I某水合物壓實與生成一體化裝置總體方案設(shè)計案例1.1水合物生成與壓實一體化裝置的工作過程本文設(shè)計的水合物生成與壓實一體化裝置主要用于實現(xiàn)水合物生成壓實與儲備一體化，其工作地點大多為水和物生產(chǎn)工廠或水合物研究實驗室。其具體工作流程為：（1）利用泵將反映所需的氣體和液體泵入反應(yīng)釜中；（2）滾軸絲杠旋轉(zhuǎn)使得反應(yīng)釜外的磁鐵帶動反應(yīng)釜中的磁鐵向右移動，此時內(nèi)球閥關(guān)閉；（3）滾軸絲杠反向旋轉(zhuǎn)使得反應(yīng)釜外的磁鐵帶動反應(yīng)釜內(nèi)的磁鐵向左移動，此時內(nèi)球閥關(guān)閉；（4）上述過程往復(fù)循環(huán)多次后，會有已經(jīng)合成并被壓實的水合物儲存在反應(yīng)釜的兩側(cè)，且反應(yīng)物也消耗殆盡，此時打開右側(cè)內(nèi)球閥、外球閥開關(guān)；（5）滾軸絲杠旋轉(zhuǎn)使得反應(yīng)釜外部磁鐵向右移動帶動反應(yīng)釜內(nèi)部磁鐵向右移動，之后內(nèi)部磁鐵會推動已經(jīng)合成的水合物通過右側(cè)內(nèi)、外球閥，之后因為重力落到在右側(cè)外球閥下方的傳送帶上。之后再反向移動磁鐵，將左側(cè)已經(jīng)生成的水合物推落至下方的傳送帶上。（6）傳送帶一直在工作，每當有水合物落至傳送帶上都會將其運輸至水合物容器中。（7）循環(huán)上述過程。圖2-1水合物生成及壓實一體化裝置Fig.2-1Integrateddeviceforhydrategenerationandcompaction1.2水合物壓實與生成一體化裝置的總體要求(1)首先本論文題目研究的重點是水合物的生成與壓實，并且在生成壓實之后能夠及時的將水合物從反應(yīng)釜中移出并運送到儲存容器當中；(2)由于該一體化裝置中的反應(yīng)釜為壓力容器，所以此機械設(shè)備要有可靠的安全性；(3)因為水合物生成反應(yīng)較為復(fù)雜，因此反應(yīng)釜外的滾珠絲杠移動速度要較為緩慢，使得反應(yīng)過程能夠充分進行；(4)水合物生成與壓實一體化裝置的造價要合理，在能夠安全完成反應(yīng)、壓實、輸送過程的同時盡量壓低造價?？紤]到以上所需的設(shè)計要求，本文設(shè)計的水合物生成與壓實一體化裝置由外圍直線運動裝置、反應(yīng)釜、傳送帶、反應(yīng)釜開關(guān)等組成。1.1.1外圍直線運動裝置設(shè)計方案工程中常用的直線運動裝置為滾珠絲杠，這是一種將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的機械裝置，傳動效率以及精度較高。滾珠絲杠的選擇涉及到確定滾珠絲杠的副導(dǎo)程、載荷及轉(zhuǎn)速的計算[15]、副預(yù)期額定動載荷計算、電機選擇等計算與選型過程，在論文后面的計算部分會進行詳細研究。圖2-2絲杠Fig.2-2Leadscrew滾珠絲杠上下兩側(cè)有兩條滑軌，這兩條滑軌與滾珠絲杠螺母上的法蘭相連接，起到固定的作用，提高滾珠絲杠運動豎直方向上的精度。絲杠兩側(cè)有固定臺座，用來固定絲杠，并且絲杠一側(cè)與伺服電機相連接，能實現(xiàn)利用伺服電機控制運動。反應(yīng)釜外圍直線運動裝置主要是使外圍磁鐵帶動反應(yīng)釜內(nèi)的磁鐵活塞，反應(yīng)釜內(nèi)有部分壓強并且反應(yīng)物需要充分時間進行反應(yīng)，因此外圍磁鐵僅需緩慢往復(fù)勻速移動即可。外圍磁鐵需固定在絲杠螺母之上，因為磁鐵活塞和外圍磁鐵的磁力作用需要連接部分有足夠的強度，以免在運動過程中出現(xiàn)安全事故。2-3磁鐵固定法蘭Fig.2-3Magnetfixingflange滾珠絲杠的絲杠作為轉(zhuǎn)動部件，其直線度非常高。絲杠杠體上有半圓形螺旋槽，以供滾珠進行滾動，減少摩擦。絲杠本身因為加工需要表面淬火之后再進行磨削，因此本身耐磨性能較好，在設(shè)計時可以不去考慮絲杠磨損帶來的危害。絲杠本身與驅(qū)動電機相連，由電機直接驅(qū)動[16]。圖2-4絲杠滑臺Fig.2-4Screwslide在滾珠絲杠中，滾珠既是傳動部分又是承載部分，以滾動的方式傳遞運動使得其所受的摩擦力較小，這近一步加強了滾珠絲杠的耐用性。滾珠絲杠的螺母上還有導(dǎo)油孔，可以給螺母定期注入潤滑油和潤滑脂，提高滾珠絲杠螺母的耐用性。滾珠絲杠上具有用來移動和固定磁鐵的絲杠螺母，本設(shè)備的絲杠螺母將會與一個直線導(dǎo)軌相連接，可以使得外圍磁鐵穩(wěn)定直線往復(fù)運動。絲杠螺母是滾珠絲杠的重要部件，滾珠絲杠的性能和耐用度很大程度上依賴于它。1.1.2水合物反應(yīng)釜及生設(shè)備設(shè)計裝置中水合物反應(yīng)釜需要橫向放置，因為相同周長下圓形的面積最大，因此需要設(shè)計一個橫截面為圓形的橫向放置反應(yīng)釜，即圓筒狀反應(yīng)釜。反應(yīng)釜中的活塞由磁鐵制成并且設(shè)計成柱狀，目的是為了能夠從外圍利用磁鐵控制該活塞的運動，從而實現(xiàn)水合物的生成及壓實。圖2-5反應(yīng)釜Fig.2-5Reactor圓筒狀反應(yīng)釜內(nèi)需要不斷的輸入水合物反應(yīng)中所需要的氣體及液體，于是在圓筒橫向一側(cè)以及下側(cè)開一排小孔。這些小孔與軟管連接，軟管與電動泵相連接。下側(cè)小孔輸入氣體既是反應(yīng)物也會增加反應(yīng)釜中的壓強，水平側(cè)小孔輸入液體。為了避免反應(yīng)物體積過大，使得磁鐵活塞運動收到阻礙。因此在反應(yīng)釜水平側(cè)開一段槽，目的是為了使反應(yīng)物能夠充分流動，增加反應(yīng)釜中的安全性，也能使反應(yīng)物充分反應(yīng)。圖2-6反應(yīng)釜橫截面Fig.2-6Crosssectionofreactor水合物生成需要低溫高壓的環(huán)境，因此需要將水合物反應(yīng)釜做到良好的密封。反應(yīng)釜的左右兩側(cè)都是水合物生成及輸出的部分，因此反應(yīng)釜左右兩側(cè)的出口都必須有可以自行控制的開關(guān)，使得進行水合物生成反應(yīng)時兩端開關(guān)關(guān)閉，水合物需要從反應(yīng)釜中輸出時兩端開關(guān)也能夠及時打開。為了滿足水合物高壓、低溫的生成環(huán)境，以及可以快速開關(guān)反應(yīng)釜兩側(cè)通路，經(jīng)過綜合考慮，在反應(yīng)釜兩側(cè)裝配兩個球閥就可以解決上述問題。球閥結(jié)構(gòu)相對簡單，密封性能也較好，開關(guān)的操作較為簡單容易實現(xiàn)通路的快速開關(guān)。圖2-7球閥Fig.2-7Ballvalve在反應(yīng)釜兩側(cè)增加兩個球閥，這樣就能夠形成一個能及時打開將生成的水合物輸出，又能再次關(guān)閉再次充入氣體與液體反應(yīng)物使得反應(yīng)再次進行的可控反應(yīng)釜裝置。經(jīng)過以上考慮，可以使用球閥作為反應(yīng)釜兩側(cè)的開關(guān)，及時打開或關(guān)閉反應(yīng)釜兩側(cè)通道。球閥工作時的流暢性較好，不用注入潤滑劑，只要選材得當，就能將其可靠的應(yīng)用至各種特種工作環(huán)境中。而且球閥的密封性非常好，在水合物生成環(huán)境的高壓中能夠?qū)崿F(xiàn)完全密封，無需擔(dān)心反應(yīng)釜泄漏。球閥中的球體和閥桿是球閥中重要的零件。球閥的閥桿要實現(xiàn)90度回轉(zhuǎn)，以及較低的啟動和關(guān)閉扭矩，較低的扭矩就能方便在球閥上施加電磁或者其他自動控制裝置。球閥的球體頂端有一個扁槽，與閥桿的下端扁榫相配合，閥桿的轉(zhuǎn)動帶動球體的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)球閥的開啟和閉合[17]。圖2-8球閥球體Fig.2-8球閥球體球閥中球體由閥桿控制轉(zhuǎn)動，既可以調(diào)節(jié)液體的流速，又可以控制反應(yīng)釜的開關(guān)。球閥密封性較好，但因為水合物反應(yīng)時需要在高壓環(huán)境中進行，因此球閥球體與閥體之間的密封環(huán)要使用金屬材質(zhì)制成。圖2-9球閥閥桿Fig.2-9Ballvalvestem球閥關(guān)閉時，反應(yīng)釜兩側(cè)封閉，已生成的水合物被反應(yīng)釜內(nèi)的活塞推至反應(yīng)釜兩側(cè)，之后利用磁鐵活塞進行壓實。因為球閥具有較好的密封性與耐壓性，所以兩側(cè)的水合物能夠被磁鐵活塞充分壓實。反應(yīng)釜兩側(cè)球閥打開之后，反應(yīng)釜內(nèi)磁鐵活塞推動已壓實的水合物通過球閥。在兩側(cè)球閥的出口處加一段短管之后繼續(xù)外接一個球閥，這個球閥打開之后，水合物會垂直下落，落至整個水合物反應(yīng)壓實裝置的正下方。1.1.3水合物輸送設(shè)備設(shè)計本設(shè)備中采用的傳送帶為有牽引式的帶式傳送機，這種傳送機可以水平運輸已經(jīng)生成的水合物。傳送帶的驅(qū)動裝置給整個傳送裝置提供動力，驅(qū)動裝置由電動機、停止器、減速帶組成；傳送帶張緊由兩側(cè)帶輪，帶輪可以使傳送帶保持一定的張力，有了足夠的張力傳送帶才可以高效、安全的運作。圖2-10電機輸送帶Fig.2-10Motorconveyorbelt輸送設(shè)備主要由以下部件組成：驅(qū)動裝置、導(dǎo)路裝置、拉緊裝置、傳送帶等組成。這種裝置使用較為廣泛、運行起來安全可靠、輸送量較大、自動化程度較高，并且這種設(shè)備可在零下四十攝氏度的環(huán)境下正常工作、易于維護，用來輸送水合物也完全沒有問題。并且這種設(shè)備維護以及運行所需的財力較低，可減少水合物生成壓實一體化設(shè)備的總體預(yù)算。這種牽引式傳送帶的結(jié)構(gòu)及工作特點如下：已經(jīng)生成的水合物因重力落至反應(yīng)釜正下方的傳送帶上，傳送帶繞過兩側(cè)帶輪循環(huán)。這種首尾相接進行回轉(zhuǎn)運動將水合物輸送至傳送帶一側(cè)，然后落至早已準備好的儲存器皿中，達成水合物生成及壓實輸送一體化流程。圖2-11電機輸送帶實物Fig.2-11Conveyorbelt電動機通過減速器傳送帶、聯(lián)軸器帶動傳送帶的驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)，使傳送帶開始運動。在傳送帶設(shè)計時，盡量優(yōu)先考慮單帶輪或者雙帶輪、單電機驅(qū)動，因為這種方式最為簡單。因為水合物是一種不易滾動也鮮有揚塵的物質(zhì)，并且質(zhì)量也較輕。因此傳送帶速度選擇時，選用低帶速即可。并且水合物是一種易碎的固體，在這種情況下，更需