破碎式转筒干燥机的设计与研究毕业论文.doc

山东科技大学学士学位论文破碎式转筒干燥机的设计与研究毕业论文目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪 论11.1国内外转筒干燥技术的研究现状11.1.1 国内外转筒干燥机的研究现状概述11.1.2 转筒干燥机加热方式的研究现状21.1.3 转筒干燥机内壁面抄板形式的研究现状51.1.4 转筒干燥机控制系统的研究现状81.2 国内外破碎式转筒干燥机的发展趋势101.3 本课题的研究目的及意义122 破碎式转筒干燥机破碎轴的方案设计132.1破碎式转筒干燥机的功能要求132.1.1 破碎式转筒干燥机的工作过程132.1.2 破碎式转筒干燥机的基本功能142.1.3 破碎式转筒干燥机的主要设计参数152.2破碎式转筒干燥机破碎轴的方案设计152.2.1 破碎轴的样图形式162.2.2 破碎轴的强度校核192.2.3破碎轴的弯曲刚度校核计算222.2.4计算破碎轴的第一临界转速232.2.5破碎齿的强度校核282.3破碎齿与破碎轴的联结方式352.4螺栓组连接设计及校核362.4.1支板与固定环螺栓组连接设计362.4.2前后端轴与主轴的螺栓连接设计校核392.5 破碎轴的结构设计433 皮带和带轮的选型方案设计433.1皮带设计433.1.1确定计算功率433.1.2V带带型的选择443.1.3确定带轮的基准直径并验算带速443.1.4初定中心距453.1.5选择V带的基准长度453.1.6验算小带轮上的包角463.1.7计算带的根数z463.1.8计算单根为带的初拉力的最小值463.2带轮的选型方案473.2.1带轮的材料473.2.2带轮的结构形式473.2.3带轮的轮槽尺寸473.3对后端轴进行弯矩校核及键校核483.3.1后端轴弯矩校核483.3.2后端轴上平键的校核504破碎轴上的轴承选型方案设计504.1轴承的初步选型504.2轴承座的选型524.3轴承的轴向固定方式544.4轴承的润滑方式544.5密封装置的选型545转筒的设计及传动装置的设计555.1筒体的设计555.1.1筒体最小壁厚的计算555.1.2筒体的载荷计算555.1.3筒体弯矩与应力计565.1.4筒体传动装置的设计575.1.5齿轮的计算585.2筒体进出料口密封方式605.1.1迷宫式密封60技术经济性分析61参考文献的62小结63致 谢64附 录65751 绪 论转筒干燥机是传统的热力学，机械工程学和近代电子技术相结合的产物，是机械学、控制论、机构学和传感技术等多学科综合性产物，它是一种操作简单、生产量大、重复操作和适用范围广的组合性设备。干燥技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。相信自动化水平是下一步大型转筒干燥机发张趋势。近年来，干燥机技术在各个领域中得到广泛的应用和发展。其中，转筒干燥机因为其运转可靠、操作弹性大、适应性强、处理能力达、所以在冶金、建材、化工、生物科技、轻工等行业内得到了广泛的应用。1.1国内外转筒干燥技术的研究现状1.1.1 国内外转筒干燥机的研究现状概述转筒干燥器的主体是略带倾斜(也有水平的)并能回转的圆筒体，湿物料由其一端加入，经过圆筒内部时，与通过筒内的 热风或加热壁面有效地接触而被干燥。转筒干燥器是一种既受高温加热又兼输送的设备，在食品、化工、冶金、建材等 行业都有广泛的应用。实用干燥器的最小直径为0.5米左右，最大为3米以上。长度短的为2米左右，长的可达50米。随着中国加入WTO以及经济的高速增长，使得这些行业的产品激增，对转筒干燥器也就不可避免地产生更大的需求。长期以来，对转筒干燥器的研究仅限于对干燥过程的试验研究和提出数学模型，这些研究并不能完全揭示转筒干燥器内部物料的运动轨迹和热力学参数的分布信息，常规的测试手段又很难测得，因而，对这种干燥器的运用和发展受到了一定的限制。在很长的时期内，转筒干燥器已经没有真正意义上的技术创新。在1996年，日本东京的Yamato Sankyo制造公司申请了一个新型转筒干燥器的专利，其新颖之处在于干燥空气从中心管穿过多条分支管而喷射到旋转的筒壁上，它不仅热质传递速率几乎是原来的两倍，而且，具有尺寸小、结构简单、成本低等优点，这是这些年来，在转筒干燥器领域的主要创新。转筒干燥与其他干燥设备相比，生产能力大，可连续操作；结构简单，操作方便；故障少，维修费用低；适用范围广，流体阻力小，可以用它干燥颗料状物料，对于那些附着性大的物料也很有利；操作弹性大，生产上允许产品的流量有较大波动范围，不会影响产品的质量；清扫容易。缺点是：设备庞大，一次性投资多；安装、拆卸困难；热损失较大，热效率低(蒸汽管式转筒干燥器热效率高)；物料在干燥器内停留时间长，物料颗料之间的停留时间差异较大我国生产的干燥设备种类仅为国外3040%。有些设备已替代进口产品有些产品与国外产品相比仍差距很大。 所以二十多年来，虽然我国干燥产业取得了巨大的发展，但我国进入干燥技术应用和干燥设备生产大国的行列还有距离对于现阶段的转筒干燥机的发展，国内和国外在设备的结构和功能上基本类似，在提高干燥性能的基础上，国内外的研发方向大体相似，即不断改尝试不同几何形状的抄板，试图研发具有联合性能的干燥机。先阶段按照被干燥物料的加热方式，可将转筒干燥机分为五类型：直接加热式，间接加热式，复合加热式，蒸汽煅烧式，喷浆造粒式。11.1.2 转筒干燥机加热方式的研究现状按照被干燥物料的加热方式，可将目前的转筒干燥器分为五种类型4。（1）直接加热式转筒干燥器此种干燥器内载热体直接与被干燥物料接触，主要靠对流传热，使用最广泛。分为常规直接加热转筒干燥器、叶片式穿流转筒干燥器和通气管式转筒干燥器三种。常规直接加热转筒干燥器中被干燥的物料与热风直接接触，以对流传热的方式进行干燥。按照热风与物料之间的流动方向，分为并流式和逆流式。干燥器的空气出口温度在并流式中一般应高于物料出口温度1020，在逆流式中空气出口温度没有明确规定，但设计时采用100作为出口温度比较合理。筒体直径一般为0.43，筒体长度与筒体直径之比一般为410。干燥器的圆周速度为0.40.6m/s，空气速度在1.52.5m/s范围内。按照热风的吹入方式可将叶片式穿流转筒干燥器分为端面吹入型和侧面吹入型两种。端面吹入型的筒体水平安装，沿筒体内壁圆周方向等距离装有许多从端部入口侧向出口侧倾斜的叶片，热风从端部进入转筒底部，仅从下部有料层的部分叶片间隙吹入筒内，因此能有效地保证干燥在热风与物料的充分接触下进行，不会出现短路现象。物料则在倾斜的叶片和筒体的回转作用下，由入口侧向出口侧移动，其滞留时间可用出口调节隔板调节。侧面吹入型与端面吹入型不同的是，筒体略带倾斜安装，大部分热风从开有许多小孔的筒体外吹入筒内，其方向与筒内物料的移动方向成直角，再穿过三角形叶片的百叶窗孔进入料层。在回转筒体外壁四周装有箱型壳体，并沿回转筒体长度方向分成34个独立的室。每个室都有独立的鼓风机、空气加热器以及进气口和排气口，热风温度以及循环风量、排气量均能自行调节。这种干燥器体积传热系数大，约为3491745W/m3，干燥时间短，约为1030min，物料的填充率较大，约为20%30%。装置容积相对较小，料层阻力为98588Pa，通过风速一般为0.51.5m/s，筒体的转速约为常规直接加热转筒干燥器的1/2左右，使用的热风温度为100300。常用这种干燥器干燥粒状、块状或片状物料，例如压扁大豆、砂糖等物料。通气管式转筒干燥器转筒的设计和安装与常规式相同，不同的是转筒内没有安装抄板，物料自进口端向出口端移动的过程中，始终处于转筒底部的空间中，形成一个稳定的料层。热空气从端部进入不随筒体转动的中心管后，高速地从埋在料层内的分支管小孔中喷出，与物料强烈接触。由于分支管是沿着中心管长度方向均匀分布，而沿着圆周方向则主要集中于中心管下部分布。所以这种设计不仅保证了热风与物料的有效接触，强化了传热传质过程，而且与叶片式穿流转筒干燥器相比，气体在干燥器长度上的分布则更加均匀。通气管式干燥器的体积传热系数约是常规式的两倍。转筒的圆周速度约是常规式的1/2。在相同的生产能力下，干燥筒体的长度仅是常规式的1/2。（2）间接加热式转筒干燥器其载热体不直接与被干燥的物料接触，而干燥所需的全部热量都是经过传热壁传给被干燥物料的。间接加热转筒干燥器根据热载体的不同，分为常规式和蒸汽管式两种。常规间接加热转筒干燥器的转筒砌在炉内，用烟道气加热外壳。此外，在转筒内设置一个同心圆筒。烟道气进入外壳和炉壁之间的环状空间后，穿过连接管进入干燥筒内的中心管。烟道气的另一种走向是首先进入中心管，然后折返到外壳和炉壁的环状空间，被干燥的物料则在外壳和中心管之间的环状空间通过。为了及时排除从物料中汽化出的水分，可以用风机向干燥筒中引入适量的空气，但所需的空气量比直接加热式要小得多。由于风速很小(一般为0.30.7m/s)，所以废气夹带粉尘量很少，几乎不需气固分离设备。在许多场合下，也可以不用排风机而直接采用自然通风除去汽化出的水分。蒸汽管间接加热转筒干燥器的干燥筒内以同心圆方式排列13 圈加热管，其一端安装在干燥器出口处集管箱的排水分离室上，另一端用可热膨胀的结构安装在通气头的管板上。蒸汽、热水等热载体则由蒸汽轴颈管加入，通过集管箱分配给各加热管，而冷凝水则借干燥器的倾斜度汇集至集管箱内，由蒸汽轴颈管排出。物料在干燥器内受到加热管的升举和搅拌作用而被干燥，并借助干燥器的倾斜度从较高一侧向较低一侧移动，从设在端部的排料斗排出。它的单位容积干燥能力是常规直接加热式转筒干燥器的3倍左右，传热系数约为每平方米加热面积40120W/(m2)，热效率高达80%90%，物料的填充率为0.10.2。 （3）复合加热式转筒干燥器其一部分热量是由干燥介质经过传热壁传给被干燥物料，另一部分热量则由载热体直接与物料接触而传递的，是热传导和对流传热两种形式的组合，热利用率较高。主要由转筒和中央内管组成，热风进入内筒，由物料出口端折入外筒后，由原料供给端排出。物料则沿着外壳壁和中央内筒的环状空间移动。干燥所需的热量，一部分由热空气经过内筒传热壁面，以热传导的方式传给物料；另一部分通过热风与物料在外壳壁与中央内筒的环状空间中逆流接触，以对流传热的方式传给物料。（4）蒸汽煅烧干燥器在蒸汽煅烧干燥器内，一方面进行煅烧，一方面进行干燥。并设有自身返料装置。热量是通过设在回转筒内的翅片管蒸汽加热而获得的。传热系数高，热效率可达到75%，蒸发强度为150kg(水)/3。（5）喷浆造粒干燥器它将产品干燥和造粒在一个回转圆筒中完成。料浆由喷嘴喷射到筒内，筒体内部设有返料螺旋抄板，使成品自身返料而减少返料倍数，简化流程，降低设备负荷，提高设备生产强度。1.1.3 转筒干燥机内壁面抄板形式的研究现状转筒烘干机抄板的主要作用是将物料抄起来并逐渐洒向热气流中，以强化物料与热气流的热质交换，促进干燥过程的进行。抄板的形式及数量直接影响热效率和干燥强度。实践证明，当抄板的数量为n=(6-10)D时烘干效率最高。抄板角度的设计要考虑物料的休止角和附着性等情况。抄板上的持有量是确定干燥器中物料填充率的重要参数。在计算抄板持有量时，一般将物料自由表面与水平线之间的夹角假定为物料的休止角。对于不同的休止角以及抄板的几何尺寸等，可以先确定单一抄板单位长度的持有量。转筒干燥机抄板的布置形式主要有以下几种（如图1.1 a、b、c、d、e所示）：（1） 升举式抄板（a）：主要适用于大块物料和易黏结的物料。这种抄板结构简单，干燥器容易清洗，但转筒的填充率较低，在工业上应用十分广泛。（2） 扇形式抄板（b）： 扇形式抄板由升举式抄板构成的互不相通的扇形部分构成。物料沿着各种曲折的通道逐渐下降，与热气流进行充分接触而干燥。这种抄板适用于块状、易脆和密度大的物料。（3） 均布式抄板（c）： 与升举式抄板相比，它能保证物料更均匀地分布在转筒的全部横截面上。特别适用于粉状物料或带一定分块的物料。工业上常用在间接加热转筒干燥器中设置这种抄板来烘干磷酸氢钙、轻质氨酸钙、煤粉、和粉状石墨等。（4） 蜂巢式抄板（d）： 使用这种抄板的烘干机，物料被分散在各个小格子中，降低了物料落下的高度，减少了干燥过程中产生的粉尘量，适用于易生粉尘的细碎物料。其填充率较高，可达0.15-0.25。（5） 翻动式抄板（e）：此种抄板本身是活动的，在转筒转到不同位置时，抄板会随之转动到不同的角度，并且在一定程度上可以防止物料粘在抄板上。 转筒干燥机内物料填充率等于干燥器内的物料的体积与干燥器有效容积之比，在确定物料的填充率时，一般考虑有空气流动和无空气流动两种情况。对于有空气流动情况，还要考虑热风与物料的接触方式是逆流还是并流。通过对这些问题的分析，可以确定干燥器中适宜的物料填充率，以保证干燥器操作中的经济性和可靠性。在破碎式转筒干燥机的抄板方面，国内外的研究者在不同的研究方向上取得了很大进展，并在许多方面实现了技术创新和突破。 （a） (b) (c) (d) (e) 图1.1 五种抄板形式1.1.4 转筒干燥机控制系统的研究现状最早的转筒干燥机控制系统采用的简单的人工电路控制，其次是半自动电气控制而现在是DCS控制系统。可以说在工业设备控制系统的发展过程中DCS控制系统的发展,使系统本身体现了分散控制,危险分散,集中管理的特点。它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能，是完成过程控制、过程管理的现代化设备，具有广阔的应用前景。 图1.2D C S控制系统最早由日本的横河公司,美国的霍尼韦尔公司分别开发成功并投入工业应用,后来国外有多家公司如FO X BO R O,R O SE M O U N T,BA ILEY,Y A M A TA K E等加入到D CS控制系统的生产研发行列中。在控制技术及高科技逐渐全球化的今天,国内也有公司在生产推广国产的D C S控制系统,在技术方面和国外大公司的差距逐渐缩小。横河公司的CE N TU M C S3000系统和霍尼维尔公司的E X PE R IO N PK S系统,作为最新一代的D C S控制系统,应用了自动化控制的最新成果,代表了D CS控制系统发展的现状和趋势破碎式转筒干燥机在工作时需要自动完成部分的监控任务（如温度监控、自动投料等），所以要采用计算机控制2。图1.1是采用DCS控制系统总线配置外围模板组成的破碎式转筒干燥机计算机控制系统。其中变频器控制柜可以实现电机转速无级调速、具有过电流、过电压、过负荷、超速、过热，电源异常等多种保护和状态显示。整个设备从启动到工作再到停止，一切的操作都是在计算机上完成的有计算机完成对设备运行的监控和操作。为了适应不同层次文化水平的员工的操作，对整个过程控制采用了模拟试图的模块化操作，对于各项需要检测的数据，都在模拟试图的相应位置出显示，非常直观的展示出各项数据的状态。基本上实现对设备的全程控制，工作现场无人化。同时考虑到工作环境特殊性，在控制上也可实现手动和自动互相切换的灵活性控制，有的时候破碎式转筒干燥机的工作环境比较特殊导致个别反馈信号不灵敏而影响正常，为操纵方便，控制方式也可采用手动控制方式5，只需在相应的控制柜上将转换旋钮打到手动上就行。DCS对破碎式转筒干燥机控制主要是控制变频器来控制鼓引风机转速和各电机的转速，通过电机上的电流来衡量电机的工作状态。然后在相应的温度监控点处安装热电偶传感器，从而实现对系统内部温度的控制，打到可控范围内的控制，得到更好的干燥效果，更加安全的工作环境。所有的实时数据都会被计算机储存，分析，画出实时分布曲线图，以便用于优化整个操作过程，提高操作的能力。1.2 国内外破碎式转筒干燥机的发展趋势在拥有现代文明的今天， 干燥产业与我们工业生产和日常生活息息相关。在对国民经济发展有着重要影响的产业领域， 例如化工、石化、医药、食品、木材等，干燥技术都发挥着不可缺少的作用。中国干燥产业是从上世纪八十年代中后期发展起来的。近几年国内干燥技术的发展也是有目共睹的。 据不完全统计，中国干燥企业有581家，年产值在40亿左右。 绝大多数为中小型企业且以民营企业为主，60%的干燥企业集中在江、浙常州、江阴、苏州一带。 目前常规干燥设备基本可以满足国内生产的需要，并有部分机型达到国、际当代水平并出口到国外。中国的干燥设备厂家数量而言，一定是世界第一大国。如澳洲、加拿大、德国只有几十家干燥企业。在东南亚国家干燥企业数量更少。但是，在众多的干燥设备制造企业中，不论是干燥技术还是设备制造水平至今还没出现一个在世界上有一定影响、在干燥领域占有一席之地的厂家，像日本，不到十家干燥企业，但存在了像大川原、岳岛等知名企业。我国生产的干燥设备种类仅为国外3040%。有些设备已替代进口产品有些产品与国外产品相比仍差距很大。 所以二十多年来，虽然我国干燥产业取得了巨大的发展，但我国进入干燥技术应用和干燥设备生产大国的行列还有距离对于现阶段的转筒干燥机的发展，国内和国外在设备的结构和功能上基本类似，在提高干燥性能的基础上，国内外的研发方向大体相似，即不断改尝试不同几何形状的抄板，试图研发具有联合性能的干燥机。先阶段按照被干燥物料的加热方式，可将转筒干燥机分为五类型：直接加热式，间接加热式，复合加热式，蒸汽煅烧式，喷浆造粒式。本章节将从以下几个方面对破碎式转筒干燥机的发展趋势进行综述1。我想随着转筒干燥机的研究不断深入以及生产经验的积累，一些问题将会得到解决。转筒内抄板的结构形式对干燥效果的影响，将会得到进一步的研究，也将会为转筒的转速，倾斜度，干燥介质温度，速度对干燥速率的影响，提供较为准确的参数范围。为进一步提高效率，降低能耗，提高干燥器的性能，提高控制水平和产品质量， 不断增强在线的检测的能力， 融入先进的计算机技术， 使用DCS( DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM )技术进行实时监控及控制使其能在干燥机的应用领域进一步的应用和发展。1.3 本课题的研究目的及意义本课题来源于“山东奥诺能源科技有限公司”的产品，是在其转筒干燥机设备的基础上进行的改进。目的：随着国际能源价格的不断升高，国内的煤炭价格也随之攀升，所以如果可以将煤炭开采中产生的煤泥或者是洗选煤时产生的尾煤煤泥进行充分再利用的话就不仅可以在一定程度提高企业的收益还可以降低环境的污染。所以提高煤泥的利用率，减少化工工业生产中所产生的废弃物料或是将经多次过滤产生的代加工废液物料进行转化成低含量有用物料，正是我设计破碎转筒干燥机的目的。意义：破碎式转筒干燥机有着广泛的用途，可以涉及多个领域的应用。例如可以用来干燥洗选煤后产生的煤泥，还可以对啤酒生产中产生的啤酒糟进行干燥，还有制药生产中产生的抗生素渣进行干燥，还有就是对膨润土进行干燥后做添加剂等活性淤泥的干燥，等等。随着国家对环境保护重视，企业不得不投入，所以减少或控制工业对环境的污染，提高化工工业地区的环境质量是每个企业发展的工作重点，破碎转筒干燥机不仅可以帮助企业减少废液的排放，还可以降低因每年排放废液物料所交的费用，对节约成本有着重大积极的意义，同时运用此项技术可以大大节约运行成本，同时取得企业和环境保护双赢的局面。2 破碎式转筒干燥机破碎轴的方案设计2.1破碎式转筒干燥机的功能要求本课题研究的是在传统的转筒干燥机的基础之上在其内部加入一根破碎轴，所以破碎轴的设计是本设计的重点，首先要了解本课题破碎式转筒干燥机的基本功能要求和设计参数。2.1.1 破碎式转筒干燥机的工作过程本设计是在传统的转筒干燥机的基础之上在其内部加入一根用来破碎大块物料的破碎轴，其作用就是在大块湿物料被转筒内部的抄板抄起撒落下降的过程中，会被高速运转的破碎轴上的破碎齿破碎，从而能够实现物料的快速充分干燥。整个干燥流程包括两个系统，即物料系统和空气系统。物料系统：需要干燥的湿物料由皮带运输机或斗式提升机送到料斗，然后经料斗的加料机构通过加料管进入进料端。加料管的斜度要大于物料自然倾斜角度，以便物料顺利流入干燥器内，物料从转筒高的一端流入从低的一端流出同时在转筒的高端通入烟道气，低端流出（并流）经旋风分离器将气体中伴有的烟尘颗粒风尘除去，经绞龙输送到溶粉罐。产品经刮板机输送到存放车间。空气系统：空气经引风机和鼓风机加速后使整个系统内部成负压的状态。同时鼓风机会将风力吹入烟气炉内，然后将高温的烟道气吹入转筒，烟道气首先会从转筒的高端进入在其内部进行传热，然后再从低端流出，然后经旋风分离器将空气中混有的粉尘颗粒除去，经引风机排入大气。如为了降低空气中的风尘颗粒含量还可以在引风机后面加上洗涤塔，最后排入大气。2.1.2 破碎式转筒干燥机的基本功能破碎式转筒干燥机的基本功能，就是将具有较大粘性的大块物料破进行破碎干燥。所以转筒内部破碎轴的设计的合理性，将会对大块物料破碎的效果产生重大的影响，因此对破碎轴的设计就需要解决以下几个重要的问题：（1）破碎轴的结构设计破碎与干燥是破碎式转筒干燥机最基本的两个功能，因此破碎式转筒干燥机应具有一定的破碎力，其产生的破碎力能够很好的将大块的湿物料破碎并且能够获得要求的粒度；还应保持一定的干燥效果，能够使干燥机内的湿物料在得到一定粒度的同时还会得到充分的干燥。（2）破碎轴的强度校核破碎过程中，破碎式转筒干燥机的破碎轴需要按照一定的转速在转筒内部转动，对整个转筒内部的湿物料进行破碎，就要求破碎式转筒干燥机的破碎轴能够长期在脉动循环的冲击载荷的作用下工作，所以需要对其进行受力分析，弯矩校核，扭矩校核，和组合应力的校核，挠度和转角的校核，前后端轴的校核以及破碎齿在冲击载荷的作用下结构强度校核。（3）解决破碎轴的第一临界转速问题工作环境和作业性质的特殊性，破碎轴必须跨越较大的距离。同时还会受到不均衡冲击载荷的影响。所以破碎要有一定的转速范围来保证轴运转的稳定行。 （4）解决转筒的密封问题破碎式转筒干燥机要完成湿物料的整个干燥过程，就需要对转筒两端的密封罩进行合理性的设计），既能保证转筒的正常转动还能保证物料和粉尘不能溢出。因此，在破碎式转筒干燥机的设计过程中要考虑到密封设备的安装和定位、以及密封结构的设计等问题。因此，针对上述各项要求，本文进行破碎式转筒干燥机的本体结构设计，重点完成破碎轴的结构设计。2.1.3 破碎式转筒干燥机的主要设计参数本课题研究的破碎式转筒干燥机主要应用于中小型煤矿的煤泥的干燥，由于煤泥在干燥过程中会出现易结块，分散性差输送困难等特点，所以在其内部加入了一根破碎轴，同时此设备相对与其他设备来书占地面积小，省投资，比较适合于中小型规模的煤矿。本课题对破碎式转筒干燥机破碎轴的设计要求如下：（1） 干燥产量：6t-9t/小时（2） 筒体尺寸：184010000 材料：Q235A（3） 破碎轴电机：YCT280-4A系列 30KW（4） 破碎轴转速：400r/min（5） 煤泥产品初水分：25-27%（6） 煤泥产品终水分：12-16%（7） 尾气粉尘含量：120mg/m（8） 产量粒度：20mm（9） 水分蒸发量：1t/小时（10） 干燥进风温度：600-700（11） 干燥出风温度：120-150（12） 热源：直燃式燃煤热风炉2.2破碎式转筒干燥机破碎轴的方案设计破碎式转筒干燥机破碎轴的设计基于对传统转筒干燥机干燥过程中现的大块物料影响干燥效果考虑，所以在其内部加入一根类似搅拌叶片功能的轴，不过在对实际转筒干燥煤泥过程中发现，由于转筒的长度较长。所以轴的设计在充分考虑到大的跨度基础之上，对轴上零件的设计布置的前提就是尽可能的减少轴上集中载荷的出现，所以在对传统破碎机构的了解的基础之上将原有的锤式破碎结构经过改良，将其用密排式网状破碎结构代替，同时这种结构在单位时间内的破碎效率高于锤式破碎结构，同时轴的自身设计采用空心结构，这样在同等直径上的抗弯和抗扭转的强度较高。由于工作的特殊环境温度较高，所以同时向空心轴内注入循环的冷却水，以达到冷却的效果，从而提高轴的使用寿命。破碎式转筒干燥机的破碎轴主要由一根空心轴、破碎齿固定环、破碎齿支架、破碎齿上的打刀、破碎齿上的破碎锤、前后端轴、进出水旋转接头等零部件组成。2.2.1 破碎轴的样图形式常见的两种破碎轴结构形式如图2.1所示。图2.2（a）中破碎齿上的打刀采用的密排式网状破碎结构，因此增大了破碎面积，提高了破碎的效率。图2.1（b）中的破碎齿上的打刀采用的是锤式破碎结构，这样的结构增大了破碎粘性较大，质地较硬和体积较大物快的能力，提高了结构的稳定性。 （a） （b）图2.2.1 两种常见的破碎结构形式在对实际生产中出现的煤泥物料的料性实验分析中得出，煤泥在干燥过程中会出现分散性差，易结块，结块后质地较硬和质量较大等物理特性。所以对本课题研究的破碎式转筒干燥机的破碎能力要求稳定，同时生产能力要大，考虑到破碎的效率和破碎过程中的稳定性，为此将原有的两种破碎结构组合使用。原因是根据在物料初始进入筒体内时会伴有大量的大块物料，为了防止大块物料对密排式网状打刀的破坏，所以在破碎轴的进料口端加入一列锤式破碎机构，在对锤式破碎机构进行合理设计理论模拟后，发现其破碎能力强，结构稳定，不粘料，破碎效果较好。在经过初期破碎后的物料仍会有中小型物块伴随，所以在轴的中后端使用密排式破碎棒打刀机构，考虑到在筒内干燥破碎物料会随时间加长，料块的大小会逐渐减小，所以在破碎齿的结构设计安排上会有所改变，将破碎棒的密排间隙会随出料方向逐渐减小，这样就会在提高破碎效率的同时达到要求的粒度。所以综合考虑采用两图的组合型的结构形式如图2.2（c）所示 图2.2.1（c）再次还对轴上各零部件的样图进行了初步的设计，包括前后端轴如图2.2（d），破碎齿固定环如图2.2（e），破碎齿支板2.2（f），破碎棒2.2（g），破碎锤2.2（h）。破碎轴的设计参数：根据工作的特殊环境破碎轴设计为空心轴，这样在高温下内部通过注入冷却水来保持整个轴身温度的稳，以及根据要求设计的轴为细长轴，所以所受弯矩的程度较大，初步根据弯曲强度进行的计算。所以根据转筒的直径和长度，初步预估算设计尺寸为：总长：10928mm 外径： 240mm 内径：200mm 壁厚：20mm材料为Q235A。轴上零部件包括：前后端轴，破碎齿固定环，破碎齿支板，破碎齿棒，破碎锤。以下数据都是根据初步样图进行的与估算，在设计过程中会有所改进。2表示的是破碎轴自身净重 表示的是破碎齿固定环的单个净重表示的是破碎齿支架的单个净重 表示的是破碎齿上螺纹钢的总净重M环总M架总 M轴总重=M环总+M架总+=2.2.2 破碎轴的强度校核( 1 ) 破碎轴的受力分析：破碎轴简化为两支点的简支粱，所有作用在破碎轴上的荷载简化为沿长度方向均布的荷载q1，q2，q3。分析如下： 图2.2.2（a）破碎轴轴承之间的距离：10.928m，(最终尺寸11039)破碎轴截面尺寸：24020mm破碎轴总重1729Kg，q1=1550N/m （2-2-1）破碎轴内水的单位质量：V= R2L=3.140.24211000=31.4Kg/m （2-2-2）q231.49.8308N/m其他因素考虑：q3100N/m ( 2 )弯曲应力计算7破碎轴的弯距： Mmax= （2-2-3） =29228N.m抗弯截面模数：W =（1-a） (2-2-4) =0.24（1-（）=7.0210 m3弯曲应力： =41.6410Pa (2-2-5)查机械设计手册，对Q235A材质的轴，在200之内许用疲劳应力：120138MPa，计算取120MPa安全系数S，在载荷计算不够精确，应力计算较近似的情况下为1.51.8，计算取1.8，则需用应力为66.6MPa显而易见，66.6MPa所以初步估算的破碎轴直径在弯矩的校核下是符合要求。然后进行下一步的校核计算( 5 )扭转应力计算8破碎轴驱动电机选型：YCT280-4A系列额定功率：30kw，额定转矩：189N.m调速范围：132-1320r/min要求转速：400或200r/min破碎轴扭转截面模数： W= (2-2-6)=1.410 m3破碎轴的扭矩：M= (2-2-7)=9550=1432.5N.m轴的扭转应力： (2-2-8)1.02Pa( 6 )组合应力校核组合应力：按照第三强度理论计算 = (2-2-9)=42.2810Pa（由于扭转切应力为脉动循环应力所以取）2.2.3破碎轴的弯曲刚度校核计算由于所设计的破碎轴属于细长轴并且同时工作在高速状态下，因此在工作过程中会由于受自身重力和离心力的影响产生弯曲变形和扭转变形，所以需要对其进行轴的弯曲刚度校核计算和轴的扭转刚度校核计算。轴的弯曲刚度校核计算： 轴在均不载荷作用下的简图： 图2.2.3（a）绕曲线方程:Y=- (2-2-10)转角:, (2-2-11) =- (2-2-12)-0.006rad求挠度: 当, (向下) (2-2-13) 2.2.4计算破碎轴的第一临界转速轴系由轴、联轴器、安装在轴上的传动件、紧固件等各种零件以及轴的支持组成。所以可将安装在轴上的破碎齿看作是一转子，当转子的转速接近临界转速时，轴系将引起剧烈的震动，严重时造成轴，轴承及轴上零件破坏，而当转速在临界转速的一定范围之外时，运转趋于平稳。由于转子是弹性体，理论上有无穷多阶固有频率和相应的临界转速，而在实际的工程中第一临界转速是最重要的，在为了保证机器安全运行和正常工作，在对破碎设计时，应使各转子的临界转速n离开各临界转速一定的范围。一般要求是对工作转速n低于其一阶临界转速的轴系，；对高于一阶临界转速的， 2 10。临界转速计算公式： (2-2-14)根据所使用的材料为q235A，所以E=则: (2-2-15)k临界转速阶次,根据所求k=1;L转子两支承跨距;qi第i段轴的均布载荷;Ji第i段截面惯性矩;JMAX/Ji最大截面惯性矩与截面惯性矩之比;di,dmax分别为轴的直径和最大截面直径;轴的位置函数, ，查机械设计手册第三卷,17-121页,表17-6-4。根据所设计轴的结构：=1,每一段的均布载荷也相等。所以根据转子系统简化图所示的段钢轴均布载荷计算模型,根据已知条件,对其进行计算列于下 图2.2.4（a） 表2-2-1轴段号已知条件均布载荷N/m截面惯性矩J10-5m4 K=1质量kg轴段长m轴径m坐标xii(i)iq11681.3780.241.37811938.4310.1260.01250.012514.921350.790.242.16816758.4310.1980.04860.036160.531070.60.242.76817478.4310.2530.09590.047382.641070.60.243.36817478.4310.3080.16200.0661115.551070.60.243.96817478.4310.3630.24560.0836146.161070.60.244.56817478.4310.4180.34330.0977170.771070.60.245.16817478.4310.4730.45010.1068186.681070.60.245.76817478.4310.5280.55980.1097191.691070.60.246.36817478.4310.5830.66600.1062185.5101070.60.246.96817478.4310.6380.76260.0966168.8111070.60.247.56817478.4310.6930.84470.0821143.4121070.60.248.16817478.4310.7380.89880.054194.5131070.60.248.76817478.4310.8030.95470.055997.7141070.60.249.36817478.4310.8580.98260.027948.7151881.560.2410.92811818.431110.017420.5总和11727.6k=2i(i)iq0.2520.09080.0908108.30.3960.29750.2067346.20.5060.51000.2125371.20.6160.72030.2103367.40.7260.88220.1619282.80.8460.97660.0944164.90.9460.99890.022339.01.0561.00120.00234.01.1661.02800.026846.81.2761.11780.0898156.91.3861.27970.1620283.01.4761.45010.1704297.71.6061.70250.2524440.91.7161.87040.1679293.3220.1296226.423428.8=250r/min工作转速n低于其一阶临界转速的轴系，所以要求n187.5r/min=1005r/min高于一阶临界转速的，所以要求破碎轴转速在 ： 350r/minn700r/min综合考虑：设计转速是在400r/min或者是在190r/min，在次基础之上可允许在一定范围内，波动差速不超过15r/min左右。2.2.5破碎齿的强度校核 如图2.2.5（a）、（b）所示为破碎齿两种结构样图 图2.2.5（a） 图2.2.5（b）（1）估算物块的体积和质量： 根据进料口的的大小估算最大物快的体积和质量。 进料口的设计大小：240400 煤泥的密度为：1.2-1.4g/ 物块的体积估算为：V=0.0075 物块的质量估算为： (2-2-16) =9.8kg （2）计算物块的速度如图2.2.3（c）所示：6 物块的初始速度： = (2-2-17) =0.4m/s 图2.2.5（c） 物块的下落距离作图可得：S=336.44mm S= 0.59.8 (2-2-18) t=0.37s 物块的垂直速度