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湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院 全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計 飼料顆粒機的設(shè)計 THE DESIGN OF FEED PARTICLES MACHINE 學(xué)生姓名：王武 學(xué) 號：200841914602 年級專業(yè)及班級：2008級機械設(shè)計制造 及其自動化(6)班 指導(dǎo)老師及職稱：向陽 副教授 學(xué) 院：理工學(xué)部 湖南·長沙 提交日期：2012年5月  飼料顆粒機設(shè)計 學(xué) 生：王 武 指導(dǎo)老師：向 陽 （湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，長沙 410128） 摘 要：隨著養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展和養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，飼料的需求量日趨增長。如今世界上動物性食品以高于人口增長的速度發(fā)展，世界市場上的動物性食品空前豐富。在品目繁多的動物飼料中，顆粒飼料占有非常大的比重，有些國家生產(chǎn)的顆粒飼料占全部飼料的50%以上。飼料，特別是顆粒飼料，在養(yǎng)殖生產(chǎn)中的作用越來越重要，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響越來越大。研究設(shè)計高效節(jié)能，易操作，效率高，壽命長的飼料顆粒機，對于生產(chǎn)加工顆粒飼料，提高養(yǎng)殖業(yè)的效益，增強我國飼料工業(yè)在國際市場的競爭力都有著重大的作用。 關(guān)鍵詞：飼料；環(huán)模；顆粒機 The Design of Feed Particles Machine Student：Wang Wu Tutor：Xiang Yang (Oriental Science ＆Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract：As the ceaseless development of aquaculture and breeding scale unceasing expansion, the demand of feed growing. Now the world of animal foods with higher population growth rate of development, the world market of unprecedented abundance of animal food. In a wide variety of goods in animal feed, pellet feed occupies very large proportion, some countries in the production of pellet feed more than 50% of the total feed. Feed, particularly in pellet feed, aquaculture production in the increasingly important role, the effect that develops to national economy is more and more big. Research and design of high efficiency and energy saving, easy operation, high efficiency, long service life of the machine feed particles, the production and processing of grain feed, improve breeding efficiency, enhance China's feed industry 's competitiveness in the international market have a significant role. Key words：Feed；Ring mode；Granule machine  目 錄 摘要……………………………………………………………………………1 關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………1 1 前言………………………………………………………………………………1 1.1 研究意義………………………………………………………………2 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 ……………………………………………………………2 1.3 飼料顆粒機概述 ………………………………………………………4 2 飼料顆粒機總體設(shè)計 ………………………………………………………4 2.1 飼料顆粒機技術(shù)指標(biāo)的確定……………………………………………4 2.2 異步電動機型號的選擇 ………………………………………………5 2.3 皮帶的選擇……………………………………………………………6 2.3.1 確定計算功率 ……………………………………………6 2.3.2 選取V帶帶型 ……………………………………………6 2.3.3 確定帶輪基準(zhǔn)直徑…………………………………………6 2.3.4 驗算帶速 …………………………………………………6 2.3.5 確定窄V帶的基準(zhǔn)長度和中心距………………………6 2.3.6 計算帶所需的基準(zhǔn)長度Ld………………………………6 2.3.7 計算實際中心距a……………………………………………7 2.3.8 驗算主動輪包角a1………………………………………7 2.3.9 計算窄V帶根數(shù)Z………………………………………7 2.3.10 計算預(yù)緊力 …………………………………………………7 2.3.11 計算帶傳動作用在軸上載荷…………………………………7 2.4 壓輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………8 2.5 環(huán)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………………8 2.6 主機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 …………………………………………………………9 3 飼料顆粒機的主要工作部件的設(shè)計……………………………………10 3.1 環(huán)模的設(shè)計 ……………………………………………………………10 3.1.1 環(huán)模材料選擇…………………………………………………11 3.1.2 ?？讐嚎s比和粗糙度…………………………………………12 3.1.3 單位功率面積 ………………………………………………13 3.1.4 環(huán)模內(nèi)徑D和壓帶寬b……………………………………14 3.1.5 模孔開孔率…………………………………………………14 3.2 壓輥的設(shè)計…………………………………………………………15 3.2.1 壓輥直徑d……………………………………………………15 3.2.2 壓輥與壓輥軸承的設(shè)計 ………………………………………18 3.2.3 壓輥軸承的選擇………………………………………………18 3.3 主軸的設(shè)計……………………………………………………………19 3.3.1 軸的校核………………………………………………………19 4 結(jié)論…………………………………………………………………………22 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………23 致謝…………………………………………………………………………24 附錄…………………………………………………………………………25 1 前言 飼料顆粒機屬于飼料制粒設(shè)備。是以玉米、豆粕、秸稈、草、稻殼等的粉碎物直接壓制顆粒的飼料加工機械 。飼料顆粒機廣泛適用于大、中、小型水產(chǎn)養(yǎng)殖，糧食飼料加工廠，畜牧場，家禽養(yǎng)殖場，個體養(yǎng)殖戶及中小型養(yǎng)殖場，養(yǎng)殖戶或大、中、小型飼料加工廠使用。將飼料加工成顆粒狀比混合粉狀飲料可獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。顆粒形成過程還能使谷物、豆類中的胰酶抵制因子發(fā)生變性作用，減少對消化的不良影響，能殺滅各種寄生蟲卵和其它病原微生物，減少各種生蟲及消化系統(tǒng)疾病。本設(shè)計的目的在于針農(nóng)戶家庭小規(guī)模養(yǎng)殖生產(chǎn)的需要，設(shè)計一種小型飼料顆粒機。 1.1 研究意義 （1）結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性廣,占地面積小,噪音低。 （2）粉狀飼料、草粉不需要或少許液體添加即可進(jìn)行制粒,故顆粒飼料的含水率基本為制粒前物料的含水率,更利于儲存。 （3）雞、鴨、魚等,比混合粉狀飼料可獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。 （4）干料加工,生產(chǎn)的飼料顆粒硬度高、表面光滑、內(nèi)部熟化，可提高營養(yǎng)的消化吸收。 （5）顆粒形成過程能使谷物、豆類中的胰酶抵制因子發(fā)生變性作用，減少對消化的不良影響，能殺滅各種寄生蟲卵和其它病原微生物，減少各種生蟲及消化系統(tǒng)疾病。 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 近年來，由于消費需求和養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)變化，我國飼料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)已發(fā)生較大變化，小型飼料顆粒機價格使我國的水產(chǎn)飼料產(chǎn)量年均增長率高達(dá)17%，遠(yuǎn)高于配合飼料8%的平均增速，豬料、禽料比例呈下降趨勢。水產(chǎn)飼料業(yè)已成為飼料行業(yè)發(fā)展中的最大亮點。1991年我國水產(chǎn)飼料產(chǎn)量只有75萬噸，僅占我國飼料總產(chǎn)量的2.1%。然而至1999年，其產(chǎn)量已激增至400萬噸，占飼料總產(chǎn)量的5.8%。 為了使我國水產(chǎn)飼料工業(yè)能夠沿著科學(xué)的道路發(fā)展，從“六五”開始，國家對我國主要的養(yǎng)殖對象的營養(yǎng)需求和飼料配方組織了全國性的科技攻關(guān)，“六五”至“九五”期間，小型飼料顆粒機價格分別進(jìn)行了“我國主要養(yǎng)殖魚類的營養(yǎng)需求和魚飼料配方的研究”、“主要水生動物飼料標(biāo)準(zhǔn)及檢測技術(shù)的研究”、“魚類營養(yǎng)及飼料配制技術(shù)的研究”等，目前還對我國主要名優(yōu)養(yǎng)殖對象的飼料添加劑、預(yù)混料等進(jìn)行研究。提出了草魚、青魚、團(tuán)頭魴、鯉魚、尼羅羅非魚等的飼料配方和添加劑預(yù)混料的配方，頒布了鰻鱺和中國對蝦的飼料標(biāo)準(zhǔn)（代號分別為SCl004-92，SC2012-94）；目前正在進(jìn)行一些主要養(yǎng)殖魚類的飼料標(biāo)準(zhǔn)制定工作。開展了甲魚、河蟹、石斑魚、大黃魚等海淡水養(yǎng)殖對象的飼料和添加劑的研究。同時，我國水產(chǎn)飼料在飼料原料、加工、機械、添加劑以及研究開發(fā)條件、測驗手段、質(zhì)量監(jiān)測、科研隊伍建設(shè)、人才培養(yǎng)諸多方面，均得到相應(yīng)發(fā)展，具備了進(jìn)一步研究開發(fā)和發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)的能力。 　　近年來，我國小型飼料顆粒機價格水產(chǎn)飼料行業(yè)一路高歌猛進(jìn)，其直接原因是緣于國內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)一直持續(xù)地較高增長。眾所周知，中國是目前世界上最大的水產(chǎn)品養(yǎng)殖國，同時也是目前世界上惟一一個養(yǎng)殖產(chǎn)量超過捕撈產(chǎn)量的國家。當(dāng)前，我國水產(chǎn)品總產(chǎn)量約占全球總量的35%，其中水產(chǎn)品養(yǎng)殖產(chǎn)量占全球養(yǎng)殖產(chǎn)量的2/3，已連續(xù)十三年高居世界首位。養(yǎng)殖產(chǎn)量占有如此高的比重，這在世界主要漁業(yè)大國中是絕無僅有的。 　　中國是世界上水產(chǎn)飼料市場容量最大的國家，正是由于龐大的水產(chǎn)養(yǎng)殖市場給我國水產(chǎn)飼料產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的發(fā)展空間。其中引人注目的是八十年代之后，以對蝦、鰻、甲魚等為代表的名優(yōu)水產(chǎn)品的養(yǎng)殖迅猛發(fā)展，形成了陣陣的“養(yǎng)殖熱”。作為發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)物質(zhì)基礎(chǔ)之一的飼料加工業(yè)，隨之得到快速發(fā)展，涌現(xiàn)出不少名優(yōu)企業(yè)，一些名牌飼料受到養(yǎng)殖者的青睞。 根據(jù)《2010年食物發(fā)展綱要》，2010年我國水產(chǎn)品人均占有量將達(dá)到44公斤（即總量達(dá)到5720萬噸），但目前只有33.8公斤。因此，在未來6年當(dāng)中，水產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量還將有大的提高。而我國現(xiàn)有小型飼料顆粒機價格水產(chǎn)養(yǎng)殖品2500萬噸的產(chǎn)量中，僅有20%左右是以飼料喂養(yǎng)生產(chǎn)的。根據(jù)我國目前的政策，海洋和江河捕撈產(chǎn)量保持零增長，水產(chǎn)品總量的增長將基本上由養(yǎng)殖產(chǎn)量來提供，采用飼料養(yǎng)殖的比例預(yù)期將提高到35%以上，2010年水產(chǎn)飼料的市場需求量將達(dá)到1500～2000萬噸，將在現(xiàn)有產(chǎn)量的基礎(chǔ)上增長1.5～2.5倍。 如今飼料顆粒機更趨向于小型顆粒機的發(fā)展。小型顆粒機機型吸取了國內(nèi)外顆粒機之精華，為節(jié)能新產(chǎn)品。過去一般將飼料加工成粉末后飼喂，存在飼喂不方便、適口性差、家畜挑食、利用率低等缺陷。隨著新型小型顆粒飼料機械的問世及普及，現(xiàn)在已可以方便地將粉末飼料加工成顆粒飼料?？刹捎谜彰麟姙閯恿?，在壓輥的擠壓下從模孔中壓出制粒，可以很方便地調(diào)整顆粒長短，其結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，噪音低，加工成顆粒飼料后具有很多優(yōu)點。 1.3 飼料顆粒機概述 飼料顆粒加工設(shè)備按成型的工作原理分類有：活塞沖壓式成型機、螺旋擠壓式成型機和輥模擠壓式成型機三大類；按成型的工藝分類有：熱壓成型機和冷壓成型機兩大類；按秸稈成型后的形狀分類有：實心棒狀、空心棒狀、顆粒狀和塊狀四大類。根據(jù)秸稈原料的含水率、長度、擁有量等情況和秸稈成型形狀的不同，其相應(yīng)加工設(shè)備和成型工藝也不相同[13]。 根據(jù)壓輥式形狀的不同，壓輥式成型機課分為環(huán)模成型和平模成型機，其中環(huán)模成型機又可以分為臥式和立式2種機型。臥式環(huán)模成型機是現(xiàn)有成型機的主流機型。這種機型由于有壓模的更換保養(yǎng)方便、樣機容易進(jìn)行尺寸和速度放大等特點，所以近年來有了很大的發(fā)展。立式環(huán)模成型機的壓模和壓輥的軸線都是垂直設(shè)置。這種機型具有構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便等特點，因此本文采用立式設(shè)計。環(huán)模旋轉(zhuǎn)成型機成型工藝為冷壓成型，生產(chǎn)產(chǎn)品的形狀為塊狀，適宜在農(nóng)村分散設(shè)點就地加工生產(chǎn)秸稈成型塊，是解決秸稈運輸、儲存問題，使秸稈成為規(guī)?；I(yè)燃料的有效途徑之一。飼料顆粒機其主要如圖1所示。 1. 原料 2.壓輥 3驅(qū)動軸4.切刀 5.成品 6 環(huán)模 圖1飼料顆粒機工作原理圖 Fig 1 the work principle diagram of biomass ring-die briquetting machine 2 飼料顆粒機總體設(shè)計 2.1 飼料顆粒機技術(shù)指標(biāo)的確定 目前國內(nèi)外市場上的顆粒顆粒機均采用熱壓縮成型工藝(顆粒成型溫度在230"C左右)加工而成，但利用熱成型工藝加工顆粒，會損失一部分的生物質(zhì)能量，污染環(huán)境，不是理想的顆粒成型工藝。本文利用冷壓縮成型工藝來加工生物質(zhì)燃料飼料顆粒機，能節(jié)省成本、簡化機構(gòu)、更適應(yīng)農(nóng)民使用。確定本次設(shè)計的飼料顆粒機的技術(shù)指標(biāo)如下： （1） 整機功率：1.1kw （2） 最佳產(chǎn)量：100~150kg/h （3） 成型尺寸：φ5塊狀 為實現(xiàn)冷壓縮成型工藝加工生物質(zhì)顆粒燃料，確定本次設(shè)計的成型機具體傳動方案為：電動機通過皮帶與主軸相連，環(huán)模通過螺栓連接固定在殼體上，兩壓輥通過行星板與主軸連接，帶動壓輥轉(zhuǎn)動。這種傳動的好處在于：首先，通過調(diào)整皮帶輪的大小，可以方便地調(diào)節(jié)壓輥轉(zhuǎn)數(shù)；其次，通過主軸拖動壓輥，其機械結(jié)構(gòu)簡單，傳動路線短，功率損耗低；最后，通過環(huán)模與壓輥的滾動擠壓出物料，使摩擦力降到最低，有利于提高產(chǎn)量，降低噸電耗。具體傳動路線見圖2。 1. 壓輥 2.環(huán)模 3.電動機4.小帶輪 5.大帶輪 圖2 飼料顆粒機傳動方案 Fig 2 transmission scheme of biomass ring-die briquetting machine 2.2 異步電動機型號的選擇 三相交流電源容易獲得，因此本次設(shè)計的飼料顆粒成型機動力源采用三相異步電動機。由于該飼料顆粒成型機對電動機無特殊的要求，因此本次設(shè)計選用最常用的Y系列籠型三相異步電動機，型號規(guī)格為B5（機座不帶底腳，端蓋有凸緣）型，此電動機具有效率高，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，價格低等優(yōu)點。具體參數(shù)見表1。 表1三相異步電動機參數(shù)表 Table 1 parameter table of three-phase asynchronous motor 電機型號 Y132S-4 額定功率 1.1`KW 額定電壓 380V 額定轉(zhuǎn)速 1440r/min 額定電流 2.7A 2.3 皮帶的選擇 2.3.1 確定計算功率 PCA=P2KA=5.5×1.0=5.5kW （1） 式中：KA——工況系數(shù)，查表11-6（基礎(chǔ)）取1.0 P2——電動機額定功率，kW PCA——計算功率，kW 2.3.2 選取V帶帶型 根據(jù)PCA和減速器輸出轉(zhuǎn)速為300r/min查機械設(shè)計手冊圖6-1-4確定選用SPB型窄V帶。 2.3.3 確定帶輪基準(zhǔn)直徑 為提高V帶壽命，條件允許的情況下小帶輪直徑盡量取較大值[26]。選取小帶輪直徑ddl=140m，大帶輪直徑dd2=410mm。 2.3.4 驗算帶速 （2） Vmax=35m/s，滿足設(shè)計要求。 2.3.5 確定窄V帶的基準(zhǔn)長度和中心距 根據(jù)0.7（d1+d2）＜a0＜2（d1+d2），初步確定中心距ao左=610mm。 2.3.6 計算帶所需的基準(zhǔn)長度Ld （3） 將ao和dd帶入上式得Ld為1879.8mm 選取基準(zhǔn)長度Ld為1880mm。 2.3.7 計算實際中心距a （4） 將數(shù)值代入式（）計算得a為620mm 2.3.8 驗算主動輪包角a1 （5） 主動輪上的包角滿足要求。 2.3.9 計算窄V帶根數(shù)Z （6） 式中：Ka——包角修正系數(shù)，選取Ka=0.9 KL——帶長修正系數(shù)，選取KL=0．98 P0——單根V帶額定功率，查表得5.20kW ΔP0——功率增量，查表得1.07kW 根據(jù)上式計算選取Z=3根。 2.3.10 計算預(yù)緊力 （7） 查機械設(shè)計手冊，單位長度質(zhì)量q=0.20kg/m，所以計算得F0=113.47N 2.3.11 計算帶傳動作用在軸上載荷 （8） 計算得FP為1068.25N。 所以帶傳動具體參數(shù)如表2所示 表2帶傳動參數(shù)表 Table 2 parameter table of belt transmission 傳遞功率/kw 1.1 預(yù)緊力/N 113.47 小輪直徑/mm 140.0000 大輪直徑/mm 410.0000 線速度/(m/s) 10.85 基準(zhǔn)長度/mm 1880 續(xù)表2 帶長修正系數(shù) 0.98 中心距/mm 860 小輪包角/° 143.34 包角修正系數(shù) 0.90 額定功率/kW 5.20 功率增量/kW 1.07 小輪轉(zhuǎn)速/(r/min) 1440.00 大輪轉(zhuǎn)速/(r/min) 300.00 壓軸力/N 1068.25 實際傳動比 5.07 傳動比誤差 2.8% 工況系數(shù) 1.00 設(shè)計功率/kW 1.10 輪槽類型 SPB 帶根數(shù) 3 最大功率/kw 1.15 2.4 壓輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計 物料形成的基本原理是通過環(huán)模和壓輥之間的相互擠壓力來克服物料通過?？椎淖枇?，從而達(dá)到壓型的目的。在環(huán)模相同的情況下，壓棍直徑越大，環(huán)模和壓棍之間形成的三角擠壓范圍就越大，越有利于擠壓作用。理論上講，單輥的壓輥直徑可做得最大，擠壓時間、擠出效果也最好，但在機器運轉(zhuǎn)時，壓輥和壓模之間的作用力在主軸、主軸軸承和空軸之間傳遞，所以單輥制粒機的主軸、主軸軸承和空軸等機械結(jié)構(gòu)比較粗大，只有在小型實驗室制粒機及難于制粒的大型秸稈壓塊機中采用。雙壓輥制粒機兩壓輥之間的擠壓力在主軸頭上平衡，壓模上的反作用力相互抵消，設(shè)備上的主軸(主軸軸承處)、主軸軸承和空軸等受力小，機械結(jié)構(gòu)緊湊，因此本設(shè)計采用雙壓輥。 2.5 環(huán)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計 環(huán)模是顆粒機的關(guān)鍵零件，是成型機的最主要易損件。根據(jù)統(tǒng)計，環(huán)模損耗費占整個生產(chǎn)車間維修費的25％以上[7]，同時對擠壓出來的物料質(zhì)量有著直接的影響。因此，了解環(huán)模的特性并對環(huán)模進(jìn)行正確的選用、合理的使用以及有效的保養(yǎng)，對于成型機來說是至關(guān)重要的。本次設(shè)計中，環(huán)模材料為20CrMnTi，淬火后表面硬度為HRC55～58，環(huán)模內(nèi)經(jīng)為180mm，壓縮比為2.5，環(huán)模和壓輥的結(jié)構(gòu)如圖3。 圖3 環(huán)模壓輥結(jié)構(gòu)圖 Fig 3 structure of ring-die and roller 2.6 主機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 飼料顆粒成型機結(jié)構(gòu)形式多種多樣，國內(nèi)外也各不相同，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，有立式、臥式和平模三種。 圖4 飼料顆粒環(huán)模成型機 Fig4 vertical biomass ring-die briquetting machine 考慮此次設(shè)計主要是用于廣大農(nóng)村，因此采用結(jié)構(gòu)簡單、使用方便和經(jīng)濟(jì)性好的立式中心傳動結(jié)構(gòu)，由主軸帶動壓輥轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)壓制成型，此種結(jié)構(gòu)傳動簡單，結(jié)構(gòu)可靠，通過合理確定環(huán)模和壓輥的直徑，以及電動機的功率和轉(zhuǎn)數(shù)，確保了該機的產(chǎn)能和工作溫度，在實際運行中表現(xiàn)良好。具體壓輥環(huán)模的結(jié)構(gòu)如圖7所示。 1、主軸 2、軸承 3、行星板 4、環(huán)模 5、壓輥 6、軸承 7、機架 圖5 工作部件結(jié)構(gòu)圖 Fig 5 the structure of working parts 3、 飼料顆粒機的主要工作部件的設(shè)計 3.1 環(huán)模的設(shè)計 環(huán)模是飼料顆粒成型機的關(guān)鍵零件之一，對擠壓出來的物料質(zhì)量有著直接的影響。同時，環(huán)模也是成型機的最主要易損件之一，價格不菲，根據(jù)統(tǒng)計，環(huán)模損耗費占整個生產(chǎn)車間維修費的25％以上[7]。其質(zhì)量的好環(huán)和質(zhì)量是否穩(wěn)定，直接影響環(huán)模的使用壽命和顆粒成型機的產(chǎn)量以及顆粒的質(zhì)量，從而影響顆粒加工的生產(chǎn)成本。因此，了解環(huán)模的特性并對環(huán)模進(jìn)行正確的設(shè)計、合理的使用以及有效的保養(yǎng)，對于顆粒生產(chǎn)來說是至關(guān)重要的。 3.1.1 環(huán)模材料選擇 目前，國內(nèi)外環(huán)模生產(chǎn)商加工環(huán)模主要使用以下三類材料：碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼如45鋼，其熱處理硬度一般為HRC45～50，它屬于比較低檔的環(huán)模材料，其耐磨性和耐腐蝕性都較差；合金結(jié)構(gòu)鋼，如20CrMnTi、40Cr、35CrMo等，熱處理硬度在HRC50以上，并具有良好的綜合力學(xué)性能，由此類材料制造的環(huán)模強度高，耐磨性也好，但缺點是耐腐蝕性不好；不銹鋼材料有4Crl3、3Crl3等，這些材料的剛度和韌性都較好，熱處理硬度大于HRC50，并具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，使用壽命較長[24]o 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(diào)質(zhì)、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，進(jìn)而安排于機加工工序之間。 正火是將環(huán)模加熱到AC1或ACM30℃--50℃以上，保溫一段時間(45分鐘至90分鐘)后，[26]在空氣中冷卻。正火處理的冷卻速度比退火處理的冷卻速度快些，得到的組織要細(xì)一些，且生產(chǎn)效率也要高些。因此，常用正火處理來消除前一道工序所帶來的各種組織或性能上的缺陷，消除內(nèi)應(yīng)力，為下一道工序作組織準(zhǔn)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(jīng)正火處理后的環(huán)模，切削性能有所改善，并能適當(dāng)?shù)馗纳萍庸ず蟊砻婀鉂嵍萚25]。 調(diào)質(zhì)是將環(huán)模加熱到AC3或AC130℃～50℃以上，保溫一段時間(45分鐘至90分鐘)后，迅速冷卻(淬油)后，再高溫回火。調(diào)質(zhì)的目的是獲得較高的強度和韌度相互配合的綜合機械性能，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，為最終熱處理準(zhǔn)備良好的組織。對于中碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)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(fù)雜結(jié)構(gòu)而可能造成環(huán)模的熱處理裂紋。 淬火是將環(huán)模加到AC3或AC1以上30℃～50℃，保溫一段時間(45分鐘至90分鐘)后，快速冷卻。常用的冷卻介質(zhì)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。 滲碳是向環(huán)模?？妆砻婧蛢?nèi)環(huán)表面滲入碳原子，形成較高硬度、較嚴(yán)密的碳鐵化合物組織，以提高?？缀蛢?nèi)環(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(zhì)結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼如20號鋼、20Cr、20CrMnTi等。滲碳時間與滲碳層厚度有關(guān)，可根據(jù)經(jīng)驗測定。常見的環(huán)模滲碳方式為固體滲碳。其方法是將環(huán)模埋入裝滿木炭和助滲劑(Na2C03或BaC03)的滲碳箱內(nèi)，加熱至920℃～950℃(一般為930℃)，保溫一段時間，視滲碳層厚度要求而定，取出空冷或油冷、水冷，也有氣體滲碳的，一般將環(huán)模豎著堆放入密封的井式滲碳爐中，通入滲碳?xì)怏w或滴入含碳的液體，在930℃保溫后，空冷或油冷、水冷。滲碳作最終熱處理工藝。 滲氮一般作為環(huán)模的最后熱處理工藝，其目的一方面是保證環(huán)模的心部性能，另一方面是在表面得到耐磨的、致密的氮鐵化合物。滲氮常用于中碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼如45號鋼、40Cr、40CrMnMo等。滲氮后，滲氮表面硬度可達(dá)HRC65～72，有較高的耐蝕性，可增強對水及水蒸汽的腐蝕。但由于氮化時間較長，氮化成本較高，因而造成環(huán)模價格也略高些。常見滲氮有井式爐氣體滲氮和輝光離子氮化。 在加工制造環(huán)模時，應(yīng)對環(huán)模毛坯的硬度加以控制，其硬度在HBl70～220之間為宜，如果硬度過高，鉆孔時鉆頭易斷裂，并造成死孔，硬度過低則影響?？椎墓鉂嵍取榱丝刂泼鲀?nèi)部材質(zhì)的均勻性，有條件的話，應(yīng)對每個毛坯進(jìn)行內(nèi)部探傷，防止毛坯內(nèi)部有裂紋、氣孔、夾砂等缺陷。[25] 本文所設(shè)計的環(huán)模材料采用20CrMnTi，熱處理后表面硬度為HRC55～58。具體加工和熱處理的過程為：開料——鍛造——正火——粗車——調(diào)質(zhì)——精車——鉆(擴)孔——滲碳——磨—（除氧化層）—一試壓——涂防銹油——檢驗入庫。[20] 3.1.2 ?？讐嚎s比和粗糙度 常見的環(huán)?？字饕兄毙慰?、階梯形孔、外錐形孔和內(nèi)錐形孔等。階梯形孔又分為釋放式階梯孔(俗稱減壓孔或釋放孔)和壓縮式階梯孔，如圖8所示，不同的?？仔问竭m合不同種類的物料。本設(shè)計考慮加工工藝，并充分考慮噸電耗，本次設(shè)計采用如圖9孔形結(jié)構(gòu)[15]。 環(huán)模壓縮比是指環(huán)模孔的有效長度和環(huán)?？椎淖钚≈睆降谋戎担欠从橙剂蠑D壓強度的一個指標(biāo)。壓縮比越大，擠出的燃料顆粒越結(jié)實。對于直形孔的環(huán)模壓縮比來說，環(huán)?？椎挠行чL度即為環(huán)模的總厚度，最小直徑即為?？妆旧淼闹睆剑粚τ卺尫攀诫A梯孔和外錐形孔來說，?？椎挠行чL度即為環(huán)模的總厚度減去釋放孔的長度或外錐孔的長度，小直徑段的孔徑即為計算壓縮比的孔徑；對于壓縮式階梯孔和內(nèi)錐形孔來說，這種情況比較特殊，一般把整個環(huán)模厚度作為模孔的有效長度，最小直徑取小直徑段的孔徑，當(dāng)然，這樣計算出的環(huán)模壓縮比的含義和前兩種情況是有區(qū)別的。本次設(shè)計模孔直徑為30mm，選用壓縮比為75/30=2.5。 圖6孔型結(jié)構(gòu)圖 Fig 6 structure of roller 圖7 飼料顆粒環(huán)模成型機孔形結(jié)構(gòu)圖 Fig 7 the hole shape structure of biomass ring-die briquetting machine 粗糙度也是衡量環(huán)模質(zhì)量的重要指標(biāo)。在同樣的壓縮比下，粗糙度值越大，物料擠出阻力越大，出料越困難，過大的粗糙度也影響物料表面的質(zhì)量。本次設(shè)計的環(huán)?？變?nèi)表面的粗糙度值為0.8，為進(jìn)一步減小工作阻力，在環(huán)模使用之前，在油料中加入25％的細(xì)沙對環(huán)?？走M(jìn)行研磨2h，經(jīng)研磨后的環(huán)模，孔面光滑，阻力小，有利于進(jìn)行秸稈的壓制成型。 3.1.3 單位功率面積 單位功率面積是指壓粒主電機每Kw所對應(yīng)環(huán)模有效壓帶面積（mm2）,它是衡量成型機性能的重要參數(shù)，也是設(shè)計成型機的主要依據(jù)。該參數(shù)太大，主電機功率偏小，則造成超載，反之則浪費能耗。因此，單位功率面積（mm2/KW）必須有一最佳值. 縱觀國內(nèi)外生產(chǎn)廠家,單位功率面積取值范圍為300~600mm2/KW, 設(shè)計時500mm2/KW,這樣使成型性能較穩(wěn)定，可靠性好[5]。 單位功率面積A計算公式： （mm2/KW） (9) 式中：S——環(huán)模壓帶有效面積（mm2） D——環(huán)模內(nèi)徑（mm） b——環(huán)模壓帶寬（mm） 3.1.4 環(huán)模內(nèi)徑D和壓帶寬b 根據(jù)單位功率面積理論推導(dǎo)，環(huán)模內(nèi)徑D應(yīng)在一最佳范圍內(nèi)，由單位面積S計算式得： （mm） （10） 一般，D與b的關(guān)系為：b=(0.2~0.3)D=kD（參數(shù)） (mm) （11） 本設(shè)計中，主電機功率P=1.1KW，單位功率面積A=500mm2/KW，,取k=0.25 所以： （12） 實際機子上的環(huán)模內(nèi)徑設(shè)計為240mm，b=0.25D=60（mm）環(huán)模外徑為320mm。 3.1.5 ?？组_孔率 壓模表面開孔率的大小，直接影響秸稈環(huán)模成型機的產(chǎn)量和機加工難易程度。開孔率搞，則其產(chǎn)量大，但加工孔眼多，制造所需的工時就多。在考慮開孔率和產(chǎn)量的同時，應(yīng)特別注意壓模表面有足夠的支撐面積，保證有足夠抗斷裂能力和結(jié)構(gòu)強度，以防止承載是破裂而縮短使用壽命。對于開孔率問題，國內(nèi)外以做了大量實驗研究，一般認(rèn)為，根據(jù)模孔直徑不同，開孔率可在20%~30%之間選擇[2]。 開孔率ε計算公式為: （13） 式中 ro——模孔半徑（mm） N——?？讛?shù) 從式(13)可以看出，在?？字睆揭欢ǖ那闆r下，要提高環(huán)模的開孔率，必須增加?？讛?shù)，增加模孔數(shù)將導(dǎo)致壁厚減小，但最小壁厚必須滿足環(huán)模強度的需要。本次設(shè)計環(huán)模材料使用20CrMnTi，模孔為φ30，采用滲碳的熱處理工藝，滲碳層厚約lmm，同時保證壁厚有足夠的韌性，因此設(shè)計?？讛?shù)為26。 3.2 壓輥的設(shè)計 3.2.1 壓輥直徑d 飼料顆粒成型機的環(huán)模和壓輥尺寸是顆粒成型機諸參數(shù)中最為重要的兩個基本參數(shù)。因而選擇最佳的環(huán)模和壓輥徑比（λ=r/R)是設(shè)計顆粒機的關(guān)鍵問題，解決這個問題，不僅有助于進(jìn)一步認(rèn)識壓粒過程中的一些基本規(guī)律，還可為設(shè)計和改進(jìn)顆粒機提供理論依據(jù)。這里從顆粒機工作時某些參數(shù)之間的幾何關(guān)系加以研究，環(huán)模區(qū)工況如圖8所示。 圖8 環(huán)模區(qū)工況圖 Fig 8 working figure of ring-die area 由圖3．3可以計算壓輥所能攫取的物料層厚度： （14） （15） 式中：R——環(huán)模的直徑，mm r——壓輥的直徑，mm ho——壓輥所能攫取的物料層厚度，mm β——物料攫取角，(°) 式（15）表明了攫取層厚度ho與攫取角β、環(huán)模成型機輥模徑比λ以及模徑R之間的關(guān)系。根據(jù)式（15）進(jìn)行計算，從而可得到λ理論最佳值如表3[2]。 表3 λ理論最佳值 Table 3theory optimal value of λ β/° 10 20 30 40 50 60 λmax ho/R最大值 0.852 0.1609 0.745 0.2998 0.667 0.4224 0.609 0.5335 0.566 0.6360 0.539 0.7321 環(huán)模轉(zhuǎn)動時，壓輥沿壞模的內(nèi)表面運動，并依靠物料與壓輥、環(huán)模之間的摩擦力將攫取的物料壓入模孔中。為了研究攫取條件，從壓粒變形區(qū)內(nèi)靠近咬入弧的一小微段物料的受力狀態(tài)來分析。這時環(huán)模、壓輥和物料之間存在著以下諸力：環(huán)模作用于物料的正壓M和物料、環(huán)模內(nèi)表面間的摩擦力T壓輥作用于物料的正壓力N和物料、壓輥表面間的摩擦力F，如圖9所示。 圖9 物料體受力分析圖 Fig 9 stress analysis figure of material 阻礙物料進(jìn)入壓粒變形區(qū)得力為：Nsinβ;鉗入物料的力為：Fcosβ+T=Ncosβ+f2M，物料欲進(jìn)入壓粒變形區(qū)必有：f1Ncosβ+f2M≥Nsinβ，將M=Ncosβ+f1Nsinβ代入上式得到攫取條件：[18] （16） 式中：f1——物料與壓輥之間的摩擦系數(shù) f2——物料與環(huán)模之間的摩擦系數(shù) 將所設(shè)計的值代入上式，符合要求。 由圖8可知，壓輥旋轉(zhuǎn)一周，被一個壓輥擠入?？字械奈锪狭坑删鹑雍穸萮o所決定，它的體積為：[16] （17） 式中： ho——物料壓實層的寬度，mm ε——壞模開孔率 R——為?？装霃剑琺m 將式（15）代入式（17）得： （18） 若壓輥數(shù)目為Z，轉(zhuǎn)速為n，秸稈的初始密度為ρ0時，生物質(zhì)環(huán)模成型機的生產(chǎn)率為： （19） 由式（19）可以看出，成型機的生產(chǎn)率與其他影響因素之間的關(guān)系。但其中由于壓輥數(shù)目同輥模徑比λ有相互制約的關(guān)系，因此Z的增量不一定在任何情況下都能使生產(chǎn)率得到提高，為進(jìn)一步研究生產(chǎn)率，現(xiàn)分析壓輥數(shù)目Z與輥模徑比λ之間的關(guān)系。設(shè)λm為輥模徑比的極限值，可得出：[14] （20） 根據(jù)式（20）得到表4[2] 表4壓輥個數(shù)Z與輥模徑比λ的關(guān)系 Table 4 relationship of pressure roller number Z and roller diameter ratio modulus λ Z λm λ Z λm λ 2 0.5 0.45 4 0.4142 0.35 3 0.4641 0.40 5 0.3072 0.30 由表4可知，當(dāng)Z取2時λ為0.45~0.5，所以，壓輥直徑d=（0.45~0.5)D=170mm 3.2.2 壓輥與壓輥軸承的設(shè)計 對于飼料顆粒成型機來說，壓輥是主要易損件之一，其壽命的長短直接影響到顆粒燃料生產(chǎn)成本，因此對壓輥合理設(shè)計、提高使用壽命有著重要的意義。飼料顆粒成型機在造粒的過程中要求壓輥與環(huán)模之間保持一定的間隙，一方面是使物料進(jìn)入?？?，另一方面避免環(huán)模和壓輥直接接觸。該間隙隨物料類型的不同而變，一般保持在0．15mm左右，而造粒過程中，物料對壓輥和環(huán)模的磨損恰恰使這一間隙經(jīng)常改變，因此要求壓輥能夠調(diào)整偏心，這樣可以補償磨損，提高壓輥壽命?；诖死碚摚敬卧O(shè)計選擇壓輥軸材料為40Cr，調(diào)制處理，表面硬度為HB350；壓輥材料選擇為20CrMnTi，表面采取滲碳熱處理工藝，滲碳后硬度為HRC52～54。 3.2.3 壓輥軸承的選擇 本次設(shè)計壓輥軸承選用既可以承受徑向力又可以承受軸向力的圓錐滾子軸承；其型號為33208。設(shè)定軸向游隙時必須考慮熱膨脹。采用X型配置方式時，溫度升高總是使軸承游隙減小；采用O型配置方式時，有三種不同的情況：當(dāng)滾動圓錐頂點，即軸承外圈滾道延長線與軸承中心線的交點重合時，軸承游隙不受熱膨脹的影響；當(dāng)兩軸承距離較近，滾子圓錐頂點互相交錯，軸承軸向游隙會隨熱膨脹的增加而減?。划?dāng)軸承距離較大時，滾子圓錐頂點不相交，軸承軸向游隙會隨著熱膨脹的增加而增大。 由于飼料顆粒成型機在工作時，壓輥、環(huán)模與物料相互摩擦和擠壓，產(chǎn)生大量的熱。這些熱量勢必引起壓輥軸系和軸承游隙的變化，因此在設(shè)計時必須加以考慮。由于壓輥軸較短，因此無論軸承采用哪種安裝方式，在受熱的狀態(tài)下都會使軸承軸向游隙減小。考慮到加工和安裝結(jié)構(gòu)簡單，本次設(shè)計的一對圓錐滾子軸承采用X型布置方式，在裝配時保證軸承的軸向游隙為0．15mm。具體結(jié)構(gòu)見圖10。 圖10壓輥軸承配合圖 Fig 10 cooperate figure of pressure roller and bearing 3.3 主軸的設(shè)計 傳遞功率為5.5W，主軸轉(zhuǎn)速200r/min，材料牌號：45調(diào)質(zhì)；硬度(HB)：230；抗拉強度：650MPa；屈服點：360MPa；彎曲疲勞極限：270MPa ；扭轉(zhuǎn)疲勞極限：155MPa；許用靜應(yīng)力：260MPa；許用疲勞應(yīng)力：180MPa。 首先根據(jù)軸的基本直徑估算公式估算主動軸的基本直徑：[13] （21） 式中 d為軸的基本直徑，mm； P為軸的傳遞功率，KW； C為計算常數(shù)，取決于材料及受載情況； n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min。 選C=110，將功率和轉(zhuǎn)速代入式（21）可求得直徑為49.09mm,考慮到軸端要安裝壓輥需開鍵槽，將其軸頸增加3%~7%，所設(shè)計的主軸的基本直徑必須大于所求的直徑，現(xiàn)取軸的直徑為60mm。 （1）軸傳遞的轉(zhuǎn)矩： N·mm （22） （2）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照工作要求，該軸立式放置，軸的一端與聯(lián)軸器相連，另一端與旋轉(zhuǎn)部件相連，中間通過軸承支撐，該軸基本上只產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，初步結(jié)構(gòu)尺寸如圖11所示。 3.3.1 軸的校核 （1）皮帶輪作用力 由上計算得FQ=1509N （2）校核軸的彎曲強度和扭轉(zhuǎn)強度如下圖所示： 圖11 軸結(jié)構(gòu)圖 Fig.11 structure of shaft 圖12 水平面剪力圖（N） Fig 12 figure of horizontal shear (N) 圖13 水平面彎矩圖（N·mm） Fig 13 Plane plot (N · mm) 圖14 合成彎矩圖（N·mm） Fig 14 synthetic plot (N · mm) 圖15 扭矩（N·mm） Fig 15 torque (N · mm) （4） 彎曲應(yīng)力校核如表5： 表5彎曲應(yīng)力校核 Table 5 bending stress checking 危險截面的x坐標(biāo)： 35mm 直徑： 15mm 危險截面的彎矩M： 5205N·mm 扭矩T： 5650.45N·mm 截面的計算工作應(yīng)力： 39.03MPa 許用疲勞應(yīng)力： 180MPa 結(jié)論：彎曲應(yīng)力校核通過 （5） 疲勞強度校核如表6： 表6 疲勞強度校核 Table 6 fatigue strength check 危險截面的x坐標(biāo)： 35mm 直徑： 15mm 危險截面的彎矩M： 5205N·mm 扭矩T： 5650.45N·mm 有效應(yīng)力集中系數(shù)（彎曲作用）： 2.05 有效應(yīng)力集中系數(shù)（扭轉(zhuǎn)作用）： 1.55 截面的疲勞強度安全系數(shù)S： 4.07 許用安全系數(shù)[S]： 2.0 35mm處疲勞強度校核通過 （6）靜校核計算如表7： 表7靜校核計算 Table7 calculation of static check 危險截面的x坐標(biāo)： 35mm 直徑： 15mm 危險截面的彎矩M： 5205N·mm 扭矩T： 5650.45N·mm 截面的靜強度安全系數(shù)： 7.56 許用安全系數(shù)[Ss]： 1.8 35mm處靜強度校核通過 （7）扭轉(zhuǎn)剛度校核如下： 選取圓軸的扭轉(zhuǎn)角為0.26°，許用扭轉(zhuǎn)變形為0.9°/m，扭轉(zhuǎn)剛度校核通過 （8）彎曲剛度校核如下： 撓度計算如表8 表8 撓度計算 Table 8 deflection calculation 序號 x/mm νi/mm 序號 x/mm νi/mm 1 17.25 0.054196 6 103.5 0.022973 2 34.5 0.047899 7 120.75 0.017427 3 51.75 0.041601 8 138 0.012619 4 69 0.035303 9 155.25 0.008341 5 86.25 0.029013 10 172.5 0.004724 選用許用撓度系數(shù)為0.003；最大撓度為0.054196mm，所以彎曲剛度校核通過 （9）臨界轉(zhuǎn)速計算如下： 表9臨界轉(zhuǎn)速 Table 9 critical speed 當(dāng)量直徑dv： 81.74mm 軸所受的重力： 400N 支座形式系數(shù)λ1： 9.0 軸的一階臨界轉(zhuǎn)ncr1： 17582.83r/min 軸截面的慣性距I： 52038.69mm^4 支承距離與L的比值： 0.36 4 結(jié)論 本文突破傳統(tǒng)飼料顆粒成型機的熱成型理念，設(shè)計出利用冷成型工藝壓制的飼料顆粒環(huán)模成型機。對飼料顆粒成型機進(jìn)行了總體設(shè)計，對成型機的關(guān)鍵易損件——環(huán)模設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。主要研究內(nèi)容和取得的成果有如下幾個方面： 1． 通過對比國內(nèi)外的飼料顆粒成型機，設(shè)計利用冷成型工藝壓制飼料顆粒環(huán)模成型機； 2． 對成型機從電動機到傳動系統(tǒng)到工作部件進(jìn)行了設(shè)計、選型； 3． 對壓輥和環(huán)模的材料、尺寸配合等進(jìn)行了詳細(xì)分析； 4． 對主要傳遞轉(zhuǎn)矩的主軸進(jìn)行了強度校核。 在設(shè)計過程中也遇到很多問題，其中最大的問題是傳遞方案的確定，通過對帶輪傳動、齒輪傳動減速和減速箱減速進(jìn)行計算和分析，覺得雖然帶傳動有容易打滑等缺點，但通過帶輪傳動是最簡單、方便和便于實現(xiàn)的一種傳動方案，所以最后選用帶傳動，也希望在以后不斷地學(xué)習(xí)和實踐中能完善此設(shè)計。 隨著我國不可再生資源的減少，人們對保護(hù)自然環(huán)境意識的日益增強，可再生資源的利用越來越受到人們的重視。并且致密成型機組變廢為寶，產(chǎn)品又有廣泛的消費市場，這不僅適宜了時代發(fā)展的需求，又可解決環(huán)境保護(hù)的問題，因而飼料顆粒成型技術(shù)不僅仍將是研究的前沿和熱點，而且也具有日益廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) [1] 陜西農(nóng)業(yè)機械管理局 主編.農(nóng)產(chǎn)品加工機械.農(nóng)業(yè)出版社，1985 [2] 山東省臨沂農(nóng)業(yè)學(xué)校 主編.飼料生產(chǎn)與加工.中國農(nóng)業(yè)出版社，1999 [3] 姚維禎 主編.畜牧機械.中國農(nóng)業(yè)出版社，1998 [4] Robert R.McEllhiney 主編.飼料制造工藝學(xué)（第四版）.中國農(nóng)業(yè)出版社，1998 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