基于TRIZ的復(fù)合式旋流器創(chuàng)新設(shè)計及實驗工藝分析【一種新型的油水分離設(shè)備】【說明書+CAD+SOLIDWORKS】
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基于TRIZ的復(fù)合式旋流器創(chuàng)新設(shè)計說明書
摘 要
本文介紹了一種新型的油水分離設(shè)備——復(fù)合式旋流器，并基于發(fā)明問題解決任務(wù)理論（TRIZ），對復(fù)合式旋流器的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了分析及優(yōu)化創(chuàng)新。
復(fù)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(fù)合式旋流器的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)合式旋流器的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了分析，并采用ARIZ發(fā)明問題解決算法對復(fù)合式旋流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計，最終獲得解決了技術(shù)矛盾，并具有創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)布局方案。
關(guān)鍵字：TRIZ；復(fù)合式旋流器；分離性能；結(jié)構(gòu)優(yōu)化
目 錄
摘 要 1
關(guān)鍵字 1
第一章 緒 論 1
1.1 復(fù)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(shè)計流程 5
2.1 TRIZ解決過程和解決工具 5
2.2 復(fù)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(fù)合式旋流器結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
3.1 影響旋流器工作的參數(shù) 9
3.1.1 關(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù) 9
3.1.2 關(guān)于操作參數(shù) 10
3.2 復(fù)合式旋流器結(jié)構(gòu)元件設(shè)計 10
3.2.1 旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.2.2 溢流管結(jié)構(gòu)設(shè)計 11
3.2.3 旋流分離體結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
3.2.4 底流出口尾管結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
3.3 復(fù)合式旋流器整體設(shè)計總結(jié) 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(fù)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(fù)載起動頻率估算。 17
4.5 一般參數(shù)的計算及相互關(guān)系 18
總 結(jié) 20
參考文獻(xiàn) 21
致 謝 22
第一章 緒 論
1.1 復(fù)合旋流器介紹
復(fù)合式水力旋流器是一種將動態(tài)與靜態(tài)旋流分離技術(shù)有機結(jié)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(fù)合式旋流器示意圖
復(fù)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(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(dāng)人們進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題時，是否有可遵循的科學(xué)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(shù)難題呢？答案是肯定的！Altshuller發(fā)現(xiàn)任何領(lǐng)域的產(chǎn)品改進(jìn)、技術(shù)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(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計并能預(yù)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(lǐng)導(dǎo)下，前蘇聯(lián)的研究機構(gòu)、大學(xué)、企業(yè)組成了TRIZ的研究團(tuán)體，分析了世界近250萬份高水平的發(fā)明專利，總結(jié)出各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化遵循的規(guī)律模式，以及解決各種技術(shù)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(shù)，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(xué)科領(lǐng)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(xué)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(lǐng)域，對該領(lǐng)域已產(chǎn)生了重要的影響。
21世紀(jì)，每個國家都不可能離開全球市場而獨立發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)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(biāo)：2020年建成創(chuàng)新型國家，使科技發(fā)展成為經(jīng)濟(jì)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?，F(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(xué)方法，如多屏幕法等；而對于復(fù)雜問題的分析，則包含了科學(xué)的問題分析建模方法——物-場分析法，它可以幫助快速確認(rèn)核心問題，發(fā)現(xiàn)根本矛盾所在。
2.技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則
針對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化演變規(guī)律，在大量專利分析的基礎(chǔ)上TRIZ理論總結(jié)提煉出八個基本進(jìn)化法則。利用這些進(jìn)化法則，可以分析確認(rèn)當(dāng)前產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)，并預(yù)測未來發(fā)展趨勢，開發(fā)富有競爭力的新產(chǎn)品。
3.技術(shù)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(shù)矛盾，可以基于這些創(chuàng)新原理、結(jié)合工程實際尋求具體的解決方案。
4.創(chuàng)新問題標(biāo)準(zhǔn)解法
針對具體問題的物-場模型的不同特征，分別對應(yīng)有標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜，矛盾及其相關(guān)部件不明確的技術(shù)系統(tǒng)。它是一個對初始問題進(jìn)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(xué)、幾何學(xué)等工程學(xué)原理而構(gòu)建的知識庫
基于物理、化學(xué)、幾何學(xué)等領(lǐng)域的數(shù)百萬項發(fā)明專利的分析結(jié)果而構(gòu)建的知識庫可以為技術(shù)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(xué)研究領(lǐng)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(jìn)一步完善與發(fā)展，以及與其它先進(jìn)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(shù)和創(chuàng)新問題求解的理論與方法基礎(chǔ)。經(jīng)過半個多世紀(jì)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(yīng)用領(lǐng)域也從工程技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)行系統(tǒng)思維，根據(jù)技術(shù)進(jìn)化規(guī)律預(yù)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(fù)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(fù)合式旋流器的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)合式旋流器的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了分析，并采用ARIZ發(fā)明問題解決算法對復(fù)合式旋流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計，最終獲得解決了技術(shù)矛盾，并具有創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)布局方案。
第二章 TRIZ設(shè)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(shù)進(jìn)化原理。按這一原理，技術(shù)系統(tǒng)一直處于進(jìn)化之中，解決沖突是其進(jìn)化的推動力。進(jìn)化速度隨技術(shù)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)解（TRIZ Standard Techniques）。
在利用TRIZ解決問題的過程中，設(shè)計者首先將待設(shè)計的產(chǎn)品表達(dá)成為TRIZ問題，然后利用TRIZ中的工具，如發(fā)明原理、標(biāo)準(zhǔn)解等，求出該TRIZ問題的普適解或稱模擬解（Analogous solution）；最后設(shè)計者在把該解轉(zhuǎn)化為領(lǐng)域的解或特解。
阿利赫舒列爾和他的TRIZ研究機構(gòu)50多年來提出了TRIZ系列的多種工具，如沖突矩陣、76標(biāo)準(zhǔn)解答、ARIZ、AFD、物質(zhì)--場分析、ISQ、DE、8種演化類型、科學(xué)效應(yīng)、40個創(chuàng)新原理，39個工程技術(shù)特性，物理學(xué)、化學(xué)、幾何學(xué)等工程學(xué)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(guān)系（效應(yīng)）、沖突和技術(shù)進(jìn)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(chǔ)，從而為TRIZ的實際應(yīng)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(fù)合式旋流器分離性能分析
設(shè)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(jìn)旋流供液結(jié)構(gòu)與優(yōu)選分離配置形式方案設(shè)計, 不僅可改進(jìn)靜、 動態(tài)水力旋流器自身結(jié)構(gòu)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(fù)合式旋流器工作時，底流背壓不足將導(dǎo)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(gòu)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)器結(jié)構(gòu), 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(jié)構(gòu)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(fù)合式旋流器結(jié)構(gòu)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(shù)沖突進(jìn)行分析。
l 技術(shù)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(shù)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(jìn)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(gòu)。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(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)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(shè)計，確保流場穩(wěn)定性好，同時采用附加結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(dǎo)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(gòu)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(fù)合式旋流器的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
第三章 復(fù)合式旋流器結(jié)構(gòu)設(shè)計
復(fù)合式旋流器作為一種新型的液體分離設(shè)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(shè)備優(yōu)劣的主要考核指標(biāo)。分離效率的高低則主要與以下工作參數(shù)有關(guān)。
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(shè)備結(jié)構(gòu)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(jìn)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(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù)
有影響的結(jié)構(gòu)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(jié)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(luò)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(luò)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(dāng)插入深度為168mm時，分離效率最佳。
3.1.2 關(guān)于操作參數(shù)
主要是指混合液濃度和入口壓力?；旌弦簼舛雀?，將導(dǎo)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(fù)合式旋流器結(jié)構(gòu)元件設(shè)計
3.2.1 旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)設(shè)計
旋轉(zhuǎn)柵固定于空心軸外側(cè), 對液流起加速導(dǎo)旋作用，是關(guān)鍵的液體導(dǎo)旋件。旋轉(zhuǎn)柵之所以可以影響到復(fù)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(jìn)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(shè)計呈橢球形導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(fù)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(jìn)行試驗分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)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(shè)計要求。圖3-1是旋轉(zhuǎn)柵處局部結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3-1旋轉(zhuǎn)柵處局部結(jié)構(gòu)原理圖
3.2.2 溢流管結(jié)構(gòu)設(shè)計
整體的溢流管設(shè)計，主要根據(jù)傳統(tǒng)的溢流管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，具體示意圖如3-2所示。
圖3-2 溢流管結(jié)構(gòu)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(dāng)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(shè)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(dǎo)流槽設(shè)計，利用螺紋隨著旋轉(zhuǎn)空心軸旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(dāng)插入深度為168mm時，分離效率最佳。
圖3-4 溢流管內(nèi)螺旋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)原理圖
本文之前提到，采用底流與溢流排出方向相反的設(shè)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(dǎo)流的設(shè)計，利用螺旋導(dǎo)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)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(guān), 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(jìn)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(yīng)適當(dāng)加大, 以減小壓力損失。
圖3-5 溢流管支持軸承結(jié)構(gòu)原理圖
由于溢流管主要為一種旋轉(zhuǎn)空心軸結(jié)構(gòu)，并帶動旋轉(zhuǎn)柵，提供混合液進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計采用的單錐旋流器，G. A. B. Young認(rèn)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(jié)構(gòu)設(shè)計
底流出口處采用平行尾管設(shè)計，可增加復(fù)合式旋流器的應(yīng)用領(lǐng)域，使之可以進(jìn)一步應(yīng)用于固液分離領(lǐng)域，如作為沉沙口可以分離出液體內(nèi)的細(xì)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(dāng)D =150 mm 時，ds =50 mm。
圖3-6 旋流分離體及底流出口結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
當(dāng)流體在旋流器尾段旋轉(zhuǎn)時分離繼續(xù)發(fā)生，適當(dāng)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(fù)合式旋流器整體設(shè)計總結(jié)
復(fù)合式旋流器整體結(jié)構(gòu)示意圖如3-7所示?；旌弦河扇胍呵贿M(jìn)入，經(jīng)旋轉(zhuǎn)柵葉攪動加速，進(jìn)入旋流分離體結(jié)構(gòu)。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(shè)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(shè)計要求。
溢流管左端入口處采用內(nèi)—外螺旋導(dǎo)流槽設(shè)計，利用螺紋隨著旋轉(zhuǎn)空心軸旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)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(dāng)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(shè)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(shè)計提高系統(tǒng)剛性。
根據(jù)單錐度旋流器設(shè)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(shè)計采用了平行尾管設(shè)計，可使該復(fù)合式旋流器除了能分離混合液體之外，能進(jìn)一步處理帶有細(xì)小微粒固體的漿料。尾管尺寸設(shè)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(fù)合式旋流器整體結(jié)構(gòu)示意圖
第四章 驅(qū)動電機的選型計算
復(fù)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(shè)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(yīng)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(fù)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(gòu)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(fù)載慣量(Kg.cm.s2)
n---電機所需達(dá)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(dǎo)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(fù)載起動頻率估算。
數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)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(fù)載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進(jìn)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(yīng)能驅(qū)動負(fù)載，并留有足夠的余量。
（6）負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax。負(fù)載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進(jìn)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(yīng)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(guān)系
在計算力矩電機各參數(shù)時個參數(shù)之間的關(guān)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(jié)
復(fù)合式旋流器是一種將動態(tài)與靜態(tài)旋流分離技術(shù)有機結(jié)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(fù)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(shù)沖突提出最終解決方案。
針對最終解決方案，本文進(jìn)行了系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)選的設(shè)計了旋轉(zhuǎn)柵、溢流嘴、靜態(tài)旋流分離體等結(jié)構(gòu)，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(fù)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(shè)計中我學(xué)到了很多東西，如TRIZ發(fā)明問題解決理論及相應(yīng)的算法和設(shè)計軟件，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，電機的選型，二、三維制圖軟件的使用。但由于時間關(guān)系，設(shè)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(guān)系等，希望能在未來進(jìn)一步深入探索。
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致 謝
本課題是在xxx老師的精心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的，在此謹(jǐn)向?qū)煴硎咀钪孕牡母兄x和最誠摯的敬意。
本次畢業(yè)設(shè)計是在指導(dǎo)老師xx的細(xì)心指導(dǎo)下完成的。在我三個月的畢業(yè)設(shè)計中，正是他們以無私的關(guān)懷、忘我的研究精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)關(guān)心影響和教導(dǎo)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(xué)習(xí)和生活方面給予了我極大的關(guān)心和支持。同時老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、科學(xué)的學(xué)術(shù)作風(fēng)，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(xiàn)精神是永遠(yuǎn)值得我學(xué)習(xí)的。在此謹(jǐn)向xxx老師表示衷心的感謝！
感謝應(yīng)用技術(shù)學(xué)院的各位老師！在我四年多的求學(xué)生涯中，從學(xué)習(xí)和生活各方面給予我莫大的關(guān)懷和幫助。感謝我的大學(xué)同學(xué),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(xué)生生活和畢業(yè)設(shè)計生活增添了無限色彩。
再有要感謝一起學(xué)習(xí)生活的同學(xué)們，與他們的一次次交流使我得以不斷進(jìn)步和提高。
我能夠?qū)Ｐ膶W(xué)習(xí)，順利完成學(xué)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(xiàn)的所有作者們！再次感謝所有關(guān)心、支持和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們！
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