1、现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。院系名称：机械工程学院 作者签名： 陈 世 达 学 号： 130338 2017 年 6 月 8 日毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书学院（系、部） 机械工程学院 专业 机械工程 班级 机132 学生姓名 陈世达 指导教师/职称 窦艳涛（讲师
2、） 1.毕业设计（论文）题目反应釜清洗用定位伸缩臂的机械系统设计2.任务起止日期： 2017 年 2 月 20 日至2017 年 6 月 9 日3.毕业设计（论文）的主要内容与要求课题简介：高压水射流清洗技术是近年来在国际上兴起的一门高科技清洗技术。高压水射流清洗具有清洗成本低、速度快、清净率高、不损坏被清洗物、应用范围广、不污染环境等特点。自80年代中期传入我国以来，逐渐得到了工业界的普遍认同与重视。在传统的清洗作业中采用的清洗技术有机械钻孔清洗、蒸汽清洗、化学清洗、超声波清洗、以及水射流清洗等几十种形式。日本、欧美等西方发达国家在70年代以前主要采用化学方法清洗，自70年代末开始发展高压水
3、射流清洗技术。到目前为止，高压水射流清洗已经成为西方发达国家的主流清洗技术，占到了清洗业市场份额的80%以上，在美国，高压水射流清洗已占到了清洗业的90%。我国的清洗行业多年来一直处于化学和手工清洗的落后状态，据估计，我国工业清洗目前80%是用化学方法。无论是化学清洗还是人工清洗都存在着清洗成本高、效率低、污染环境等问题，远远不能满足现代社会日益增长的工业及民用清洗要求。因此基于高压水射流机理的反应釜清洗定位伸缩臂装置的设计及开发具有较好的现实意义。任务要求：（1）查阅国内外文献25篇以上，其中英文文献5篇以上，详细了解石油化工清洗技术的现状，具体了解高压水在反应釜清洗定位伸缩臂装置、石油化工
4、设备、清洗管道等场合的技术比较、应用场合、技术优劣等。查阅相关资料，详细了解高压水射流原理的基本理论、动力驱动数据分析，并对基于高压水射流技术相关设备进行结构分析，并阐述国内外发展现状及发展趋势。（2）在大量查阅国内外文献资料的基础上，依据原始数据，完成基于高压水射流机理的反应釜清洗定位伸缩臂装置的设计及强度校核，完成附件结构设计及标准件选择。（3）各个机械结构的设计，包括装置结构设计、清洗方案的制定，附件结构设计及SolidWorks三维模拟。（4）在完成反应釜清洗定位伸缩臂装置的个零件图的工程图绘制。预期培养目标：培养学生科技资料查阅检索能力、培养学生社会调研能力、培养学生机械方案设计能力
5、，进而提高学生针对实际需求进行创新思维、机械设计和工艺制作等实际工作能力。课题较新颖，新知识较多，难度中等，工作量饱满，课题结合生产实际情况，对学生的能力训练意义重大。本项目具有良好的社会效益和经济效益，紧密结合新技术应用，突出我校特色，对北京石油化工学院学科建设和创新人才培养、科研梯队建设有着重要的促进作用。原始数据：待清洗对象为反应釜规格尺寸：公称容量5000L，高度5200mm，直径2000mm；人孔直径：600mm。提交成果：（1） 开题报告；要求：查阅国内外文献25篇以上，其中英文文献5篇以上，详细了解石油化工清洗技术的现状，具体了解反应釜清洗定位伸缩臂装置、清洗石油化工设备、清洗管
6、道等场合的技术比较、应用场合、技术优劣等。（2） 英文文献翻译；查阅近年来国外期刊杂志，翻译一篇基于反应釜清洗定位伸缩臂装置方面的英文文献，完成翻译工作量2万字符。（3） 论文；1在大量查阅国内外文献资料的基础上，依据原始数据，完成反应釜清洗定位伸缩臂装置结构设计及强度校核，完成附件结构设计及标准件选择。包括装置结构设计、清洗方案的制定，附件结构设计及SolidWorks三维模拟，并设计选择连接管道和阀门。2在完成反应釜清洗定位伸缩臂装置的设计的基础上，完成装置控制系统的设计、零部件选用、程序编写等。3设计说明书字数不少于 1.8 万字。4图纸：绘图量不少于折合成图幅为A0 号的图纸2 张，或
7、手工绘图不少于折合成图幅为A1 号的图纸4张。4.主要参考文献（1） 机械设计书籍（2） 化工设备清洗书籍（3） 机械制图国家标准（4） 机械设计手册（5） GB151、GB150（6） 储罐清洗方面论文（7） 近年来相关国外资料（8） 最近几年相关研究的博硕士论文（9）高压水射流理论书籍5.进度计划及指导安排时间工作内容备注第1周熟悉题目，查阅资料，撰写综述及开题报告查阅相关资料20篇以上第2周翻译英文文献不少于2万英文字符第3周撰写开题报告查阅相关资料第4周调研国内外相关产品，确定技术方案第5周结构初步设计，确定运动参数和动力参数第6周传动装置设计，确定运动参数和动力参数第7周零部件机构设
8、计确定第8周零部件强度校核第9周零部件三维造型第10周零部件工程图绘制第11周装配工作图的结构设计及绘制第12周三维装配运动模拟仿真第13周控制系统设计及程序编制第14周撰写修改设计报告，答辩准备参照毕业设计要求第15周答辩准备，预答辩任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字） 摘要反应釜广泛应用于石油、化工、医药、食品等各个工业领域，其粘釜问题是影响其产量和产品质量的最重要原因之一，因此必须对其定期进行清洗维护。随着技术的进步，高压水射
9、流技术已经成为反应釜清洗方式的主流，作为高压水射流技术清洗反应釜装备的核心部件，定位清洗装置一直是其研究的一个重点，基于此本研究设计了一款适用于反应釜的反应釜清洗用定位伸缩臂的机械系统。本文首先通过文献调研及总结对装置的总体设计方案进行了设计及遴选，明确了其设计的相关参数指标及其范围，最终确定了整个机械清洗装置由旋转机构、摆动机构以及伸缩机构三部分的结构设计方案。确定了各个机构的参数设置，确定了各传动零件的基础设计参数。对伸缩机构的工作原理进行理论分析，通过公式推导及实验验证得出伸缩臂的结构参数、在受喷头的最大反冲力情况下的受力分析；结合机械设计及材料力学等相关知识对反应釜清洗用定位伸缩臂的机
10、械系统设计进行了结构设计、强度校用寿命计算等，最后基于设计结果采用三维设计软件SolidWorks进行了反应釜清洗用定位伸缩臂的机械系统设计的虚拟建模，并完成了经济技术分析及成本核算。关键词：反应釜，定位伸缩臂，水射流清洗AbstractReactors are widely used in petroleum, chemical, pharmaceutical, food and other industrial fields, the sticky kettle problem is the impact of its production and product quality is o
11、ne of the most important reasons, it must be regularly cleaned and maintained. With the progress of technology, high-pressure water jet technology has become the mainstream of the reactor cleaning method, as a high-pressure water jet cleaning equipment, the core components of the reactor, positionin
12、g cleaning device has been a focus of its research, based on this study designed a The mechanical system for positioning the telescopic arm for the reactor for the reactor. In this paper, the design and selection of the overall design of the device are reviewed and summarized. The relevant parameter
13、s and their scope of the design are clarified. Finally, the whole mechanical cleaning device is determined by the rotating mechanism, the swing mechanism and the three parts of the telescopic mechanism. Structural design. The parameters of each mechanism are determined, and the basic design paramete
14、rs of each transmission part are determined. The theoretical analysis of the working principle of the telescopic mechanism is carried out. The structural parameters of the telescopic boom are deduced by the formula and the experimental results are obtained under the maximum recoil force of the nozzl
15、e. Combined with the knowledge of mechanical design and material mechanics, The design of the mechanical system of the telescopic telescopic arm was carried out, and the design of the mechanical life of the telescopic arm was carried out. Finally, the virtual modeling of the mechanical system design
16、 of the positioning telescopic arm was carried out with the three-dimensional design software SolidWorks. Economic and technical analysis and cost accounting.Keywords: reactor, positioning telescopic arm, high pressure water cleaning目录第一章 前言 11.1研究意义 11.2 国内外现状概况及常见清洗方法 21.3 反应釜清洗用定位伸缩臂的机械系统 31.3.1
17、高压水射流技术优点 31.3.2高压水射流清洗系统 41.4 研究的基本内容，拟解决的主要问题 91.4.1 研究的基本内容 91.4.2 拟解决的主要问题 91.5 研究步骤、方法 9第二章 设计前参数确定及方案遴选 112.1 参数确定 112.1.1 清洗对象介绍 112.1.2 设计参数及人孔结构 122.1.3 参数整理 132.2 方案选择 152.2.1 总体方案一 152.2.2 总体方案二 162.2.3 旋转机构方案选择 172.2.4摆动机构选择 182.2.5伸缩机构的选择 192.3 本章小结 22第三章 清洗定位伸缩臂的设计及校核 233.1 伸缩臂的总体尺寸设计
18、233.1.1 伸缩臂前端三维旋转喷头位置定位计算 233.1.2 三维旋转喷头反冲力的计算 253.1.3喷嘴、流道直径计算 253.1.4 旋转机构的校核计算 263.1.5锥齿轮传动设计及校核 263.1.6 小锥齿轮传动设计及校核 283.2 滚珠丝杠的选择及校核 303.3轴承的设计与校核 303.3.1 轴承的选择 303.3.2 轴径为30mm的轴承选择及校核 313.3.3轴径为20mm的轴承选择及校核 313.3.4轴径为15mm的轴承选择及校核 323.3钢丝绳的选择及校核 333.4 伸缩臂的设计校核 343.5本章小结 35第四章 定位伸缩臂三维造型及有限元分析 364
19、.1三维软件介绍 364.2 定位伸缩臂的三维造型 374.3人孔法兰及其固定机构 384.4 链条外啮合旋转机构 404.5 摆动机构 424.6 绳轮伸缩机构 464.7几个关键性部件的有限元分析 504.7.1摆动主臂的有限元分析 504.7.2第一节伸缩臂的有限元分析 534.7.3第一节伸缩臂的有限元分析 544.7.3摆动机构连接杆的有限元分析 554.8 本章小结 56第五章 技术经济性分析 575.1 技术经济性分析 575.1.1 高压水射流清洗的优势对比 575.1.2清洗定位伸缩臂结构设计的优势特点 575.2 成本估算 57第六章 设计总结 59参 考 文 献 60致
20、谢 62第一章 前言反应釜是化工生产中最常用的主要核心设备，其广泛应用于石油、化工、医药、食品等领域，常用来完成水解、中和、结晶、聚合反应、加热混配以及恒温反应等加工工艺过程。目前我国反应釜生产装置的生产能力正在不断增加，智能集中程度也越来越高1。反应釜的体积也越来越大，主要目的是提高产品产量、大幅度降低同一批产品的质量误差、以达到降低反应成品的成本的目的 2。如今，国内的反应釜搅拌系统有了进一步的改进，从比较单一的搅拌桨叶改进到双桨叶搅拌系统，有的也增加了泵体搅拌内反馈系统，反应釜的集成程度的增加，使得增加了反应效率和产品质量的同时，也为反应釜的清洗增加了难度。在科技高速发展市场竞争愈发激烈
21、的今天，反应釜的先进性在极大程度上决定了企业的生产效率以及产品质量 3。反应釜在应用后清洗不彻底将会导致两种不同的化学试剂发生反应，形成固化的网状结构，若不及时清理将会会发生粘附，形成反应釜内壁结垢。粘壁的原因主要有：温度以及压力不稳定引起反应过程速度不可控，造成结痂，附在内壁上极其容易造成粘壁。此外由于反应过程中温度和时间偏离理想反应范围内，反应催化剂使反应的PH 值发生变化，从而影响反应速度，如果反应速度过快则会出现凝胶而导致发生粘壁。如果分子量过大则会使反应浓度过高发生粘壁效应4。反应釜仪器设备在发生粘附结垢即会造成很多危害，例如结构使反应釜换热性能降低，导致整体反应时间的增加。此外，附
22、在反应釜内壁的污垢容易发生掉落，前一反应釜的残渣极易混入反应产品中，异物混入问题会严重降低产品品质；且由于内壁污垢的附着使得反应时间延长，并因此造成产品出现色差、产品质量不能均一、影响反应釜的使用寿命等严重问题5。因此如何解决反应釜的粘附问题成为了众多科研工作者的研究课题。由此决定拟设计一款清洗设备对反应釜进行清洗，以达到解决反应釜的粘附问题的目的。1.1研究意义国内的反应釜的清洗最常用的是人工清洗方法或者化学试剂清洗。人工清洗就是工人穿戴防护服，携带工具进入反应釜内部，使用工具将反应釜内部的结垢清除，由于反应釜人孔设计的直径最大约为600mm，且一般位于反应釜顶部，工人进去困难，且安全性大大
23、降低，这种方法劳动强度极大，清洗效果不能得到保证，反应釜附体内部环境相对恶劣，若有有毒气体存在，则对工人的身体有一定损害，安全受到威胁。另一方面，清洗所用的器具容易对反应釜釜体以及内部仪器设备产生不可修复性损害，效率的是相对较为底下。而化学清洗的方法清洗前需要根据反应釜的材料、反应物的性质来选用清洗剂，需要通过试验来确定清洗剂会不会对反应釜设备金属造成化学腐蚀，同时还需考虑反应后的液体处理办法，确定清洗剂适用后，通过现场安装清洗循环装置将清洗剂溶液在反应釜设备内循环流动清洗，以达到较好的去垢效果，这种方式的弊端也是显而易见的，清洗后的废液如何处理也是企业值得商榷的难题 6。值得一提的是，如若污
24、垢与容器化学成份相近时，处理不当，清洗剂容易对反应釜造成腐蚀，大大缩短了反应釜的使用寿命。高压水射流设备清洗技术是近年来国内发展为迅速的一种新兴技术。其基本工作性质是利用高压柱塞泵来增高水压，通过三维喷头将巨大的水压力转变为高速水射流，利用高压水射流产生的强大冲击力来去除结垢物，从而达到反应釜清洗的目的7。高压水射流清洗技术的安全性、经济性以及高效性都已经的到相关的验证。因此具有十分巨大的市场应用前景和可观的经济效益，是反应釜清洗技术未来的发展趋势。设计一套使用简单、制造成本低、清洗效果好的反应釜水射流清洗装置，通过伸缩机构、摆动机构及旋转机构控制装置的旋转、摆动、伸缩，使旋转喷头动态的调整自
25、身位置，始终处于理想的清洗部位，以能适应不同的反应釜尺寸，提高清洗效果，达到清洗目的，该装置具有广泛的应用前景，因此对该装置进行研究设计具有一定的必要性 8。1.2 国内外现状概况及常见清洗方法美、日、德等发达国家已有20多年的反应釜工业清洗经验，在清洗领域采用过如蒸汽清洗、化学清洗、超声波清洗、水射流清洗等数十种形式。但是，目前高压水射流清洗仍是其主流的清洗技术，占据了绝大多数的工业清洗领域，处于压倒性优势。但在我国，高压水射流清洗发展则远远滞后于发达国家，大部分采用化学清洗，水射流清洗只占国内清洗领域的10%左右，但近几年来水射流技术正在发展迅速，每年正以10%的速度增长9，因此该技术在我
26、国的应用前景相当广泛。（1）人工清洗法在国内反应釜现清洗现主要采用人工清洗的方法。人工清洗法的局限性人工清洗就是工人穿戴防护服，携带工具进入反应釜内部，使用工具将反应釜内部的结垢清除，反应釜的清洗频率约为30天一次，每次清洗大约需要花费2 小时以上。由于此方法不需要太高的技术要求，在现阶段的发展中国家得到广泛的应用。当然该方法存在严重的弊端：工人需要进入反应釜内部导致危险性急剧上升，清洗效果不理想，工人使用的清洗设备会对反应釜内壁留下划痕，从而影响放映釜的使用寿命，间接的增加了工业生产成本，因此该方法是不得已而为之，不适用于对生产的转型。（2）化学清洗法化学清洗法是利用化学反应的原理对容器进行
27、清洗和维护，但是反应釜内壁的结垢和反应釜材料相似或者相近是，容易发生化学试剂和反应釜内壁发生反应的情况，应此清洗之前需要明确反应釜的材料以及试剂的适用范围，不同材料的反应釜使用相对应的化学试剂。另一方面，化学清洗法往往会造成严重的环境污染，且对反应釜内不同的化学材料要配置不同的化学清洗试剂会耗费大量的时间和精力，直接或者间接的降低了生产效率。（3）物理清洗法物理清洗法主要是指高压水射流清洗法，高压水射流清洗技术是近几年来国内发展最为迅速的一种新兴技术。因此具有十分巨大的市场应用前景和可观的经济效益，是反应釜清洗技术未来的发展趋势10。1.3 反应釜清洗用定位伸缩臂的机械系统1.3.1 高压水射
28、流技术优点高压水射流技术是以水作为工作物质， 以水射流为主要技术， 集高压泵、 阀 、 自控系统的一体化技术，其基本工作性质是利用高压柱塞泵来增高水压，通过三维喷头将巨大的水压力转变为高速水射流，利用高压水射流产生的强大冲击力来去除结垢物，从而达到反应釜清洗的目的，有着强大的冲击力。 高压水射流技术的可用性明确，主要得益于其本身的运作特色和优势。作为一种先进的物理清洗方法，高压水射流清洗法与传统的化学试剂、机械操作、手工清除等清洗方法相比， 高压水射流清洗技术主要表现在以下几个的特点:（1）清洗成本低。高压水射流清洗法采用的工作介质是水，其水流冲击力足以清除结垢，因此可以不用添加磨料或者洗涤剂
29、（普通压力水射流常常需要添加磨料或者洗涤剂），即可以达到清洗目的。除此之外，高压水射流技术采用得是细射流喷射,每小时的耗水量不大于1.5吨。（2）清洗效果好。由于清洗时水流具有很大的冲击能量,当高压水射流超高压喷射时，形成的冲击力完全能够破坏坚硬的绝大多数反应釜结垢物。高压水射流的冲击力小于反应釜金属内壁的抗压强度,不会对反应釜造成损伤。（3）清洗效率高。由于高压水射流的冲刷、挤压、切削等复合破碎作用,可立即将结垢物击碎,再加上三维旋转喷头的立体清洗性质，因此清洗效率较好，比传统的化学清洗方法以及手工方法清洗效率快的多。（4）环境污染少。人工清洗和化学清洗容易污染环境且伤害人体安全。高压水射流以自来水为工作介质，清洗完可以回收水，本身介质对环境没有任何污染，对人体没有伤害，属于绿色的清洗方法14。（5）不腐蚀设备。工作介质是是清洁水,水射流中不添加没有任何化学试剂或者磨砂等添加剂，既不腐蚀反应釜或者产生硬性划痕，又不破坏仪器设备，延长了反应釜的使用寿命。（6）应用广泛。由于清洗时水流具有很大的冲击能量,当高压水射流超高压喷射时，形成的冲击力完全能够破坏坚硬的绝大多数反应釜结垢物，对绝大多数的设备，反应材料影响，对设备、设施大小、形状、材质及垢物种类均无特殊要求，故其应用范围极其广泛，适应性强。（7）节水节能。水射流清洗属于
