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1、 南 京 理 工 大 学毕业设计(论文)前期准备材料学 生 姓 名：曹月明学 号：1101510207专 业：武器系统与工程设计(论文)题目：清洁化环模制粒机三维设计与性能分析指 导 教 师:武凯2015年 4 月3 日 制粒结构示意图1.1 环模制粒机主电机选择电动机是已经系列化的产品，在机械设计中，要根据工作载荷大小及性质、转速高低、启动特性、过载情况、工作环境、安装要求及空间尺寸限制和经济性等要求从产品目录中选择电动机的类型、结构形式、容量和转速，最后确定具体电动机型号。主电机通过齿轮环模转动，由于技术要求中制粒机试验样机功率为110KW，即取标准电机功率P=110KW。查阅中小型电机选
2、型手册，为了满足清洁化的要求，获得更高的效率，低的噪声和高的可靠性，最终确定选用Y315S-4电动机，额定功率110KW、额定转矩1.8Nm、转速1480r/min、效率92.5%、cos=0.89。1.2 环模设计 因为设计要求环模和压辊方便拆卸，在环模设计中考虑到模块化的设计需求，所以要考虑到环模与压辊的独立性、通用性和互换性。1.2.1 确定环模面积确定环模面积前首先需确定单位功率面积，它是指制粒机主电机每千瓦时所对应环模有效压带面积，是衡量制粒机性能的重要参数，也是设计制粒机的主要依据。参数过大或过小都会造成不必要的浪费。而制粒机单位功率面积大都凭经验估计，颗粒越难挤压单位功率面积越小
3、。依据国内外制粒机机型经验数据，单位功率面积取值范围在2040cm/KW，设计时常取30cm/KW。这样使压粒性能较稳定，可靠性好。根据单位功率面积，按照下式确定环模工作面 S=PA （1.1） 其中，A为单位功率面积，cm/KW；S为环模工作面积，cm。则环模工作面积计算为S=PA=110*30=3300（cm）。1.2.2 确定环模直径与宽度图1.1 环模简图环模直径D与环模宽度b之间的关系为b=（0.20.35）D=KD （1.2）其中，b为环模有效宽度，mm；D为环模内径，mm；K为环模宽径比。环模面积的计算公式为S=Db/100 （1.3）根据单位功率面积理论推导，环模内径D应在一最
4、佳范围内，由公式（1.2）和（1.3）得 （1.4） （1.5）根据经验，取K=0.3。计算并圆整，得出D=590mm，B=175mm。1.2.3 确定孔型、孔数和材料颗粒饲料被压辊从模孔中挤压出来，模孔决定颗粒的形状，有着非常重要的作用，目前模孔的形状有多种，如直形孔、压缩阶梯孔、释放阶梯孔、内锥形孔、外锥形孔等。环模的模孔深度与孔径的比值对制粒的质量和效率有非常大的影响。例如已确定模孔直径的环模，孔深增大，也就是深径比增大时，生产效率降低，制粒成本提高，但相对颗粒的硬度和密度也得到了提高；相反，孔深减小，深径比减小，则效率提高，成本降低，硬度和密度下降。查找相关资料得出，开口角=60，模孔
5、直径为6mm(一般在2.019.0mm)。为保证环模强度，模孔按照等边三角形分布，环模的开孔率选择为0.3（一般在0.20.35）。环模开孔率 (R/2)2n/S （1.6）R ：环模孔径，n：环模总孔数,S：环模的工作区总面积从这个公式，我们可以理解，在孔径确定的情况下，环模孔数越多，环模开孔率越高。根据公式（1.6）得出n=3500考虑到环模在制粒过程中常常要与压辊和物料进行摩擦，物料在调质后在不同程度上均含有水分，也会产生不同程度的腐蚀效果，并且在制粒过程中压膜承受很大的压力，这种压力能引起压膜的即时损坏，超过工作时间也会造成压膜的疲劳损伤，所以环模材料选为X40Cr13，真空淬硬处理，
6、有较高的耐磨性、耐腐蚀性，硬度均匀，有较好的韧性。1.3 压辊设计在压辊设计中同样考虑到模块化的设计方向，在独立性、互换性及通用性上与环模的设计思想相同，环模和压辊在制粒系统里属于有特定功能的子系统，这些子系统可以作为通用性的模块和整个系统产生多样的组合类型，从而形成新的系统，进而制造不同种类的产品。1.3.2 压辊参数、材料压辊直径直接影响挤压物料时的摄取角，所以在尽可能大的条件下，采用较大直径的压辊。压辊直径d与环模内径D之间的关系为 （1.7）其中，d为压辊直径，mm；D为环模内径，mm；为辊径比。由目前主流环模机型辊径比的数据得到，=0.430.485，使两压辊间有装配的间隙，为了增大
7、摄取角，取=0.48，计算并圆整，得到压辊直径d=280mm。压辊宽度取为180mm，略大于环模有限宽度，以使压辊与环模进行高效地挤压成型。此外，为了保护环模，减少环模的磨损，压辊材料选用硬度低、韧性好的50Mn。1.4 主传动设计主传动方案采用直齿齿轮传动，相对于结构简单，价格低廉的皮带传动，齿轮优点在于工作可靠性强，使用寿命长，传动平稳，传递功率高，结构紧凑，功率和速度使用范围广泛，这更能体现出清洁化的设计理念。工作时，由主电机带动齿轮轴进行转动，进而带动大齿轮和环模转动，促使环模与压辊挤压成型颗粒饲料。1.4.1 确定齿型、精度等级、材料及齿数首先需要确定环模线速度及环模转速，进一步才能
8、确定传动比进行传动系统设计。环模线速度的值应当大于一个临界速度，这个临界速度可以将物料有效地抛至压辊与环模之间，若速度过高，则会使制粒机振动幅度加大，增加能耗，还会使物料在模孔中停留时间过短，影响颗粒成型率；若速度过慢，则物料被抛至的高度过低，不能有效地挤压成型。所以环模线速度应当取一中间值。由目前主流制粒机型在不同环模直径下线速度取值统计数据得出，环模线速度的大致取值范围在58m/s，且在同一直径的环模中，不同机型的线速度取值差别较大，所以为了配合不同的饲料颗粒，同一直径的环模应该配有多种不同的线速度以便提高设备的多变性，解决低成本的无级调速或多级变速是发展的方向。根据以上要求，选取环模线速
9、度值为6m/s。得出环模的转速，计算并圆整转速为194r/min。主传动方式选为一级齿轮传动，选用齿形为直齿圆柱齿轮传动，则传动比为：1480：194=7.6。因为机床主轴传动，选用7级精度。大齿轮材料选为45钢（调质），硬度为240HBS，小齿轮为40Cr(调质)，硬度为280HBS。选择小齿轮齿数为Z1=25，大齿轮齿数为Z2=24*7.5=190，模数m=2.5。为了简化体积，在保证强度的前提下将小齿轮设计为齿轮轴的形式。1.5 调质器设计1.5.1 确定调质筒直径物料在进入制粒室之前需要蒸汽调质以便物料熟化并消毒，使饲料颗粒更易于被动物消化吸收，提高饲料使用效率。调质筒直径和调制轴转速
10、直接影响物料的调质质量，所以要合理地设计调质筒的直径和调质轴转速，其中调质时间多少尤其重要，调质时间的计算公式如下： （1.8）其中，V是调质筒的体积，m；D为调质筒的直径，m；L为调质筒的长度，m，取L=6D；是饲料容重，t/m，取=0.6t/m；K为饲料充满系数，取K=0.4；Q为调质轴输送量，t/h，通常为制粒机设计产量的1.52.0倍，取Q=1.8q。将上述有关参数带土调质时间计算公式，得出： （1.9）根据加工质量要求，调质时间确定为25s，即t=25s。由于设计要求主电机功率为110KW，根据主电机功率计算式：P=qW （1.10）其中P为主电机功率，KW；q制粒产量，t/h；W为
11、电耗，KWh/t。一般按国家标准取电耗为10KWh/t，则得出q=11t/h。带入公式（1.9），计算并圆整，得到调质筒直径为490mm。1.5.2 调质器结构设计、计算调质器选用单级桨叶式调质器，此类型调质器可通过改变桨叶的倾斜角度来控制物料的推进速度，控制物料整体调质的时间，以达到调质的最佳效果。桨叶式调质器输送量与桨叶结构参数的关系式如下： （1.11）其中，a为叶片宽度，a=（0.40.6）b，mm;为叶片安装角，1545；为物料容重，kg/m；n为叶片轴转速，r/min；为充满系数，0.150.55；C为调质修正系数，0.150.5；b为叶片长度，mm；D为叶片轴直径，mm。 以式（
12、1.11）为参照依据，并考虑到调质器对物料的适应性，设计调质器的长度为2800mm，叶片轴直径145，桨叶安装角35，叶片长度150mm，叶片宽度70mm。1.5.3 调质器的电机调质轴的转速对于物料搅拌成效起着关键作用，若速率太高，物料熟化时间过短，还没有完全糊化就被送进制粒室制粒，颗粒质量不高。相反，若转速太低，调质时间偏长，则会损失许多维生素，导致物料流动性差，含水率偏高，影响制粒性能和冷却效果。调质轴的转速受到很多因素的影响，一般在100300r/min内。选取电动机型号为YCT200-4B，额定功率为7.5KW，调速范围在1251250r/min。1.6 喂料器设计喂料器是一种将粉状
13、物料均匀地传送到调质机构中，这种喂料机构通常有两种形式：螺旋喂料器、离心喂料器。本设计选用螺旋式喂料机，相比离心喂料器，螺旋喂料器的优点在于结构简单、横截面积小、密封性能好、维修操作安全方便、制造成本低等，所以常常选用螺旋式喂料器作为喂料结构。1.6.1 喂料输送结构设计喂料设备采用单头满面式螺旋叶片来作为螺旋输送机叶片，螺旋叶片的一侧紧贴在传动轴上，从而形成完整的螺旋面。这一种螺旋叶片构造简单，输送能力高，可以均匀地输送物料。螺旋输送机的螺旋面采用右旋的方案设计，因为输送物料中含有不同含量的水分，为了防止螺旋叶片生锈，影响输送的物料质量和输送速率，采用不锈钢作为螺旋叶片的材料。并且考虑到螺旋
14、叶片在工作过程中发生的磨损情况，对螺旋叶片进行调制处理，提高叶片的表面硬度，增加其耐磨性。螺旋叶片输送机输送量Q的计算公式如下： （1.12）其中，S为螺距，m；D为螺旋直径，m；n为螺旋轴转速，r/min； 为饲料容重，t/m；为充满系数，取值在0.80.95间。根据公式（1.12）和运输机械设计选用手册，设计喂料器螺旋送料杆，额定功率1.5KW，螺旋叶片厚度取用5mm，螺距为100mm，螺旋直径为200mm，螺杆直径60mm，送料长度800mm，总长919mm，机壳厚度为5mm。1.6.2 喂料器电机选择由于额定功率为1.5KW，所以驱动螺旋轴转动的电动机选用YCT132-4B型电磁调速电动机，此系列电动机是一种控制简单的交流调速电动机，由Y系列三相异步电动机、涡流离合器及测速发电机组成，配合控制器，可以在比较大的转速范围中进行平滑的无极调速，调速范围在1251250r/min，以便控制不同量物料的输送。1.7 箱体设计制粒机箱体用来支撑主轴与齿轮轴，设计上不仅要考虑到两齿轮的啮合距离，还要考虑到机体在工作时的刚性与稳定性需求。所以箱体采用铸造性能和减震性能较好的HT200作为材料，铸造成型并进行时效处理，满足箱体承受压力及振动的需求。