 17第五章结果和展望. 215.1 结论 . 215.2 展望 . 21参考文献 . 22致谢 . 24名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 27 页 - - - - - - - - - 1 第一章绪论1.1 选题背景及研究意义近年来国家在医药行业实施GMP 认证，国内众多制药厂家都在按照GMP 规范要求，进行技术改造和设备改造。 国内的一些离心机生产厂家生产的离心机大多是在国外现有的离心机的技术的基础之上进行研究设计的，
11、列如国内某企业依据国外生产的LGZ1600型离心机的生产技术，并在此技术之上进行研究，并按照GMP 的相关要求设计出来了国产的离心机型号PGZ1200 型离心机PGZ1200 型离心机主要是运用在制药行业的，此外也可以用于精细化工行业以及食品制造业， 它主要是用在这些领域里面的固液分离这一工况的，通过该型号的离心机可以实现加工材料里面的固体和液体的分离，从而达到提取液体或者固体的目的。如硫铵、芒销、硫酸铁、硫酸铜、硫酸镍、氯化钾、醋酸、硼砂、苏打、橡胶添加剂、 染料、淀粉、制糖、维生素、抗生素、除草剂、驱虫剂、铜、锌、铝、排酸石膏、金属精制的处理等。在整个离心机的系统中布料盘起着关键的作用，其
12、性能的好坏直接关系到离心机的整体性能的好坏。 布料盘在工作的时候是靠辅助电机带动的，辅助电机给布料盘一个合适恒定的转速使得布料盘旋转，料浆可以通过进料管进入到布料盘里面，由于布料盘旋转产生很大的离心力，料浆里面的液体在离心力的作用下呗分离出来，并通过滤网的过滤作用来实现固液分离。此外布料盘还有卸料的作用，当需要卸料的时候， 电动机低俗转动， 里面残留的固体废料通过气动刮刀，把废料刮下来，并从卸料口排出来。 。本文参考国外先进的制药用离心机，在LGZ16000离心机的设计基础上，设计试制符合 GMP 要求的离心机。对该离心机的两大关键部件布料部件和料层控制部件进行了结构设计、 强度校核、 三维模
13、型及二维图形绘制， 并对其中的关键零件进行了有限元仿真分析。 设计的部件原理正确， 能够完成所需的动作和功能，强度校核及有限元仿真分析的结果都证明结构参数设计合理，各零部件均可满足使用要求。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状国际医疗器械正迎来迅猛的发展， 在许多发达国家由于其产品具有高度自动名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 27 页 - - - - - - - - - 2 化及精细化的特点， 其生产的产品在国际上广受好评，医疗器械制造业甚至成为了
14、该国家的支柱产业。 而在全球市场上医疗器械行业的份额也越来越大，据不完全统计，在 2009 年的时候，全球的医疗器械行业的市场份额达到了3500 美元，并且历年以来保持着7% 的增长率， 并且随着科学技术的不断进步各种智能化的医疗器械不断的出现更是不断刺激了医疗器械行业的不断增长，医疗器械行业已经成为了一个利润率高、 产品附加值高的工业门类。 由于自动化水平和制造业水平的限制， 在全球医疗行业的市场上起着主导地位的是美国日本、欧盟。但是以中国为代表的金砖四国在医疗器械行业占的比重正在逐年增大。离心分分离设备是一种利用离心力来到到把不同物态的物料或者不同密度的物料分离开来的一种设备， 早在 17
15、0 多年之前，德国研制出来了世界上第一台真正意义上的可用于工业生产的离心设备，当时这台设备主要是用于棉布脱水的作用的。到了 20 世纪，三十年代的时候离心机的的研究制造达到了快速发展的时期，几乎每年都有新的设备出现。在最近二十年来， 离心机设备的发展方向主要是朝着集成化、智能化、精细化的方向发展，离心机设备的新机型比较少。近年来对离心机的研究重点主要集中在对离心机的能效上，根据不同的优化方案科学工作者们设计出了许多不同的解决方案。德国的Hiller公司设计的额DECAPRESS型离心机使用了最新的SEE 驱动系统来代替原始的转子系统来实现螺旋驱动，这种方式的优点在于， 通过螺旋和转毂之间的速度
16、差来实现性能，不需要进行耦合。 GEA Westfalia 公司的 SUMMIER 驱动系统继续使用了主辅驱动的V带设计，螺旋驱动所需功率不是由主电机提供，新系统自动综合匹配主电机和辅助电机的功率需求，直接驱动转鼓和螺旋部件。在离心机的设计中影响生产效率的主要因素之一就是废料的去除问题，自动化程度高的设备其去除废料的速度较快，生产效率就很高。 很多厂家和研究人员针对这个问题进行了很多的研究设计出来了很多专门的机械结构来实现该功能。最有代表性的是德国的Heikel 公司，他们设计出来一种可以翻转的卸料装置，在加工完成之后布料盘可以翻转180，从而达到卸料的目的。日本的Tanabe公司采用的解决方
17、法是在加工完成之后通过气动系统产生冲击力把废料剥离下来。1.2.2 国内研究的现状中国有着很庞大的人口基数， 在医疗卫生方面我们跟国外有着大的差距，在制药水平以及医疗器械的制造水平上跟国外的差距更大，这就使得许多救命药需要进口，老板姓看病难的问题越来越严重。据不完全统计，在2011 年我国在医疗器械行业的贸易总额达到了270 亿美元占到了全球医疗器械行业的24% ，其中名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 27 页 - - - - - - - - - 3 出口总
18、额为 160 亿元，进口总额为 110 亿美元，而爱国内出口的医疗设备主要是一些产品附加值较低的辅助性设备为主，而国内进口的医疗设备的价格往往很昂贵。中国医用离心机技术及应用分析国内的离心机制造水平较低， 尤其是在医疗行业使用的离心机，产品生产效率较低，质量不稳定， 国内许多厂家使用的医用离心机设备到多依赖进口。国内在离心机的制造水平、 设计水平上和国际上的同行有着较大的差距，医疗离心机由于其使用场合的特殊性也对其性能提出了特殊的要求，在医用离心机的设计制造的过程中。不仅要考虑机械性能方面，而且要考虑，离心机的制造材料，制造方法等因素。要使得制造的离心机是安全无污染的。目前来说，国内的离心机生
19、产厂商的创新能力较低，锁设计的产品大多是在国外同类型的产品上进行改进， 没有自己的自主知识产权， 离心机设计只奥的新技术、新方案以及研究成果及相关专利也是少的可怜，技术的发展速度很慢， 没有新设呗的推出。造成这种情况的原因之一是科研工作者的研究成果没能呗很好的利用转换为生产力， 高校科研院所与生产厂家脱节， 使得最新额研究成果不能运用到最新的设备上。但是随着医疗器械行业的蓬勃发展，离心机行业也迎来了很大的机遇，并且随着全球化的到来， 越来越多的国际知名的企业进入到中国市场，这也给国内的企业带来了一个前所未有的学习的机会。国内的医疗用离心机的研究最早是在上世纪七十年代，改革开放初期， 但是主要是
20、对国际上比较知名的离心机制造企业生产的不同规格型号的离心机进行研究，根据研究的成果， 并结合当时国内的技术条件进行加工制造，取得了很多的成果。在上世纪几十年代末期， 南京某企业在研究国外的ALFANx42o 型离心机的基础上，提出了创新的设计方法， 设计出来了一台大型大锥角离心机（即 L201型离心机），该离心机主要是用于提取玉米蛋白，并在之后制造出来了样机，实践表明达到了理想的效果； 此外国内还有很多企业及研究院也根据实际需要设计出来了离心机产品，列如重庆江北机械厂，解放军4819 厂等。虽然国内生产的这些离心机能够达到实际使用的需求，但是在很多方面， 我们和国外的产品还是有着很大的差距的，
21、 离心机的设计只奥水平还远远落后于发到国家。随着工业水平的不断提高， 人们对离心的性能有了更高的要求，不仅仅是达到实际使用的需求方面，现阶段的离心机设计要求分离效果好、工作效率高、噪音很震动较小、自动化程度更高。这也给离心的设计制造提出了新的课题。在提高离心机的性能国内进行了很多的研究，并且由于有限元软件的使用，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 27 页 - - - - - - - - - 4 取得了很大的进展，主要有：北京化工大学的顾威利用ANSYS 软件
22、，建立起来了离心机的参数化的三维有限元模型， 并对该模型进行了仿真， 得到了离心机的结构静力学特性，并且求解得到了输送器在在各种不同载荷的情况下的应力场和位移场，并对该强度进行了校验。这些研究成果都对后续的设计游湖奠定了基础。江苏省石油化工学院的刘友宏， 利用二位立体单元离心机的转毂进行分析，并结合国内生产的某型号的离心机进行了有限模型的设计和仿真。结果表明，转筒中的应力水平要远远大于转鼓底和拦液板的应力水平，并且最大虚拟弹应力大于材料的屈服极限。近年来离心机新技术趋势主要集中在温度制冷、无刷电机直接驱动以及显示数字技术。1.3 论文研究的主要内容近年来为了使中国的医疗行业与国际接轨，要求国内
23、制药机械进行改造， 必须满足 GMP 标准的规范，本文的目的在于依据国内多年的技术积累，融入国外的先进技术，设计一款新的能满足GMP 标准的 PGZ1600 型离心制药机， 填补国内在此领域的空白。布料装置借鉴国外技术， 进行消化吸收设计， 采用独立式斜盘布料装置， 配置专用布料电机， 布料装置由变频器控制， 可与转鼓转速异步。 布料盘回转中心与转鼓回转中心形成一夹角， 以便布料更均匀， 对物料的适应性更强。 进料管上设置三通，洗涤时洗涤水通过三通进入布料盘，使洗涤更充分，结构紧凑合理。零件均为不锈钢材料制作， 所有表面均抛光处理。 料层控制采用单作用气缸和接触式挡板加接近开关对料层进行监测和
24、控制。对主要部件进行了有限元分析， 验证了设计的合理性。设计目标：第一、必须符合 GMP 规范中对设备的要求；第二、 产品的技术性能达到国外同类产品的水平，并且能满足 GMP 规范要求；第三、机器为自动控制型式，可实现人机对话；第四、开发的产品转鼓直径为1600mm ；第五、在设计时应充分考虑到防腐和防爆要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 27 页 - - - - - - - - - 5 第二章PGZ1600离心机简介2.1 PGZ1600 离心机的工作
25、原理PGZ1600 离心机可以应用于药品制造、化学工业行业、加工食品中固态颗粒和液体的分离，也可以用在固体介质为结晶物的情况下固体和液体介质的分离工作。如硫铵、芒销、硫酸铁、硫酸铜、硫酸镍、氯化钾、醋酸、硼砂、苏打、橡胶添加剂、 染料、淀粉、制糖、维生素、抗生素、除草剂、驱虫剂、铜、锌、铝、排酸石膏、金属精制的处理等。 一些药品制造过程中需要使原料药浆中的固体物和液体分离，去除无用的液体部分得到固体药品颗粒或者去除固态残渣纯净的液体药物，必须要高品质的离心机实现完成这一工艺过程。根据工艺要求， 选用特定的满足转速要求的交流电机，直接带动布料轴和布料盘旋转，进料管将料浆引入到布料盘中， 药浆在高
26、转速下通过离心作用飞洒到转鼓部件的内壁面上。 转鼓内壁上装有过滤网， 在离心力的作用下， 固体物质留在过滤网上， 而液体物质穿过过滤网流到外部。留在转鼓壁上的固态物质被压成有一定厚度的药饼， 经过清洗后， 控制系统控制转鼓降低转速，同时控制刮刀动作，将药饼从转鼓壁面上刮下，经过卸料口运送到外部。工作结束后，必须对离心机内部进行清洗工作，方可进入下一轮工作。为满足使用过程中的防爆要求， 在各个工序中可以对设备通氮气，氮气为惰性气体，且无菌无害。2.2 PGZ1600 离心机的组成部件及技术创新2.2.1 PGZ1600 型离心机主要组成部件总体结构： PGZ1600 离心机主要分成机座部件、翻盖
27、和平衡缸部件、转鼓部件、传动部件、布料部件、刮刀及其驱动部件、料层厚度控制部件、气动控制部件、控制系统等 9 个部件。机座部件：机座为平板式整体承载结构，机壳、轴承座与平板焊接。配置液态阻尼减振器， 出液槽为螺旋面， 出液槽及卸料筋板上侧配置了在线清洗管。平板表面包衬不锈钢材料， 其余零件均为不锈钢材料制造。 所有外表面均抛光处理。翻盖及平衡缸部件： 翻盖采用大圆弧翻盖， 以增加其刚度和强度， 配置观察名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 27 页 - - -
28、- - - - - - 6 镜和防爆照明灯、排气管、在线清洗喷头、氮气接入管等，翻盖采用平衡缸作为动力。零件均为不锈钢材料制造， 所有外表面均抛光处理。 在翻盖上装有刮刀装置及布料装置。转鼓部件：转鼓部件的主要组成部分有转鼓底板、转鼓转筒、液阻板、过滤袋。零件均为不锈钢材料制造，所有外表面均抛光处理。传动部件：传动部件由主轴、轴承座、轴承盖、轴承、带轮等组成。选用SKF轴承，主轴经调质处理。布料部件：布料装置借鉴国外技术， 进行消化吸收设计， 采用独立式斜盘布料装置，配置专用布料电机，布料装置由变频器控制，可与转鼓转速异步。布料盘回转中心与转鼓回转中心形成一夹角，以便使布料更均匀， 对物料的适
29、应性更强。进料管上设置三通，洗涤时洗涤水通过三通进入布料盘，使洗涤更充分，结构紧凑合理。零件均为不锈钢材料制造，所有外表面均抛光处理。刮刀部件：刮刀装置采用气动窄刮刀结构。 刮刀动作分为轴向刮料和径向刮料两个动作。零件均为不锈钢材料制造，所有外表面均抛光处理。料层控制部件：料层控制采用单作用气缸和接触式挡板加接近开关对料层进行检测和控制。气动部件：配气系统配合电控系统对刮刀、进料阀、洗涤阀、料层控制等各动作元件进行控制。电控系统：主要由电控柜、PLC 、变频器、制动单元、触摸屏、接触器、中间继电器等组成， 按设计的离心机工作程序编制PLC控制程序，对离心机进行控制。 为方便用户在实际使用时可因
30、物料分离特性而对离心机工作过程中的参数进行修改，设置触摸屏， 从而可实现人机对话或远程控制，为用户实现自动控制提供技术保障。2.2.2 PGZ1600 型离心机主要技术创新平板式整体承载结构。 采用焊接结构的平板式结构，强度和刚度好， 降低机器重心，使之运行更稳定。减振系统。采用液态阻尼减振器，积极隔振，减振效果好，消除传动结构弹簧、球面垫、球面座套等的易损件消耗。螺旋面集液槽。 集液槽表面设计成螺旋面， 可按转鼓旋转方向往下伸展，使液相在排液过程中顺着螺旋面至出液管排出，在集液槽表面不积液， 使得在线清名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -
31、- - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 27 页 - - - - - - - - - 7 洗时洗涤更充分有效。在线清洗装置。在机座与转鼓中间不可见部位设置以及在翻盖与拦液板之间设置在线清洗管，使机器在运转过程中可以实现在线清洗，满足制药行业GMP规范中的洁净度要求。材料选用与表面处理。 材料均选用不锈钢， 内外表面均抛光处理， 特别是与物料接触部分达到镜面效果，更方便清洗，达到防腐要求。采用独立安装的斜盘式布局的布料部件，相比先前的设计， 药液分布趋向均匀，能满足多种工作对象，适用范围更加广泛。翻盖装置。采用大翻盖形式，平衡缸动作，无需外部动力源，开盖
32、方便、可靠，检修、清洗更容易。气体反冲与气体辅助刮刀。 采用压缩空气或压缩氮气在刮料时配合机械刮刀，对滤网上的残余滤饼进行清理， 在不延长刮料时间和不损伤滤布的情况下可实现最少的滤饼残余， 对制药行业单工序的收率、 工序间清理和消除交叉污染等要求带来有利的技术保证。有些工作场合要求离心机有防爆功能，因此本设计加装了氮气通入系统，用户可根据工况在各个工序中向转鼓内通入氮气，以达到安全使用的目的。 为减少氮气的消耗，配置了气液旋流器，使氮气得以循环使用。有些对污染特别敏感的工况下， 要保证离心机处在绝对清洁的环境中，本文在设计时对离心机的密闭性能进行了重点研究，使物料避免来自环境或者工作人员的污染
33、，同时也消除了物料（气、液、固相）对人和工作环境所造成的污染。此外，也保证氮气系统的正常工作。2.3Ansysworkbeench 的简介ANSYS workbeench是 ANSYS 公司推出的大型有限元软件，目前的版本已经开发到了 15.0 版本。 ANSYS 作为一款功能强大的通用商业化工程分析软件，在机械设计行业有着广泛的应用，是世界上运用范围最广的有限元软件之一。ANSYS 能提供的有限元分析类型主要有一下几种：结构静力学分析；结构动力学分析；非线性有限元分析；动力学分析；热应力计算；电磁场分析；流体动力学分析等领域。由于其强大的有限元分析能力，除了拥有在机械制造业之外，更广泛的应用
34、于核工业、航空航天、石油化工、汽车、国防、电子、土木工程、生物医学、家用电器等领域。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 27 页 - - - - - - - - - 8 依托于 ANSYS workbeench 强大的有限元分析能力， 本课题主要运用该软件进行结构静力学分析。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 27 页 -
35、 - - - - - - - - 9 第三章离心机布料部件设计3.1 布料部件工作原理该离心机的布料部件设计为独立式斜盘布料装置，布料器是由独立的电机提供速度，可自由调速。 这个装置不仅仅可以使悬浮液可以很均匀的进入转鼓，并且同时还可以增加进入流体的速度，从而达到很好的分散物料的效果。该布料系统的结构主要有布料电机、布料盘、进料管、洗涤管组成。洗涤过程中洗涤液从洗涤管经进料管进入布料盘，呗分散到滤饼表面。由一台功率 2.2kw 的电动机直接驱动布料轴以合适的转速旋转，内外布料盘与布料轴之间采用平键连接， 布料轴带动布料盘旋转。 进料管将料浆引入至布料盘，料浆由于离心力的作用从布料盘底部内外布料
36、盘之间的隔缝甩出，飞洒于转鼓壁。整个布料部件通过焊接斜向布置在翻盖部件上，焊接点位于轴承座上。 布料轴采用一对滚动轴承支承，上轴承采用深沟球轴承6210，下轴承采用角接触球轴承 7309C，用以承受布料轴自身重力。电动机型为Y112M-2。本设计采用独立式斜盘布料装置，加料过程更加均匀， 整个工艺过程实现完全自动控制。 根据上述分析对布料部件的结构进行设计，其三维爆炸视图如下所示：图 3-1 斜盘布料装置名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 27 页 - -
37、- - - - - - - 10 3.2 主要零部件设计计算3.2.1 异步电机的选用电动机类型选用的主要依据有： 工作机载荷特性， 工作过程中是否有冲击或者过载现象、 工作机的调速要求、 系统启动以及制动的频率以及用电条件等。由于直流电机的机械结构一般相对复杂因此费用较高，而且需要配套使用直流电源。因此，一般工作情况都使用交流电机，除非工况特殊必须使用直流电机。交流电机中最常用的是 Y 系列三相异步电动机。Y 系列三相异步电动机符合国际电工委员会（IEC）制定的相关标准，应用范围广，使用及更换方便，在国际范围内具有互换性。其中，Y 系列（ IP44）电动机为一般结构为全封闭的自扇冷式鼠笼型三
38、相异步电动机，能够有效防止灰尘、铁屑或其他一些杂物进入电动机内部,绝缘性能为 B 级，对环境的适应性好，工作环境温度要求 40以下，相对湿度 95%以下，海拔高度 1000m以下,额定电压380V，频率 50Hz。布料电动机直接驱动布料轴，布料轴滚动轴承摩擦力矩为：01111237300()10mmMMMMf PdMfnd（3-1）由 3-2 得布料轴两轴承的滚动摩擦阻力矩127864.4MMMN mm布料轴运转所需功率2.479549n MPkw故根据功率与转速的要求，选用交流异步电动机型号为Y112M-2 其各项性能参数为：额定功率4kw,同步转速 3000r/min，满载转速 2890r
39、/min，极数 2。3.2.2 滚动轴承的设计计算由于 布 料 轴呈 斜向 45o安装 在 翻 盖部 件上 故 上 下轴 承 所受 径向 力为121cos451272rrFFmgN其中36mkg为布料盘和布料轴的总质量下轴承所受轴向力为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 27 页 - - - - - - - - - 11 2sin 45254aFmgN该轴的转速为1000 / minnr，工作载荷平稳。要求轴颈150d，245d，要求轴承寿命不低于10000
40、h。根据轴颈直径、载荷形式，初选轴承形式为上端6210，下端 7309C.基本额定动载荷1235000 ,47000CN CN，基本额定静载荷010223200,37000CN CN， 脂 润 滑 极 限 转 速lim16700 /minnr，lim26000 / minnr。计算当量动载荷111.2152rPFN2221.2(0.4)360raPFFN计算寿命613110110()2030001000060hCLhhn P623210210()3700001000060hCLhhn P静载荷验算0222020.50.46340raPFFNC故所选轴承均能满足要求。3.3 主要零件有限元仿真布
41、料部件中最重要的非标准零件之一为布料轴，布料轴采用不锈钢304 制造，主要承受扭矩载荷，应用有限元软件ANSYS WORKBENCH 15.0 进行布料轴的有限单元法分析仿真。首先应用 SOLIDWORKS2012 建立布料轴三维模型如图图3-2 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 27 页 - - - - - - - - - 12 图 3-2 布料轴三维模型接下来将三维模型导入ANSYS WORKBENCH 15.0，依照 304 不锈钢的各项物理参
42、数进行材料属性设置，然后划分网格如图3-3 所示。图 3-3 布料轴网格划分下一步，对布料轴的一端施加固定约束，另一端添加转矩载荷，如图3-4 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 27 页 - - - - - - - - - 13 图 3-4 约束和载荷设置求解，得到布料轴的等效应力云图如图3-5 所示，最大等效应力位于布料轴与电机连接端，大小为310MPa，小于材料的许用应力。图 3-5 布料轴等效应力云图X-Y 平面的剪切应力如图3-6 所示，最大
43、剪切应力出现在轴肩处， 轴肩易产生应力集中，最大剪切应力为42.69MPa。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 27 页 - - - - - - - - - 14 图 3-6 布料轴剪切应力云图通过以上的仿真分析， 校验了布料轴的设计， 结论为布料轴设计合格， 可以满足使用要求并且有足够的安全裕度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1
44、7 页，共 27 页 - - - - - - - - - 15 第四章离心机料层控制部件设计4.1 工作原理料层控制部件在使用的时候可以根据索要分离的物料的密度对离心机的料层控制器进行适当的调整。该布料系统的气压额定工作压力为0.6Mpa，并且该系统可以根据实际的气压执行元件的情况对气动三联件的调压阀做出调整，如图4-1 所示。图 4-1 料层控制部件自动动作部件采用气缸驱动， 既能保证绝对的清洁卫生， 又能满足药品和食品制造工艺的要求。 气缸活塞推动旋转轴套上的凸起，使旋转轴套带动同轴的挡料板组件旋转， 通过挡料板旋转角度的变化控制料层厚度的变化。根据上述要求对离心机料层控制部件进行设计，其
45、三维爆炸视图如图4-2 所示。图 4-2 料层控制部件爆炸视图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 27 页 - - - - - - - - - 16 挡料板和挡料轴采用焊接方式连接， 挡料轴的支承由压板和一对滑动轴承实现。整个料层控制部件采用垂直布置，焊接在翻盖上。气缸为单作用气缸，回程依靠拉伸弹簧完成。4.2 挡料轴设计及强度校核按照 GMP 规范要求， PGZ1600离心机关键部件均应采用不锈钢制造。因此选择最常用的 304 不锈钢作为挡料轴的材料， 其
46、屈服极限205SMPa，强度极限520bMPa。材料的剪切强度0.8164sMPa许用剪切应力164822MPaMPaSs 挡料板末端受到的最大刮除阻力约为300N，由此可以计算挡料轴所收到的力矩为30013540.5TNmmNm圆截面轴抗扭强度条件为maxmaxtTW（4-1 ）316tDW（4-2 ）根据公式计算挡料轴最小直径为14.5Dmm取挡料轴的最小轴径为16mm。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 27 页 - - - - - - - - - 1
47、7 挡料轴受力 (径向 )分析F1F阻=300N A B C D F2 73.5 132108 挡料轴弯矩图Mc=32.4Nm A B C D 挡料轴扭矩图T= 40.5 Nm 因为挡料轴所受扭矩均相同， 所以轴上弯矩较大且轴径较小处即为危险剖面。因此确定危险截面为C 点处，即下端滑动轴承支承点。该处最大当量弯矩为：222232.440.252MMTN m校核轴径3315200014.8200.10.1 40cbMdmmmm结论：挡料轴足够安全。4.3 有限元仿真挡料轴用 304 不锈钢制造，受载情况为弯扭复合载荷， 用有限元法对挡料轴进行仿真分析，校验其强度和刚度。第一步，用 Solidwo
48、rks2012 建立挡料轴的三维模型如图4-3 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 27 页 - - - - - - - - - 18 图 4-3 挡料轴三维模型第二步，将三维模型导入到有限元软件ANSYS WORKBENCH 15.0，设置材料参数，划分网格，如图4-4 所示。图 4-4 挡料轴网格划分第三步，对挡料轴施加约束，在A 面设置固定约束， B 和 C 面为滑动轴承安装面，设置 Y 和 Z 方向的零位移约束，下端面施加扭矩和集中力载荷，如图
49、4-5 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 27 页 - - - - - - - - - 19 图 4-5 约束设置情况第四步，求解。第五步，提取等效应力和总变形量。图4-6 为挡料轴等效应力云图，图4-7为总变形量云图，最大等效应力和最大变形量均满足设计要求。图 4-6 挡料轴等效应力云图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22
50、 页，共 27 页 - - - - - - - - - 20 图 4-7 挡料轴总变形图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 27 页 - - - - - - - - - 21 第五章结果和展望5.1 结论本文参考国外先进的制药用离心机，在LGZ16000离心机的设计基础上，设计试制符合 GMP 要求的离心机。对该离心机的两大关键部件布料部件和料层控制部件进行了结构设计、 强度校核、 三维模型及二维图形绘制， 并对其中的关键零件进行了有限元仿真分析。 设计的部