1 绪论剪切式均质技术作为一种新型微米技术，已广泛应用于食品、医药、轻工、微生物等 诸多行业，并得到迅速发展，已成为这些行业对有关流体、半流体产品品质所必不可少的 工艺过程。

国外早在 30 年前就产生并使用均质机，且应用于生产。

目前，已有美国、日本、德 国等 10 多个国家生产均质机。

剪切式均质机作为均质机械中的佼佼者，也被广泛的认识 和研究。

自从 1948 年德国 FLUKO 公司首次发明了应用高剪切原理制成分散乳化设备，高 剪切分散乳化设备已经出现了多种系列产品，在世界均质机械行业处于领先地位。

近 40 年来，国外，特别是欧洲一些国家在高剪切分散均质机行业得到迅速发展，并在很多领域 发挥着重大作用，如化装品、制药、食品、涂料、黏合剂等。

国外所研究制造的剪切式均 质设备基本上上是采用定一转子型（stator-rotor）结构作为均质头，在电机的高速驱动 下（300-10000r/min） ，物料在转子与定子之间的间隙内高速运动，形成强烈的液力剪切 和湍流，使物料在同时产生的离心、挤压、碰撞等综合作用力的协调作用力下，得到充分 的分散、乳化、破碎，达到要求的的效果。

美国和德国在剪切式均质机的研究和开发方面 都取得了显著进展。

如美国IKA-WERKE GMHB CO.KG生产的多系列分散均制设备；美国ROSS 公司研制的高剪切混合乳化机；德国 IKA-MASCHINENBAU 公司研制的 ULTRA 分散机；德国 YSTRAL公司生产的X40型分散搅拌机；德国公司研制的系列高剪切分散乳化剂、管线式高 剪切分散乳化剂、管式分散乳化剂、间歇式高剪切与间歇式无轴承分散乳化剂、高效强力 分散乳化剂等世界领先高科技产品。

我国的均质机研究产品是从 50 年代个别厂家开始的，最早是上海烟草机械厂仿制美 国产品，直到 80 年代才开始逐渐的生产均质机，而且大多是传统的高压均质设备。

随着 国外剪切式均质机的迅速发展，近年来，国内许多科研人员，制造和使用厂家也开始重视 对剪切式均质机的研究工作。

目前，已建立了与国外厂商联营、合资研制生产剪切式均质 机的公司。

如上海菲鲁克（FLUKO）机电设备有限公司；中美合资南通罗斯（ROSS）混合 设备有限公司等。

现在国内有许多厂家开始生产高剪切均质机， 如东市长江机电有限公司、 上海环保设备总厂、上海威宇机电有限公司、上海市化工装备研究所生产的集混合、分散、 乳化、溶解、粉碎等功能为一体的系列剪切式均质机。

1.1 高剪切均质机的均质原理剪切均质机基于超剪切原理，实现固相的微化和液相的乳化。

目前采用剪切式均质机 主要工作部件为一级或多极的相互啮合的定转子又有数层齿圈。

其均质乳化有以下方面：1 液力剪切作用液力剪切是指高速流动的流体本身会对流体内粒子产生强大的剪切作用，而且由于高 速流动产生剧烈的微湍流，在湍流边缘出现很高的局部速度梯度，处于这种局部速度梯度 下的粒子会受剪切而微粒化，液力剪切分层流剪切和湍流剪切。

在层流区域，流体在定转 子槽道内流动时，流体内的最大流速及所受到的最大剪切力与流体流动方向上的压力梯度 成正比。

当施以周期性高频脉动压力梯度时，最大速度在槽道壁面与机理道中心之间，偏 离中心，且频率增大，最大速度增大，且向壁面趋近，剪切力增大。

流体在同轴圆筒之间 成为旋转流，由于两圆筒速度不同，间隙内流体层之间存在速度梯度，产生剪切力。

如圆筒设为定子和转子，在定转子间隙很小情况下，转子速度越大，定转子间隙越小，则最大 剪切越大。

而对于纤维物料处理时，在由高速旋转的定转子形成的流场内，由于流动着的 流体流于齿槽边界接触、 不同速度运动的两股流体相互接触产生剧烈的湍流。

湍流状态下， 由于不断变化的流动速度和由此产生的脉动压力作用于分散向颗粒表面，进而产生强烈的 剪切作用力。

湍流强度越大，流体所受的剪切作用越大 ，另外，湍流运动的脉动特性使 其具有传递扩散性，从而使物料的粉碎过程中能更产生很好的分散、混合效果。

可以看出， 当速度达到一定值时，流体各层之前产生的剪切应力大于纤维物料的临界剪切应力，从而 使纤维物料破碎。

液力剪切是高速流动的流体本身对流体内粒子产生强大的剪切作用，而且由于高速流 动产生剧烈的微湍流，在湍流边缘出现很高的局部速度梯度，处于这种局部速度下的粒子 会受剪切而微粒化，液力剪切分层流剪切与湍流剪切，高黏度物料一般处于层流状态，低 黏度物料一般处于湍流状态，果蔬汁物料处于两者之间。

2 高频压力波作用高频压力波主要有空穴效应，高频压力振动，可使颗粒表面周期性膨胀、压缩，致使 固相与液相颗粒破裂。

空穴效应是由于大量气泡随压力升高而瞬间溃灭而产生的高速微射 流，速度可达到 100m/s 到 300m/s 这一高速微射流产生的脉冲压力接近 200Mpa 这就是空 穴效应。

高频压力振动是由于定转子齿槽时开时闭时产生的，高频压力波对果疏汁等含液 -液相的物料可达到很好的均质效果。

3机械撞击、剪切作用对于含固体颗粒物料的粉碎均质，机械剪切与撞击起主导作用，转子带有叶高速旋转 产生强大的离心力场，在转子中心形成很强的负压区，料液（液液或液固混合物）从定转 子中心被吸入，在离心力地作用下，物料由内圈向外圈运动，线速度越来越高，形成极大 的压力梯度场，在该场中，物料受机械力、流体力作用下，产生强大的剪切、摩擦、撞击 以及物料间的相互碰撞、摩擦实现固相在微粒与液相的乳化。

图1­1 定子—转子结构示意图图1­2 高剪切粉碎机定转子示意图其工作原理为：物料经初粉碎后，与大量的水混合物，使物料有了一定的流动性。

转 子带有叶片高速旋转产生强大的离心力场，在转子中心形成的负压区，料液（纤维物料与 流体混合物）从定转子中心被吸入，在离心力作用下，物料由中心向四周扩散，在向四周 扩散过程中，物料首先受到叶片的搅拌、并在叶片端面与定子齿圈内侧窄隙间受到剪切， 然后进入内圈转齿与定齿的窄小的间隙内，在机械力和流体力学效应的作用下，产生很大 的剪切、摩擦、撞击以及物料间的相互碰状和摩擦作用而使物料破碎。

随着转齿的线速度 由内圈向外圈逐渐增高，粉碎环境不断改善，物料在向外圈运动过程中受到越来越强烈的 剪切、摩擦、冲击、碰撞等作用而被粉碎得越来越细。

以下是定子和转子的实物图。

图1-3 定子—转子实物图1.2 电动机与转轴连接形式通常，带传动用于中小功率电动机与工作机械之间的动力传递。

其优点主要有：适用 于中心距较大的传动；带具有良好的挠性，可缓冲和冲击、吸收振动；过载时带与带轮间 回出现打滑，打滑虽使传动失效，但可防止损坏其他零件；结构简单、成本低廉。

当然他 也有不少缺点；传动的外轮廓尺寸较大；需要张紧装置；由于带的滑动，不能保证固定不 变的传动比；带的寿命较短；传动效率较低。

在此生产线中设计使用的高剪切均质机，其 功率不算大，所以其整个机体的尺寸也较小。

联轴器的结构简单，安装方便，且效率高。

综合以上各个方面，可以将电动机轴和转轴用联轴器直接连接起来，做成卧式结构， 这样其传动效率较高，且使其专用空间减少，从而大大提高机器工作效率。

如图1-4所示。

图1­4 电动机遇转轴联结简图2均质机的设计2.1 电动机的选择电动机的类别有一般异步电动机、变速异步电动机、防爆异步电动机等,在此选用一 般异步电动机即可满足工作要求.电动机外壳结构形式:在本设计的生产环境中,可能有水滴落、飞溅,容易造成电机烧 坏;且空气中经常存在叫多的灰尘,所以在此电动机的外壳形式选择封闭式中的自扇冷却 式结构,其在本身转轴上(封闭部分以外)装有风扇,以冷却机身.一般异步电动机中包括Y系列(IP23)三相异步电动机、 Y系列(IP44)三相异步电动机、 YH系列高转差率三相异步电动机和YEJ系列电磁制动三相异步电动机.YH 系列高转差率三相异步电动机和 YHJ 系列电磁制动三相异步电动机均是 Y 系列 (IP44)电机的派生产品,而对于Y系列(IP44)三相异步电动机,此电动机为封闭自扇冷式鼠 笼型三相异步电动机,效率高、节能,堵转转距高、噪声低、振动小,运行安全可靠.能防止 灰尘、铁屑或其他杂务侵入电机内部;具有与 Y 系列相同的用途于驱动无特殊要求的各种 机械设备,如水泵、鼓风机、金属切削机床及运输机械等)外,还能适用于灰尘多、水土飞 溅的场所,如球磨机、碾米机、磨粉机、脱谷机及其他农用机械、食品机械、矿山机械等.已知电动机的驱动功率为 22KW.查机械设计手册(1)第九章,在此处选用 Y180M-2 型电 动机,机座不带底脚,端盖不带凸缘.转速为2940r/min.如图2-1所示,图 2­1 电动机简图2.2 轴的设计与校合2.2.1 轴的设计3 np C D ³ 式中 C-由轴的材料和承载系数确定的常数P-轴传递的功率,KWn-轴的转速,r/min电机和轴之间使用一弹性联轴器相连992 . 0 1 º h 轴用滚动球轴承支撑 99. 0 2 º h 轴选用材料:1Cr17Ni2,取C=140（不锈钢C 一般为125-145），P= KW P 6 . 21 99 . 0 992 . 0 22 2 1 = ´ ´ = ´´ h h 机 ,n=2940r/min, 所以 mm D 2 . 27 29406 . 21 140 3 = ´ ³ 考虑到轴上要开键槽,所以直径放大7%左右所以D=27.2+27.2´7%=29.1mm又因为轴上每个转子处要开两个键槽,所以去=取D=35mm2.2.2 轴的校合2.2.2.1轴的强度校核轴的受力情况如图 2-2 所示,未注单位为 mm,其中重力 N G N G N G 30 , 98 , 70 3 2 1 = = = ; 由于轴的转速较高 , 所以转子产生的偏心力得加以考虑 , 偏心力 N mr F 8 . 21 ) 98 ( 10 46 10 5 ' 2 3 3 2 1 = ´ ´ ´ ´ = = - - p w ,其中m 为转子的偏心质量, .r 为偏心距,所 以 N F F F 8 . 211 32 = = = 。

F1 F2 F3 G1 G2 G3AB Fa Fb 图 2­2 轴的受力简图-44.1N.m18.9N.m-2.13N.m图 2­3 轴的弯矩和成图-160.8N.m-107.2N.m-53.6N.m图 2­4 轴的扭矩图轴的材料为 1Cr17Ni2,,经淬回火后,其许用应力[ ] Mpa b 2301 = - s ,做出轴的弯距图,如图 2-3所示,则M=-44.1 mN · 轴的转矩:m N n p T · = ´ = = 2 . 107 294022 9950 9550 轴的扭矩图如图2-4所示,则危险截面的当量弯矩:从图可见,若将此轴看作D=35mm 的等直径轴,则轴承所支撑的A 处截 面最危险,其当量弯矩为:22 ) ( T M M e a + =如认为轴的扭切应力是脉动循环变应力,取折合系数,代入上式可得:mN M e · = ´ + = 0 . 78 ) 2 . 107 6 . 0 ( 1 . 44 2 2 所以 [ ] b e e Mpa d M 1 3 33 2 . 18 351 . 0 10 0 . 78 1 . 0 - < = ´ ´ = = s s 所以此轴符合强度要求.2.2.2.2 轴的刚度校核将轴的受力进行简化,如图2-5所示, G2G3 AB Fa FbP=94.4N443mm图 2­5 轴的受力简图当量作用力 P 处的挠度最大,且最大挠度 EIpl f p 3 3 - = ,其中 mm l p 443 = E 为材料的弹性摸量, 查得1Cr17Ni2在20℃时的E 为 Mpa 5 10 06 . 2 ´ ;当轴为等直径时, 4 64 d I p= . 求轴的当量直径;查机械设计手册④得不等直径的阶梯轴的当量直径 m d 的计算公式为 å = = ni i im d l Ld 1 4式中 i l —阶梯轴i 段的长度;i d —阶梯轴i 段的直径L—两支承之间的长度;当载荷作用于两支承之间时,L=1;当载荷作用于两悬臂时,L=1+K;K—轴的悬臂长度.所以mm d m 4 . 35 6014 55 17 50 131 42 93 35 150 16 24 917 4 4 4 4 4 4 = + + + + + = 所以 mm f 2 . 0 4 . 35 6410 06 . 2 3 443 4 . 94 45 - = ´ ´ ´ ´ ´ - = p 因为转子与定子每一圈齿之间的间隙为0.5mm,所以起刚度也符合要求.2.3 轴承的选用轴承分为滚动式轴承和滑动式轴承两大类,其中滚动轴承按滚动体的形状又可分为球 轴承和滚子轴承,滚子轴承中又包括圆住滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承和调心滚子 轴承;滚动轴承可分为干摩擦轴承和含油轴承等.2.3.1轴承型号选用与滑动轴承比,滚动轴承具有摩擦阻力小、启动灵敏、效率高、润滑简便和易于互换 等优点;本质均机转轴转速较高,载荷不大,主要承受径向载荷,但其旋转精度要求较高,且支 承刚度较高,所以可成对采用深沟球轴承.当轴承内径相同时,外径愈小,滚动体愈小愈轻,运转时滚动体作用于外圈滚道上的离 心力愈小,因此更合适与高速下工作,但同时要承受一定的载荷,所以直径系列选用 3(中) 系列.综上考虑,选用深沟球轴承632.2.3.2 润滑和密封润滑的作用润滑过程中,轴承内部各元件见,均存在不同程度的相对滑动,从而导 致摩擦发热和元件的磨损.因此工作中必须对轴承进行可靠的润滑.润滑的主要目的是;1)减小摩擦发热,避免工作温度过高2)降低磨损3)防止锈蚀4)密封(脂润滑)d 代表轴承内径(mm),a 代表轴承的转速(r/min),当 n d <(1.5～2)´ 5 10 min / r mm · 时,一般可采用润滑脂润滑,在此 n d =60´2940=17640 min / r mm · ,所以可以选用脂润滑.且脂润滑的优点在于:油膜强度高;油脂粘附性好,不易流失,使用时间较长;密封简单,能 防止灰尘、水分和其他杂务进入轴承.此外,润滑脂的不足或过多,都会导致轴承工作中升 温增大,磨损加快,故润滑脂的填充量要适度.一般,以填充量占轴承与外壳见的 1/3～1/2 为宜.考虑其工作环境相对还不错,且操作方便,所以对轴承的密封可采用防尘盖. 所以选用轴承为 6312—2Z.2.3.3 轴承的固定轴承的固定方式有两端固定支承、固定—游动支承、两端游动支承.在此,周主要用于 传递扭矩,轴承所受的轴向和径向力都很小,且由于安装了机械密封,为防止其的损坏,要 求轴基本上不产生轴向位移,由此对其轴承的固定采用固定—游动的方式.其固定方式如 图2-6所示。