1绪论
1.1搅拌槽设计课题的目的、意义、研究背景
1.1.1搅拌槽设计课题的目的及意义
毕业设计是为实现高职院校培养高级应用型、技术型人才培养目标和机电专业培养目标所必须的实践性教学环节。本次毕业设计通过对D1500搅拌槽的零件建模使我们熟悉了其各部分构造，并通过功率计算及关键零件的选择计算，使我们掌握了搅拌槽的的设计原则及设计过程，再经过虚拟装配，使我们初步了解了一种新的技术。虚拟装配是近年来兴起的重要研究方向之一，它从产品装配设计的角度出发，利用虚拟技术和计算机仿真技术，建立一个虚拟环境。利用它可优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短开发周期、减少开发风险、降低成本，提高装配人员的培训速度、提高装配质量和效率，解决难以用物理模型解决的技术问题。同时，通过本次设计可以强化我们对基本知识和基本技能的理解和掌握,培养我们收集资料和调查研究的能力,一定的方案比较、论证的能力,一定的理论分析与设计运算能力,进一步提高应用计算机绘图的能力以及编写编制能力。另外对培养我们独立思考问题和解决问题的能力,为今后工作做好技术储备,都具有十分重要意义。
1.1.2搅拌设备的研究背景
搅拌设备在工业生产中的应用范围很广，尤其是化学工业中，很多化工生产都或多或少地应用着搅拌操作。化学工艺过程的种种化学变化，是以参加反应物质的充分混合为前提的，对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，也往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备在许多场合是作为反应器来应用的。例如在三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器，约占反应器总数的90％.其它如染料、医药、农药、油漆等行业，搅拌设备的使用亦很广泛。有色冶金部门对全国有色冶金行业中的搅拌设备作了调查及功率测试，结果是许多湿法车间的动力消耗50％以上是用在搅拌作业上。搅拌设备的应用范围之所以这样广泛，还因搅拌设备操作条件（如浓度、温度、停留时间等）的可控范围较广，又能适应多样化的生产[6]。
搅拌设备使用历史悠久，应用范围广，但对搅拌操作的科学研究还很不够。对于搅拌设备的研究，除功率问题外，有关搅拌的流体力学研究具有重要意义。这方面已做出了许多工作，但尚需扩大和深入。在液体中进行搅拌时，搅拌器的功能不仅引起液体的整个运动，而且要在液体中产生湍动，湍动程度与搅拌器使液体旋转而产生的漩涡现象有密切关系。这些漩涡因经常地互相撞击破裂，使液体受到剧烈的搅拌。由此可见在搅拌操作中，对于流体力学理论的研究是极其重要的。搅拌操作看来似乎简单，但实际上，它所涉及的因素却极为复杂。对于搅拌器型式的选择，从工艺的观点以及力学观点来说，迄今都是研究不够的。过去有很多文献论述了搅拌设备的动力消耗，并给处了不少情况下的计算公式，但是由于使用介质操作条件的不同，物理化学性能的差异，容器形状及内部设施的不同以及各种搅拌器特性上的区别，正确确定搅拌功率并适当地选择驱动电机是十分困难的。在没有模拟试验的情况下，设计新的搅拌设备时，常采用现有设备数据的方法，宁大勿小，结果造成了不少的浪费。国内有些单位对一些生产中的搅拌设备进行了功率测试，从测试的结果可以看到，由于功率消耗难于计算准确，电动机选用过大，造成了负荷率很低的不合理现象。
1.2搅拌槽的工作原理
对于不同的介质，不同的化学反应过程，要求搅拌装置的结构和搅拌速度不同，根据
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不同的场合一般分为以下几种情况：1、液-液互溶系统的场合，一般采用低速搅拌就能足够完成，这种场合常用浆叶式搅拌装置。2、液-液互不相溶的场合，这种场合则需要强烈的上下翻滚，常用浆叶搅拌器，在釜体内加有一定形状的挡板，或采用推进式搅拌器。3、反应介质里有少量的固体且不易沉降时可采用比较缓和的搅拌，反之当反应介质或反应过程的生成物中固体较多，且容易沉降时必须采用强烈的上下的翻动的搅拌，这些搅拌均属于固-液相的搅拌系统。
1.3设计条件及内容
已知的设计条件搅拌槽直径为1500mm，搅拌介质为水，黏度40mpa.S，搅拌槽体积2.7 m3。根据以上资料，需要进行D1500搅拌槽设备各组成部分的pro/e建模同时生成工程图以及搅拌槽设备功率计算及关键零件的选择计算，最后还需利用pro/e进行搅拌槽的虚拟装配并生成爆炸图。
1.4研究方法及预期目的
通过Pro/e wildfire 3.0中的三维建模板块对D1500搅拌槽的各组成部分进行三维建模并初步生成工程图，再将生成的工程图改为dwg格式导入CAD中完成最终工程图的制作。然后查阅有关文献，进行搅拌槽功率及部分关键零件的选择计算，并查阅关于机构虚拟装配的资料，总结出正确合理的装配工艺规划，再利用Pro/e完成虚拟装配。经过上面所做的工作后，最后得到设计中的零件选择都是符合设计要求的，同时虚拟装配成功并不发生装配干涉。
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2 搅拌器安装方案确定及选用和校核
2.1搅拌装置安装方案确定
搅拌轴通常自搅拌釜顶部中心垂直插入釜内，有时也可采用侧面插入、底部伸入或侧面伸入方式，应根据不同的搅拌要求选择不同的安装方式。搅拌机和搅拌容器的典型组合形式如表2-1所示。
表2-1搅拌机和搅拌容器的典型组合形式
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 搅拌机 中心顶插式 偏心顶插式 顶插式 顶插式 底插式 斜插式 侧插式 侧插式 搅拌容器 立式圆筒形 立式圆筒形 卧式圆筒形 矩形或方釜 立式圆筒形 立式圆筒形 立式圆筒或矩形 卧式圆筒形 特点 这种形式应用最广泛；安装、操作和检修方便；可用于压力容器或常压容器；但这种形式的搅拌轴较长 这种形式应用较少，釜内无挡板时漩涡小 可插入多个搅拌机 在无压力的混凝土槽中有应用，如水处理槽、土槽等，这种形式可插入多个搅拌机 搅拌轴比较短，若与顶插式配合，可实现双速搅拌，但这种形式密封比较困难，更换是应有应急密封，这种形式应用较少 常用于3KW以下的快装式的可拆搅拌操作 在大型储油罐中有广泛应用，可插入多个搅拌机，但侧插式搅拌机密封困难，更换密封时须有应急密封 这种形式比较少见 搅拌设备按安装形式可分为： （1） 立式容器中心搅拌
将搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动或齿轮传动，用普通点电机直接连接或与减速机直接连接。从功率方面看，可从0.1kw到数百kw。但在实际应用中，常用的功率为0.2-2kw。
（2）偏心式搅拌
搅拌装置在立式容器上偏心安装，能防止液体在搅拌器附近产生“圆柱状回转区”，可以产生与加挡板时相近似的搅拌效果。搅拌中心偏离容器中心，会使液流在各点所处压力不同，因而使液层间相对运动加强，增强液层间的湍动，使搅拌效果得到显著提高。但偏心搅拌容易引起震动，一般用于小型设备上比较合适。
（3）倾斜式搅拌
为了防止涡流的产生，对简单的圆筒形或方形敞开的立式设备，可将搅拌器用夹板或卡盘直接安装在设备筒体的上缘，搅拌轴斜插入桶内。此种搅拌设备的搅拌器小型、轻便、结构简单，操作容易，应用范围广。用于药品等稀释、溶解、分解、调和及PH值的调整等。
（4）底搅拌
底搅拌设备的优点是，搅拌轴短、细、无中间轴承，可用机械密封，易维护、检修，寿命长。底搅拌轴的稳定性好，既节省材料又节省加工费，而且降低了安装要求。但其突出的问题是叶轮下部至轴封处的轴上常有固体物料粘积，时间一长，变成小团物料，混入产品中影响产品质量。
（5）旁入式搅拌
旁入式搅拌设备是将搅拌装置安装在设备筒体的侧壁上，所以轴封结构是最费脑筋的。在小型设备中，可以抽取设备内的物料，卸下搅拌装置更换轴封部分，所以搅拌装置的结构要尽量简单。旁入式搅拌一般用于防止原油贮存罐泥浆大的堆积，用于重油、汽油
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等的石油制品的均匀搅拌，用于各种液体的混合和防止沉降等。特别是大型贮槽中投入少量的功率便可以得到适当的搅拌效果，因而被广泛采用。
由于搅拌的介质是水，对混合要求不高，操作简单，故在此选用应用最广泛及安装、操作、检修方便的中心顶插式的安装方式。这种安装方式是将搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动或齿轮传动，用普通点电机直接连接或与减速机直接连接。从功率方面看，可从0.1kw到数百kw。但在实际应用中，常用的功率为0.2-2kw，以上叙述同样与设计初始条件要求吻合。
2.2搅拌器的分类
搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮等，它是机械搅拌设备的关键部件。 搅拌器的分类方法很多，主要有以下几种：
1．按搅拌桨叶结构 分为平叶、斜（折）叶、弯叶、螺旋面叶式搅拌器。桨式、涡轮式搅拌器都有平叶和斜叶结构；推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶结构。根据安装要求又可分为整体式和剖分式结构，对于大型搅拌器，往往做成剖分式，便于把搅拌器直接固定在搅拌轴上而不用拆除联轴器等其他部件（如表2-2）。
表2-2搅拌器按浆叶结构分类
叶型 搅拌器 平叶 平桨、直叶开启涡斜（折）叶 斜叶桨式、斜叶弯叶 弯叶开启涡轮、弯叶圆盘涡轮、三叶后掠式 推进式、螺杆式、螺带式 螺旋面叶 轮、直叶圆盘涡轮、开启涡轮、斜叶锚式、框式 圆盘涡轮 2．按搅拌器的用途 分为低粘流体用搅拌器、高黏流体用搅拌器。用于低粘流体的搅拌器有：推进式、桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式等。用于高黏流体的搅拌器有:锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式等（如表2-3）。
表2-3搅拌器按用途分类
黏度 低粘度流体 推进式、桨式、长薄叶螺旋桨式、开启涡轮式（平叶、斜叶、弯叶）、圆盘涡轮式（平叶、斜叶、弯叶）、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、MIG和改进MIG等 高粘度流体 锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式（单螺带、双螺带），螺杆式、螺带式 搅拌器 3．按流体流动形式 分为轴向流搅拌器和径向流搅拌器。有些搅拌器在运转时，流体既产生轴向流又产生径向流的称为混合流型搅拌器。推进式搅拌器是轴流型的代表，平 直叶圆盘涡轮搅拌器是径流型的代表，而斜叶涡轮搅拌器是混合流型的代表。
2.3搅拌器的选型
2.3.1搅拌器的流型
搅拌器的流型与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切，搅拌器的改进和新型搅拌器的开发往往从流型着手，搅拌釜内的流型主要取决于搅拌方式、搅拌器、容器形状、挡板等几何特征，以及流体性质、转速等因素，对于工业应用最多的立式圆筒搅拌机顶插式中心安装，搅拌将产生三种基本流型：
1．径流型 流体的流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成两股流体分别向上、下流动，再回到叶端，不穿过叶片形成上、下两个循环流动，见图2-1（a）。
2．轴向流 流体的流动方向垂直于搅拌轴，流体由浆叶推动，使流体向下流动，再 回到叶端、不穿过叶片形成上、下两个循环流动，见图2-1（b）
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3．切向流 无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时，液面会形成漩涡， 如图2-1（c）所示，此时流体从浆叶周围周向卷吸至浆叶区的流量很小，混合效果很差。
以上三种流型通常可能同时存在，其中轴向流与径向流对混合起主要作用，而切向流 应加以抑制，采用挡板可以削弱切向流，增加轴向流和径向流作用。
图2-1搅拌器的流型
搅拌器从电动机获得的机械能推动物料运动。搅拌器对流体产生两种作用，即剪切作用和循环作用。剪切作用于液-液搅拌体系中液滴的细化、固-液搅拌体系中固体粒子的破碎以及气-液搅拌体系中气泡的细微化相关；循环作用则与混合时间、传热、固体的悬浮等相关。
2.3.2搅拌器的选型
一个好的选型方法最好具备两个条件，一是选择结果合理，一是选择方法简便，而这两点却往往难以同时具备。由于液体的粘度对搅拌状态有很大影响，所以根据搅拌介质粘度大小来选型是一种基本的方法。
由于搅拌的介质为水，液体粘度40mPa.s=40cP，再根据浆叶的流型，在查完浆型标准后，发现径向流的三叶后掠式浆型，配合指形挡板可得上下循环流，循环量大，在挡板配合下，剪切作用也好。符合要求，故选择此浆型，其如表2-4所示。
2-4三叶后掠式浆型及其重要参数
浆型 简图 常用尺寸 dj/D?0.5 运转条件 常用介质粘度范围 6流动状态 备注 最高叶端线速度可达n=80-150rpm b/D?0.05 三叶后掠式 b/h?2/5 径流型，配< 10cp 合指形挡板可得上??30?,50? 上翘角15-20? 下循环流。15m/s 循环量大，在挡板配合下，剪切作用也好 Z=3 关于搅拌器在搅拌轴上的安装层数，一般都是从浆叶的搅动范围来考虑的。液层过高则要考虑设置多层浆叶。对于低粘度的液体如粘度小于5000cp时，径流型浆叶可搅动槽内上下范围为浆径的4倍，所以对常用的液层深度H=D时，只要一层浆叶即可。已知水的粘度小于5000cp且三叶后掠式浆叶为径流型，从上表可知其浆直径与槽体直径之比为0.5，
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