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畢 業(yè) 論 文
題 目： 全自動立式過濾機的設(shè)計
學院： 湖南工程學院機械工程學院
專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班級： 0901學號： 07
學生姓名： 劉先雨
導(dǎo)師姓名： 白泉老師
完成日期： 2013.6.20
誠 信 聲 明
本人聲明：
1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是在老師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果；
2、據(jù)查證，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構(gòu)的學位而使用過的材料；
3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計（論文）中的所有內(nèi)容均真實、可信。
作者簽名： 日期： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
題目： 全自動立式過濾機的設(shè)計
姓名 劉先雨 學院 機械工程 專業(yè) 機械設(shè)計制造及自動化 班級 0901 學號 07
指導(dǎo)老師 白泉 職稱 助教 教研室主任 楊毅
一、 基本任務(wù)及要求：
1、主要技術(shù)參數(shù)： 過濾面積10平方米 工作壓力1.6MPa
工作溫度-5℃---105℃ 主電機功率3.5KW
攪拌電機功率1.1KW 清洗電機功率1 .1KW
2、 查閱全自動立式過濾機文獻15篇以上，并寫出文獻綜述，開題報告；編寫設(shè)計計算說明書一份，
3、 分析國內(nèi)外立式過濾機的工作原理及用途
4、應(yīng)用PLC使整臺機組實現(xiàn)全自動控制
5、對所設(shè)計的機器進行信號檢測
6、全自動立式過濾機裝配圖1張，，軸、過濾盤、飛輪零件圖4張；
PLC控制整個工藝流程（流程圖、梯形圖、程序清單、信號檢測元 ）
二、進度安排及完成時間：
1．第1周 布置任務(wù)，下達設(shè)計任務(wù)書，熟悉課題與基礎(chǔ)資料
2．第2－3周 查閱資料、撰寫文獻綜述、撰寫開題報告
3．第4－8周 對過濾機總體方案進行設(shè)計與計算，并進行CAD畫圖
4．第9－11周 PLC編程及調(diào)試程序
5．第12－14周 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）
6．第15周 論文評閱，畢業(yè)設(shè)計答辯
7．第16周 畢業(yè)設(shè)計資料整理、歸檔
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 過濾器的發(fā)展 2
1.3 過濾機結(jié)構(gòu) 3
1.4盤片過濾器的特點 4
1.5盤片過濾器的應(yīng)用領(lǐng)域 4
1.6 課題設(shè)計的基本思路及其原理 5
第2章 過濾部分的設(shè)計 7
2.1過濾桶的設(shè)計 7
2.1.1 過濾盤的設(shè)計 7
2.1.2 計算內(nèi)壓圓筒殼體的壁厚 8
2.1.3過濾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
2.1.4循環(huán)桶的設(shè)計 10
2.2、傳動部件設(shè)計 10
2.2.1 帶傳動的設(shè)計 10
2.2.2 空心軸的設(shè)計 13
2.3. 電動機的選擇 15
2.4 閥門的選擇與設(shè)計 16
2.5 傳感器的選擇與信號檢測 18
2.5.1 傳感器的選取 18
2.5.2 信號檢測 19
2.6 控制面板的設(shè)計 19
第3章 PLC的應(yīng)用及分析 21
3.1 PLC的結(jié)構(gòu)與特點 21
3.1.1 PLC的基本結(jié)構(gòu) 21
3.1.2 PLC的特點 21
3.2 PLC在本設(shè)計中的應(yīng)用 22
3.2.1工藝流程圖 24
3.2.2 PLC的接線圖 25
3.2.3 程序梯形圖 26
結(jié) 論 31
參 考 文 獻 32
致 謝 33
III
全自動立式過濾機
摘要：隨著水資源的缺乏和水污染的日益嚴重，廢水的過濾與分離能很好的解決廢水的處理與重復(fù)利用的問題，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟效益和社會效益。但傳統(tǒng)的過濾分離設(shè)備占地空間大，連續(xù)生產(chǎn)能力低，自動化程度不高，造成人力物力財力的浪費。本文以自行開發(fā)50m3/h處理量全自動白清洗過濾器為基礎(chǔ)，提出了全自動自清洗過濾器的各操作參數(shù)的設(shè)計思想和方法，并建立了過濾過程中過濾器的模型，借此確定控制系統(tǒng)的控制參數(shù)。主要工作內(nèi)容如下;研制設(shè)計了一臺處理量為50m3/ h、工作壓力為1.6-2.5 Mpa，要求過濾精度為0.1-200μm,過濾總面積為10㎡，電動機功率為5.5KW，工作溫度為-5℃-105℃的全自動自清洗過濾器。該過濾器在運行過程中無須停運以清洗過濾元件，整機體積較小，精度可調(diào)節(jié)，適合于各類工業(yè)生產(chǎn)。本文給出了這種過濾器的整體設(shè)計方法以及設(shè)計圖紙，并對過濾器內(nèi)部過濾機理進行分析，討論了幾個過濾參數(shù)，并應(yīng)用于過濾器控制系統(tǒng)設(shè)計之中。
關(guān)鍵詞：過濾機;結(jié)構(gòu);控制系統(tǒng);可編程序控制器
Automatic Vertical Filter Machine Design
Abstract：As short of water resource and more and more serious situation of water pollution, filtration and separation have been the best way to settle the problem of Reuse of waste water and realization of well economy benefit and social benefit.But there are several disadvantages in these raditional filters such as great volume,discontinuous production, lack of automation, great waste of manpower, materialresources, financial. Based on design of automatic self-cleaning filter on industrial scale (50 m3/h), the design and optimization procedures of several operation parameters are presented and a model of filter is obtained as well,then to calculate control parameters of control system.The main research contents are following as:A auto control self-cleaning filter on industrial scale( 50m 3/h) , work pressure(1.6-2.5Mpa) , filtration accuracy(0.1-200μm), filtration surface(10㎡) , Motor power(5.5 KW) and work temperature(-5 ℃ - 105 ℃)has been designed . auto control self-cleaning filter drive itself to clean completely by its pressure of filtrated liquid and without stop.Volume of the filteris so little and precision can be modulated to fit for kinds of industry produce. In this paper, a suit of drawing and design procedures of such filter has been given.Mechanism during filtration in the filter has been studied are obtained
Keyword: filter，structure; control system；Programmable enfroller；
II
第1章 緒論
1.1 引言
過濾機是利用多孔性過濾介質(zhì)，截留液體與固體顆?；旌衔镏械墓腆w顆粒，而實現(xiàn)固、液分離的設(shè)備。過濾機廣泛應(yīng)用于化工、石油、制藥、輕工、食品、選礦、煤炭和水處理等部門。
中國古代即已應(yīng)用過濾技術(shù)于生產(chǎn)，公元前二百年已有植物纖維制作的紙。公元105年，蔡倫改進了造紙法，他在造紙過程中將植物纖維紙漿蕩于致密的細竹簾上，水經(jīng)竹簾縫隙濾過，一薄層濕紙漿留于竹簾面上，干后即成紙張。
最早的過濾大多為重力過濾，后來采用加壓過濾提高了過濾速度，進而又出現(xiàn)了真空過濾。20世紀初發(fā)明的轉(zhuǎn)鼓真空過濾機實現(xiàn)了過濾操作的連續(xù)化。此后，各種類型的連續(xù)過濾機相繼出現(xiàn)。間歇操作的過濾機因能實現(xiàn)自動化操作而得到發(fā)展，過濾面積越來越大。為得到含濕量低的濾渣，機械壓榨的過濾機得到了發(fā)展。
用過濾介質(zhì)把容器分隔為上、下腔，即構(gòu)成簡單的過濾器。懸浮液加入上腔，在壓力作用下通過過濾介質(zhì)進入下腔成為濾液，固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)表面形成濾渣(或稱濾餅)。
過濾過程中過濾介質(zhì)表面積存的濾渣層逐漸加厚，液體通過濾渣層的阻力隨之增高，過濾速度減小。當濾室充滿濾渣或過濾速度太小時，停止過濾，清除濾渣，使過濾介質(zhì)再生，以完成一次過濾循環(huán)。
液體通過濾渣層和過濾介質(zhì)必須克服阻力，因此在過濾介質(zhì)的兩側(cè)必須有壓力差，這是實現(xiàn)過濾的推動力。增大壓力差可以加速過濾，但受壓后變形的顆粒在大壓力差時易堵塞過濾介質(zhì)孔隙，過濾反而減慢。
懸浮液過濾有濾渣層過濾、深層過濾和篩濾三種方式。濾渣層過濾是指在經(jīng)過過濾初期后，形成了初始濾渣層，此后，濾渣層對過濾起主要作用，這時大、小顆粒均被截留；深層過濾是指過濾介質(zhì)較厚，懸浮液中含固體顆粒較少，且顆粒小于過濾介質(zhì)的孔道，過濾時，顆粒進入后被吸附在孔道內(nèi)的過濾；篩濾是過濾截留的固體顆粒都大于過濾介質(zhì)的孔隙，過濾介質(zhì)內(nèi)部不吸附固體顆粒的過濾方式，例如轉(zhuǎn)筒式過濾篩濾去污水中的粗粒雜質(zhì)。
在實際的過濾過程中，三種方式常常是同時或相繼出現(xiàn)。過濾機的處理能力取決于過濾速度。懸浮液中的固體顆粒大、粒度均勻時，過濾的濾渣層孔隙較為暢通，濾液通過濾渣層的速度較大。應(yīng)用凝聚劑將微細的顆粒集合成較大的團塊，有利于提高過濾速度。
過濾機按獲得過濾推動力的方法不同，分為重力過濾器、真空過濾機和加壓過濾機三類。重力過濾器是借助懸浮液的重力和位差，在過濾介質(zhì)上形成的壓力作為過濾的推動力，一般為間歇操作。
真空過濾器是在濾液出口處形成負壓作為過濾的推動力。這種過濾機又分為間歇操作和連續(xù)操作兩種。間歇操作的真空過濾機可過濾各種濃度的懸浮液，連續(xù)操作的真空過濾機適于過濾含固體顆粒較多的稠厚懸浮液。
加壓過濾器以在懸浮液進口處施加的壓力，或?qū)裎锪鲜┘拥臋C械壓榨力作為過濾推動力，適用于要求過濾壓差較大的懸浮液，也分為間歇操作和連續(xù)操作兩種。
過濾機應(yīng)根據(jù)懸浮液的濃度、固體粒度、液體粘度和對過濾質(zhì)量的要求選用。先選擇幾種過濾介質(zhì)，利用過濾漏斗實驗，測定不同過濾介質(zhì)和不同壓差下的過濾速度、濾液的固體含量、濾渣層的厚度和含濕量，找出適宜的過濾條件，初步選定過濾機類型，再根據(jù)處理量選定過濾面積，并經(jīng)實際試驗驗證。
正在發(fā)展的新型過濾設(shè)備有：機械力壓榨過濾設(shè)備；能實現(xiàn)無濾渣層過濾的動態(tài)過濾機；洗選煤炭污水處理、化工和石油工業(yè)用的大型過濾設(shè)備。
在過濾理論研究方面，濾渣層過濾阻力和孔隙率的測算、過濾速度、過濾設(shè)備的模擬和放大、稀薄液體澄清過濾和動態(tài)過濾機理，以及過濾介質(zhì)的研究，都是重要的課題。利用電子計算機控制過濾操作是過濾設(shè)備的發(fā)展方向。
對于固體顆粒沉降速度快的懸浮液，應(yīng)用在過濾介質(zhì)上部加料的過濾機，使過濾方向與重力方向一致，粗顆粒首先沉降，可減少過濾介質(zhì)和濾渣層的堵塞；在難過濾的懸浮液(如膠體)中混入如硅藻土、膨脹珍珠巖等較粗的固體顆粒，可使濾渣層變得疏松；濾液粘度較大時，可加熱懸浮液以降低粘度。這些措施都能加快過濾速度。
1.2 過濾器的發(fā)展
常用的機械過濾器雖然能達到較好的過濾效果，但是其濾速慢，于是造成過濾器設(shè)備龐大、自耗水量大，手動設(shè)備勞動強度大，而自動設(shè)備造價又太高，因此大大地限制了它的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
十九世紀，出現(xiàn)了篩網(wǎng)過濾器，它是通過一個不銹鋼絲編織的濾網(wǎng)阻截水中較大的雜質(zhì)顆粒，這大大提高了濾速，簡化了設(shè)備，但是水中較小的顆粒和纖維仍能穿過濾網(wǎng)，更重要的是如果它們過濾時恰好卡在或纏繞在濾網(wǎng)上，再要清洗掉這些雜質(zhì)就不容易了。因此，基于這兩方面的原因篩網(wǎng)過濾在應(yīng)用中一直受到了很大的限制。
新型自動盤片過濾器充分繼承了上述過濾器的優(yōu)點，同時又克服了它的缺點，具有反洗效果好、設(shè)備自動化程度高、過濾水質(zhì)穩(wěn)定、設(shè)備占地面積小的特點，自耗水率僅有0.25%左右。
1.3 過濾機結(jié)構(gòu)
全自動過濾機主要由外殼、過濾介質(zhì)、清潔器和控制電路組成。
外殼
全自動過濾機外殼設(shè)計壓力2Mpa, 屬于壓力容器, 須按照國家標準GB/ 50—89《鋼制壓力容器》的規(guī)范進行設(shè)計和制造。如采用耐腐蝕材質(zhì)可在中等強度的酸堿液中工作, 選用不同的密封材料而可在高溫或低溫環(huán)境工作。
過濾介質(zhì)
過濾介質(zhì)是過濾過程中影響過濾精度、過濾速率、過濾效率等技術(shù)指標的重要工作元件, 其性能、壽命和可靠性取決于制作過濾介質(zhì)的材料、機械性能, 同時也取決于被處理物料的性質(zhì)等。全自動過濾機選用不銹鋼制的螺旋線圈過濾介質(zhì), 它是用不銹鋼材料制成籠式骨架, 將加工和檢驗后的梯形截面( 寬平面朝內(nèi)) 或圓形截面不銹鋼絲按纏繞線圈方式纏繞在骨架上, 纏繞的層數(shù)由懸浮液中固體顆粒粒徑?jīng)Q定, 粒徑小的需多纏繞幾層, 反之則可少。過濾時, 懸浮液從螺旋線圈過濾介質(zhì)內(nèi)腔向外通過相鄰鋼絲之間的縫隙進行過濾,則纏繞的不銹鋼絲直接支撐濾餅。由于螺旋線圈過濾介質(zhì)相鄰鋼絲之間的連續(xù)縫隙僅允許固體顆粒與其有兩點接觸, 這樣就使孔隙堵塞的機率減少到最小程度。制作過程中, 采用將不銹鋼絲與籠式骨架點焊的方法, 可使螺旋線圈過濾介質(zhì)有較高機械強度。纏繞完畢后,對螺旋線圈過濾介質(zhì)內(nèi)腔進行車削加工, 使其內(nèi)腔骨架成為一個圓形, 以便安放旋轉(zhuǎn)的清潔器。
清潔器
清潔器是用聚四氟乙烯制成的, 其長與過濾介質(zhì)高相等, 寬為籠式骨架間格的3倍, 其中間有一道與間格相等的槽, 并由兩根接管與空心軸連接。接管與空心軸間裝有彈簧, 將清潔器壓在籠式骨架上進行密封。
1.4 盤片過濾器的特點
1精確過濾：可根據(jù)用水要求選擇不同精度的過濾盤片，有20μ、50μ、100μ、200μ多種規(guī)格，過濾比大于85%。
2徹底高效反洗：由于反洗時將過濾孔隙完全打開，加上離心噴射作用，達到了其他過濾器無法達到的清洗效果。反洗過程只需20S左右即可完成。
3全自動運行，連續(xù)出水：時間和壓差控制反洗啟動。在過濾器組套內(nèi)，各個過濾單元順序進行反洗。工作、反洗狀態(tài)之間自動切換，可確保連續(xù)出水，系統(tǒng)壓損小。
4標準：模塊化系統(tǒng)設(shè)計，用戶可按需取舍過濾單元并聯(lián)數(shù)量，靈活可變，互換性強。
5占地省：可靈活利用現(xiàn)場邊角空間，因地制宜安裝，占地少。
6運行可靠、維護簡單：幾乎不需日常維護，不需專用工具，零部件很少。
7使用壽命長：經(jīng)多年工業(yè)實用驗證，過濾和反洗效果不會因使用時間而變差。
例如：大慶某熱電廠2000年采用兩套JY3-7盤式過濾器作為離子交換預(yù)處理設(shè)備，過濾精度為50μ，總處理水量250噸/小時；該廠原來采用的過濾器為5臺?3000砂過濾器，設(shè)備龐大，而且手動控制，每天至少反洗一次，工人勞動強度大，設(shè)備自耗水率達到8~10%。
采用盤式過濾器后設(shè)備占地僅為3mX3m，同時由于自動控制可實現(xiàn)無人職守，目前過濾器約3小時反洗一次，每個過濾單元反洗時間15秒，用水量僅為33升，而總產(chǎn)水量約為9X3=27噸，自耗水率為0.12%，是原來耗水量的八十分之一。
1.5 盤片過濾器的應(yīng)用領(lǐng)域
這種過濾器除了廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的水過濾外，目前在工業(yè)水過濾領(lǐng)域有更好、更多的應(yīng)用實例，如：青島啤酒廠的工藝用水過濾、大慶熱電廠的離子交換前預(yù)處理、鄭州某項目的黃河水預(yù)過濾、北京植物園的加濕噴嘴保護等。
經(jīng)過幾年來的研究開發(fā)，盤式過濾器在一些領(lǐng)域已經(jīng)具有很強的技術(shù)優(yōu)勢和很好的運行經(jīng)驗，從而大量應(yīng)用于工業(yè)循環(huán)水旁過濾、系統(tǒng)總進水過濾以及細管和噴嘴的保護等方面。同時隨著水處理領(lǐng)域的不斷擴大，在離子交換前預(yù)處理、苦咸水過濾、超濾系統(tǒng)的預(yù)過濾甚至在低SDI井水水源的反滲透處理中代替砂濾器等方面也有一定量的應(yīng)用，并且正在不斷擴大。
1.6 課題設(shè)計的基本思路及其原理
循環(huán)方案圖如下
圖1.1 工作原理圖
F1——清洗水入口閥 F2——待濾液入口閥 F3——循環(huán)液入口閥
F4——循環(huán)液出口閥 F5——流向控制閥
F6——沖洗閥 F7——排氣閥 F8——排渣閥
F9——成品出口閥 F10——余液出口閥 F11——取樣閥
S1——循環(huán)視筒 S2——正常工作視筒
此過濾過程有四個過濾階段，預(yù)過濾過程，過濾過程，濾余液過程，反沖洗過程。
預(yù)過濾過程：待濾液由F2進入泵內(nèi)，經(jīng)F3（此時F1、F5關(guān)閉）進入循環(huán)視筒，然后從F4進入過濾桶進行過濾，此時F9關(guān)閉，過濾液經(jīng)F5再次進入循環(huán)桶。
過濾過程：待濾液由F2進入泵內(nèi)，經(jīng)F3（此時F1、F5關(guān)閉）進入循環(huán)視筒，然后從F4進入過濾桶進行過濾（期間可以通過S1觀察過濾循環(huán)過程）濾液由F7再次進入循環(huán)桶，直至完全過濾通過S2經(jīng)F9流出（可以從F11中取樣檢驗，從而調(diào)整濾網(wǎng)密度）。
濾余液過程：收到“管高壓差”信號后，開始反沖洗過程前的約1Min內(nèi)，打開F10將管道內(nèi)的余液濾出以方便反沖洗，防止堵塞反沖洗管道。
反沖洗過程：當“管高壓差”達到預(yù)定壓力值或者達到預(yù)定時間后，F(xiàn)2、F3關(guān)閉，將F1打開，清洗水從F1、F7進入過濾桶中進行清洗，洗出的濾渣從F8中排出。
第2章 過濾部分的設(shè)計
2.1 過濾桶的設(shè)計
2.1.1 過濾盤的設(shè)計
過濾精度為0.5-100μm，故濾網(wǎng)采用滌綸布料可以達到要求而且表面光滑，再在上涂上一層硅藻土增加過濾流量，水面上部采用氣壓，壓強大小為1.6MPa，最大可達到2.5MPa，可以使過濾更加快捷。濾后液通過下部孔流出，從取樣閥中取樣調(diào)節(jié)流速從而保證過濾精度，達到保準后，打開F10，完成過濾。另外該系統(tǒng)在-5℃——105℃的范圍內(nèi)工作。
已知條件：過濾面積：10㎡；正常工作壓力1.6MPa、最大工作壓力2.5MPa。
⑴.選定過濾介質(zhì)的半徑（R），厚度（H），片間間隙（h）以及片數(shù)（N）分別為：
R=0.4m、H=0.03m h=0.02m， 每一片的過濾面積為：S=∏*R*R=3.14*0.4*0.4=0.502㎡。
N=10㎡/S=10㎡/0.502㎡=19.9
所以片數(shù)需要20片才能滿足過濾需要，也因此過濾濾芯長度（過濾部分）應(yīng)等于20*（H+h）+頂部密封片厚度+頂部螺母厚度=20*0.05+0.02*2+0.02=1.06m
⑵.過濾片零件圖
圖2.1 過濾盤
2.1.2 計算內(nèi)壓圓筒殼體的壁厚
⑴已知Pg=1.6MPa
由壁厚計算公式：
- 計算厚度 ；mm
P- 計算壓力；Mpa
- 焊接接頭系數(shù);
- 材料的許用應(yīng)力;
在已知設(shè)計溫度下16MnR的許用應(yīng)力，在厚度為6~16mm時，[=170Mpa;
在厚度為16～36mm時，[=163Mpa;
焊接接頭系數(shù) ；
設(shè)定 圓筒內(nèi)徑 D=1000mm； 腐蝕裕量C=2mm；
設(shè)計厚度； 材料的許用應(yīng)力=170Mpa （厚度為6~16時），筒體厚度計算；
=1.6*1000/（2*170*0.85-1.6）=5.5mm；
=5.5+2=7.5mm；
由鋼材標準規(guī)格，圓整可得壁厚為10㎜；
⑵ 圓筒的半徑由濾餅半徑確定
取 R=500mm;
⑶ 圓筒中固定空心軸一端的頂尖高度為150mm；
頂尖的直徑=50mm； 錐角=50°
H=H+h1=1100+150=1250mm；
⑷ 圓筒邊緣設(shè)計，邊緣厚度=20mm；B=35mm；
凸緣高度H=10mm；
⑸ 固定頂尖板的厚度 =10mm；長度L=120mm；寬度B=120mm；
但容器制成后必須經(jīng)過壓力試驗合格后才能交付，壓力的目的主要是檢查加工制造工藝的問題和焊縫的強度，以及各連接面的緊密性等。
對壓力試驗一般都用水壓試驗。
對水壓試驗時，筒體相應(yīng)壓力的驗算公式為：
σ=P水[D+（S-C）]/[2（S-C）Ф]
按規(guī)定水壓試驗壓力P水=1.5MPa；
故：σ=P水[D+（S-C）]/[2（S-C）Ф]
=1.5*[900+（10-1.8）]/[2*（10-1.8）*0.7]=115MPa
又σs=σ*Ns，其中Ns查表所得為1.6，
故σs=115*1.6=184MPa
Σs與水壓系數(shù)的積為0.9σs=164MPa
由于115 MPa＜164MPa,故筒體強度滿足水壓試驗的要求。
2.1.3過濾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計
過濾桶設(shè)計是整個管道系統(tǒng)的重點。直接從桶上引出的有5個管道（底部3個管道、頂部2個管道）：
（1）桶底正中引出的濾后管，然后連接S2（正常工作視筒），再接上2個閥門——F9（成品出口閥，正常工作是從這流出成品液）和F11（取樣閥，用于剛開始工作是取出樣品，從而確定各項參數(shù)）；
（2）桶底斜錐面引出排渣管，引出后分成2個方向——一個是反沖洗時使用的排渣管，上面安裝著F8（排渣閥）；另一個是循環(huán)過濾的循環(huán)管，通過F5（流向控制閥，單向閥）使壓力過大時形成循環(huán)過濾；
（3）桶內(nèi)靠壁處裝有反沖洗管道，連接F7（沖洗閥）后也分成2個方向——一個直接連到水泵上；另一個接上F10（余液出口閥）其作用是在濾余液過程中將管道以及過濾桶的液體流出；
（4）桶頂?shù)囊粋€循環(huán)管道向上連接S1（循環(huán)視筒）和F4（循環(huán)液出口閥）接到循環(huán)桶底部；
（5）桶頂?shù)牧硪粋€循環(huán)管道向上連接F7（排氣閥）和壓力表，然后接到循環(huán)桶頂部，以保持過濾桶以及循環(huán)筒壓力的正常（1.6MPa～2.5MPa）。
2.1.4 循環(huán)桶的設(shè)計
1、結(jié)構(gòu)介紹
循環(huán)筒的工作原理比較簡單，需要設(shè)計的參數(shù)也較少，主要分為2管道：其中一條的作用——待濾液通過F2（待濾液入口閥）、水泵、F3（循環(huán)筒入口閥）從循環(huán)桶下部泵入，在循環(huán)桶上部壓力的作用下從右邊下方的循環(huán)出口通過F4后進入過濾桶過濾；另外一條是頂部的管道，上面連接F7（排氣閥）和壓力表和過濾桶頂部連接在一起以保持壓力。
2、循環(huán)桶的容量設(shè)計
因為循環(huán)桶所受壓力不是很大，且不是全封閉的，所以可以不許校核桶壁承受應(yīng)力。
設(shè)定桶壁厚=3mm；桶高度H=1200mm；半徑R=400mm；容積V=0.65m；
2.2 傳動部件設(shè)計
2.2.1 帶傳動的設(shè)計
⑴確定計算功率P
由《機械設(shè)計》表8-7查得工作情況系數(shù)K=1.0,
故P= KP=1.0*5.5kw=5.5kw
⑵選擇V帶的帶型
根據(jù)P，n由《機械設(shè)計》教材由圖8-11選用A型
⑶確定帶輪的基準直徑d并驗算帶的速度
①初選小帶輪的基準直徑d，由表8-6和表8-8，取小帶輪的基準d=140mm
②驗算帶速V=* d*n/60*1000=*140*1440/60*1000=10.6m/s
因為5 m/s < V < 30 m/s,故帶速合適
③計算大帶輪的基準直徑，根據(jù)式(8-15a)，計算大帶輪的基準直徑
d=i *d=3*140mm=420mm；
根據(jù)表8-8，圓整為d=450mm；
⑷確定V帶的中心距a與基準長度L
① 0.7（d+ d）≤a≤2（d+ d）
根據(jù)上式，初定中心距a=900mm；
②計算帶所需的基準長度
L≈2a+∏（d+ d）/2 + (d-d)/4a
=2*900 +∏*590/2 +(450-140)/3600=2770mm;
由表8-2選帶的基準長度L=2800mm；
③按式（8-23）計算實際中心距a
a= a+（ L- L）/2=900+(2800-2770)/2=915mm;
⑸ 驗算小帶輪上的包角
=180-（d-d)*57.3/a
=180-(450-140)* 57.3/915=160≥90；
⑹計算帶的根數(shù)Z
①計算單根V帶的額定功率Pr；
由d=140mm；和n=1440r/min,查表8-4a得P=2.28kw；
根據(jù)n=1440r/min，i=3和A型帶，查表8-4b得 △P=0.17kw；
查表8-5得K=0.95，表8-2得K=1.11,
Pr=（P+△P）* K* K=（2.28+0.17）*0.95*1.11=2.49kw;
②計算V帶的根數(shù)Z
Z= P/ Pr=5.5/2.49=2.3
所以V帶的根數(shù)為3根；
⑺小帶輪設(shè)計 材料選取HT200；
d=140mm； d≤300mm； 采用腹板式結(jié)構(gòu)；
d=40mm，d=（1.8-2.0）*d，d為電機軸的直徑； d=1.8d=72mm；
C=(1/7～1/4)B L=(1.5～2)d,當B<1.5d時，L=B
C=1/4*B=15mm;
根據(jù)前面設(shè)計得小輪直徑d=140mm，大輪直徑d=450mm，故查表應(yīng)選用帶長Ld=2800㎜、A系列、長度修正系數(shù)Kl=1.1的皮帶，b=11㎜，h=6㎜，h=12mm;B=60mm;
A=81㎜;小皮帶輪的零件圖如下：
圖2.2 小帶輪
⑻大帶輪設(shè)計 HT200；
d=420mm；d≥300mm； 采用輪輻式結(jié)構(gòu)，
d=50mm；d=(1.8～2)d,d為軸的直徑；d=100mm；f=12mm，h=0.8h；
b=0.4h=13mm；b=0.8 b=11mm；L=(1.5～2)d,當B<1.5d時，L=B；f=0.2h=6.5；
h=290*=290*=32mm；
大帶輪的零件圖如下：
圖2.3 大帶輪
2.2.2 空心軸的設(shè)計
⑴空心軸的直徑設(shè)計
d≥=A
d≥A） 式中，=d/d,即空心軸的內(nèi)徑d與外徑d之比，通常取=0.5～0.6，
=T/W=(9550000P/n)/0.2d≤[]
表2.1材料剪切應(yīng)力表
軸的材料
Q235-A20
Q275 ,35
45
40C,35SM
[]/Mpa
15～25
20～35
25～45
35 ～55
Ao
149～126
135 ～112
126 ～103
112 ～97
通過查《機械設(shè)計》教材表2，查得V帶的傳動效率值為=92%；
取Ao=110mm； P=5.5*92%=5.06kw ；n=480r/min；=0.6；
d≥A）=110*）=25.5mm；
d≥1.15*d=30mm;
⑵ 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
①確定裝配方案
②根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度；
為了滿足軸的軸向定位要求和裝配要求，此空心軸分為3段，Ⅰ-Ⅱ軸上裝大皮帶輪，鍵，密封圈，端蓋；外徑DⅠ-Ⅱ=50mm 內(nèi)徑=50*60%=30mm，軸長為h=115mm；Ⅱ-Ⅲ軸上裝密封圈，軸承， 端蓋，外徑DⅡ-Ⅲ外徑 = 55mm，軸長h=106；內(nèi)徑=33mm；Ⅲ-Ⅳ軸上裝配濾盤，密封圈，鎖緊螺母，外徑DⅢ-Ⅳ =60mm；內(nèi)徑=36mm，軸長h=115mm；
③軸承的選擇；
因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用兩個圓錐滾子軸承，參照工作要求并根據(jù)DⅡ-Ⅲ =55mm；由軸承產(chǎn)品目錄中初選取0基本游隙組，標準精度級的圓錐滾子軸承型號30313，其尺寸為d=55mm，D=80mm，B=13mm。
圖2.3 空心軸
⑶ 軸的校核
①按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取==18.6Mpa；
查表《機械設(shè)計》表15-1查得[]=60Mpa;因此＜[]，故安全。
②精確校核軸的疲勞強度
S=S*S/≥S
S=/K*+*≥S
截面Ⅲ
抗彎截面系數(shù) W=0.1d=0.1*55=16637mm
抗扭截面系數(shù) W=0.2 d=0.2*55=33250 mm
截面Ⅲ的左側(cè)的彎矩M為
M=166758*(71-36)/71=92534N.m?
截面Ⅲ上的扭矩T為
T=960000N.m
截面上的彎曲應(yīng)力
=M/W=92534/16637=5.6Mpa
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
=T/ W=960000/33250=28..2Mpa
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表15-1查=640Mpa；=275Mpa；=155Mpa；
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及按表查取，因r/d=2.0/55=0.036,D/d=60/55=1.09;經(jīng)插值得
， =1.31
軸按磨削加工，得表面質(zhì)量系數(shù)為
==0.92
軸未經(jīng)表面強化處理，即=1，得
K=2.80 K=1.62
計算安全系數(shù)S值，
S=S*S/=9.5＞＞S=1.5
故可知其安全。
2.3 電動機的選擇
由于本設(shè)計需要一個功率在5KW以上，重量不能太大并且采用連續(xù)周期工作制的（S6）異步電動機，其安裝形式為V13011，通過查機械設(shè)計手冊選得：電動機Y132-2，技術(shù)數(shù)據(jù)如下：
額定功率5.5KW，轉(zhuǎn)速1450r/min，額定電流13.4A，效率92%，功率因數(shù)0.78，最大轉(zhuǎn)距/額定轉(zhuǎn)距為2.0，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)距/額定轉(zhuǎn)距為2.0，堵轉(zhuǎn)電流/額定電流為6.5，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量GD2為0.535N*㎡，重量為8.4㎏。
15
2.4 閥門的選擇與設(shè)計
用計算機對液壓或氣壓系統(tǒng)進行控制是技術(shù)發(fā)展的必然趨向。但是電液比例閥或者伺服閥能接收的信號是連續(xù)的電壓或電流，而計算機的指令是“開”或“關(guān)”的數(shù)字信息，要用計算機控制必須進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，其結(jié)果是使設(shè)備復(fù)雜，成本提高，可靠性降低。在這種技術(shù)要求下，20世紀80年代初期出現(xiàn)了電液數(shù)字控制閥。用數(shù)字信息直接控制的閥稱為電液數(shù)字控制閥，簡稱數(shù)字閥，目前應(yīng)用較少。它可直接與計算機接口，不需數(shù)/模轉(zhuǎn)換?？梢苑譃閿?shù)字式流量閥、數(shù)字式壓力閥、數(shù)字式方向流量閥等。下面舉例以增量式數(shù)字流量閥來說明原理：
??? 組成：步進電動機、滾珠絲杠、閥心、閥套、閥桿、傳感器等
圖2.4數(shù)字流量閥
1-不進電動機 2-滾珠絲杠 3-閥芯 4-閥套 5-閥桿 6-傳感器
工作原理：計算機發(fā)出信號后，步進電機轉(zhuǎn)動，通過滾絲杠轉(zhuǎn)化為軸向位移，帶動節(jié)流閥閥心移動，首先打開非全周節(jié)流，流量較小，而后打開全周節(jié)流口，流量較大，可達3600?l/min。特點：
(1)閥心、閥套、閥桿的相對熱膨脹取得溫度補償，維持流量恒定。
? (2)?該閥無反饋功能，但裝有零位移傳感器，每個控制終了，閥心都可在它控制下回到零位，重復(fù)精度較高。
單向閥是控制流體只能正向流動，不允許反向流動的閥，也可稱逆止閥或止向閥。增量式數(shù)字閥是采用由脈沖數(shù)字調(diào)制演變而成的增量控制方式，以步進電機作為電氣—機械轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動液壓閥芯工作，因此又稱步進式數(shù)字閥。增量式數(shù)字閥控制系統(tǒng)工作原理框圖如圖9—l所示。微型計算機(下簡稱微機)發(fā)出脈沖序列經(jīng)驅(qū)動器放大后使步進電機工作。步進電機是一個數(shù)字元件，根據(jù)增量控制方式工作。增量控制方式是由脈沖數(shù)字調(diào)制法演變而成的一種數(shù)字控制方法，是在脈沖數(shù)字信號的基礎(chǔ)上，使每個采樣周期的步數(shù)在前一采樣周期的步數(shù)上，增加或減少一些步數(shù)，而達到需要的幅值，步進電機轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖數(shù)成比例，步進電機每得到一個脈沖信號，便得到與輸入脈沖數(shù)成比例的轉(zhuǎn)角，每個脈沖使步進電機沿給定方向轉(zhuǎn)動一固定的步距角，再通過機械轉(zhuǎn)換器(絲桿—螺母副或凸輪機構(gòu))使轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為軸向位移，使閥口獲得一相應(yīng)開度，從而獲得與輸入脈沖數(shù)成比例的壓力、流量。有時，閥中還設(shè)置用以提高閥的重復(fù)精度的零位傳感器和用以顯示被控量的顯示裝置。
增量式數(shù)字閥的輸入和輸出信號波形如圖9—2所示。由圖可見，閥的輸出量與輸入脈沖數(shù)成正比，輸出響應(yīng)速度與輸入脈沖頻率成正比。對應(yīng)于步進電機的步距角，閥的輸出量有一定的分辨率，它直接決定了閥的最高控制精度。
圖2.5 增量式數(shù)字閥控制系統(tǒng)工作原理框圖
圖2.6 增量式數(shù)字閥的輸入和輸出信號波形圖
2.5 傳感器的選擇與信號檢測
2.5.1 傳感器的選取
經(jīng)過反復(fù)比較與選擇最后選用美國Motorola公司生產(chǎn)的MPX2100A型單片集成硅壓力傳感器，其測量范圍為0～100KPa，工作溫度范圍為-40～125℃，傳感器的輸出電壓和被測絕對壓力成正比，采用顯微機械加工、激光休整等先進和薄膜電鍍工藝，具有測量精度高、預(yù)熱時間短、響應(yīng)速度快、長期穩(wěn)定性好、可靠性高、過載能力強等優(yōu)點。若采用5V電源時，在0～80℃溫度范圍內(nèi)的最大測量誤差不超過±1.8%，滿量程輸出電壓為4.95V，壓力靈敏度為54MV/KPa，預(yù)熱時間為20ms，響應(yīng)時間為1ms，長期穩(wěn)定度為±0.5%，允許過載348%FS（FS代表滿量程）。電源允許范圍為4.85V～5.35V，典型值為5.0V或5.1V，電源電流為7.0MA（典型值）。具體資料可參見外文文獻。
2.5.2 信號檢測
圖2.7 信號檢測原理圖
信號檢測原理如上圖：整個工作流程由PLC控制，PLC發(fā)出信號至電源和驅(qū)動器，控制其電流大小，影響電動機的功率、轉(zhuǎn)速等， 完成對被控量的控制（流量、壓力等）；而MPX2100A壓力傳感器將被控量負反饋給PLC，是被控量保持在一個穩(wěn)定的波動范圍內(nèi)。
2.6 控制面板的設(shè)計
圖2.8控制面板圖
控制面板分為4大塊：4個燈、4個按鈕、2個鈴；
其中正常工作時，先亮過濾燈，然后是濾余液的指示燈，最后是反沖洗的燈，如此循環(huán)，前一個燈滅接著后一個燈亮；如出現(xiàn)故障則亮報警燈以及響報警鈴并且停止工作；反洗的時候同時響反洗鈴； 4個按鈕的作用則很明顯，啟動按鈕采用綠色材料，停止按鈕采用紅色材料。另外2個按鈕用來控制取樣閥，來獲取樣品，從而調(diào)整工作狀態(tài)。
第3章 PLC的應(yīng)用及分析
3.1 PLC的結(jié)構(gòu)與特點
隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域。現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammable Logic Controller）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。
可編程序控制器簡稱為PLC，它的應(yīng)用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。PLC廣泛地應(yīng)用在各種機械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中，PLC在其他領(lǐng)域，例如在民用和家庭自動化中的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。
3.1.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)
PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成（如下圖）。PLC的特殊功能模塊用來完成某些特殊任務(wù)。
圖3.1 PLC控制系統(tǒng)示意圖
3.1.2 PLC的特點
（1）可靠性高，抗干擾能力強
高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。
（2）配套齊全，功能完善，適用性強
PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。
（3）易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎
PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。
（4）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造
PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。
（5）體積小，重量輕，能耗低
以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。
3.2 PLC在本設(shè)計中的應(yīng)用
根據(jù)計算可以得知：有21個輸入信號和19個輸出信號，采用繼電器輸出，故I/O點數(shù)為21+19=40點。
故應(yīng)該選用FX2N-64MR-001系列，輸入可用點數(shù)為24點，輸出可用點數(shù)為24點，擴展模塊可用點數(shù)為48～64點（不需要用到），即可達到本設(shè)計的要求。采用AC 24V電源、DC輸入、橫式端子排、標準輸出。FX2n系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2n系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。 為大量實際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要----模擬I/O，高速計數(shù)器。定位控制達到16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。對每一個FX2n主單元可配置總計達8個特殊功能模塊。 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信連接到世界上最流行的開放式網(wǎng)絡(luò) CC-Link，Profibus Dp和DeviceNet或者采用傳感器層次的網(wǎng)絡(luò)解決您的通信需要。 時鐘功能和小時表功能 在所有的FX2NPLC中都有實時時鐘標準。時間設(shè)置和比較指令易于操作。小時表功能對過程跟蹤和機器維護提供了有價值的信息。 產(chǎn)品說明 規(guī)格型號 FX2N-64MR-001 其它說明 最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能 供貨地 上海 產(chǎn)地 上海 產(chǎn)品用途 適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。 技術(shù)參數(shù) 輸入點數(shù) 32點 尺寸（mm）寬*厚*高 220*87*90 輸入輸出形式 繼電器 輸出點數(shù) 32點。
3.2.1 工藝流程圖
圖3.2 工藝流程圖
3.2.2 PLC的接線圖
圖3.3 PLC外部接線圖
3.2.3 程序梯形圖
圖3.4程序梯形圖
3.2.4 指令表
0000 LD X2
0005 AND X0
0010 OR M301
0015 SET M301
0020 RST M300
0025 LD M301
0030 AND X4
0035 OUT T0
0040 K20
0045 OR T0
0050 SET M302
0055 RST M302
0060 LD M302
0065 AND X5
0070 SET M303
0075 RST M302
0080 LD M303
0085 AND X6
0090 SET M304
0095 RST M303
0100 LD M304
0105 AND X7
0110 SET M305
0115 RST M304
0120 LD M305
0125 AND X11
0130 MPS
0135 OUT T1
0140 K24000
0145 MPP
0150 LD T1
0155 MPS
0160 ANI X3
0165 SET M306
0170 MPP
0175 RST M305
0180 LDI X6
0185 ANI X3
0190 SET M307
0200 RST M306
0205 LDI X5
0210 ANI X3
0215 SET M308
0220 RET M307
0225 LDI X4
0230 ANI X3
0235 SET M309
0240 RST M3O8
0245 LDI X11
0250 MPS
0255 OUT T2
0260 K50
0265 MPP
0270 LD T2
0275 SET M310
0280 RET M309
0285 LDI X4
0290 SET M311
0295 RET M310
0300 LDI X12
0305 MPS
0310 OUT T3
0315 K100
0320 MPP
0325 LD T3
0330 SET M312
0335 RST M311
0340 LDI X12
0345 MPS
0350 OUT T4
0355 K20
0360 MPP
0365 LD T4
0370 ANI X3
0375 SET M313
0380 RST M312
0385 LD X4
0390 SET M314
0395 RST M313
0400 LD X5
0405 SET M315
0410 RST M314
0415 LD X11
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