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內外組合雙環(huán)模制粒機
2
目 錄
摘 要 1
Abstract 3
1 概述 5
1.1 設計目的和意義 6
1.2 環(huán)模制粒機的國內外研究現狀 7
1.2.1 國外研究現狀 8
1.2.2 國內研究現狀 9
1.3 設計任務 10
2內外組合雙環(huán)模制粒機總體方案設計 11
2.1主要組成部分 11
2.2 主要技術參數 14
2.3 工作原理與工作過程概述 14
2.3.1內外組合雙環(huán)模制粒機的工作原理 14
2.3.2內外組合雙環(huán)模制粒機的主要工作過程 15
2.4 喂料機構設計 16
2.4.1 喂料器輸送結構設計 16
2.4.2 喂料器參數計算 17
2.5電機的選擇 18
2.6機槽的設計 18
3 主傳動系統(tǒng)的設計 20
3.1 主電機的選擇 20
3.2 主傳動計算 20
3.2.1 定v帶的型號和帶輪直徑： 21
3.2.2驗算帶速V 21
3.2.3驗算傳動誤差ε 21
3.2.4確定中心距及帶的基準長度Ld 21
3.2.5驗算小帶輪包角a1 22
3.2.6確定V帶的根數Z 22
3.2.7確定初拉力F。 22
3.2.8計算作用在帶輪軸上的壓力FZ 22
3.3轉軸的設計和校核 23
3.4 喂料軸的設計及強度校核計算 26
4 制粒系統(tǒng)的設計與計算 29
4.1 環(huán)模的加工工藝綜述及結構設計 29
4.1.1環(huán)模的熱處理工藝 29
4.1.2 環(huán)模?？椎募庸すに?30
4.1.3 環(huán)模的結構 30
4.1.4 方案設計 30
4.2 環(huán)模的參數計算 30
4.2.1 環(huán)模厚度計算 31
4.2.2 環(huán)模單位功率面積的計算 31
4.3 內環(huán)模的設計計算 31
4.4 環(huán)模和內環(huán)模工作間隙調整 32
4.5 其他零件的設計及設備維護 33
4.5.1 底座的設計 33
4.5.2 軸承蓋 33
4.5.3過載保護裝置 33
4.6 設備維護 33
5 環(huán)模的有限元分析 35
5.1 關于有限元方法的介紹 35
5.2 環(huán)模失效原因分析 35
5.3 環(huán)模有限元模型的建立及分析 36
5.3.1 環(huán)模與內環(huán)模三維模型的生成 37
5.3.2 環(huán)模材料模型的建立 37
5.3.3 網格劃分 37
5.3.4 載荷和約束加載 38
5.3.5 有限元求解 39
5.3.6 對有限元結果進行分析 41
設計心得 42
結論 44
致謝 45
參考文獻 46
摘 要
隨著我國近幾年經濟的高速發(fā)展，國內的飼料機械技術在科學創(chuàng)新方面有了突飛猛進的發(fā)展。例如，牧羊集團和正昌集團他們是我國飼料機械發(fā)展最快的企業(yè)，他們的技術不僅引領全國，還可與先進國家技術相媲美。此次的畢業(yè)設計是以現有制粒設備為基礎，并取長補短，進行了改造和創(chuàng)新，力求設計方案較現有產品在各方面性能都有所提高?，F有的技術中，有一種環(huán)模制粒機，包括機架和圓筒形的中空環(huán)模，環(huán)模壁上徑向開設有若干?？祝h(huán)模一端徑向設有進料通道，所述環(huán)模經傳動系統(tǒng)與動力輸八機械相連接，環(huán)模內設有至少一個壓棍，壓棍可轉動地安裝在壓輥固定的機構上，工作時，環(huán)模轉動，物料從進料通道進入環(huán)模內，被環(huán)模帶動，不斷從壓輥和環(huán)模之間空過，在壓輥的擠壓之下，物料被從?？字袛D出，被切刀裝置切斷后形成顆料裝的物料；其不足之處在于：這種制料機工作效率低下。然而內外組合雙環(huán)模制粒機使制粒效率大幅提高。
本課題以某企業(yè)產品設計需求為背景，以內外組合雙環(huán)模制粒機為研究對象，以高質量、低成本、環(huán)保、節(jié)能為指導思想，對內外組合雙環(huán)模制粒機的工作原理、關鍵部件結構型式、關鍵部件設計計算等內容展開研究。課題研究成果將對相關企業(yè)產品的優(yōu)化設計提供有效的指導，具有較大的理論意義與實用價值。研究內容：
1．國內相關領域的研究現狀具體要求：了解目前國內環(huán)模制粒機現有的結構、原理，并進行歸納、分析，寫出文獻綜述。
2．內外組合雙環(huán)模制粒機機械結構具體要求：在研究現有環(huán)模制粒機機械結構的基礎上，確定內外組合雙環(huán)模制粒機優(yōu)化結構，繪制關鍵部件的三維結構圖與工程圖。
3．內外組合雙環(huán)模制粒機關鍵部件性能分析具體要求：應用有限元分析軟件對關鍵部件進行性能分析與強度校核。
其創(chuàng)新點主要分布于喂料機構、傳動部分。該方案從整機運行穩(wěn)定性、產量、能耗、產品質量等角度著手，改善機器性能。方案設計以理論計算為依據，目的是使設計方案更合理、更具說服力。同時，繪圖過程中也借助于CAD進行了輔助設計，提高了設計效率。
關鍵詞： 雙環(huán)模 制粒機 有限元
Abstract
Internal and external combination 2-ring mould granulating machine is by powder feed conditioning (plus steam or water), extrusion die hole forming, cutting, cooling dry, crushing, screening, finally meet specific product quality made the request. It will cooperate with good various powder feed compressed into granules, changed the physical properties and feed biochemical performance and improve the feed utilization rate and to feed the applicability. Our feed industry late start, many granulating equipment compared with foreign equally, there is still a gap. Through the visit to feed machinery factory, many manufacturers domestic understanding of existing granulating equipment performance are this certain disadvantages. But along with the rapid development of economy in recent years, domestic feed machinery technology in scientific innovation has a breakneck development. For example, shepherd group and zhengchang group they feed machinery in China is the fastest growing enterprise, their technology not only lead the country, still can match with advanced countries technology. The graduation design based on existing granulating equipment for the foundation, and complement each other, reformation and innovation perpetuallystrive to design scheme is in all aspects of existing products performance is improved. The existing technology, have a kind of ring die granulating machine, including frame and the cylindrical hollow ring ring die wall module, open several model hole radial ring die end, with feeding channel, radial referred by the transmission system ring die with power lost eight mechanical connections, ring die equipped with at least one pressure stick, pressure stick can rotate installed in pressing roller fixed institutions, work, ring die rotating, material from incoming channel into the ring ring die mould, was driven, constantly from pressing roller and ring die, in space between the extrusion pressure roller, under from model hole material being squeezed by cutting knife device, off the material form makings outfit; Its defect lies in: this system feeder low productivity. Yet internal and external combination 2-ring mould granulating machine make granulating efficiency greatly improve.
This topic to some enterprise product design demand as a background, based on the internal and external combination 2-ring mould granulating machine as the research object, by the high quality and low cost, environmental protection, energy saving as the guiding ideology, internal and external combination of mould granulating machine double working principle, key components, the key components structure forms of content such as design calculation launched research. Research results of relevant enterprise products to provide effective guidance optimized design, which have great theoretical significance and practical value. The research content:
1. The research status of related domestic domain specific requirements: learn about the domestic existing ring die granulating machine structure, principle, and summarized, analysis, write literature review.
2. Internal and external combination 2-ring mould granulating machine mechanical structure concrete requirements: on the research existing ring die granulating machine mechanical structure, and on the basis of internal and external combination 2-ring mode determine optimized structure and granulating machine is the key part of three-dimensional structure drawing with engineering drawings.
3. Internal and external combination 2-ring mould granulating machine key components performance analysis requirements: finite element analysis software on the key component analysis and strength check performance.
Its innovation points distributed mainly feed institutions, transmission parts. The scheme from the machine running stability, production, energy consumption, product quality, improve the machine performance perspective. Design based on theoretical calculation, the purpose is to make design more reasonable and more persuasive. At the same time, drawing in the process also conducted by CAD auxiliary design, improve the design efficiency.
Keywords: 2-ring mode Granulating machine FEA
1 概述
隨著世界飼料機械技術的不斷發(fā)展和完善，制粒機的制造技術和成形理論研究得到了飛速的發(fā)展，使用制粒機生產顆粒飼料已得到普及。目前，常用的顆粒壓制機有膨化制粒機、環(huán)模壓制機和平模壓制機等基本類型。且環(huán)模制粒機具備生產效率高，耗能低，工作穩(wěn)定等特點，適用于大中型企業(yè)，得到很廣泛的應用。
我國的飼料工業(yè)是一個新興的產業(yè)。它是在現代化進程中應運而生的。飼料工業(yè)依賴于農業(yè)而服務與養(yǎng)殖業(yè)，并隨著農業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展而興旺發(fā)達起來。至今，完整的飼料工業(yè)體系已經初步形成，成為我國經濟中不可缺少的經濟產業(yè)支柱，在國民經濟中有不可替代的地位，發(fā)揮著越來越大的作用?，F在，我國已能夠生產出各種規(guī)格型號的飼料制粒機械，像環(huán)模、平模、膨化制粒機，牧草飼料制粒機等等。產量從0.12t/h至40t/h,配套功率從5.5kw至315kw不等。我國飼料機械技術也不斷的在改革創(chuàng)新，逐漸與先進國家技術水相靠近。隨著經濟的發(fā)展和生活水平的提高，能源短缺問題成為長期困擾人類社會發(fā)展的主要問題之一。據預測，地球上蘊藏的可開發(fā)利用的煤和石油等化石能源將分別在200年和30~40年以內耗竭，而天然氣按儲采比也只能用60年[1]。生物質燃料這種可再生的新能源的開發(fā)和利用不僅能緩解能源危機，而且可以減輕環(huán)境污染同時節(jié)約能源。生物質既是低碳燃料，又由于其生長過程中吸收，因此被認為生物質燃料可實現溫室氣體零排放。生物質燃料是光合作用產生的有機可燃物的總稱，其來源豐富[2-5]。要走可持續(xù)發(fā)展的道路，開發(fā)利用生物質燃料，意義十分重大。研究高品質、高效率的生物質燃料已成為支持能源可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。
到目前為止，各個國家或地區(qū)開發(fā)利用生物質作為燃料主要集中在三個方面：（1）將生物質材料降解為液體燃料，主要產品是燃料油和醇類燃料[6]；（2）將生物質燃料氣化成氣體燃料，生物質沼氣，主要成分為甲烷()和少量的二氧化碳，產生過程分為水解階段、產氫產乙酸階段和產甲烷階段三個階段[7]；（3）加工成便于運輸和貯存的一定形狀燃料并提高燃燒效率，固化成型[8]。而第三種一方面解決環(huán)境保護問題，另一方面又能產生代用燃料，近年來越來越受到人們的廣泛重視。環(huán)模制粒機是生產顆粒燃料的主要機械設備，其性能很大程度上決定了燃料的加工產量，在燃料加工過程中有著非常重要的地位。
近年來，國內生物質燃料機械企業(yè)在環(huán)模制粒機的設計、制造不斷進步中，性能不斷提高，與國外同類產品的差距也在慢慢縮小，但是，基于我國的制粒機都是模仿國外的先進產品，而對于制粒機理方面的研究幾乎還是空白，這樣同級上的比較，我國的制粒機就明顯的存在結構不合理、生產效率偏低、能耗偏高等缺陷。而環(huán)模的使用壽命和生產效率低問題尤為突出，國內生產的環(huán)模使用壽命短那是一個不可忽視的問題[9-10]。
研究雙環(huán)模制粒機理與結構優(yōu)化技術，對設計出具有國際先進水平的制粒機具有積極的推進作用。僅憑理論分析難以得到較為切合實際的分析結果，隨著計算機有限元技術及相關測試技術的發(fā)展和信號分析技術的提高，大量的計算機仿真分析和先進的測試分析手段的應用，目前，采用有限元分析與理論分析及動態(tài)實驗相結合的方法，對制粒系統(tǒng)進行更為深入的研究，是當前制粒機的研究方向。利用計算機仿真軟件建立環(huán)模-內環(huán)模系統(tǒng)的有限元模型，選擇合適的求解器對模型進行計算與分析，并進行相應的結構修改設計與分析，為該類機構的設計提供參考依據。
1.1 設計目的和意義
大學時光，悄然逝去。在這四年中，我不僅學到了自己需要的知識，同時也提高了自己的能力。但是，學到的很多東西畢竟僅僅都是書本上的理論知識，顯然和實際有很大的差距。通過這次的畢業(yè)設計，我可以將自己所學到的理論知識更好的與實際相結合起來，從中能夠鍛煉我的思維能力，同時也是對這幾年所學知識的一個綜合的運用，同時也為將來要從事的職業(yè)打下良好的基礎。
畢業(yè)設計同樣也是大學最關鍵的一個教育環(huán)節(jié)，在這次畢業(yè)設計中，我要能夠靈活、系統(tǒng)的運用所學知識，提高自己分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)認真、嚴謹的學習作風和吃苦耐勞、一絲不茍、嚴謹的治學態(tài)度。同時，也使自己更加熟練的掌握“如何查閱國內為有關的技術資料和文獻”，從中學會調查、收集、整理比較有價值的資料，在保留同類產品優(yōu)點的同時，運用新技術、新工藝、新資料、新材料、大膽創(chuàng)新，以彌補同類產品的不足之處，使產品趨于更合理、更先進、更優(yōu)化、更具有使用價值和良好的經濟效益。
1.2 環(huán)模制粒機的國內外研究現狀
制粒的歷史可以追溯到1990年，起初是用于飼料加工的，飼料工作者在實踐中積累了很多經驗，致力于改善制粒機性能。
圖1.1鑄模式制粒機示意圖 圖1.2擠壓式制粒機示意圖
圖1.3 Schueler型制粒機示意圖 圖1.4平模制粒機示意圖
圖1.5環(huán)模制粒機示意圖
世界上第一臺與制粒機相似的機器是一臺鑄模式設備[11]，如圖1.1所示。1910年左右，世界上第一臺擠壓式制粒機問世[11]，如圖1.2所示。該制粒機工作機理基本與現在的擠壓式制粒機相同。到1920年，斯凱勒(SchMeler)提出了壓縮法制粒，如圖1.3所示，但這種制粒方法磨損嚴重[11]，在1920期間，在總結了之前的制粒機工作原理的基礎上，研制成功了第一臺平模制粒機[11]，如圖1.4，這種機器裝有圍繞中心軸回轉的滾輪，迫使物料擠壓向下，通過水平固定模板的模孔，旋轉切刀把物料切割成一定長度的顆粒。而幾乎在同一時期，世界上第一臺環(huán)模制粒機研制成功，如圖1.5所示，最初的環(huán)模制粒機是一個壓輥，以后演變成兩個、三個過程，利用壓輥的擠壓力將粉狀物經由環(huán)模的環(huán)?？字袛D出。環(huán)模制粒機是環(huán)?？恐鬏S轉動而回轉，其內有兩個或者三個壓輥，工作時壓輥將粉狀物壓入環(huán)?？字校瑪D出成形后呈圓柱形，并被固定切刀切斷成顆粒物料。這種環(huán)模制粒機制粒質量好，生產效率高，能耗比其他幾種要少。在此基礎上，環(huán)模制粒機性能不斷改善，其后60年支配了整個飼料業(yè)。到如今生物質燃料的廣泛被研究開發(fā)，環(huán)模制粒機在這一領域的引用也日漸廣泛。
從環(huán)模制粒機的整個發(fā)展來看，制粒機的基本工作原理沒變，而環(huán)模制粒機的制造水平和技術性能大有改善[12]。平模與環(huán)模的區(qū)別在于：
一、喂料方式：環(huán)模制粒機采用機械強迫式進料，高速旋轉離心分布進入制粒室，通過刮刀來分布物料，喂料不均勻；平模制粒機是靠物料自身重量垂直進入壓制室，能夠均勻喂料。
二、壓力：在同等直徑下的模具內，環(huán)模壓輪直徑的大小受環(huán)模模具直徑的限制，所以壓力大小受限；平模壓輪直徑的大小不受模具直徑的限制，可以加大內裝軸承空間，選用大號軸承增強壓輪的承受能力，不僅提高了壓輪的壓制力，而且還延長了使用壽命。
三、出料方式：環(huán)模屬于高轉速，物料排出時破損率高；而平模屬于低轉速，破損率低。
? 四、壓輪調節(jié)方式：環(huán)模制粒機要是用壓輪中間的偏心輪上的兩個螺絲來調節(jié)壓力；平模制粒機是采用螺紋絲柱m100中心調節(jié)機構，頂力百噸，下落平穩(wěn)、觸擊柔和、壓力均勻。可采用旋轉手動和液壓自動調節(jié)兩種方式。
???? 從平模與環(huán)模的對比中我們可以看出平模的壓力比環(huán)模大，所以對于像木屑、秸桿等這種物料輕，難以成型的粗纖維用平模較好。??
1.2.1 國外研究現狀
CPM公司生產的環(huán)模制粒機采用斜齒齒輪減速箱傳動結構；Bǖhler公司生產的環(huán)模制粒機采用雙壓輥、環(huán)模式、單電機三角皮傳動結構。單位生產效率高，運行費用低，結構比較簡單，操作維修方便；Mǖnch公司生產的環(huán)模制粒機有環(huán)模、錐形壓輥平模制粒機兩種；三輥式制粒機是以英國UMT公司為代表的一種典型環(huán)模制粒機。美國在1976年前后利用飼料成型技術，開發(fā)了壓輥式顆粒燃料成型機；日本在1983年前后從美國引進了該技術。到1987年，已有十幾張顆粒燃料工廠投入運行。
生物質燃料成型技術受到國外發(fā)達國家的普遍重視，并投入了大量的資金和技術力量研究和開發(fā)生物質燃料成型設備，走在了該領域的前沿。20實際30年代，美國開始研究致密成型燃料技術，并研制了活塞-模具式成型機，利用大壓力擠壓原料通過成型模具而形成致密成型燃料[13-14]。20世紀50年代日本從國外引進技術后進行了改進，研究應用了螺旋式擠壓成型機，并發(fā)展成了日本壓縮型燃料的工業(yè)體系，并逐步推廣到了臺灣、泰國乃至歐洲國家和美國。20世紀70年代初，美國又研制開發(fā)了內壓滾筒式顆粒成型機[15]。生物質壓縮燃料在西歐國家以及日本等國已稱謂一種產業(yè)，印度和東南亞一些國家對這項技術的研究與應用也相當重視。目前，國外生物質燃料成型技術已基本成熟，生物質致密成型燃料已經商品化廣泛應用于供熱、取暖和發(fā)電領域，同時各國政府為促進生物質燃料成型技術的發(fā)展提供了政策和資金上的支持，生物質能源近年發(fā)展迅速。
1.2.2 國內研究現狀
我國從20世紀80年代起開始致力于生物質壓縮成型技術的研究。湖南省衡陽市糧食機械廠于1985年研制了第一臺ZT-63型生物質壓縮成型機，江蘇連云港東海糧食機械廠于1986年引進了一臺OBM-88棒狀燃料成型機。1993年前后，我國從國外引進了近20條生物質壓縮成型生產線，基本上都采用螺旋擠壓式，以鋸木屑為原料，生產“碳化”燃料[16]。1994年河南農業(yè)大學、中國農機能源動力所分別研究出PB-I型[17]、CYJ-35型機械活塞沖壓式成型機，1998年河南農業(yè)大學研制出HPB-I型液壓活塞式雙向擠壓生物質成型機，2002年中南林學院也研制了相應設備[13]。2006年河南農業(yè)大學研制的HPB-IV型液壓驅動活塞式成型機和合肥天炎綠色能源開發(fā)有限公司TYK-II秸稈成型機均采用一級螺旋預熱預壓，二級活塞壓縮技術，解決了普通成型機對原料含水率要求較高和模具易磨損的不足。為降低顆粒燃料成型的能耗，河南省科學院能源研究所研制了一種在常溫下生產顆粒燃料的環(huán)模顆粒成型機[18]。2004年，清華大學和北京惠眾實科技有限公司開發(fā)的Highzones生物質固化成型技術，利用壓輥擠壓原理實現了生物質就地及時壓縮，其性能優(yōu)于國際上現有的顆粒成型技術[19-20]。目前，生物質燃料成型技術已日趨成熟[21]，并已部分實現商業(yè)化。
近年來，生物質燃料以其各項優(yōu)點在我國得到了比較廣泛的推廣和應用。但在燃料生產中，顆粒的質量問題依然很大。主要原因在于國內廠家對顆粒燃料的制粒機理缺乏深入的研究。國外針對環(huán)模制粒機理的研究很多，但是大多數研究肯定是保密的，導致國內對于該方面的研究很少，缺乏對制粒過程全面研究?，F有的技術中，有一種環(huán)模制粒機，包括機架和圓筒形的中空環(huán)模，環(huán)模壁上徑向開設有若干模孔，環(huán)模一端徑向設有進料通道，所述環(huán)模經傳動系統(tǒng)與動力輸八機械相連接，環(huán)模內設有至少一個壓棍，壓棍可轉動地安裝在壓輥固定的機構上，工作時，環(huán)模轉動，物料從進料通道進入環(huán)模內，被環(huán)模帶動，不斷從壓輥和環(huán)模之間空過，在壓輥的擠壓之下，物料被從?？字袛D出，被切刀裝置切斷后形成顆料裝的物料；其不足之處在于：這種制料機工作效率低下。然而內外組合雙環(huán)模制粒機使制粒效率大幅提高。
1.3 設計任務
設計題目：內外組合雙環(huán)模制粒機
主要內容和要求：設計方案的確定；喂料器技術參數的確定；電機參數的確定；帶傳動系統(tǒng)技術參數的確定；主軸剛度的校核計算；環(huán)模和內環(huán)模配合使用的技術參數的確定，環(huán)模的制作工藝過程；內外組合雙環(huán)模制粒機機械結構具體要求：在研究現有環(huán)模制粒機機械結構的基礎上，確定內外組合雙環(huán)模制粒機優(yōu)化結構，繪制關鍵部件的三維結構圖與工程圖。內外組合雙環(huán)模制粒機關鍵部件性能分析具體要求：應用有限元分析軟件對關鍵部件進行性能分析與強度校核。
2內外組合雙環(huán)模制粒機總體方案設計
2.1主要組成部分
現有的技術中，有一種環(huán)模制粒機，包括機架和圓筒形的中空環(huán)模，環(huán)模壁上徑向開設有若干模孔，環(huán)模一端徑向設有進料通道，所述環(huán)模經傳動系統(tǒng)與動力輸八機械相連接，環(huán)模內設有至少一個壓棍，壓棍可轉動地安裝在壓輥固定的機構上，工作時，環(huán)模轉動，物料從進料通道進入環(huán)模內，被環(huán)模帶動，不斷從壓輥和環(huán)模之間空過，在壓輥的擠壓之下，物料被從?？字袛D出，被切刀裝置切斷后形成顆料裝的物料；其不足之處在于：這種制料機工作效率低下。然而內外組合雙環(huán)模制粒機使制粒效率大幅提高。
內外雙環(huán)模制粒機，包括機架和環(huán)模，環(huán)模壁上徑向開設有若干?？祝h(huán)模一端設有進料通道，機架上固定有主套，環(huán)模另一端與皮帶輪相固定，皮帶輪經軸承安裝在主套外；環(huán)模內設置有圓筒形的內環(huán)模，內環(huán)模壁上也開設有若干徑向的?？祝瑑拳h(huán)模的一端連接有轉軸，轉軸安裝在調整套內，調整套穿過主套安裝在機身上；主套上安裝有喂料軸，喂料軸軸向穿過環(huán)模和內環(huán)模之間的間隙伸入進料通道中，喂料軸上設有螺旋推進葉片，螺旋推進葉片從進料通道的進料口下側延伸至環(huán)模和內環(huán)模之間的間隙中。?？讛的慷啵赏瑫r從環(huán)模和內環(huán)模上進行制粒，其工作效率高，可用于糧食、飼料加工中的制粒。本結構簡單、緊湊，合理；能防止溫度上升，在低溫下制粒，能確保原料擠壓成顆粒狀，抑制壓力的上升；生產效率高、轉動慢、噪音小，原料中的異物，能通過環(huán)模之間的間隙排出，不易損壞機器。該機喂料、調質、制粒分別采用獨立傳動，工作可靠。該設備主要組成部分有：喂料系統(tǒng)，調質系統(tǒng)，傳動成型系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)。如圖2.1 所示為內外組合雙環(huán)模制粒機的結構圖，如圖2.2 內外組合雙環(huán)模制粒機三維模型。
1．轉軸 2.喂料軸 3.主套 4.皮帶輪 5.環(huán)模 6.進料口7.螺旋推進葉片8.進料通道9.內環(huán)模10.調整套 11.機架12.間隙調整臂13.隔板14.內出料口
圖2.1 內外組合雙環(huán)模制粒機的結構圖
圖2.2 內外組合雙環(huán)模制粒機三維模型
2.2 主要技術參數
項目
參數
生產率（t/h）
4～8
壓模內徑（mm）
660
內模直徑（mm）
460
?？字睆剑╩m）
10
壓模轉速(r/min)
282
內模轉速(r/min)
450
喂料絞龍轉速(r/min)
100～300
螺旋面直徑（mm）
120
螺距（mm）
30
槳葉直徑（mm）
200
螺距（mm）
30
偏心軸偏心距(mm)
60
配
套
動
力
主電機
10KW
轉軸電機
2.5KW
喂料電機
2.5KW
主傳動三角帶規(guī)格
3根SPC4500
2.3 工作原理與工作過程概述
2.3.1內外組合雙環(huán)模制粒機的工作原理
粉狀配合飼料是一個連續(xù)壓制過程,它建立在粉狀顆粒間有空隙存在的基礎上。粉狀物料是一種由具有一定流動性的分散顆粒組成的不連續(xù)松散體,在擠壓力的作用下粉粒相互移近和重新排列,粉粒間所含氣體不斷逸出,從而使得粉粒間的間隙減小,聯接力增大,最后被壓制成具有一定密度,一定強度的顆粒飼料。在壓粒過程中,飼料的蛋白質和糖分受熱產生可塑性,淀粉部分糊化.“壓粒”,簡單地說就是一個擠壓式的熱塑過程。內外雙環(huán)模制粒機，包括機架和環(huán)模，環(huán)模壁上徑向開設有若干?？?，環(huán)模一端設有進料通道，機架上固定有主套，環(huán)模另一端與皮帶輪相固定，皮帶輪經軸承安裝在主套外；環(huán)模內設置有圓筒形的內環(huán)模，內環(huán)模壁上也開設有若干徑向的模孔，內環(huán)模的一端連接有轉軸，轉軸安裝在調整套內，調整套穿過主套安裝在機身上；主套上安裝有喂料軸，喂料軸軸向穿過環(huán)模和內環(huán)模之間的間隙伸入進料通道中，喂料軸上設有螺旋推進葉片，螺旋推進葉片從進料通道的進料口下側延伸至環(huán)模和內環(huán)模之間的間隙中。該裝置工作時，環(huán)模和內環(huán)模由動力系統(tǒng)驅動其轉動，喂料軸也可轉動，當喂料軸轉動時，可將進料通道內的物料推進到環(huán)模和內環(huán)模之間的間隙中，當環(huán)模和內環(huán)模轉動時，物料一部分被壓從環(huán)境上的?？字斜粩D出，另一部分從內環(huán)模上的?？字斜粩D出到內環(huán)模內腔中；與現有技術相比，該設計?？讛的慷?，可同時從環(huán)模和內環(huán)模上進行制粒，其工作效率高。為了方便調節(jié)環(huán)模和內環(huán)模之間的間隙，所述轉軸與調整套之間偏心設置，調整套上固定有周向可轉動的間隙調整臂，所述間隙調整臂與機架之間可拆卸地相連接。間隙調整臂可與機架相對轉動或者固定，其轉動時，可帶動調整套轉動，由于轉軸與調整套之間偏心設置，因此，轉軸的位置的改以即可改變內環(huán)模和環(huán)模之間的間隙，當間隙調整到適合位置時，可將調整臂與機架固定。環(huán)模是顆粒機的主要工作部件,配合飼料從供料機構較均勻地供給攪拌機構,飼料在攪拌機構中與水(或其他添加物)混合后,投入壓粒機構中,飼料在環(huán)模與環(huán)模的擠壓下,從壓模的?？字袛D出來成為顆粒。從工作過程分析,一環(huán)模是主動回轉零件,另一環(huán)模是靠與環(huán)模內表面摩擦而轉動的.從運動構件的角度分析,環(huán)模和壓輥是一對外摩擦機構，通過摩擦力帶動壓輥運動。
2.3.2內外組合雙環(huán)模制粒機的主要工作過程
當水分含量為12％～14％的配合飼料進入混合喂料器后，飼料經加入一定量的水后，被螺旋漿葉混合攪拌均勻后送進調質器內，進行糊化。如果需要，也可以將糖蜜、脂等液體均勻噴灑到物料中去，脂的添加量不得超過3％，以利于成形。調質后的物料水分達到15％～17％，然后經分配器分配到轉動的環(huán)式壓模和內壓模的工作面上。內外雙環(huán)模制粒機，包括機架和環(huán)模，環(huán)模壁上徑向開設有若干?？?，環(huán)模一端設有進料通道，機架上固定有主套，環(huán)模另一端與皮帶輪相固定，皮帶輪經軸承安裝在主套外；環(huán)模內設置有圓筒形的內環(huán)模，內環(huán)模壁上也開設有若干徑向的?？祝瑑拳h(huán)模的一端連接有轉軸，轉軸安裝在調整套內，調整套穿過主套安裝在機身上；主套上安裝有喂料軸，喂料軸軸向穿過環(huán)模和內環(huán)模之間的間隙伸入進料通道中，喂料軸上設有螺旋推進葉片，螺旋推進葉片從進料通道的進料口下側延伸至環(huán)模和內環(huán)模之間的間隙中。環(huán)模和內環(huán)模由動力系統(tǒng)驅動其轉動，喂料軸也可轉動，當喂料軸轉動時，可將進料通道內的物料推進到環(huán)模和內環(huán)模之間的間隙中，當環(huán)模和內環(huán)模轉動時，物料一部分被壓從環(huán)境上的?？字斜粩D出，另一部分從內環(huán)模上的模孔中被擠出到內環(huán)模內腔中，物料在強烈的擠壓下，克服孔壁的阻力，并不斷從壓?？字谐蓷l的擠出。擠出時被裝置在壓模外的切刀切成長度適宜的顆粒。切刀的位置可以調節(jié)，以控制顆粒的長短。剛壓制出的顆粒溫度一般在75℃～90之間，水分在15％～16％左右，必須在經過冷卻降溫，揮發(fā)水分使其溫度接近室溫，以便保管儲藏。與現有技術相比，該設計?？讛的慷?，可同時從環(huán)模和內環(huán)模上進行制粒，其工作效率高。
2.4 喂料機構設計
喂料機構的作用是將待制粒倉中的粉狀物料均勻地輸送到調質部分，其關鍵是保證輸送速度的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的機構通常是依靠螺旋輸送機來實現這種功能。螺旋輸送機又稱“絞龍”，是一種無撓性牽引構件的連續(xù)輸送設備。其結構主要包括料槽、螺旋葉片和轉動軸組成的螺旋體，兩端軸承和驅動裝置幾部分。工作時，物料由進料口進入料槽，并在螺旋葉片的推動下沿螺旋槽作軸向移動，直至卸料口被排出。螺旋輸送機的類型有水平、垂直和傾斜三種形式，本設計中選用水平螺旋輸送機。與其它輸送設備相比，螺旋輸送機具有結構簡單、橫截面積小、密封性好、操作維修安全、方便、制造成本低等優(yōu)點，這也正是它被廣泛應用的原因之一。
2.4.1 喂料器輸送結構設計
該設備的螺旋輸送機葉片采用單頭滿面式螺旋葉片，螺旋葉片的一邊緊貼在軸上，形成完整的螺旋面。這種葉片構造簡單，輸送能力強，便于均勻地輸送粉類物料。
螺旋面采用右旋設計方案。由于輸送物料中含有一定水分，為了防止葉片生銹，影響物料輸送和產品質量，選用不銹鋼作為葉片材料。同時，由于在工作過程中，葉片磨損比較嚴重，為了增加其耐磨性，要對葉片進行調質處理，以提高其表面硬度。
螺旋葉片厚度為4mm，螺距為（0.8-1）D，D為螺旋直徑，由于本設計采用水平結構設計，取S=D，機殼厚度為4mm。 如圖2.3所示喂料螺旋輸送軸。
圖2.3 喂料螺旋輸送軸
2.4.2 喂料器參數計算
(1) 螺旋直徑D與螺旋軸轉速n的計算
根據公式：
D ≥ k(Q/ΨPC)1/2
其中：
Q:輸送能力，t/h；
K：物料特性系數，常用物料的k值見?運輸機械設計選用手冊?表15-1；
Ψ:填充系數，見?運輸機械設計選用手冊?表15-1；
C：傾角系數，見?運輸機械設計選用手冊?表15-1；
P:物料松散密度，見?運輸機械設計選用手冊?表15-6；
D≥0.115m 圓整：D=S=120mm
n≤A/(D)1/2
其中：
A：物料綜合系數，見?運輸機械設計選用手冊?表15-6；
n≤50/(0.2)1/2 n≤111
Q=47D2.n.S.Ψ.P.C
其中：
Q:輸送機輸送能力（有任務書得Q=8）(t/h)
S:螺距 m
8=47*0.2*0.2*0.2*0.3*1.1 n≤124 圓整：n=120 r/min
(2) 物料沿軸向的推進速度計算
根據公式：
式中：
V：物料的軸向推進速度（m/s）；
S：螺旋葉片的螺距（m）；
n：螺旋軸轉速（r/min）;
物料沿軸向推進速度： V=0.03*120/60=0.06 m/s
2.5電機的選擇
由于N=0.75 kw,所以驅動軸轉動的電機選用YTC型電磁調速異步電動機，該電機有三相異步交流電機、渦流離合器與測速發(fā)電機組成，并與控制器配合使用，工作時，此電機能根據軸上承受載荷的不同自動地、無級地調整其輸出轉速，達到無級變速喂料，控制不同喂料量的目的。電機如圖2.4所示。
圖2.4 主電機
2.6機槽的設計
本設計中的機槽采用法蘭和截面為U字型的鋼制機槽。U型機槽的厚度為4mm薄鋼板，其兩側臂垂直，底部成半圓形，在 U型機槽的端面焊接有法蘭，用以固定蓋板和端蓋。機槽半圓的內徑大于螺旋葉片半徑，允許少量的物料滯留于槽底，以防葉片與槽底摩擦。
為了對機槽進行密封，機槽上部裝有用薄鋼板制成的蓋板，蓋板用螺栓固定在槽體上端的鋼制法蘭上。蓋板可以開啟，以便對槽體進行必要的檢查。蓋板上開有進料口，機槽底部開有卸料口，均做成方形，以便安裝料管。
3 主傳動系統(tǒng)的設計
3.1 主電機的選擇
根據吳克疇教授摘譯的《混合飼料生產工藝》一書介紹，一臺飼料壓粒機的生產率可以近似的由下式來計算,有公式換算可以算出：
式中：
N：壓粒電動機的驅動功率（KW）；
：要壓粒的散料密度（t/）；
：壓粒電動機的效率取0.8——0.9；
P：需要壓粒壓力，兆赫，帕=N/；
：決定于壓縮率K（未壓粒的散裝物和壓粒后的顆粒密度的比率）；
K：壓縮率，可取0.5——0.7；
公式換算得到驅動功率的算法：
已知：Q=10, =0.9；
查表得到P=56；=0.5；；
帶入計算得到N=9KW，所以取N=10 KW。經查表：選取主電機型號為：Y280S-4 ，額定功率：10KW，轉速：1480r/min。
3.2 主傳動計算
該設計方案主傳動系統(tǒng)采用V帶傳動。和其它機械傳動比較，帶傳動的主要優(yōu)點是：工作可靠，使用壽命長；傳動平穩(wěn)；無噪音,傳動效率高；結構緊湊；功率和速度適用范圍很廣等。工作時,由電動機帶動小、大皮帶輪，并經傳動空軸帶動環(huán)模轉動，環(huán)模與內環(huán)模擠壓物料成形。
3.2.1 定v帶的型號和帶輪直徑：
（1）、 計算設計功率：設電動機的實際輸出功率為，工作情況系數為
=1.3有：
Pd =1.3*10=13 KW
（2）、選帶的型號：Pd=13 KW, n1 =14480 r/min
由《機械設計》教材圖11-12可查出帶的型號：
選?。?C型V帶
（3）、計算大小帶輪直徑：
設小帶輪直徑為：dd1；大帶輪直徑為：dd2。
根據《機械設計》教材由表10-11及10-5取dd1=250
dd2= n1/n2* dd1=1480/382*250=968.57 圓整dd2=960
3.2.2驗算帶速V
V=3.14* dd1* n1 /60000=19.36m/s
在5-25范圍內，帶速適合。所以V在允許范圍內
3.2.3驗算傳動誤差ε
傳動比 i= dd2/ dd1=3.84
原傳動比i、= n1/n2=3.87
則傳動誤差ε=( i、-i)/ i=.008 在允許誤差0.05范圍內
3.2.4確定中心距及帶的基準長度Ld
(1) 初定中心距a。
0.7（dd1 +dd2）≤ a?！?（dd1 +dd2）
922 ≤ a?！?420
所以a。=1600
（2）、初算V帶
Ld。= 2a。+3.14/2（dd1 +dd2）+（dd1 -dd2）2/4a。
=4780.6
（3）確定帶的基準長度Ld由表10-2選取Ld=5000
(4)確定實際中心距a
a=a。+（Ld-Ld。）/2
=1741.45
安裝時最距離amin=a-0.15Ld
=1714.26
張緊或補償伸長所需最大中心距amax=a+0.3Ld
=1845.12
3.2.5驗算小帶輪包角a1
a1=180。-57.3。*（dd1 -dd2）/a
=148.47>120。
3.2.6確定V帶的根數Z
（1）單帶基本額定功率平P1 P1=8.12
（2）考慮傳動比的影響，額定功率的增量 ΔP1=0.26
（3）包角系數Ka Ka=0.925
(4)長度系數KL KL=1.04
(5)V帶的根數Z Z≥13 /[(0.26+8.12)*0.925*1.04 ] =2.8
所以Z=3
3.2.7確定初拉力F。
由10-1 查得q=0.3kg/m
F．=500*Pd*(2.5/Ka-1)/(vz)+qV2
=434.1N
3.2.8計算作用在帶輪軸上的壓力FZ
FZ=2Z*F。*sin (a1/2)
=1800.6
大帶輪與小帶輪模型如圖3.1所示。
大皮帶輪 小皮帶輪
圖3.1 大帶輪與小帶輪模型
3.3轉軸的設計和校核
電機的轉矩通過一對皮帶輪傳遞給軸，軸帶動固定其上的環(huán)模一期旋轉，因此，軸是主要的傳動和連接部件。軸的主要制造工藝和計算如下：
1、 軸材料為45鋼；
2、 該軸采用鍛造方式加工，然后再進行車削和銑削加工；
3、 軸上設有軸承支座，為了將內環(huán)模和主軸定位，保證兩零件的同軸度，環(huán)模和軸用螺栓連接，并用螺栓定位，軸結構請參見制粒部分部裝圖。
4、 軸承選擇：
型號分別為：軸承22313CK-W33 GB/T288-94，雙列圓柱輥子軸承；
軸承NU414 GB/T283-94，圓柱棍子軸承。
轉軸的校核：
轉軸的結構如零件圖，軸的材料為45號鋼調質處理：
大帶輪轉矩T：
計算支撐反力：
軸受力圖：
計算得：
彎矩圖：
軸所受轉矩為：
e
許用應力用插入法查表得：；
許用應力值： 。
應力校正系數：
轉矩圖：
當量彎距圖：
危險截面當量彎矩：雙列圓柱輥子軸承中心線處：
校核軸徑：
內環(huán)模軸采用軸結構滿足強度要求。
用許用應力法校核軸徑：
危險截面處：
其中：
結論：該截面是安全的。轉軸如圖3.2所示。
圖3.2 轉軸
3.4 喂料軸的設計及強度校核計算
圖3.3 喂料軸的結構示意圖
喂料軸的直徑由聯軸器內徑、皮帶輪內徑、軸承內徑、螺旋葉片內徑等決定。如圖3-3軸的結構示意圖。
1計算受力
此傳動軸中間部分與帶輪相連接， 。按許用彎曲應力計算法校核。
轉矩
圓周力
軸向力
徑向力
2計算支承受力
水平面反力
垂直面反力
3計算彎矩
水平面最大彎矩
垂直面最大彎矩
合成彎矩最大值
4計算軸的轉矩
軸受轉矩
5校核軸的強度
針對某些危險截面（即彎矩和扭矩大而軸徑可能不足的截面）做彎扭合成強度校核計算。按第三強度理論，計算應力
W=4288
因選此輸出軸材料為45鋼，調質處理，由查文獻[2]查得，因此，故安全。如圖3.4所示喂料軸。
圖3.4 喂料軸
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4 制粒系統(tǒng)的設計與計算
4.1 環(huán)模的加工工藝綜述及結構設計
內外雙環(huán)模是顆粒飼料壓制機的關鍵零件之一,又是易損件,價格不菲;其質量的好壞和質量是否穩(wěn)定,直接影響環(huán)模的使用壽命和顆粒飼料壓制機的產量、飼料的質量,從而影響飼料加工的生產成本。
內外雙環(huán)模失效的主要形式是?？准碍h(huán)模內環(huán)表已磨損報廢,也有少量環(huán)模開裂和?？锥氯磯翰怀隽希－h(huán)模的使用壽命主要與環(huán)模材料、環(huán)模的加工工藝有關;對同一環(huán)模材料和同一加工工藝,環(huán)模的使用壽命還與飼料配方、飼料生產工藝參數、工藝操作等有關。環(huán)模初試壓是否順利出料主要與環(huán)模模孔表面光潔度有關。目前,國產顆粒飼料壓制機的環(huán)模材料常見的有２０號鋼、３５號鋼、４５號鋼、２０Ｃｒ、４０Ｃｒ、２０ＣｒＭｎＴｉ、４０ＣｒＭｎＭｏ等中、低碳優(yōu)質碳素結構和合金結構鋼,也有少量采用不銹鋼制造。
4.1.1環(huán)模的熱處理工藝
在常用環(huán)模材料加工工藝中,常見的熱處理方法有正火、調質、淬火、滲碳、滲氮。要針對不同的環(huán)模材料,綜合考慮這些熱處理方法的特點,而安排于機加工工序之間。正火處理消除內應力,為下一道工序作準備。在環(huán)模加工工藝中,正火處理一般安排在鍛造之后或粗加工之前,也有安排在精車之前。經正火處理后的環(huán)模,切削性能有所改善,并能適當地改善加工后表面光潔度。
環(huán)模調質的目的能獲得較高的強度和韌性性能,特別是保持環(huán)模心部的綜合機械性能。在環(huán)模加工工藝中,一般安排在精車,擴孔之前或粗加工之后;也可以安排在滲氮之前。對于中碳優(yōu)質結構鋼和合金結構鋼,要注意淬火與高溫回火的時間間隔不宜過長,否則,因環(huán)模的復雜結構而可能造成環(huán)模的熱處理裂紋。
環(huán)模的淬火處理常用的冷卻介質為水和油。在水中的冷卻速度比在油中快些。如在水中加入０．１５%～０．３０%的聚乙烯醇,其冷卻介于水和油之間,可得到較好的熱處理組織。淬火一般安排在擴孔后或磨削加工之前,可作最終熱處理工藝。
滲碳處理能提高?？缀蛢拳h(huán)表面的硬度,提高其耐磨性,從而提高環(huán)模的使用壽命。滲碳主要針對含碳量０．１５%～０．２５%的優(yōu)質結構鋼和低合金鋼如２０號鋼、２０Ｃｒ、２０ＣｒＭｎＴｉ等。
4.1.2 環(huán)模模孔的加工工藝
環(huán)模?？妆砻婀鉂嵍戎苯佑绊懎h(huán)模生產飼料時是否順利出料的關鍵。一般用人工進給的鉆孔工藝很難達到其要求的光潔度。而進口的多工位鉆孔專用機床由于設備價格昂貴和其鉆頭依賴進口,導致環(huán)模制造成本增加。有的廠家采用專用機床,雖然能達到光潔度要求,但生產成本也比較高。利用普通鉆床經過改進并輔以必要的工裝,能夠實現鉆（擴）孔半自動化,取得令人滿意的環(huán)模?？妆砻婀鉂嵍群洼^高的生產效率,降低制造成本;其方法是利用單片機控制兩個步進電機,其中一個步進電機控制鉆（擴）孔進給方式,另一個步進電機控制環(huán)模的轉角,達到自動轉動;經加工后?？妆砻婀鉂嵍瓤蛇_０．８,產品質量穩(wěn)定,生產成本降低,自動化程度大為提高。通過不同的編程,可改變鉆（擴）孔的鉆頭或（銑刀）的進給運動,可分一步或多次對同一孔進行加工;更換不同直徑的鉆頭（或銑刀）,可加工不同直徑?？椎沫h(huán)模。
4.1.3 環(huán)模的結構
環(huán)模孔的形狀與尺寸也對產品的質量和生產率大小有很大影響。一般模孔的截面呈圓形，有四種：直形孔、階梯孔、外錐孔和內錐孔。按孔徑大小可以分為兩種：內小外大、內大外小，前者用于?？讖叫∮?0 mm ，后者用于?？諒酱笥?0 mm，其所以有此差別是有利于成形。直孔和階梯孔適于配合飼料的制粒，但是，階梯孔不常用，外錐孔適于脫脂糖等高纖維飼料，內錐孔使于草粉類體積大的飼料，由于直形孔加工簡單，用得最為廣泛。進料口有三種形式：直孔、錐孔和曲線