基于TRIZ的復合式旋流器創(chuàng)新設計及實驗工藝分析【一種新型的油水分離設備】【說明書+CAD+SOLIDWORKS】,一種新型的油水分離設備,說明書+CAD+SOLIDWORKS,基于TRIZ的復合式旋流器創(chuàng)新設計及實驗工藝分析【一種新型的油水分離設備】【說明書+CAD+SOLIDWORKS】,基于,triz,復合,式旋流器 任務書 2014 年 3 月 17 日至 2014 年 5 月 30 日 題 目：基于TRIZ的復合式旋流器創(chuàng)新設計及實驗工藝分析 姓 名： 學 號： 學 院： 專 業(yè)： 年 級： 指導教師： （簽名） 系主任（或教研室主任）： （簽章） 任 務 （包括設計任務及目標、技術要求、工作要求） 1. TRIZ理論介紹及復合式旋流器簡介 TRIZ ——發(fā)明問題解決理論: TRIZ中問題解決工具可以分成兩組：1、分析工具--定義與描述問題，輔助問題的分析過程，它包括ARIZ、物質(zhì)-場分析法、理想解等。2、知識庫工具--來源于人類創(chuàng)新經(jīng)驗知識的積累與整理，可提供最高水平的問題解決方法，它包括產(chǎn)品的技術進化模式、40條發(fā)明原理、4個分離原理、76個標準解、典型創(chuàng)新實例、效應等。發(fā)明問題解決算法ARIZ是TRIZ主要的分析問題、解決問題的工具。TRIZ提供了76個標準建模和解決方法。 復合式旋流器工作時，依靠電機轉(zhuǎn)動帶動旋轉(zhuǎn)柵，使進入分離器的混和液由軸向運動改變?yōu)檩S向邊運動邊旋轉(zhuǎn)的運動方式，進料液獲得離心力使不同密度的介質(zhì)實現(xiàn)徑向遷移而達到分離的目的。在此過程中電機的轉(zhuǎn)動、旋轉(zhuǎn)柵對液體作用、流體對旋流器的沖擊都會產(chǎn)生一定振動，能量較大的振動勢必對流場的穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞作用。研究復合式旋流分離器結構是否合理、振動主要因素與主要頻率、振動特性與分離特之間的關系。在復合式旋流器基礎上研制一種利用液體驅(qū)動旋轉(zhuǎn)柵高速旋轉(zhuǎn)的復合式旋流器。本課題利用TRIZ理論解決復合式旋流結構沖突，進而完成其結構創(chuàng)新。 2. 設計任務 了解并認識TRIZ理論；進行復合式旋流器的開發(fā)設計與主要構件結構創(chuàng)新； 復合式旋流器主要構件結構參數(shù)的設計計算及其實驗工藝流程的建立； 完成復合式旋流器三維實體造型；進行復合式旋流器分離性能分析； 撰寫畢業(yè)設計論文（10000字以上）和開題報告，準備答辯。 3 原始數(shù)據(jù) 復合式旋流器額定處理量4 m2/h，分流比10%以內(nèi)，壓力小于1MPa。 4 設計要求 明確設計任務，注意設計重點，查閱與畢業(yè)設計課題相關的文獻資料； 利用TRIZ沖突問題解決理論和發(fā)明原理解決復合式旋流器沖突問題； 合理進行復合式旋流器結構布置方案，進行其構件結構優(yōu)選設計及三維實體造型； 理論分析、計算結果正確、滿足設計及實際制造要求；設計和制圖符合國家標準； 論文文字通順、語言簡練、字跡工整；獨立完成設計。 主要內(nèi)容 改進部分 圖1復合式旋流器示意圖 復合式旋流器主要結構及工作原理如下： 復合式旋流器是一種液體驅(qū)動旋轉(zhuǎn)柵高速旋轉(zhuǎn)的旋流器，其結構如圖1所示。從結構上看可以分為二大部分，即動力部分，主要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)柵的旋轉(zhuǎn)運動；靜態(tài)旋流器單體部分。 本文的主要工作： 1.利用TRIZ理論進行復合式旋流器結構創(chuàng)新，尤其是一些主要構件結構創(chuàng)新； 2.完成復合式旋流器結構方案布置的優(yōu)選設計及主要構件的實體造型。 3.進行復合式旋流器分離性能的影響因素分析。 設計進度 第一階段（1周） 查閱有關產(chǎn)品創(chuàng)新理論及旋流器資料、閱讀參考書，寫開題報告， 補充學習復合式旋流器原理、三維造型和流體機械等有關知識。 第二階段（2周） 基于TRIZ的復合式旋流器理論分析與開發(fā)設計； 復合式旋流器主要構件結構創(chuàng)新及主要構件的結構參數(shù)計算； 第三階段（5周） 完成基于SOLIDWORK系統(tǒng)的復合式旋流器三維參數(shù)化實體造型設計： 進行復合式旋流器分離性能的影響因素分析； 第四階段 （2周） 撰寫論文，準備答辯 任務更改記錄 更 改 原 因 更 改 內(nèi) 容 主要參考文獻 [1] 檀潤華. 創(chuàng)新設計：TRIZ發(fā)明問題解決理論[M]. 機械工程出版社，2002.2 [2] 劉曉敏，檀潤華，蔣明虎等，水力旋流器結構形式與參數(shù)關系研究[J]. 機械設計，2005，22（2） [3] 檀潤華. 發(fā)明問題解決理論[M]. 科學出版社，2004 [4] 李劍石，蔣明虎. 復合式旋流器旋轉(zhuǎn)頭結構優(yōu)化設計及分離特性研究[D]. 大慶石油學院，2007.2 [5] 李楓，王尊策. 復合式水力旋流器結構優(yōu)化設計及性能研究[D]. 大慶石油學院，2003.7 [6] 李森，王尊策. 復合式水力旋流器振動特性及分離特性研究[D]. 大慶石油學院，2006.3 [7] 劉曉敏等. 動態(tài)水力旋流器脫油動力結構布置改進研究[J]. 化工進展2005（6） [8] 其他中文及外文文獻自查。 基于TRIZ的復合式旋流器創(chuàng)新設計說明書 摘 要 本文介紹了一種新型的油水分離設備——復合式旋流器，并基于發(fā)明問題解決任務理論（TRIZ），對復合式旋流器的結構布局進行了分析及優(yōu)化創(chuàng)新。 復合旋流器是一種新型離心分離裝置，它既能保持動態(tài)的強旋流強度及壓力損失小等特點，又能大大降低振動對分離的影響。但目前復合式旋流器的結構設計仍然存在諸多問題，如底流與溢流排出方向相同時，雖然解決了底流背壓不足的問題，但大小錐段角動量補償，使得溢流流動卻受到一定影響；而底流與溢流排出方向相反時，能較好的控制溢流的形成，但溢流壓力損失大，影響了分離效率。 針對以上問題，本文基于發(fā)明問題解決理論，對復合式旋流器的結構布局進行了分析，并采用ARIZ發(fā)明問題解決算法對復合式旋流器結構進行了優(yōu)化創(chuàng)新設計，最終獲得解決了技術矛盾，并具有創(chuàng)新性的結構布局方案。 關鍵字：TRIZ；復合式旋流器；分離性能；結構優(yōu)化  目 錄 摘 要 1 關鍵字 1 第一章 緒 論 1 1.1 復合旋流器介紹 1 1.2 TRIZ理論介紹 1 1.3 TRIZ主要內(nèi)容 3 1.4 研究意義 3 第二章 TRIZ設計流程 5 2.1 TRIZ解決過程和解決工具 5 2.2 復合式旋流器分離性能分析 5 2.3 運用Pro/Innovator模塊分析 7 2.3.1 問題分析 7 2.3.2 解決問題 8 2.3.3 最終方案 8 第三章 復合式旋流器結構設計 9 3.1 影響旋流器工作的參數(shù) 9 3.1.1 關于結構參數(shù) 9 3.1.2 關于操作參數(shù) 10 3.2 復合式旋流器結構元件設計 10 3.2.1 旋轉(zhuǎn)柵結構設計 10 3.2.2 溢流管結構設計 11 3.2.3 旋流分離體結構設計 13 3.2.4 底流出口尾管結構設計 13 3.3 復合式旋流器整體設計總結 14 第四章 驅(qū)動電機的選型計算 16 4.1 轉(zhuǎn)動慣量計算 16 4.2 將負載質(zhì)量換算成電機輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量 16 4.3 計算電機輸出的總力矩M 17 4.4負載起動頻率估算。 17 4.5 一般參數(shù)的計算及相互關系 18 總 結 20 參考文獻 21 致 謝 22  第一章 緒 論 1.1 復合旋流器介紹 復合式水力旋流器是一種將動態(tài)與靜態(tài)旋流分離技術有機結合在一起的新興旋流分離裝置, 具有靜態(tài)、 動態(tài)水力旋流器的雙重優(yōu)點: 分離效率高、 流場穩(wěn)定、 單根處理量增大且靈活、 液流壓力損失相對較小等。 圖1復合式旋流器示意圖 復合式水力旋流器有脫油型和脫水型兩種，其分離原理都是利用兩種不互溶混合液間的密度差在旋流器內(nèi)進行離心分離[1]。電機通過聯(lián)軸器或皮帶輪使旋轉(zhuǎn)柵作高速旋轉(zhuǎn)運動, 待分離油水混合液經(jīng)旋轉(zhuǎn)柵加速, 受壓力作用, 由流道進入靜態(tài)旋流分離體入口腔, 此時液流被強制旋轉(zhuǎn), 產(chǎn)生高轉(zhuǎn)速渦流。旋流強度在旋流器大小錐段內(nèi)得到加強, 輕質(zhì)相油受離心力作用運移到旋流分離體中心, 形成油核, 沿中心反向運移至溢流嘴、 空心驅(qū)動軸中心孔及溢流腔后被排出。同時, 重質(zhì)相水被甩到靜態(tài)旋流體內(nèi)壁, 沿尾管的底流口排出，其結構及工作原理見圖 1，2[2]。圖 1 為同軸直驅(qū)動式。這種方式是由電機驅(qū)動來實現(xiàn)旋流分離。其結構主要由動力組件（如電機、 空心驅(qū)動軸、 旋轉(zhuǎn)柵及溢流嘴等組成）、入口腔、溢流腔、靜態(tài)旋流分離體等組成。 1.2 TRIZ理論介紹 TRIZ理論全名為發(fā)明問題解決理論，是阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在1946年創(chuàng)立的，Altshuller也被尊稱為TRIZ之父[3]。1946年，Altshuller開始了發(fā)明問題解決理論的研究工作。當時Altshuller在前蘇聯(lián)里海海軍的專利局工作，在處理世界各國著名的發(fā)明專利過程中，他總是考慮這樣一個問題：當人們進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術難題時，是否有可遵循的科學方法和法則，從而能迅速地實現(xiàn)新的發(fā)明創(chuàng)造或解決技術難題呢？答案是肯定的！Altshuller發(fā)現(xiàn)任何領域的產(chǎn)品改進、技術的變革、創(chuàng)新和生物系統(tǒng)一樣，都存在產(chǎn)生、生長、成熟、衰老、滅亡，是有規(guī)律可循的。人們?nèi)绻莆樟诉@些規(guī)律，就能能動地進行產(chǎn)品設計并能預測產(chǎn)品的未來趨勢。以后數(shù)十年中，Altshuller窮其畢生的精力致力于TRIZ理論的研究和完善。在他的領導下，前蘇聯(lián)的研究機構、大學、企業(yè)組成了TRIZ的研究團體，分析了世界近250萬份高水平的發(fā)明專利，總結出各種技術發(fā)展進化遵循的規(guī)律模式，以及解決各種技術矛盾和物理矛盾的創(chuàng)新原理和法則，建立一個由解決技術，實現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系，并綜合多學科領域的原理和法則，建立起TRIZ理論體系。 圖2 旋流器工作原理 80年代中期前，該理論對其他國家保密，80年代中期，隨一批科學家移居美國等西方國家，逐漸把該理論介紹給世界產(chǎn)品開發(fā)領域，對該領域已產(chǎn)生了重要的影響。 21世紀，每個國家都不可能離開全球市場而獨立發(fā)展，在經(jīng)濟全球化的趨勢下，就必要在激烈的市場競爭中求生存，而成功生存的法定就在于創(chuàng)新。國家主席胡錦濤于2006年1月9日在全國科技大會上宣布了中國未來15年科技發(fā)展的目標：2020年建成創(chuàng)新型國家，使科技發(fā)展成為經(jīng)濟社會發(fā)展的有力支撐。這也奠定了創(chuàng)新中國的理論。TRIZ理論正可以幫助我們實現(xiàn)批量發(fā)明創(chuàng)新的夙愿。 1.3 TRIZ主要內(nèi)容 創(chuàng)新從最通俗的意義上講就是創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和創(chuàng)造性地解決問題的過程，TRIZ理論的強大作用正在于它為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供了系統(tǒng)的理論和方法工具。現(xiàn)代TRIZ理論體系主要包括以下幾個方面的內(nèi)容： 1.創(chuàng)新思維方法與問題分析方法 TRIZ理論中提供了如何系統(tǒng)分析問題的科學方法，如多屏幕法等；而對于復雜問題的分析，則包含了科學的問題分析建模方法——物-場分析法，它可以幫助快速確認核心問題，發(fā)現(xiàn)根本矛盾所在。 2.技術系統(tǒng)進化法則 針對技術系統(tǒng)進化演變規(guī)律，在大量專利分析的基礎上TRIZ理論總結提煉出八個基本進化法則。利用這些進化法則，可以分析確認當前產(chǎn)品的技術狀態(tài)，并預測未來發(fā)展趨勢，開發(fā)富有競爭力的新產(chǎn)品。 3.技術矛盾解決原理 不同的發(fā)明創(chuàng)造往往遵循共同的規(guī)律。TRIZ理論將這些共同的規(guī)律歸納成40個創(chuàng)新原理，針對具體的技術矛盾，可以基于這些創(chuàng)新原理、結合工程實際尋求具體的解決方案。 4.創(chuàng)新問題標準解法 針對具體問題的物-場模型的不同特征，分別對應有標準的模型處理方法，包括模型的修整、轉(zhuǎn)換、物質(zhì)與場的添加等等。 5.發(fā)明問題解決算法ARIZ 主要針對問題情境復雜，矛盾及其相關部件不明確的技術系統(tǒng)。它是一個對初始問題進行一系列變形及再定義等非計算性的邏輯過程，實現(xiàn)對問題的逐步深入分析，問題轉(zhuǎn)化，直至問題的解決。 6.基于物理、化學、幾何學等工程學原理而構建的知識庫 基于物理、化學、幾何學等領域的數(shù)百萬項發(fā)明專利的分析結果而構建的知識庫可以為技術創(chuàng)新提供豐富的方案來源。 1.4 研究意義 TRIZ理論以其良好的可操作性、系統(tǒng)性和實用性在全球的創(chuàng)新和創(chuàng)造學研究領域占據(jù)著獨特的地位。在經(jīng)歷了理論創(chuàng)建與理論體系的內(nèi)部集成后，TRIZ理論正處于其自身的進一步完善與發(fā)展，以及與其它先進創(chuàng)新理論方法的集成階段，尤其是已成為最有效的計算機輔助創(chuàng)新技術和創(chuàng)新問題求解的理論與方法基礎。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，TRIZ理論已經(jīng)發(fā)展成為一套解決新產(chǎn)品開發(fā)實際問題的成熟的理論和方法體系，它實用性強，并經(jīng)過實踐檢驗，應用領域也從工程技術領域擴展到管理、社會等方面。TRIZ理論在西方工業(yè)國家受到極大重視，TRIZ的研究與實踐得以迅速普及和發(fā)展。如今它已為眾多知名企業(yè)取得了重大的效益。 實踐證明，運用TRIZ理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程，而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。它能夠幫助我們系統(tǒng)的分析問題情境，快速發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)或者矛盾，它能夠準確確定問題探索方向，幫助我們突破思維障礙，打破思維定勢，以新的視覺分析問題，進行系統(tǒng)思維，根據(jù)技術進化規(guī)律預測未來發(fā)展趨勢，幫助我們開發(fā)富有競爭力的新產(chǎn)品。 復合旋流器是一種新型離心分離裝置，它既能保持動態(tài)的強旋流強度及壓力損失小等特點，又能大大降低振動對分離的影響。但目前復合式旋流器的結構設計仍然存在諸多問題，如底流與溢流排出方向相同時，雖然解決了底流背壓不足的問題，但大小錐段角動量補償，使得溢流流動卻受到一定影響；而底流與溢流排出方向相反時，能較好的控制溢流的形成，但溢流壓力損失大，影響了分離效率。 針對以上問題，本文基于發(fā)明問題解決理論，對復合式旋流器的結構布局進行了分析，并采用ARIZ發(fā)明問題解決算法對復合式旋流器結構進行了優(yōu)化創(chuàng)新設計，最終獲得解決了技術矛盾，并具有創(chuàng)新性的結構布局方案。  第二章 TRIZ設計流程 2.1 TRIZ解決過程和解決工具 發(fā)明問題解決理論（TRIZ）的核心是技術進化原理。按這一原理，技術系統(tǒng)一直處于進化之中，解決沖突是其進化的推動力。進化速度隨技術系統(tǒng)一般沖突的解決而降低，使其產(chǎn)生突變的唯一方法是解決阻礙其進化的深層次沖突。 G.S. Altshuller依據(jù)世界上著名的發(fā)明，研究了消除沖突的方法，他提出了消除沖突的發(fā)明原理，建立了消除沖突的基于知識的邏輯方法，這些方法包括發(fā)明原理（Inventive Principles）、發(fā)明問題解決算法（ARIZ，Algorithm for Inventive Problem Solving）及標準解（TRIZ Standard Techniques）。 在利用TRIZ解決問題的過程中，設計者首先將待設計的產(chǎn)品表達成為TRIZ問題，然后利用TRIZ中的工具，如發(fā)明原理、標準解等，求出該TRIZ問題的普適解或稱模擬解（Analogous solution）；最后設計者在把該解轉(zhuǎn)化為領域的解或特解。 阿利赫舒列爾和他的TRIZ研究機構50多年來提出了TRIZ系列的多種工具，如沖突矩陣、76標準解答、ARIZ、AFD、物質(zhì)--場分析、ISQ、DE、8種演化類型、科學效應、40個創(chuàng)新原理，39個工程技術特性，物理學、化學、幾何學等工程學原理知識庫等，常用的有基于宏觀的矛盾矩陣法（沖突矩陣法）和基于微觀的物場變換法。事實上TRIZ針對輸入輸出的關系（效應）、沖突和技術進化都有比較完善的理論。這些工具為創(chuàng)新理論軟件化提供了基礎，從而為TRIZ的實際應用提供了條件。其主要解決發(fā)明創(chuàng)新問題的流程示意如圖2-1所示： 2.2 復合式旋流器分離性能分析 設計旋流器主要是為了增加旋流場強度和提高流場穩(wěn)定性, 以提高分離效率。改進旋流供液結構與優(yōu)選分離配置形式方案設計, 不僅可改進靜、 動態(tài)水力旋流器自身結構的不足( 如靜態(tài)水力旋流器旋流強度有待于加強, 動態(tài)水力旋流器振動幅度需大大減弱等) , 而且能有效地實現(xiàn)穩(wěn)定的油水分離。 復合式旋流器工作時，底流背壓不足將導致混合液經(jīng)分離后含有大量的溢流隨底流排出，而由于錐段角動量補償，影響了輕質(zhì)液相的溢流．電機轉(zhuǎn)速和輔助機構安裝不合理會引起振動，同時會帶來噪音。旋轉(zhuǎn)柵對輕質(zhì)液相的剪切會導致分離效果下降。旋轉(zhuǎn)混合液會產(chǎn)生熱量，造成壓力損失和能量耗散。這些弊端產(chǎn)生的主要原因是零部件設計不合理造成的。 系統(tǒng)分析 問題分解 矛盾問題 基本問題 創(chuàng)新原理 創(chuàng)新方案庫 專利查詢 解決方案 解決方案 方案評價 圖2-1 發(fā)明問題解決流程示意圖 目前，前人[4]已優(yōu)選的設計出圖 2-2 所示旋流分離體的三種分離形式配置方案。這三種結構方案主要優(yōu)點是轉(zhuǎn)體在靜止殼體內(nèi)部, 振動非常小, 對入口壓力及流量操作范圍靈活性很強。 第一種方案（圖2-2 a）只需有很小的底流背壓即能很好地完成分離。經(jīng)旋流加速后，分離液會很快從溢流管尾端排出，此結構解決了來液經(jīng)分離后仍有少量溢流隨底流排出的問題, 使得操作難度減小, 操作參數(shù)改變既容易又靈活，但底流口處流場穩(wěn)定性較差。 第二種方案（圖2-2 b）中在底流尾端加一個推進器結構, 以推動形成的溢流更好地向另一端排出, 同時保持了底流口處流場的穩(wěn)定。但由于底流與溢流排出方向相反，且溢流管旋轉(zhuǎn)，使得已經(jīng)很低的溢流壓力經(jīng)損失后變得更低, 此時即使溢流放空, 也會對分離稍有影響。 第三種方案（圖2-2 c）是通過加長尾管, 使得補償角動量損失后產(chǎn)生的溢流能夠運移到另一端, 長長的尾管只起很小的分離作用, 但它能很好地穩(wěn)定底流, 使流場更穩(wěn)定[2]。但此結構操作起來需要有良好的底流背壓時才能保證其穩(wěn)定的有效分離。 圖2-2 常見復合式旋流器結構布局方案 2.3 運用Pro/Innovator模塊分析 2.3.1 問題分析 首先，明確解決次問題的目的：不對系統(tǒng)做大的改動，保證底流流場穩(wěn)定，底流和溢流壓力損失小，底流與溢流能穩(wěn)定有效的分離。 然后，對系統(tǒng)存在的技術沖突進行分析。 l 技術沖突1：底流與溢流排出方向相同，壓力損失小，綜合分離效率高，但底流和溢流穩(wěn)定性差，造成局部壓力波動，產(chǎn)生乳化作用概率大，分離級效率低。 l 技術沖突2：底流與溢流排出方向相反，壓力損失大，綜合分離效率低，但底流和溢流穩(wěn)定性好，分離級效率變高。 利用系統(tǒng)分析對整個系統(tǒng)做進一步的分析，找出產(chǎn)生此問題的區(qū)域：旋流管中輕質(zhì)液體與重質(zhì)液體相互作用的區(qū)域。更具解決創(chuàng)新問題的模型可以得到提示——利用系統(tǒng)中已有的資源實現(xiàn)所需的功能。而系統(tǒng)在此區(qū)域中可用的資源包括旋流管，溢流管，底流管，旋轉(zhuǎn)柵，旋轉(zhuǎn)動力機構。此時，我們可以得到這樣的問題：如何利用旋流管，溢流管，底流管，旋轉(zhuǎn)柵，旋轉(zhuǎn)動力機構的結構設計布局實現(xiàn)底流與溢流能穩(wěn)定有效的分離，且分離過程中壓力損失小，流場穩(wěn)定？ 接著，借助Pro/Innovator 軟件中的問題分析功能，針對上述問題描述抽取本質(zhì)問題，經(jīng)分析找出實際問題中的矛盾為：溢流系統(tǒng)中，輕質(zhì)液體與重質(zhì)液體在旋流管內(nèi)進行分離，底流與溢流排出方向相同時，壓力損失小，但流場穩(wěn)定性差，分離級效率低；底流與溢流排出方向相反時，流場穩(wěn)定性好，壓力損失大，分離綜合效率低。 2.3.2 解決問題 問題矛盾確定之后，根據(jù)Pro/Innovator 軟件中的創(chuàng)新原理提示，經(jīng)過分析，采用“分隔”原理，將互相矛盾的要求分別用相互獨立的部件實現(xiàn)：采用底流與溢流排出方向相反設計，確保流場穩(wěn)定性好，同時采用附加結構設計，補充溢流所損失的壓力，保證分離的綜合效率高。 2.3.3 最終方案 采用底流與溢流排出方向相反設計，并通過加長尾管很好地穩(wěn)定流場，且重質(zhì)液體排出口采用直通式，消除底流流體遇見拐角損失的壓力，同時采用螺旋導流片使輕質(zhì)液滴有穩(wěn)定的流場，在溢流管內(nèi)部采用內(nèi)螺紋并利用旋轉(zhuǎn)動力機構轉(zhuǎn)動內(nèi)螺紋對管內(nèi)溢流體施加推動壓力，補充溢流體所損失的壓力。 下一章將提供該最終方案的復合式旋流器的具體結構設計。  第三章 復合式旋流器結構設計 復合式旋流器作為一種新型的液體分離設備，其目的是實現(xiàn)對混合液體的分離，因此分離效率的高低成了設備優(yōu)劣的主要考核指標。分離效率的高低則主要與以下工作參數(shù)有關。 3.1 影響旋流器工作的參數(shù) 影響旋流器工作的參數(shù)可分為設備結構參數(shù)和操作參數(shù)兩大類。液/液旋流分離器是基于離心沉降分離原理進行分離的，要求兩相之間必須存在一定的密度差。根據(jù)Storks原理，液滴受到的凈分離力為 Fx=x3ρc-ρsv26r-3πxμcvrel (公式3-1) 式中，x為液滴粒徑；ρc 和ρs 分別為連續(xù)相和分散相密度；v 為連續(xù)相的切向速度；r 為液滴的徑向位置；μc 為連續(xù)相動力粘度；vrel 為液滴的相對速度。 3.1.1 關于結構參數(shù) 有影響的結構參數(shù)有：旋流器直徑 D、給料口直徑df ，溢流管直徑dov 、底流出口直徑ds、溢流管插入深度hov，圓柱體高度H 及錐角 α 的大小。 為了說明上述參數(shù)的影響，先來看一下旋流器的體積處理量公式： Q=KDdovP , m3/hr ( 公式3-1 ) 式中，K為系數(shù)，隨 df/D 值的增大而增大；D及 hov 意義見上述，均以 m 計； P為給料壓力，以kPa計。 由上公式可見，在其它參數(shù)不變的情況下，旋流器的處理能力與旋流器直徑成正比。但是經(jīng)常是溢流管直徑也與旋流器直徑成正比，結果將是：Q∞ D2，即增大旋流器直徑到2倍，處理能力將增加到4倍。 溢流管直徑 dov 是重要的可調(diào)參數(shù)，增大溢流管直徑處理量將成正比增加，反之亦然。故經(jīng)常是小范圍調(diào)節(jié)處理能力的有效辦法。但隨著溢流管直徑的增大，軸向零速包絡面將外移，溢流粒度會變粗。 底流出口直徑 ds 的改變對旋流器處理能力的影響較小，但隨著底流出口直徑增大，軸向零速包絡面內(nèi)移，底流流量將增大。 溢流口插入深度 hov 對旋流器的分離效率影響較大。插入深度越小，分離效率越低，但是，插入深度越不是越深越好。許妍霞[5]通過建模分析發(fā)現(xiàn)，當插入深度為168mm時，分離效率最佳。 3.1.2 關于操作參數(shù) 主要是指混合液濃度和入口壓力。混合液濃度高，將導致分級分離效率降低。入口壓力過大，不會影響分級分離效率，但將影響綜合分離效率。操作參數(shù)主要視具體需要分離的對象和現(xiàn)場工況而定，本文此處不作具體分析。 3.2 復合式旋流器結構元件設計 3.2.1 旋轉(zhuǎn)柵結構設計 旋轉(zhuǎn)柵固定于空心軸外側(cè), 對液流起加速導旋作用，是關鍵的液體導旋件。旋轉(zhuǎn)柵之所以可以影響到復合式旋流器的分離效率，是因為它產(chǎn)生的剪切乳化改變了液體的性質(zhì)，使進入旋流器中的油水混合液油滴乳化，粒徑變小，從而增加了旋流分離難度，降低分離效率。 合理的直板式旋轉(zhuǎn)葉片數(shù)既容易加工，分離效果又很好，且壓力損失也很小。其尾端設計呈橢球形導流錐，能使液流穩(wěn)定地充滿分離腔，可避免產(chǎn)生強紊流。其具體結構采用整體及兩端加長的容積式外套，一定程度上會減少壓力損失，降低液滴剪切破碎的幾率，增加流場的穩(wěn)定性。 李楓[6]針對復合式旋流器中影響混合液分離的影響因素——柵片數(shù)目、柵片的直線長度、柵片與圓柱內(nèi)孔的間隙進行試驗分析，發(fā)現(xiàn)設計參數(shù)為葉片數(shù)3、柵片長度160mm、帶夾持同步筒時，能很好地滿足高分離效率（99%）的設計要求。圖3-1是旋轉(zhuǎn)柵處局部結構原理圖。 圖3-1旋轉(zhuǎn)柵處局部結構原理圖 3.2.2 溢流管結構設計 整體的溢流管設計，主要根據(jù)傳統(tǒng)的溢流管結構進行改進，具體示意圖如3-2所示。 圖3-2 溢流管結構原理圖 溢流入口 溢流出口 溢流管左部分主要為溢流嘴（溢流入口），安裝時伸入旋流分離體內(nèi)；而右部分為溢流出口，采取在溢流管右端鉆通孔的方式，將溢流體排出至溢流腔；最右端為聯(lián)接電機轉(zhuǎn)軸的鍵槽，起傳遞轉(zhuǎn)動慣量的作用。 溢流嘴聯(lián)接于旋轉(zhuǎn)空心軸上，主要起收油及穩(wěn)定局部流場的作用。當液流從柵排出后，由于液體的動能和壓能的作用，使液體繼續(xù)在靜態(tài)旋流器單體內(nèi)邊旋轉(zhuǎn)邊向下運動。由于旋轉(zhuǎn)柵到靜態(tài)旋流器單體間的過渡（即有效截面積的變化）是瞬時和突然的，所以在突出的溢流嘴外邊壁和旋轉(zhuǎn)柵下平面間必然產(chǎn)生渦流。渦流場的大小受到液體流量、旋轉(zhuǎn)柵轉(zhuǎn)速以及溢流口外表面輪廓形狀的影響。為了使流場穩(wěn)定和利于油核的排出，溢流嘴入口處可設計成外錐型（圖3-3），該漏斗形錐面，可大大緩解收油處入口的對稱收縮及渦流紊亂現(xiàn)象[7]，見圖3-3。另外溢流管外采用螺旋導流槽設計，利用螺紋隨著旋轉(zhuǎn)空心軸旋轉(zhuǎn)引導輕質(zhì)液體推往左端漏斗型錐面端，并通過該端面攔截作用將輕質(zhì)液體擠壓入溢流管。當旋流轉(zhuǎn)速越高，分離動力越大時，該擠入溢流管的壓力也就越大，分離效率越高。 漏斗形錐面 溢流管 圖3-3 溢流嘴結構原理圖 流體 溢流口插入深度 hov 對旋流器的分離效率影響較大。插入深度越小，分離效率越低，但是，插入深度越不是越深越好。許妍霞[5]通過建模分析發(fā)現(xiàn)，當插入深度為168mm時，分離效率最佳。 圖3-4 溢流管內(nèi)螺旋導流結構原理圖 本文之前提到，采用底流與溢流排出方向相反的設計容易增大溢流壓力損失，降低綜合分離效率，因此在溢流管內(nèi)也采用內(nèi)螺旋導流的設計，利用螺旋導流槽與旋轉(zhuǎn)柵芯體同步旋轉(zhuǎn)的動能，推動溢流管內(nèi)部的流體向溢流出口排出，充分補充了溢流損失的壓力，有效提高綜合分離效率。參照UN內(nèi)螺紋設計標準，設計參考圖3-4。 溢流管有效內(nèi)徑大小據(jù)分離介質(zhì)的濃度及性質(zhì)不同, 常取 ≈ 3 ~ 12 mm。 其有效內(nèi)徑大小還與操作參數(shù)的控制密切相關, 有效內(nèi)徑過大, 會把一部分水從收油口帶走, 過小則分離出的油不能全部被收集, 進而增加小分流比的控制難度。此外, 旋轉(zhuǎn)空心軸內(nèi)孔徑應適當加大, 以減小壓力損失。 圖3-5 溢流管支持軸承結構原理圖 由于溢流管主要為一種旋轉(zhuǎn)空心軸結構，并帶動旋轉(zhuǎn)柵，提供混合液進入旋流分離體之前的動能，其長度跨距較大，故需要使用雙軸承座做支撐來提高結構整體剛性（圖3-5），并且選用最常用的角接觸球軸承，接觸角為30°，且裝配時采用背對背串聯(lián)的方式，這樣便可固定轉(zhuǎn)軸并能承受兩個方向的軸向力。 3.2.3 旋流分離體結構設計 旋流體圓柱段過長，壁面阻力對旋轉(zhuǎn)動量造成較大的損失，使下游分離區(qū)不能得到足夠的旋轉(zhuǎn)動量，從而影響分離效率。在滿足結構要求的情況下，圓柱段長度越短越有利于提高分離效率。對于本設計采用的單錐旋流器，G. A. B. Young認為，錐度6°或更大一些，旋流器的分離效率較高，但6°錐度在更寬的流量范圍內(nèi)均有較好的分離效率（圖3-6）。 3.2.4 底流出口尾管結構設計 底流出口處采用平行尾管設計，可增加復合式旋流器的應用領域，使之可以進一步應用于固液分離領域，如作為沉沙口可以分離出液體內(nèi)的細固體顆粒。不過作為混合液分離器來說，尾管直徑大小對流體經(jīng)過該段的時間影響較大，從而影響分散相向中心遷移。 G. A. B. Young的研究表明，在不同的流量下，尾段直徑為 ds /D =0.25 和 ds /D =0.33 的分離效率幾乎相同，但ds /D =0.33 可在更寬的流量范圍內(nèi)提供較好的分離效率。故當D =150 mm 時，ds =50 mm。 圖3-6 旋流分離體及底流出口結構設計圖 當流體在旋流器尾段旋轉(zhuǎn)時分離繼續(xù)發(fā)生，適當增加尾段長度可以提高分離效率，尤其是對小粒徑的分離能力。但尾段過長，分離效率不會有明顯增加，Thew 的?35 mm 旋流器尾段長度由Ls /D =3 減小到Ls /D =2 ，其分離效率不變。故可得Ls =200 mm （圖3-6）。 3.3 復合式旋流器整體設計總結 復合式旋流器整體結構示意圖如3-7所示?；旌弦河扇胍呵贿M入，經(jīng)旋轉(zhuǎn)柵葉攪動加速，進入旋流分離體結構。在較快的轉(zhuǎn)速下，混合液由于內(nèi)部液體密度不均勻，在離心力的作用下被分離為輕質(zhì)液體和重質(zhì)液體。輕質(zhì)液體經(jīng)溢流管傳輸至溢流腔排出，而重質(zhì)液體經(jīng)底流尾管排出。 旋轉(zhuǎn)柵的設計是根據(jù)前人的研究經(jīng)驗采用旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)為3、柵片長度160mm、帶夾持同步筒的參數(shù)，能很好地滿足高分離效率（99%）的設計要求。 溢流管左端入口處采用內(nèi)—外螺旋導流槽設計，利用螺紋隨著旋轉(zhuǎn)空心軸旋轉(zhuǎn)引導輕質(zhì)液體推往左端漏斗型錐面端，并通過該端面攔截作用將輕質(zhì)液體擠壓入溢流管內(nèi)，同時溢流管內(nèi)的螺紋旋轉(zhuǎn)繼續(xù)推送輕質(zhì)液體前往右端溢流腔出口，當旋流轉(zhuǎn)速越高，分離動力越大時，該擠入溢流管的壓力也就越大，分離效率越高。 溢流管右端則設計了與聯(lián)軸器配合用的鍵槽，起到傳遞轉(zhuǎn)動慣量的作用；由于溢流管整體過長，為了解決溢流管剛性問題，采用了雙角接觸球軸承背對背裝配設計提高系統(tǒng)剛性。 根據(jù)單錐度旋流器設計經(jīng)驗，選擇旋轉(zhuǎn)分離體錐度為6°，這時旋流器的分離效率較高，且在更寬的流量范圍內(nèi)均有較好的分離效率。 底流尾管的設計采用了平行尾管設計，可使該復合式旋流器除了能分離混合液體之外，能進一步處理帶有細小微粒固體的漿料。尾管尺寸設計采用了ds /D =0.33 和Ls /D =3 的尺寸比例，可在更寬的流量范圍內(nèi)提供較好的分離效率，且優(yōu)選后的尾管長度對于提高分離效率，尤其是對小粒徑的分離能力是非常有益的。 圖3-6 復合式旋流器整體結構示意圖  第四章 驅(qū)動電機的選型計算 復合式旋流器使用的為直流電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)空心軸，電機轉(zhuǎn)速 n常取小于 2000 r / min，考慮到一定的安全閾值，此處設計取其最大空載轉(zhuǎn)速為1400 r / min。 4.1 轉(zhuǎn)動慣量計算 在旋轉(zhuǎn)運動中，物體的轉(zhuǎn)動慣量 J 對應于直線運動中的物體質(zhì)量。要計算系統(tǒng)在加速過程中產(chǎn)生的動態(tài)載荷，就必須計算物體的轉(zhuǎn)動慣量 J 和角加速度e，然后得慣性力矩T＝Je。物體的轉(zhuǎn)動慣量為：J = ò r 2 r × dV ，式中：dV 為體積元，r為物體密度，r 為體積元與轉(zhuǎn)軸的距離。單位：kgm2。以圓柱體為例： J=W/8(D/1000)2 （公式4-1） 式中： L——圓柱體長度，mm D——圓柱體直徑，mm 4.2 將負載質(zhì)量換算成電機輸出軸上的轉(zhuǎn)動慣量 常見傳動機構與公式如下： Jt=J1+(1/i2)J2+Js+W/gS/2π2 （公式4-2） 式中Jt——折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2——減速齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js ——溢流管轉(zhuǎn)動慣量(Kg.cm.s2) W——流體反作用力（N） S ——空心管長度（cm） 其中 J1=W(1/2X3.14XBP/1000)XGL2 4.3 計算電機輸出的總力矩M M=Ma+Mf+Mt （公式4-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 （公式4-4） 式中Ma ---電機啟動加速力矩（N.m) Jm、Jt---電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2) n---電機所需達到的轉(zhuǎn)速（r/min） T---電機升速時間（s） Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 （公式4-5） Mf---導軌摩擦折算至電機的轉(zhuǎn)矩（N.m) u---摩擦系數(shù) η---傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 （公式4-6） Mt---剪切力折算至電機力矩（N.m) Pt---最大剪切力（N） 計算所得力矩28NM 4.4負載起動頻率估算。 數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關系，其估算公式為 fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 （公式4-7） 式中fq---帶載起動頻率（Hz） fq0---空載起動頻率 Ml---起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m) 若負載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算. （5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅(qū)動負載，并留有足夠的余量。 （6）負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.2 ～0.4)Mmax. 綜上述選取直流力矩電機70LY51 3 18 0.6/1.2 3 30000 1400 18 20 80-350 4.5 一般參數(shù)的計算及相互關系 在計算力矩電機各參數(shù)時個參數(shù)之間的關系如下： 電壓與轉(zhuǎn)速成正比，電流與轉(zhuǎn)矩成正比，同一電壓下轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比；在不同電壓下計算轉(zhuǎn)速時計算方法如下： 型號 峰值堵轉(zhuǎn) 最大空載轉(zhuǎn)速(r/min) 轉(zhuǎn)矩 （N.m） 電流 (A) 電壓 (V) 功率 (W) 轉(zhuǎn)矩 （N.m） 電流 (A) 電壓 (V) 功率 (W) 70LY51 0.314 1.79 27 48.3 1400 0.1716 0.96 14.5 13.92 按上表參數(shù)計算10V時空載轉(zhuǎn)速： 計算方法如下： n=運行電壓峰值電壓×最大空載轉(zhuǎn)速=1027*1400=518 r/min 計算10V時堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： 計算方法如下： M=運行電壓峰值電壓×峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩=1027*0.314=0.1163 N.m 27V轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)矩和電流： 計算方法如下： M=1-運行電壓最大空載轉(zhuǎn)速×峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 計算方法如下： M=1-運行電壓最大空載轉(zhuǎn)速×峰值堵轉(zhuǎn)電流 M=（1-100÷1400）×0.314=0.2915N.m Ｉ=（1-100÷1400）×1.79=1.66A 已知轉(zhuǎn)矩或電流計算轉(zhuǎn)速： 計算方法如下： M=1-已知電流/轉(zhuǎn)矩峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/電流×最大空載轉(zhuǎn)速  總 結 復合式旋流器是一種將動態(tài)與靜態(tài)旋流分離技術有機結合在一起的新興旋流分離裝置，具有靜態(tài)、 動態(tài)水力旋流器的雙重優(yōu)點：分離效率高、 流場穩(wěn)定、 單根處理量增大且靈活、 液流壓力損失相對較小等。本文基于TRIZ發(fā)明問題解決理論，分析了復合式旋流器分離性能影響因素，并采用Pro/Innovator 軟件針對底流與溢流的分離技術沖突提出最終解決方案。 針對最終解決方案，本文進行了系統(tǒng)機械結構設計，優(yōu)選的設計了旋轉(zhuǎn)柵、溢流嘴、靜態(tài)旋流分離體等結構，提出了合理的電機驅(qū)動連接方式，選擇了合理的驅(qū)動電機。采用Solidworks三維制圖軟件完成了一種新型復合式旋流器的立體圖形繪制，并采用了AutoCAD繪制了二維工程圖紙。 在本次畢業(yè)設計中我學到了很多東西，如TRIZ發(fā)明問題解決理論及相應的算法和設計軟件，機械結構設計，電機的選型，二、三維制圖軟件的使用。但由于時間關系，設計中還有許多地方未能充分考慮，如電機轉(zhuǎn)速與液體分離效率的關系等，希望能在未來進一步深入探索。  參考文獻 [1] Gay J C , Bezard C , Schummer P. 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[7] 張長高. 水動力學[M]. 北京: 高等教育出版社，1993.  致 謝 本課題是在xxx老師的精心指導和熱情關懷下完成的，在此謹向?qū)煴硎咀钪孕牡母兄x和最誠摯的敬意。 本次畢業(yè)設計是在指導老師xx的細心指導下完成的。在我三個月的畢業(yè)設計中，正是他們以無私的關懷、忘我的研究精神和嚴謹?shù)膶W術作風關心影響和教導了我，將令我終身受益。從課題的開始到最后，無處不凝聚著xxx老師的心血。xxx老師在學習和生活方面給予了我極大的關心和支持。同時老師嚴謹?shù)?、科學的學術作風，前瞻的科研眼光、敏銳的思維、淵博的知識、豐富的閱歷、謙虛大度的胸懷、獨特的為人處世原則,忘我工作的奉獻精神是永遠值得我學習的。在此謹向xxx老師表示衷心的感謝！ 感謝應用技術學院的各位老師！在我四年多的求學生涯中，從學習和生活各方面給予我莫大的關懷和幫助。感謝我的大學同學,與他們共同度過這一段難忘的人生旅程，他們?yōu)槲业拇髮W生生活和畢業(yè)設計生活增添了無限色彩。 再有要感謝一起學習生活的同學們，與他們的一次次交流使我得以不斷進步和提高。 我能夠?qū)Ｐ膶W習，順利完成學業(yè)，與我的父母的培養(yǎng)、鼓勵和支持是分不開的，在此向他們表示最誠摯的感謝！ 感謝文中所引用文獻的所有作者們！再次感謝所有關心、支持和幫助過我的老師、同學和朋友們！ 23