0022-倒伞型曝气机设计【三维SW模型+说明书】
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  • 摘要
    随着人们对环境保护认识的逐渐加强,对水质的要求也越来越高,污水处理技术也成为广大专家和学者所重视。在污水处理中,生化处理法是众多方法中经济且有效的方法之一倒伞型曝气机是污水生化处理法中为处理污水提供足够溶氧和推流作用的关键设备。由于倒伞型曝气机工作环境恶劣、工作时间长(24h/天)、主轴跨距大、设备复杂,因此维护不方便;针对倒伞型曝气机出现的常规问题,对倒伞型曝气机的主要部件进行了结构优化,并对曝气机的主要部件进行了强度、刚度、热变形和稳定性校核,对主轴和叶轮进行了简单的有限元分析,以直观地显示其强度、刚度是否满足要求,从而提高了倒伞型曝气机的曝气效率和使用寿命,也提高了倒伞型曝气机的性能,且优化了倒伞型曝气机的结构,使得曝气机的装拆变得简单,减少了维护工作量,降低了维护难度和费用,提高了倒伞型曝气机的适应性,有助于倒伞型曝气机的推广使用。

    关键词:倒伞曝气机 结构优化 曝气效率
    Abstract
    With the increasing recognizant of environmental protection, quality of water is increasingly higher and higher;the experts take wastewater treatment technology into account. It was one of the powerful ways to use biochemical treatment in wastewater treatment. Aeration reactor is the key facility to supply adequacy-dissolved oxygen for process-polluted water in ways of biochemical sewage treatment.Since inverted umbrella aerator poor working conditions, long working hours (24h / day), spindle span large, complex equipment, so maintenance is not convenient.To solve general questions found in inverted umbrella aerators ,the main components of inverted umbrella aerators should be optimized.And aerators were the main components of strength, stiffness, heat distortion and stability check on the spindle and the impeller of a simple finite element analysis to visually display its strength, stiffness meets the requirements, thus improving the pour umbrella aerator aeration efficiency and service life, but also improve the inverted umbrella aerator performance.Because inverted umbrella aerator structure have been optimized, it makes it easy assembly and disassembly aerators, reducing the maintenance workload, reducing the difficulty and cost of maintenance, improved inverted umbrella aerator adaptability, there inverted umbrella help promote the use of aerators.

    Keywords: inverted umbrella aeration;structure optimization;
    aeration efficiency

    目 录
    1. 绪论 5
    1.1前言 5
    1.1.1 我国污水处理的现状和改进曝气装备的必要性。 5
    1.1.2、优化曝气机的目的 5
    1.1.3、改进曝气机的意义 6
    1.2曝气机发展简史 6
    1.3 倒伞型曝气机的应用 7
    1.4 本文研究内容 7
    2、曝气机工作原理 8
    2.1.2潜水曝气机(立式) 8
    2.1.3转碟曝气机(水平轴) 9
    2.1.4倒伞曝气机(竖直轴) 9
    2.2曝气机的结构及工作原理分析 11
    2.2.1曝气机的结构 11
    2.2.2 倒伞形曝气机工作原理 11
    2.2.3 曝气池结构要求 12
    3.倒伞形曝气机工作条件和工作特性 12
    3.1 主轴挠度 12
    3.2 主轴轴向伸缩量 12
    3.3轴向力 13
    3.4轴承布置 13
    3.5叶轮叶片 13
    4.倒伞型曝气机的优化设计 14
    4.1 主轴 14
    4.2 联轴器 15
    4.3 轴承布置 16
    4.4 叶轮叶片 16
    5.曝气机强度校核 18
    5.1曝气机主轴校核 18
    5.1.1曝气机主轴强度校核 18
    5.1.2曝气机主轴刚度校核 19
    5.1.3 曝气机主轴压杆稳定性校核 20
    5.2曝气机调心滚子轴承寿命校核 21
    5.3曝气机联轴器强度校核 22
    5.4 曝气机键连接强度校核 23
    5.4.1电机与联轴器键连接强度校核计算 23
    5.4.2联轴器与主轴键连接强度校核计算 24
    5.4.3主轴与叶轮键连接强度计算 24
    6.倒伞型曝气机的有限元分析 24
    6.1 曝气机主轴的有限元分析 25
    6.2倒伞型曝气机叶轮有限元分析 27
    7.致谢词 34
    8. 参考文献 34





















    1. 绪论
    随着城市化进程的加快,生活中各种污水的排放也越来越多,与此同时,污水的处理愈来愈成为广为关注的问题,而怎样提高污水处理的效率,成为污水处理中的一个关键性的问题。现今,曝气污水处理系统的应用越来越广泛,而曝气效率则成为曝气污水处理系统效率的重要指标,曝气效率又由曝气机直接决定,因此,曝气机效率是曝气系统污水处理效率的关键指标。为提高曝气机的曝气效率,本文比较分析了几种具有代表性的曝气机,分别分析其优劣和应用范围,并利用现有高曝气效率的理论,设计出一种具有高曝气效率的新型倒伞型曝气机,并针对曝气机出现的常规问题,对曝气机的主要部件进行结构优化、强度校核计算、刚度校核计算、热变形校核计算和优化分析,从而提高曝气机的质量和使用寿命,使曝气机的装拆简单,成本降低,减少了日常维护量。
    1.1前言
    1.1.1 我国污水处理的现状和改进曝气装备的必要性。
    经过改革开放这些年的发展,我们国家积累了较为雄厚的物质技术条件,人民生活条件逐年提高,我国与世界的联系日趋紧密,综合国力不断提升,我国发展对世界发展的作用和影响不断提高,国际地位显著提升。但随之而来的是我国人口不断增加,资源日益匮乏,环境污染越来越严重,环境问题日趋严峻。在我国,一般的城市污水处理处理场所大多由提升泵房、过滤间、投药间、鼓风机房、污水脱泥间、雨水泵站等组成,工业、生活污水经处理后,达到国家排放标准后方可排放。
    活性污泥法是最常见的污水生物处理方法,由厌氧池出来的废水与回流的活性污泥同时进入曝气池,曝气池是一个生物反应器,通过曝气设备充入空气,经过曝气,活性污泥呈悬浮状态,并与废水充分接触。废水中的悬浮固体和胶状物质被活性污泥吸附,非溶解性有机物需先转化成溶解性有机物,而后才被代谢和利用;而废水中的可溶性有机物质被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的营养,代谢转化为生物细胞,大部分有机物氧化成为最终产物(主要是二氧化碳 和水),废水由此得到净化。在二次沉淀池内,活性污泥与已被净化的废水分离,处理水排放,活性污泥在污泥区内浓缩,并以较高的浓度回流曝气池。活性污泥中微生物所需的氧常通过鼓风曝气供给。曝气的目的一是供给微生物新陈代谢所需的氧量,二是使污泥与废水充分混合,达到搅拌的目的。
    1.1.2 优化曝气机的目的
    曝气系统必须进行控制,因为曝气系统如果操作不当,曝气量过小,二次沉淀池可能由于缺氧而发生污泥腐化,即池底污泥厌氧分解,产生大量气体,促使污泥上浮。当曝气时间长或曝气量过大时,在曝气池中将发生高度硝化作用,使混合液中硝酸盐浓度较高。
    曝气量的分布是否均衡和稳定也是影响处理效果和能耗的一个重要原因。在曝气系统运行时,由于种种干扰,曝气量的分布会发生变化,比如,一个地方曝气头堵塞,气体流量会减少,同时,也会造成其它地方流量增大,相反,曝气头破损,气体流量会大增,同时会造成其它地方流量锐减。这些都会使生物反应不平衡,处理质量下降。为达到处理效果,不得不调整曝气量,而此时某一点的溶解氧的变化亦不能准确反映生物池的处理状态,使得以溶解氧为指标的控制变得不稳定,能耗增加。
    曝气机的寿命和质量对曝气系统的影响很大,在曝气系统中,曝气机是曝气系统的核心设备,所以一旦曝气机有所耗损,曝气系统则必须停止运行,对曝气机进行整修,而曝气系统往往24h运行,一旦停止运作,将对污水处理产生重大影响,所以如何优化曝气机结构,提高曝气机的质量和寿命至关重要。
    针对曝气系统上诉弊端,必须对曝气机进行优化,以改善其性能。
    1.1.3 改进曝气机的意义
    尽管曝气机能够高效溶氧,运转无噪音,系统简单、性能可靠,易安装、维护方便等优点,但是常规曝气机仍然有其弊端,进行曝气机的优化设计,是针对曝气机出现的常规问题,对曝气机进行优化设计,并对曝气机主要部件进行必要的强度分析、刚度分析、热力分析和稳定性分析,以解决曝气系统出现的常规问题,提高曝气机曝气效率、质量和使用寿命,并使曝气机装拆方便,运行可靠,降低成本,提升曝气机的适应性。
    1.2 曝气机发展简史
    早先,污水处理普遍使用原始的开孔型曝气器,如扩散板、穿孔管等,此类曝气设备充氧性能一般,而且阻力大,一旦堵塞,阻力更会急剧增加,其充氧性能就会明显降低。后来,人们的注意力开始转向空气释放器的研究,逐渐开发了螺旋式曝气器和伞形曝气器,此类曝气器仍属于大气泡曝气器,在70年代曾经普遍应用于工业废水的生物处理。
    80年代,受世界性能源危机的警示,人们开始重视节能并提高曝气设备的充氧性能。刚玉和钛板的中微孔曝气器就是在这一段时间内诞生的,由于其性能较之老式大孔曝气器有了较大提高,因此一经推出便迅速获得广泛的应用、占领了国内环保市场。
    90年代,国外新研发的可张孔橡胶膜微孔曝气器(曝气管)及钟罩式微孔曝气器相继进入我国,又逐步取代了刚玉和钛板的中微孔曝气器,在国内污水处理厂和工业废水设施得到普遍应用。此类曝气器,氧转移系数、氧利用率、动力效率得到很大提高,具有优良的充氧性能,但阻力大,易损坏,使用寿命短,维护修理非常麻烦,尤其是能耗相当高。
    从90年代开始,我国污水处理所使用的曝气设备,除了采用鼓风压气、微孔曝气器扩散的底部曝气形式外,还有鼓风压气射流曝气。机械曝气设备中,除自吸式潜水曝气机、泵类曝气机 等动态曝气装置外,应用最多的就是旋转型曝气机。旋转型曝气机分为两种类型,一种是卧轴(横 轴)式,如:转刷型机械表面曝气机、转碟型机械表面曝气机,另一种是立轴(竖轴)式的机械 曝气机。
    其中立轴式机械曝气机又分不同类型,一类是电机及变速机构都潜沉在水底,通过叶轮旋转产生负压,自吸气体进入水中混合的潜水型立轴曝气机;另一类是电机及变速机构在上,叶轮在 水面的分体式叶轮型机械表面曝气机;在传统的立轴式叶轮曝气机行列中,其传动原理或结构差 异不大,但叶轮结构形式又分泵(E)型叶轮、开(K)型叶轮、平板叶轮和倒伞型叶轮等。此外,还有一个类型是通过水泵吸水、注入水射器,形成喷射挟气的泵叶轮型旋转射流曝气机。
    上述各种类型的曝气机都是为了相同的目的,起着同一个作用,并且全都需要大量电能供它们消耗转换,方能达到一定的充氧曝气的效果,它们在运行中的充氧效果各有千秋,但其能耗普遍较高。
    毋庸置疑,即使有再髙级的设备而缺乏可行的工艺去应用,设备发挥不了相应的作用。反之,即使最好的污水治理工艺,如果没有相应的设备用以保证工艺实施,也达不到工艺要求。在污水处理行业,需要接受挑战的是与先进工艺相适应的高效节能的曝气设备。

    1.3 倒伞型曝气机的应用
    倒伞曝气机工作时,曝气池中的污水在叶轮的旋转推进作用下,自叶轮边缘甩出,形成水幕,裹进大量的空气;叶轮由下向上呈锥型扩大,使污水上下循环流动,污水充分混合,液面不断被更新;叶轮上表面面因水的流动形成负压,吸入空气,故污水能与空气进行大面积混合,氧气迅速溶入污水中,完成对污水的充氧作用,进而待到了净化效果,同时,强大的动力带动了大量水体流动,从而实现推流作用。
    1.4 本文研究内容
    利用三维建模软件建立曝气机的三维模型,针对现存曝气机出现的常规问题对模型进行动力分析、热力分析、强度校核、挠度校核和结构优化,利用CAE软件生成曝气机总装配工程图。
    1、了解倒伞形曝气机结构、工作原理,利用SOLIDWORKS建立倒伞型曝气机的三维模型。
    2、利用现有理论,针对倒伞型曝气机出现的常规问题,对曝气机主要部件进行结构优化设计,对曝气机进行必要的强度校核、刚度校核、热变形校核和稳定性校核,并利用SOLIDWORKS SIMULATION插件对曝气机主要部件进行简单的有限元分析。
    3、生成曝气机总装配工程图,制作曝气机模型爆炸视频,曝气机模型爆炸解除视频和曝气机正常工作运行视频。

    2、曝气机工作原理
    2.1国内一些具有代表性的曝气机产品及其优缺点
    2.1.1表面曝气机(立式)
    它的主要结构如图1.1所示,其中图中标号:1-电机,2-叶轮,3-浮块,4-叶轮罩,5-导流管,6-平衡板,7-叶轮轴,8-下连接盘,9-上连接盘,10-连接螺栓。表面曝气机工作时置于水中,电机位于水面以上,叶轮下半部分位于水下,电机直接带动叶轮作高速旋转,由于高速运转产生负压,使污水池中具有活性物质的污水,不断地由导流管下部吸入,在叶轮作用下向上提升,并从上下连接盘间呈抛物线形喷出,形成水幕,把大量的空气带入水中,达到高效增氧的目的。

    表面曝气机的优点是结构简单,工作可靠,维修方便;缺点是曝气效果主要局限于上层水面,气泡化不明显,曝气效率不高,不能进行深层曝气。
    2.1.2潜水曝气机(立式)
    它的主要结构如图1.2,其中图中标号:1-潜水电机,2-泵壳,3-叶轮,4-动力输出轴,5-负压罩,6-进气管,7-进水导向漏斗,8-基座,9-出水口,10-入水口。潜水曝气机工作时,水下的潜水电机旋转带动离心的叶轮,通过进气管从外界吸入空气溶入水中。叶轮转动时周围的水通过出水口流到周围水域中,周围水域的水又通过进水导向漏斗和入水口流到叶轮周围,在这个过程中使空气溶入到水中。
    潜水曝气机的优点是:结构简单,维修方便,气泡砕化效果好,曝气效率高;缺点是:只能用于专门的污水处理池曝气,对于软质的河床、池塘等不宜使用潜水曝气。

    2.1.3转碟曝气机(水平轴)
    它的主要结构如图1.3,,其中图中标号:1-曝气盘,2-空心转轴,3-齿轮式减速电动机,4-联轴器,5-轴承座。转碟曝气机工作时,电动机带动支撑在轴承座上的空心转轴和曝气盘转动,曝气盘有一部分侵入在水中,通过转动使水域中的水借助曝气盘甩向空中,使水和空气进行混合,曝气盘的转动也推动附近水域的流动。

    转碟曝气机的优点是:结构简单,服务面积大,气泡碎化效果好;缺点是:安装不方便,只能用于专门的污水处理池,无法在河流、池塘、湖泊中应用,曝气效果主要局限于上层水中,无法在深层水域曝气。

    2.1.4倒伞曝气机(竖直轴)
    倒伞曝气机结构如图1.4所示,其中图中标号:1-电动机,2-联轴器,3-减速箱,4-润滑系统,5-升降平台,6-地基平面,7-静水面,8-到伞座,9-叶轮。倒伞曝气机由机械动力驱动旋转,叶轮上均布的叶片环向推流甩水,但是到目前为止,包括美国、德国和荷兰在内的发达国家生产的倒伞曝气机的传动机构、叶轮形状、安装方式及动力效果几乎都徘徊在原有水平,未曾有大的突破。由于搅拌叶片基本都是采用大角度倒锥、宽叶片直辐布置,相应的搅拌和提升能力较弱,完全依靠平推能力是不可能完全阻止无你在氧化沟中的沉降的。只有在处理水域的周边形成辐射循环,并形成水域的上下循环,才能更好的使空气中的氧溶入水中,让有机物、微生物和氧之间充分混合、接触,从而达到净化的目的。











    要想更好地实现叶轮四周和平行于叶轮轴的推流,形成更大的空穴,挟裹更多的空气进入,并且使气泡碎化,需要不等变径并按照一定规律排列的弧面叶片组合。根据现有理论研究的结果,变径曲面弧形叶片,按照非等变角对数螺旋线升序排列,具有更为优越的推流搅拌能力,由于叶片的流体特性,能形成载流体的旋流和喷射,从而拥有更加优良的充氧曝气性能,并且这种组合也有利于降低功率的损耗。
    2.2曝气机的结构及工作原理分析
    2.2.1曝气机的结构





    2.2.2 倒伞形曝气机工作原理
    倒伞形曝气机结构如图1.5所示,其主要组成部分:由电动机、减速器(根据需要可有可无)、机座、传动件和叶轮;此外还有密封系统,润滑系统。倒伞曝气机工作时,曝气池中的污水在叶轮的旋转推进作用下,自叶轮边缘甩出,形成水幕,裹进大量的空气;叶轮由下向上呈锥型扩大,使污水上下循环流动,污水充分混合,液面不断被更新;叶轮上表面面因水的流动形成负压,吸入空气,故污水能与空气进行大面积混合,氧气迅速溶入污水中,完成对污水的充氧作用,进而待到了净化效果,同时,强大的动力带动了大量水体流动,从而实现推流作用。
    2.2.3 曝气池结构要求
    普通曝气池:可合建、分建圆形或方形的曝气池,形式和尺寸由设计者自行决定。

    建议:
    圆形池:叶轮直径与池直径之比为1∶4.5~7,宜取中值。
    方形池:叶轮直径与池边长之比为1∶4~7,宜取中值。
    水深小于叶轮直径的3倍,一般取叶轮直径的1.5倍。
    完全混合型曝气池所需功率密度一般不宜小于25W/m3。
    氧化沟:沟宽约为叶轮直径的2.2~2.4倍,宜取中值;沟深约为沟宽的0.5倍。氧化沟功率密度应不小于15W/m3,合适功率为20W/m3。

    注意:
    1.氧化沟内不宜设置立柱。如需设置,立柱至叶轮边缘的距离应大于叶轮直径且为圆柱。
    2.氧化沟中间隔墙至叶轮边缘间距以0.04~0.08倍叶轮直径为宜。
    3.曝气机处如未设置导流墙,倒伞叶轮的中心距应向出水方向偏0.08~0.1被叶轮间距为宜。
    4.机座底面距设计水面应大于400mm。

    3.倒伞形曝气机工作条件和工作特性
    倒伞形曝气机安装在户外,工作时间为24h/天,且需保持联系运转,其主轴跨距较大,工作环境恶劣,维修维护不方便。
    3.1 主轴挠度
    主轴跨度大,易产生挠曲变形。当主轴发生挠曲变形时,设备的工作负荷相应增大,同时在联轴器及轴承座密封处产生角度位移,从而影响联轴器的正常工作、轴承的使用寿命和密封效果,为保证设备的正常运行,其挠度应控制在一定范围内,一般要求主轴挠度为1/1000——1/500(mm)。
    3.2 主轴轴向伸缩量
    倒伞型曝气机安装于户外,当环境温度发生变化时,因热胀冷缩的影响,曝气机主轴的轴向尺寸会发生改变。环境温度变化范围取值为-20℃~+50℃,主轴轴向伸缩量按式(1)计算:
    (1)
    式中 α——线膨胀系数,11.5× m/(m·℃);
    L——主轴长度,L=850mm;
    T——环境温度变化量,℃。
    经计算主轴轴向伸缩量 L=0.685mm。
    3.3轴向力
    曝气机安装在氧化沟中,污水在曝气机的作用下在氧化沟中循环流动,因氧化沟渠道近似为环形,水流方向与曝气机叶片形成一定角度,水流对曝气机叶片将产生冲击形成轴向力,因叶轮面积很大,使得叶轮受力面积很大(叶轮直径800mm,工作水深1200mm),所产生的轴向力最大取5000N。
    3.4轴承布置
    倒伞型曝气机一般选用圆锥滚子轴承和轴端止推轴承配合,以满足主轴定心和承受轴向力的要求,特别是倒伞型曝气机功率很大时,叶轮、叶片直径也会很大,相应的轴向力也很大,采用此种轴承配合方式应是比较合理的。但是,因倒伞形曝气机主轴比较长,挠曲变形发生的可能性也比较大;而且因轴承跨距大,对轴承座孔的对中性和轴承的装配要求很高,从而对加工精度和装配精度有更高要求,进而提高了设备的成本,增加了设备生产周期。
    轴承座采用骨架橡胶密封,因加工、主轴挠度及安装误差,在曝气机运转时有角度偏差,造成橡胶密封圈与轴偏心,此时密封圈与轴之间的弹性变形减小、消失或者产生间隙,造成密封性能不佳,润滑油渗漏,或者杂质进入轴承做内,影响轴承使用寿命。
    3.5叶轮叶片
    由于搅拌叶片基本都是采用大角度倒锥、宽叶片直辐布置(如图3.1),相应的搅拌和提升能力较弱,完全依靠平推能力是不可能完全阻止无你在氧化沟中的沉降的。只有在处理水域的周边形成辐射循环,并形成水域的上下循环,才能更好的使空气中的氧溶入水中,让有机物、微生物和氧之间充分混合、接触,从而达到净化的目的。而且如此设计的叶片曝气效率也不甚理想,溶氧率也不高,其在现实生活中的应用范围也越加受到限制。




    图3.1 一般叶轮结构
    4.倒伞型曝气机的优化设计
    4.1 主轴
    对于倒伞型曝气机主轴,一般选用无缝钢管,材质为45钢;但是本文论述的曝气机结构比较小,主轴直径也较小,若选用无缝钢管,在通过键连接传递动力时,传力效果不佳,且易损坏主轴,故此选用实心轴,材料选为45钢。45钢综合力学性能都比较好,能较好的满足主轴挠度要求和机械性能要求。


    图4.1 主轴结构图
    4.2 联轴器
    根据工作条件,联轴器需满足如下要求:容许因倒伞型曝气机装配误差和主轴挠曲变形产生的角度偏差,可承受水流对叶轮产生的轴向力(+5000N),可传递工作扭矩,并具有2倍的安全裕度。
    鼓形齿联轴器:鼓形齿联轴器的内齿半联轴器与减速机输出轴通过平键连接,并传递扭矩。调心滚子轴承的内圈通过锁紧螺母固定于减速机输出轴,并将内齿半联轴器轴向定位。鼓形齿联轴器的外齿半联轴器固定于调心滚子轴承外圈,并与内齿半联轴器啮合。主轴通过法兰与联轴器外齿半联轴器相连。鼓形齿联轴器的内外齿均加工成鼓形齿,允许内外齿联轴器在一定角度偏差内啮合运转,工作扭矩传递通过内外半联轴器啮合传递至主轴,作用于倒伞型曝气机的径向力及轴向力作用于调心滚子轴承,由于调心滚子轴承和鼓形齿在一定的角度偏差范围内(≤ )可正常运转,而倒伞型曝气机由于安装误差和主轴挠曲变形产生的角度偏差远小于 ,因此可保证设备的正常运转。联轴器工作负荷由工作扭矩、径向力和轴向力组成,其中工作扭矩通过鼓形齿啮合传递,径向力和轴向力作用于调心滚子轴承,工作负荷分别作用于不同的部件,有效地改善了工作状况,提高了鼓形齿联轴器的可靠性。

    图4.1 鼓形齿联轴器示意图

    弹性柱销联轴器:内外半联轴器分别与减速机输出轴和主轴法兰连接,并在轴向固定。柱销为纺锤型,材质为尼龙66,内外半联轴器齿顶加工成圆弧面,允许内外半联轴器在一定角度偏差范围内(≤ )正常运转。分别固定于联轴器上的挡圈限制尼龙柱销的轴向移动。尼龙柱销与内外半联轴器为过盈配合,保证每只尼龙柱销受力均匀。尼龙柱销抗压强度大,可有效传递工作扭矩,其安全西施大于5,使用寿命长。同时,尼龙柱销拆装方便,拆卸时不需要拆卸减速机和主轴,只需将联轴器法兰拆除,将需要更换的柱销顶出,并将新的柱销压入即可。
    4.3 轴承布置
    轴承座为一端固定一端游动布置,密封方式采用机械密封。轴承座的结构为调心滚子轴承、机械密封用锁尽螺母固定于轴头,通过内设油道引入调心轴承油槽口形成轴承润滑油路。轴承内圈由锁紧螺母固定,游动端外圈浮动,固定端外圈通过密封栓固定,并设有唇形密封圈,以防止漏油。经此改进后,因轴承配置为一端固定一端游动,当温度发生变化时,主轴因热胀冷缩而产生的轴向尺寸变化可通过游动端轴承外圈沿轴承座轴向伸缩,消除了因两端固定式轴承布置限制主轴轴向尺寸变化而引起的作用于联轴器及轴承座的热应力。因角度偏差发生于轴承外部,其内部空间尺寸在运转时保持不变,保证机械密封压紧力恒定,密封摩擦不发生错位、偏移,保证了机械密封良好的工作条件。
    4.4 叶轮叶片
    要想更好地实现叶轮四周和平行于叶轮轴的推流,形成更大的空穴,挟裹更多的空气进入,并且使气泡碎化,需要不等变径并按照一定规律排列的弧面叶片组合。根据现有理论研究的结果,变径曲面弧形叶片,按照非等变角对数螺旋线升序排列(如图4.2所示),具有更为优越的推流搅拌能力,由于叶片的流体特性,能形成载流体的旋流和喷射,从而拥有更加优良的充氧曝气性能,并且这种组合也有利于降低功率的损耗。


    图4.2 叶轮优化结构

    叶轮轴端采用自锁螺母和锥面定位,锥面定位可保证叶轮和主轴的轴线对中性,且具有自动对心的功能,使得装配精度由加工精度保证,定位方便,装拆也很容易。

    5.曝气机强度校核
    利用SOLIDWORKS建立倒伞型曝气机的模型后,根据曝气机的使用要求和工作环境对曝气机的主要部件进行相应的强度校核、刚度校核、温度性校核和使用寿命校核。
    5.1曝气机主轴校核
    因曝气机主轴比较重要,主轴又很长,故需要对主轴进行必要的强度校核和刚度校核,而热变形校核计算前文已给出,这里不再赘诉。
    5.1.1曝气机主轴强度校核
    因曝气机主轴主要受拉压力和扭转力,基本不受弯曲力或者弯曲力矩作用,因此曝气机主轴属于传动轴,应按扭转强度计算。
    轴的扭转强度校核公式为:
    (2)
    式中: ——扭转切应力, ;
    T——轴所受的扭矩, ;
    ——轴的抗扭截面系数,mm;
    n——轴的转速,r/min;
    P——轴传递的功率, ;
    d——计算截面处轴的直径,mm;
    ——许用扭转切应力, ;
    根据倒伞型曝气机型号,选得电机功率为 =7.5 ,转速为n=1400 ,传递效率为联轴器传递效率 =0.98(包括轴承效率),则 ;轴上最小直径为24mm,因轴的材料为45钢,查机械设计手册,可得45钢的扭转许用切应力
    =25~45
    将所得数据代入式(2)中得:
    =25~45
    故此,曝气机主轴扭转强度满足要求。
    此外,主轴由于受到水流的反推作用受压,因此,还需校核主轴抗压应力是否满足要求。
    轴的压缩校核公式:
    (3)

    式中: ——为轴所受的压力,N;
    A——为轴的最小截面, ;
    ——轴的压应力, ;
    ——轴的许用压应力, ;
    可知,轴所受压力为 =5000N,轴最小截面 ,将所得数据代入式(3)中,可知

    显然压应力也满足要求。
    综上所述,曝气机主轴满足强度要求。
    5.1.2曝气机主轴刚度校核
    曝气机主轴在载荷作用下,将产生弯曲或者扭转变形。若变形超过允许限度,就会影响轴上零件的正常工作,甚至会丧失应有的工作性能。曝气机主轴比较长,刚性较差,为保证曝气机的正常运转,需对曝气机主轴进行刚度校核,又因为曝气机主轴只受扭转切应力和压应力,故对曝气机进行扭转刚度校核。
    轴的扭转变形用每米长的扭转角 来表示,圆轴扭转角 [单位为( )/ ]的计算公式为:
    阶梯轴 (4)
    式中: ——轴所受的扭矩, ;
    ——轴的材料的剪切弹性模量, ,对于钢材, ;
    ——轴截面的极惯性矩, ,对于圆轴, ;
    ——阶梯轴受扭矩作用的长度, ;
    、 、 ——分别代表阶梯轴第 段上所受的扭矩、长度和极惯性矩,单位同前;
    ——阶梯轴受扭矩作用的轴段数。
    ——为轴每米长的允许扭转角,与轴的使用场合有关。对于一般传动轴,可取 ~ ( )/m;对于精密传动轴,可取 ~ ( )/m;对于精度要求不高的轴, 可大于 ( )/m。
    可知曝气机主轴不考虑压力时,只受键的作用,因此轴上受扭转力矩作用段只在两键之间,且各段扭转力矩大小相同,都为 ; ;而由轴的结构尺寸可得:
    将数据代入式(4)中,得:

    显然 成立,故曝气机主轴满足刚度要求。
    5.1.3 曝气机主轴压杆稳定性校核
    曝气机主轴比较长,主轴支撑轴承跨距大,且又因为主轴受到来自水流的压力,故需校核主轴的压杆稳定性。压杆的稳定性校核公式为:
    (5)
    式中: ——轴所受的压力, ;
    ——轴的弹性模量, ;
    ——压杆支撑之间的最小截面的极惯性矩, ;
    ——压杆的长度因数,因压杆约束条件为一端固定一端游动,故 ;
    ——轴支撑之间的距离, ;
    ——压杆允许承受的最大压力, ;
    可知,曝气机主轴所受的压力为 ;曝气机主轴材料为45钢,弹性模量范围为196~215 ,取中值 ;曝气机主轴支撑之间为圆杆,其极惯性矩为 ;曝气机主轴支撑之间的距离为 ;将上诉数据代入 中,得:

    取安全系数 ,而
    (6)
    代入数据得

    显然, ,因此曝气机主轴满足压杆稳定性要求。
    综上所述,经校核后,曝气机主轴能够满足所需的扭转强度要求、扭转刚度要求、压杆稳定要求和热变形要求。

    5.2曝气机调心滚子轴承寿命校核
    倒伞型曝气机轴承型号为 (调心滚子轴承),其内径为 ,外径为 ,轴承宽度 ,查机械设计手册知,对于代号为23507调心滚子轴承,其额定动载荷为 ,额定静载荷为 。因曝气机为24h连续工作的机械,其轴承预期使用寿命可取为 =40000h,滚动轴承使用寿命校核公式:
    (7)
    式中: ——滚动轴承基本额定寿命, ;
    ——滚动轴承额定动载荷, ;
    ——滚动轴承当量动载荷, ;
    ——与滚动轴承配合轴的转速, ;
    ——为滚动轴承寿命指数,对于球轴承, ;对于滚子轴承, 。
    根据已差得的数据,滚动轴承额定动载荷 ;曝气机主轴转速 ;滚动轴承当量动载荷
    (8)
    式中: ——载荷系数,与载荷性质有关,因曝气机工作时,只有轻微冲击,故此取 ;
    、 ——分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数,因倒伞型曝气机调心滚子轴承主要承受轴向力,径向力很小,故相当于只承受轴向载荷,于是有 ;将上诉数据代入式(8)中,可得:

    将上诉所得的数据代入式 中,可得:

    即调心滚子轴承23507满足倒伞型曝气机的使用寿命要求。

    5.3曝气机联轴器强度校核
    因曝气机主轴很长,主轴发生挠曲变形的可能性比较大,从而使得主轴和联轴器之间会发生轴线的相对位移偏差,而弹性柱销联轴器允许主轴可以有一定的相对位移偏差,故此,采用 型弹性柱销联轴器,为满足使用要求,对 型弹性柱销联轴器进行强度校核,校核公式为:
    (9)
    式中: ——轴上所传递的最大转矩, ;
    ——工作情况系数;
    ——公称转矩, ;
    由前文所述知, ;查工作情况系数表,得曝气机的工作情况系数 ;查机械设计手册, 中, 型弹性柱销联轴器的许用转矩 ;将上诉数据代入式
    取安全系数 ,则

    即,从 中查得 型弹性柱销联轴器许用转矩为 ,许用最大转速为 ,轴颈为 ,故此联轴器满足使用要求和强度要求。

    5.4 曝气机键连接强度校核
    倒伞型曝气机中有三处键连接,且都为平键连接,平键连接主要失效形式是工作面被压溃,故此需要分别对其进行强度校核计算,并且假定所有载荷在键的工作面上均与分布,普通平键连接的强度条件为:
    (10)
    式中: ——传递的转矩 ;
    ——键与轮毂键槽的接触高度, ,此处 为键的高度, ;
    ——键的工作长度, ,圆头平键 ,平头平键 ,这里 为键公称长度, ; 为键的宽度, ;
    ——轴的直径, ;
    ——键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力, ;
    5.4.1电机与联轴器键连接强度校核计算
    由上述所得结果知,键传递的转矩为 ;此处键的尺寸为 ,故 ;轴的直径 ;键、轴的材料皆为45钢,轮毂的材料为35钢,故查机械设计手册,知35钢的许用挤压应力 ,将上诉数据代入式
    (11)


    故此处键连接满足连接强度要求。
    5.4.2联轴器与主轴键连接强度校核计算
    此处键连接传递的转矩也为 ;此处平键尺寸为 ,即 , 主轴直径 ;键、轴的材料都为45钢,轮毂材料为35钢,轮毂材料的许用挤压应力较弱,查机械设计手册,此处键连接许用挤压应力为 ,将所得数据代入式(11)中,


    即此处键连接强度满足使用要求。
    5.4.3主轴与叶轮键连接强度计算
    此处键连接传递的转矩也为 ;此处平键尺寸为 ,即 , ;此处轴的尺寸 ,此处轴、键、轮毂材料均为45钢,查机械设计手册,键连接许用挤压应力取为 ;将所得数据代入式(11)中,


    即,此处键连接也满足强度要求。
    综上所述,倒伞型曝气机三处键连接均满足连接强度要求,且安全系数很高,也符合曝气长时间工作的需求,保证其可在较长时间内稳定运转。


    6.倒伞型曝气机的有限元分析
    在对曝气机进行强度校核后,为了直观的表达校核情况,利用SOLIDWORKS SIMULATIONXPRESS插件对曝气机主要部件和整机进行简单的有限元分析,以进一步的明确曝气机部件性能的优劣。
    6.1 曝气机主轴的有限元分析
    倒伞型曝气机主轴在工作过程中,主要承受水流的反推力和扭矩,推力大小 ,扭矩大小 ,则对倒伞型曝气机主轴的有限元分析过程如下:



    图6.1 曝气机主轴支撑和作用力与扭矩

    图6.2 曝气机主轴划分网格

    图6.3 曝气机主轴应力分析结果图

    图6.5 曝气机主轴合位移分析图
    在对倒伞型曝气机主轴添加支撑和力与扭矩,划分网格,进行模拟分析后,发现曝气机主轴应力分布大致比较均匀,主轴上最大应力仍处于许用应力以下,说明曝气机主轴的强度满足使用要求;而曝气机主轴的应变分析结果则不甚理想,特别是主轴上右端截面最小处,应变位移最大,这可能主要在于曝气机主轴过长,而曝气机截面尺寸又比较小所致,为改善这一状况,可根据需要适当增大曝气机主轴尺寸,以提高曝气机主轴刚性,减小曝气机主轴的挠曲变形程度,改善曝气机主轴的正常工作时的运行状况。

    6.2倒伞型曝气机叶轮有限元分析
    倒伞型曝气机叶轮在工作过程中主要受到水流的反推力和水流作用在叶片对叶轮产生的扭矩,而叶片在曝气机工作过程中,主要承受水流的反推力,由上文所得数据知,叶轮受到的推力大小 ,叶片受到的压力约为 ,根据所得数据,对曝气机叶轮及叶片进行有限元分析如下:

    图6.6 倒伞型曝气机叶轮添加固定孔约束

    图6.7 倒伞型曝气机叶轮添加压力


    6.8 倒伞型曝气机叶片添加压力

    6.9倒伞型曝气机叶轮叶片受力效果图

    图6.10 倒伞型曝气机叶轮划分网格

    6.11 倒伞型曝气机叶轮有限元分析结果图

    6.12 倒伞型曝气机叶轮应力分析结果

    6.13 倒伞型曝气机叶片应力分析结果





    6.14 倒伞型曝气机叶片应变分析结果
    根据对倒伞型曝气机叶轮及叶片的有限元分析结果,可以发现,叶轮上最大应力处为叶轮边缘的叶片处,而此处叶片最大应力为叶片直径最大处,同时,叶轮叶片最大应变量也发生在此处。但是,根据有限元分析的结果,叶片最大应力处,应力值不足40 ,最大应变量不足0.2mm,因此,可以认为,经过现有理论结论设计出的倒伞型曝气机叶轮形式不仅可以大大提高曝气效率,其结构强度也能够以较大安全系数满足使用要求。

    7.致谢词



    8.参考文献
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    11.朱冬梅 胥北澜 何建英. 画法几何及机械制图.高等教育出版社.2008.6
    12.机械设计手册.

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