固体物料颗粒造粒机的设计

河南理工大学万方科技学院 摘要摘要 我国的农业生产普遍存在化肥使用过量 有机肥施用不足的问题 在发展生态农业 走可持续化发展道路的今天 充分地利用已有的固 体废弃物来发展生物有机肥技术具有相当重要的意义和前景 本文在分析国内外多种造粒技术后 对固体物料颗粒造粒机进行设计 和研究 结合实际的有机肥造粒技术需求和功能要求 确定挤压式平 模造粒机的总体设计方案 选择最优的设计方案 并对其各个功能组 件的结构进行分析设计 确定各功能组件的组成 保证其功能要求和 性能要求 根据实际的工作需求和功能要求 确定挤压式平模造粒机 的总体设计方案 对挤压式平模造粒机各组成部分进行分析比较 选 择最优零件配件 同时解决主要技术关键点 最后对关键零件如主轴 锥齿轮 空心轴和心轴等进行设计计算及校核 保证其功能要求和性 能要求 并绘制造粒机总装配图和辊轮机构组件的装配图及部分零件 关键词关键词 农业 有机肥 造粒机 河南理工大学万方科技学院 1 Abstract China s agricultural production widespread use of chemical fertilizer organic fertilizer excessive the problem of insufficient In the development of ecological agriculture sustainable development today The emissions of solid waste are increasing so the technology to use of solid waste to produce organic fertilizer has important significance and prospects Based Combined with the actual technology needs and functional requirements of organic fertilizer granulation determine the design program of flat die extrusion type granulator and choose the best design Design the flat die extrusion type granulator structure of each functional module for different performance and functional requirements At last ensure its functionality and performance requirements With the Auto cad software complete the design drawings Key word Agriculture organic fertilizer granulating machine 河南理工大学万方科技学院 2 前言 1 1 挤压式平磨机的总体设计 2 1 1 参数选取 2 1 2 挤压式平模造粒机具体机型的选择 3 1 3 辊轮个数的确定 4 1 4 切刀安装方式和切刀数目的确定 4 1 5 电动机的安装方式及传动减速方式的确定 5 2 电动机的选取 6 2 1 系统的总效率 6 2 2 电动机的功率计算 6 3 传动组件的设计 10 3 1 传动组件的组成 10 3 2 空心轴及锥齿轮轴的参数选择 12 4 锥齿轮组的选取及计算 14 4 1 锥齿轮轴的材料及热处理方法 14 4 2 齿根弯曲疲劳强度计算 15 4 3 齿面接触疲劳强度校核 17 5 空心轴强度的校核计算 19 6 轴承的校核计算 29 7 键的选择及强度计算 31 7 1 键的类型和尺寸 31 7 2 键的强度计算 31 8 造粒组件的组成 33 8 1 组成 33 8 2 造粒组件的流程 33 9 出粒组件的设计 36 致致 谢谢 37 参考文献参考文献 38 河南理工大学万方科技学院 1 前言前言 国内外造粒技术经过发展 日渐成熟并形成了专门的学科和独立 的技术 目前世界上大型造粒机生产企业有日本两家和德国一家 日 本神户制钢公司产品在中国市场的占有率非常高 造粒技术如力成 型造粒法 国外造粒技术较为先进 大多采用大型造粒设备 具备完 善的检测监控系统 自动化程度高 国内造粒技术多为模仿国外技术 起步 同时针对国内情况加以完善和改进 压力成型法是将粉体物料限定在特定的空间中 通过施加外力而压紧 为密实状态 压力成型的成功与否 一方面取决于施加外力的有效利 用和传递 另一方面取决于颗粒物料的物理性质 具有适应能力强 产量大 造粒品粒度均匀 颗粒强度好 成粒率高等优点 李海丽研 究用挤压造粒工艺生产糖泥有机无机复混肥 挤压造粒成型机理是通 过容积变化 在外力作用下使原来松散的物料由液向桥粘结力作用而 捏聚成一定形状颗粒 由于碾轮转动与摩擦产生的热量 使物料升温 至 45 55 可蒸发掉产品中多余的水分 采用挤压造粒工艺生产的 产品不易碎 无返料 挤压造粒机 对辊式挤压机 粒面对辊挤压机 光面对辊挤压机 华夫 面对辊挤压 机 推压式挤压机 螺杆式挤压机 卧式环模挤压机 立式平模挤压机 单螺杆挤压机 双螺杆挤压机 动辊式挤压机 动模式挤压机 河南理工大学万方科技学院 2 1 1 挤压式平磨机的总体设计 挤压式平磨机的总体设计 1 11 1 参数选取参数选取 表 1 1 主要技术参数 生产率整机功率主轴转速 1 5 2 T h22 35 kw144 r min 造粒机动力由减速电机提供 电机通过联轴器与造粒机传动组件 连接 经传动组件再次减速后转速达到预定标准的 144r min 同时将 动力传递给造粒机主轴 造粒机主轴带动模板和甩料盘转动 有机肥 物料倒入造粒室 经刮料脚布料成约 1mm 厚度 随着模板的转动 由 于摩擦力的作用 物料被辊轮挤压 从模板上密布的小孔中挤压成条 状 甩料盘上的两把切刀把条状物料切割成颗粒状成品有机肥 然后 甩料盘把颗粒有机肥从盛粒筒上的排料口甩出 辊轮 模板 切刀 电动机 图1 1 立式平模挤压机结构简图 河南理工大学万方科技学院 3 我们需要确定挤压式平模造粒机具体机型 辊轮的个数 切刀安装方 式和切刀数目 传动减速方式 电动机的安装方式等 1 21 2 挤压式平模造粒机挤压式平模造粒机具体机型的选择具体机型的选择 立式平模挤压机分为动辊式挤压机和动模式挤压机 两种挤压机 各有优缺点 动辊式挤压机的模板固定不动 通过电动机提供动力将动力传给主轴 主轴带动辊轮组件转动 同时由于滚轮和模板之间布有固体物料进而 产生摩擦力带动辊轮转动 所以形成了辊轮架公转 辊轮自转 模板 上的物料随着辊轮的自转而被碾压入模板的小孔中 实现物料的挤压 成型 相对于动辊式挤压机 动模式挤压机的模板随着空心轴转动 而辊轮 架固定在心轴上不动 所以辊轮不会随着辊轮架转动 既辊轮和模板 都自转实现造粒 动辊式挤压机辊轮和辊轮架固定在主轴随主轴转动 其结构相对简单 检查维修方便 但由于辊轮的转动惯量大 所需电动机功率偏大 动 辊式挤压适合于大型 高产量的挤压造粒机 动模式挤压机效率高 所需电动机功率较小 由于模板固定在空心轴 上而辊轮和辊轮架固定在心轴上不动 导致动模式挤压机的结构复杂 所以造粒机的检修不方便 同时由于模板的结构决定了动模式挤压机 整机尺寸不能过大 太大的话模板所受的压力过大会导致其强度不够 模板容易失效 本次设计中固体物料处理规模较小 产量不是很大 所需造粒机尺寸 较小 所以优先选择效率高 造粒成本较低的造粒机 即动模式挤压 机 河南理工大学万方科技学院 4 1 31 3 辊轮个数的辊轮个数的确定确定 挤压造粒机的辊轮数目一般为 2 5 个 辊轮个数直接影响造粒机单 位小时的产量 辊轮个数越多 造粒机生产率越高 且造粒机的生产 率与辊轮个数成正比 同时 辊轮个数的增多直接导致辊轮与物料面 的摩擦力增大 从而使模板所需扭矩增大 这就需要选择输出功率和 扭矩较大的电动机 本次设计要求造粒机的生产率达到 1 5 2 T h 整机功率约为 22 35 kw 滚轮个数的多少将直接影响产品的质量 生产的效率和整机规模 的大小 因此考虑到生产率和整机功率都比较大 优先选用多个辊轮 即 4 个或者是 5 个辊轮 辊轮架有互相垂直的 4 根小轴 4 轴辊轮架称 为十字轴 或圆周均布的 5 根小轴两种 在其它条件相同时 后者比 前者造粒能力大 但 5 根小轴制造困难 精度难以保证 设计中各小 轴轴线在垂直方向的相对高度应有精度要求 高度差引起各小轴上辊 轮与模板间的隙差 不利于物料挤入模板孔中 同样各小轴的水平度 影响辊轮宽度方向与模板间隙的均匀度 也不利于物料进入模板孔中 所以辊轮架上的小轴越多 其制造越困难 精度越低 故选择 4 轴辊 轮架 即十字轴 所以本次设计的立式平模造粒机的辊轮个数为 4 个 1 41 4 切刀安装方式和切刀数目的切刀安装方式和切刀数目的确定确定 切刀通常有两种安装方式 一种是安装在甩料盘上 切刀随着甩 料盘的旋转而转动 依靠转动产生的动能实现切粒 一种是安装在箱 河南理工大学万方科技学院 5 体上固定不动 由模板转动产生的动能实现切粒 动辊式挤压机模板 固定不动 适合前一种的切刀安装方式 而动模式挤压机模板随主轴 转动 适合后一种安装方式 同时 安装在箱体上的切刀容易调整切 刀的角度 以此控制有机肥颗粒成品的形状 切刀通常有两种工作模式 一种是 间隙式 切粒 切刀与模板 之间有固定的间隙 这种切粒方式操作简单 切刀与模板磨损小 使 用寿命长 但切出的颗粒形状不规则 碎屑多 一种是 接触式 切 粒 切刀始终与模板保持接触 这种切粒方式切出的颗粒外观整齐 碎屑少 产品质量高 但切刀与模板磨损快 使用寿命短 由于有机 肥颗粒对外观形状及产品质量要求不高 所以选择 间隙式 切粒方 式 减少模板的磨损 增加模板使用寿命 模板转速和切刀的数量共 同决定了有机肥颗粒的长度 模板转速越快 切刀数量越多 则有机 肥颗粒越短 同时切刀数目越多 切刀的磨损也会减少 本次设计要 求造粒机主轴转速为 144r min 故使用两把切刀为宜 1 51 5 电动机的安装方式及传动减速方式的确定电动机的安装方式及传动减速方式的确定 电动机有两种安装方式 卧式安装和立式安装 电动机采用卧式安装时 虽然占用空间较大 但是输出轴一般没 有轴向载荷 不需要安装轴承 同时卧式安装的电动机振动较小 运 行平稳性好 由于是卧式安装 需要把电动机输出轴的水平旋转变为 垂直旋转 同时电动机需要再次减速 综合考虑采用锥齿轮传递转速 及扭矩 河南理工大学万方科技学院 6 电动机立式安装占用空间少 散热快 但电动机输出轴轴向载荷大 需要安装滚子轴承承受载荷 立式安装主轴和电动机轴都是垂直旋转 所以可以用圆柱齿轮或者是皮带轮减速 立式安装主要适合小型电动 机的安装 电动机较大时采用立式安装容易导致电动机振动过大 稳 定性不好 本次设计所需的电动机功率较大 尺寸较大 为了电动机运行的 平稳性 采用卧式安装电动机为宜 同时使用一对锥齿轮减速传动 河南理工大学万方科技学院 7 2 2 电动机 电动机的选取的选取 2 1 系统的总效率系统的总效率 电动机的选择首先是确定转速 额定功率相同的同类型电动机由 若干种转速可供设计选用 电动机转速越高 则磁极越少 尺寸及重 量越小 一般来说价格也越低 但是由于造粒机主轴转速较低 所选 用的电动机转速越高 减速传动所需传动装置的总传动比必然增大 传动级数增多 尺寸及重量增大 从而使传动装置的成本增加 兼顾 电动机及传动装置 对两者加以综合分析 选择同步转速为 1500r min 的电动机 电动机同步转速为 1500r min 实际额定转速约为 1440r min 主轴转速 为 所以总传动比 由于传动模块中min 144 2 rn 10 144 1440 i 有一对锥齿轮传动 锥齿轮传动的最佳传动比为 u 1 4 所以优先选择 减速电动机 且减速电动机的传动比范围为 2 5 电动机与主动锥齿轮 轴通过联轴器连接 所以电动机输出轴端不需要法兰盘 因此选择的 该减速电动机的输出转速为 500r min 输出转矩为 mmN 5 1039 5 传动比 92 2 1 i 2 2 电动机的功率计算电动机的功率计算 河南理工大学万方科技学院 8 电动机功率由主轴所需转矩确定 主轴转矩是由造粒机辊轮和固 体物料的摩擦力确定的 辊轮的工作示意图如图 2 1 所示 h0 wb R 0 h 图2 1 辊轮工作示意图 图 2 1 中 辊轮与物料接触面弧长圆心角 0 物料厚度 取 0 hmmh1 0 模板与滚轮的间隙 取hmmh2 0 1 0 mmh2 0 辊轮半径 实际滚轮半径 RmmR90 辊轮宽度 实际滚轮宽度 wmmw74 辊轮与有机物料之间的摩擦系数 取f20 0 15 0 f 18 0 f 辊轮对物料的挤压压强 单位为 对于有机物料 一般 0 FPa 取 MPaF40 35 0 PaF 7 0 105 3 辊轮力臂 实际辊轮力臂 lmml135 辊轮个数 实际辊轮个数 m4 m 河南理工大学万方科技学院 9 主轴转速 实际主轴要求转速 2 nr min144 n 1 计算角度 0 由公式得 2 1 R hhR cos 0 0 R hhR arccos 0 0 25 7 90 2 01 90 arccos 即 1265 0 0 2 计算对主轴产生扭矩的力以及辊轮对物料的总挤压力 2 2 00 0 0 sincos 1 1 ffRwmFFx N12690 25 7sin25 7cos18 018 0 1265 0 1 14074 009 0105 3 7 式中 辊轮与物料总摩擦力的水平分力 对主轴产生扭矩 x F 2 3 ffRwmFFy 00 0 0 sincos1 1 N58530 18 025 7sin18 025 7cos1 1265 0 1 4074 009 0105 3 7 河南理工大学万方科技学院 10 式中 辊轮对物料的总挤压力 y F 3 主轴扭矩计算 公式 2 4 lFT x 2 mmN 6 1071 1 0135 012690 式中 主轴扭矩 2 T 4 电动机功率计算 公式 2 5 9550 22n T Pw W25780 9550 1441071 1 6 式中 工作装置所需功率 近似认为 w PkWPw8 25 电动机所需的输出功率为 2 6 0 P w P P 0 kW6 928 891 0 8 25 式中 为由电动机至工作装置的传动装置的总效率 其中联轴器传动效率891 09 099 0 21 锥齿轮传动效率 电动机的额定功率一般略99 0 1 9 0 2 m P 大于电动机所需的输出功率 故选择 0 PkWPm30 河南理工大学万方科技学院 11 3 3 传动组件的 传动组件的设计设计 3 1 传动组件的组成传动组件的组成 传动组件主要由联轴器 轴承套 锥齿轮轴 从动锥齿轮 空心 轴 心轴和轴承等构成 传动组件剖视图如图 3 1 所示 锥齿轮轴 空心轴 圆锥滚子轴承平键 从动锥齿轮 心轴 深沟球轴承 平键 联轴器 轴承套 圆锥滚子轴承 图3 1传动组件剖视图 电动机动力由联轴器传递给锥齿轮轴 与电动机输出轴相连的是 凸缘半联轴器 而与锥齿轮轴相连的是花键半联轴器 两个半联轴器 靠凸缘绞合定位和六个普通螺栓固定 锥齿轮轴与花键半联轴器以花 键定位连接 同时选用两个单列滚子轴承 用以承载锥齿轮轴的轴向 作用力 两个单列滚子轴承外径固定在轴承套上 轴承套以六个螺栓 固定在箱体上 锥齿轮轴将动力传递给从动锥齿轮 同时由于锥齿轮 河南理工大学万方科技学院 12 组的传动比 使传递的转速大大降低 达到设计要求 从动锥齿轮周 向以平键固定在空心轴上 轴向两边以套筒定位 空心轴以滚动轴承 承受载荷 其中上端的轴承主要承受周向载荷所以选用深沟球轴承 而下端既承受周向载荷也承受轴向载荷 选用单列滚子轴承 空心轴 中有一心轴 两轴采用间隙配合 心轴主要用来固定造粒模块中十字 轴及滚轮 同时也分担空心轴过大的周向载荷 增加空心轴的弯曲刚 度 如图 3 2 所示 心轴的定位在轴向靠一个锁紧圆螺母固定 锁紧圆 螺母上有两个小螺钉 可以调节小螺钉使圆螺母的旋合螺纹间始终受 到附加的压力和摩擦力的作用 从而达到自锁的目的 保证心轴轴向 定位的可靠性 心轴周向上依靠平键与心轴套固定 其中心轴套以六 个螺钉与箱体固定 心轴端盖 平键 箱体 心轴 心轴套 锁紧圆螺母 图3 2 心轴定位图 河南理工大学万方科技学院 13 3 2 空心轴及锥齿轮轴的参数选择空心轴及锥齿轮轴的参数选择 1 空心轴和锥齿轮轴的传动比 减速电动机的输出转速为 500 r min 空心轴转速为 r min144 2 n 所以锥齿轮组的传动比为 43 3 144 500 u 既空心轴和锥齿轮轴的传动比为 3 47 2 计算传动组件各轴的运动和动力参数 各轴转速 电动机轴 锥齿轮轴 空心轴min 500rnm min 500 1 rn r min144 2 n 各轴输入功率 电动机轴输出功率 kWP29 0 锥齿轮轴 kWPP71 2899 029 101 空心轴 kWPP839 259 071 28 212 各轴输入转矩 电动机输出转矩 锥齿轮轴 河南理工大学万方科技学院 14 mmN n P T m 5 4 0 0 1054 5 500 109 2 95509550 空心轴 mmN n P T 5 4 1 1 1 1046 5 500 10871 2 95509550 mmN n P T 6 4 2 2 2 1071 1 144 10584 2 95509550 将以上算的运动和动力参数列表 如表 3 1 表3 1 传动组件运动和动力参数表 轴名 参数 电动机轴锥齿轮轴空心轴 转速 n r min 500500144 功率 P kW 2928 725 8 转矩 T N mm 5 54 1055 46 1051 71 106 传动比 i1 003 47 效率 0 990 90 河南理工大学万方科技学院 15 4 4 锥齿轮组的选取及计算 锥齿轮组的选取及计算 4 1 锥齿轮的材料及热处理方法锥齿轮的材料及热处理方法 锥齿轮组负责传递扭矩和转速 本节根据已定的传动比和需要传递 的扭矩 对锥齿轮的齿数及主要尺寸进行设计计算 17 图 3 5 为锥齿 轮组的结构图 d2 hf ha R B da2 da1 d1 小齿轮圆锥角 大齿轮圆锥角 图3 1锥齿轮结构图 查表 取载荷系数 令 称为锥齿轮传动的齿宽1 1 KRb R 系数 通常取 这里去最常用的值 取锥35 0 25 0 R 3 1 R 河南理工大学万方科技学院 16 齿轮压力角 由表 3 1 得 20 mmNT 5 1 1046 5 小齿轮材料为 40Cr 调质处理 硬度为 280HBS 布氏硬度 大齿 轮材料为 45 钢 调质处理度硬度为 240HBS 二者材料硬度差为 40HBS 选小齿轮齿数为 则大齿轮齿数为17 1 z 取 此时31 5843 317 12 uzz58 2 z 与要求相差不大 可用 41 3 17 58 1 2 z z u 4 2 齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算 小齿轮分度圆锥角 4 2 1 1 arctan z z 1 34 16 58 17 arctan 所以大齿轮分度圆锥角 66 7334 169090 12 按公式 4 2 cos z zv 计算锥齿轮的当量齿数 则小齿轮的当量齿数为 大齿轮的当量齿数为72 17 34 16cos 17 cos 1 1 1 z zv 16 206 66 73cos 58 cos 2 2 2 z zv 河南理工大学万方科技学院 17 小齿轮的弯曲疲劳强度极限 大齿轮的弯曲疲劳强度MPa FE 500 1 极限 MPa FE 380 2 取弯曲疲劳寿命系数 取弯曲疲劳安全系85 0 1 FN K88 0 2 FN K 数 由公式 4 3 1 S S K FEFN F 3 计算弯曲疲劳许用应力 MPa S K FEFN F 92 326 3 1 50085 0 11 1 MPa S K FEFN F 23 257 3 1 38088 0 22 2 计算大 小齿轮的并加以比较 F SaFaY Y 查取齿形系数得 查取应力校正系数得922 2 1 Fa Y12 2 2 Fa Y 527 1 1 Sa Y866 1 2 Sa Y 所以 01365 0 92 326 527 1922 2 1 11 F SaFaY Y 01538 0 23 257 866 112 2 2 22 F SaFa YY 结果为 故将用计算模数 1 11 2 22 F SaFa F SaFa YYYY 2 22 F SaFaY Y 计算锥齿轮大端模数 河南理工大学万方科技学院 18 由公式 4 4 3 2 22 22 1 2 1 15 01 4 F SaFa RR YY uz KT m 37 5 01538 0 141 317 3 1 5 01 3 1 1046 51 14 3 22 2 5 查表得大端模数为 5 5 m 计算锥齿轮参数 计算分度圆直径 mmmzd5 93175 5 11 319585 5 22 mzd 计算外锥距 mm u dR21 166 2 141 3 5 93 2 1 22 1 计算齿宽 圆整为mmRb R 68 5521 166 3 1 mmbb55 21 计算平均分度圆直径 mmdd Rm 92 77 3 1 5 015 935 01 11 mmdd Rm 83 265 3 1 5 013195 01 22 计算锥齿轮圆周速率 sm nd v m 2 100060 50092 77 100060 11 1 选用 9 级精度 河南理工大学万方科技学院 19 4 3 齿面接触疲劳强度校核齿面接触疲劳强度校核 对于压力角的锥齿轮 齿面接触疲劳强度的校核公式为 20 4 5 5 01 5 3 1 2 1 H RR EH ud KT Z 式中 齿面接触应力 H MPa 许用接触应力 H MPa 材料的弹性影响系数 查得 40Cr 的弹性影响系数 E Z 2 1 8 189MPaZ E 计算许用接触应力 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 大齿轮MPa H 600 1lim 的接触疲劳强度极限 取接触疲劳寿命系数MPa H 550 2lim 取安全系数 计算接触疲劳许用90 0 1 HN K95 0 2 HN K1 S 应力的公式为 4 S K HHN H lim 6 所以 MPa S K HHN H 5406009 0 1lim1 1 MPa S K HHN H 5 52255095 0 2lim2 2 接触疲劳许用应力取较小的值 接触疲劳强度校核 河南理工大学万方科技学院 20 按公式 得 ud KT Z RR EH 3 1 2 1 5 01 5 MPa6 515 41 35 93 3 1 5 01 3 1 1046 51 1 8 1895 3 2 5 计算结果 锥齿轮齿面接触疲劳强度符合设计要求 2 HH 5 5 空心轴强度的校核计算 空心轴强度的校核计算 空心轴的结构示意图如图 5 1 所示 轴左端由滚动轴承支撑 由于 辊轮挤压物料对空心轴产生的部分轴向作用力以及从动锥齿轮产生的 轴向作用力 滚动轴承应选择滚子轴承 本造粒机选择的是单列圆锥 滚子轴承 型号为滚动轴承 33121 GB T297 为了定位圆锥滚子轴承 轴承右侧的空心轴有一轴肩 单列圆锥滚子轴承右侧是从动锥齿轮 从动锥齿轮通过平键与空心轴连接 空心轴右侧用一个深沟球轴承支撑 型号为滚动轴承 6324 GB T296 在从动锥齿轮与两个轴承之间分别用一个隔套用来轴向定位 从动锥 齿轮右侧空心轴有一轴肩 定位锥齿轮的轴向右侧 70 115 213 15 88 110 AB 图5 1空心轴的结构图 空心轴的材料为 45 钢 调质处理 从空心轴的结构图 图 5 1 和载 荷分布图 图 5 2 可以看出截面 A 是轴的危险截面 由前文已知空心 轴右端的扭矩 mmNT 6 2 1071 1 空心轴的载荷分布图如图 5 2 所示 河南理工大学万方科技学院 21 Y1Y2 T2 Ft M1 Fa X2X1 T2 Fr Ft 受力简图 水平受力图 水平弯矩图 垂直受力图 垂直弯矩图 合成弯矩图 转 矩 图 M2 M3 图5 2 空心轴的载荷分布 空心轴受力分析 河南理工大学万方科技学院 22 由于空心轴受到的水平分力与垂直分力就是主动锥齿轮所受周向 力与轴向分力的反作用力 所以空心轴水平分力为 5 1 1 1 2 m t d T F N 4 5 104 1 92 77 1046 52 空心轴的垂直分力为 5 2 1 sintan ta FF N 3 4 1043 1 34 16sin20tan104 1 图 5 2 为空心轴载荷分布图 由公式 5 3 21388 213 1 a F X N1012 21388 1043 1213 3 所以 12 XFX a N418 10121430 水平最大弯矩为 5 4 11 88XM mmN 89056 101288 河南理工大学万方科技学院 23 由公式 5 5 21388 213 1 t F Y N9907 21388 104 1213 4 所以 12 TFY t N4093 9907104 1 4 垂直最大弯矩为 5 6 12 88YM mmN 871816 990788 计算最大总弯矩 由公式 5 7 2 2 2 13 MMM 得 22 3 87181689056 M mmN 876350 将危险截面 A 的弯矩值列表 如表 5 1 表5 1 空心轴受力分析表 载荷水平面垂直面 支反力 NX1012 1 NX418 2 NY9907 1 NY4093 2 弯矩 MmmNM 89056 1 mmNM 871816 2 总弯矩mmNM 876350 3 扭矩 TmmNT 6 2 1071 1 河南理工大学万方科技学院 24 按弯扭合成应力校核轴的硬度 进行校核时 通常只需要校核危险截面的强度 由于空心轴单向 旋转 扭转切应力为脉动循环变应力 取折合系数 6 0 弯扭合成应力的校核公式为 5 8 1 2 2 2 3 W TM ca 式中 轴的计算应力 ca MPa 轴的抗弯截面系数 W 3 mm 折合系数 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力 1 空心轴危险截面 A 的内径为 外径为 轴的mmd70 1 mmd110 危险截面面积为 5 9 43 11 0 dW 式中 636 0 110 70 1 d d 所以 3543 1011 1636 011101 0mmW 轴的弯曲应力 W TM ca 2 2 2 3 MPa16 12 1011 1 1071 16 0876350 5 2 62 查得空心轴的许用弯曲应力 因此 故安MPa60 1 1 ca 全 河南理工大学万方科技学院 25 两个轴承与空心轴过盈配合引起应力集中 将会削弱轴的疲劳强 度 但由于受载荷很小 不必做强度校核 从动锥齿轮与轴过盈配合引起应力集中 同时在锥齿轮右侧空心轴存 在轴肩 所以截面 B 为危险截面 并且由于截面 B 受载荷较大 故而 需要进行强度校核 因此空心轴只需校核截面 B 左右两侧即可 截面 B 左侧 抗弯截面系数 35 1011 1mmW 抗扭截面系数 WWT2 0 35 5 1022 2 1011 12 0 mm 截面 B 左侧的弯矩 213 15213 876350 4 M MPa814635 截面 B 上的扭矩 mmNT 6 2 1071 1 截面上的弯曲应力 5 10 W M b 4 MPa34 7 1011 1 814635 5 截面上的扭转切应力 5 11 T T W T2 河南理工大学万方科技学院 26 MPa70 7 1022 2 1071 1 5 6 空心轴的材料为 45 钢 调质处理 查得 MPa B 640 MPa275 1 MPa155 1 查得截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数为 84 1 30 1 又查得轴的材料的敏性系数为 76 0 q79 0 q 故有效应力集中系数为 5 12 11 qk 61 1 184 176 01 5 13 11 qk 24 1 130 179 01 取尺寸系数 6 0 扭转尺寸系数 78 0 轴按磨削加工 查得表面系数为92 0 轴未经表面强化处理 即 则轴疲劳极限综合系数为1 q 5 14 1 1 k K 河南理工大学万方科技学院 27 77 2 1 92 0 1 6 0 61 1 5 15 1 1 k K 68 1 1 92 0 1 78 0 24 1 查得碳钢的特性系数 取2 0 1 0 1 0 取1 0 05 0 05 0 于是 弯矩安全系数为 5 ma K S 1 16 53 13 01 034 777 2 275 扭矩安全系数为 5 17 ma K S 1 27 23 2 70 7 05 0 2 70 7 68 1 155 安全系数的值为 5 18 22 SS SS Sca 河南理工大学万方科技学院 28 70 11 27 2353 13 27 2353 13 22 由于 可知轴安全 5 1 SSca 截面 B 右侧 抗弯截面系数 43 11 0 dW 35 4 2 1031 1 115 70 11151 0 mm 抗扭截面系数 WWT2 0 35 5 1062 2 1031 12 0 mm 截面 B 右侧的弯矩 MPaMM814635 45 截面 B 上的扭矩 mmNT 6 2 1071 1 截面上的弯曲应力 W M b 5 MPa22 6 1031 1 814635 5 截面上的扭转切应力 T T W T2 河南理工大学万方科技学院 29 MPa53 6 1062 2 1071 1 5 6 由于 77 2 K68 1 K1 0 05 0 故弯矩安全系数为 5 19 ma K S 1 96 15 01 022 677 2 275 扭矩安全系数为 5 20 ma K S 1 39 17 2 53 6 05 0 2 53 6 68 1 155 安全系数的值为 5 21 22 SS SS Sca 76 11 39 1796 15 39 1796 15 22 由于 可知轴安全 5 1 SSca 空心轴无大的瞬间过载及严重的应力循环不对称性 故可略去静 强度校核 至此 轴的校核即告结束 河南理工大学万方科技学院 30 6 6 轴承的校核计算 轴承的校核计算 空心轴下端用滚动轴承支撑 由于空心轴轴向载荷较大 选择单 列圆锥滚子轴承 现对其进行寿命校核计算 选择的轴承型号为滚动轴承 33121 GB T297 轴承的额定动载荷为 对应的值为 NC 5 1065 2 e42 0 e 假设轴承的寿命为 15 年 一年工作 300 天 每天工作 16 个小时 则轴承的预计工作寿命为 hLh720001630015 轴承同时承受轴向载荷和径向载荷 其中轴向载荷为锥齿轮对空 心轴的轴向作用力和滚轮挤压物料时产生的对空心轴的轴向压力 径 向载荷为锥齿轮对空心轴径向压力的支撑反力 径向载荷的计算 6 1 2 1 2 1 YXFr N9959 99071012 22 轴向载荷的计算 滚轮对物料的总挤压力为 取系数NFy58530 则滚轮对空心轴的轴向压力为2 0 yy FF 1 N11706 585302 0 同时锥齿轮对空心轴的轴向作用力为 6 2 13 costan t FF N4890 34 16cos20tan104 1 4 故轴向载荷为 31 FFF ya 河南理工大学万方科技学院 31 N16596 489011706 由于 e F F r a 67 1 9959 16596 所以选择径向动载荷系数和轴向动载荷系数为 4 0 X42 1 Y 求当量动载荷 由公式 6 3 ar YFXFP 2 1 N33060 1659642 199594 02 1 滚子轴承指数 则轴承寿命为 6 4 3 10 P C n Lh 2 6 60 10 h 6 3 10 6 1019 1 33060 265000 14460 10 求得 故所选轴承可以满足寿命要求 hh LL 河南理工大学万方科技学院 32 7 7 键的选择及强度计算 键的选择及强度计算 7 1 键的键的类型和尺寸类型和尺寸 由于从动锥齿轮不在轴端 故选用圆头普通平键 A 型 空心 轴直径外径 查得键的截面尺寸为 宽度 高度mmd110 mmb28 由于轮毂宽度为 60mm 取键长 略小于轮毂宽mmh16 mmL56 度 7 2 键的强度计算键的强度计算 键 轴和从动锥齿轮的材料都是钢 载荷有轻微冲击 查得许用 挤压应力 取其平均值 键的MPa p 120 100 MPa p 110 工作长度 bLl mm282856 键与轮毂键槽的接触高度hk5 0 mm8165 0 又有键传递的扭矩为 mmNT 6 2 1071 1 故键的挤压应力为 7 1 kld T p 2 2 MPa8 138 110288 1071 12 6 由于 MPa pp 110 所以连接的挤压强度不够 考虑到相差较大 因此改用双键 相隔 180 布置 双键的工作长度 由式得mml42285 1 河南理工大学万方科技学院 33 kld T p 2 2 MPa5 92 110428 1071 12 6 故 pp 可见双键强度足够 符合设计要求 河南理工大学万方科技学院 34 8 8 造粒组件的组成造粒组件的组成 8 1 组成组成 造粒组件是平模挤压造粒机的重要组成部分 同时也是整个造粒 机组成最复杂 构造最精密的组件 造粒组件结构图如图 8 1 所示 造粒机组件主要由盛粒筒迷宫 模板 内圆桶 心轴 布料器和辊轮 机构等组成 模板通过平键定位与空心轴相连 随着空心轴的转动而 带着物料一起转动 内圆桶用六颗螺钉固定在模板上 内圆桶主要是 限制物料的分布范围 辊轮机构的径向由平键定位 轴向由心轴轴肩 和布料器定位 其中辊轮与模板间存在 0 02mm 间隙 盛粒筒迷宫以三 颗螺钉固定在空心轴上 心轴 模板 内圆桶 布料器 空心轴 迷宫密封 辊轮机构 图8 1 造粒组件结构图 河南理工大学万方科技学院 35 8 2 造粒组件的造粒流程造粒组件的造粒流程 有机肥物料由内圆桶顶部倒入 在模板上形成 1mm 厚的物料层 这个过程称为布料 物料随着模板的转动而转动 与此同时 辊轮挤 压物料 由于摩擦力的作用 物料被挤入模板上密布的通孔成型 然 后重新布料 辊轮再次挤压 同时刮料脚搅拌物料 让其分布均匀 这样一直重复循环 完成不断的造粒 1 辊轮机构结构及工作原理 辊轮机构主要由辊轮 十字轴 刮料脚 深沟球轴承 迷宫密封 轴 承端盖 紧锁圆螺母和螺钉等构成其机构图如图 8 2 所示 深 沟 球 轴 承 迷 宫 密 封 轴 承 端 盖 辊 轮 锁 紧 圆 螺 母 十 字 轴 刮 料 脚 螺 钉 图8 2 辊轮机构结构图 十字轴固定在心轴上不动 以平键定位 四个刮料脚分别用两个 螺钉固定在十字轴上 用来使物料分布均匀 四个辊轮分别用两个深 沟球轴承支撑在十字轴上 辊轮由于摩擦力作用 会随着模板的转动 而转动 同时挤压物料 使其通过模板成型 同时 辊轮的圆柱面上 均匀分布着条纹 增加对物料的摩擦力 紧锁圆螺母用来轴向定位深 河南理工大学万方科技学院 36 沟球轴承 由于紧锁圆螺母良好的自锁性能 可以很好的固定轴承 从而固定辊轮 滚轮外端用轴承端盖密封 防止物料的进入 从而降 低轴承的失效率 增加轴承使用寿命 2 模板的构造 模板是造粒机上最重要的零件之一 模板的结构直接影响成型有 机肥颗粒形状 本次设计的造粒机模板如图 3 10 所示 模板上均布着 通孔 通孔直径为 5mm 相邻两个通孔的圆心距为 6mm 通孔成放射 性排列 每两排通孔的夹角为 4 有机肥物料被辊轮挤压压入模板通 孔 直至被压实后从模板通孔中挤出 模板通孔的形状直接影响有机 肥颗粒形状 如果需要多种形状的有机肥颗粒 可以选择设计多块模 板 在需要的时候更换模板 就可以生产出所希望的有机肥颗粒形状 模板通孔容易被物料堵死 对于一些腐蚀性强的有机肥物料 模板也 很容易被腐蚀直至失效 所以 当结束造粒工作时 需要对模板仔细 清理并保养 以增加模板的使用寿命 6 5 4 图8 3 模板剖视图 河南理工大学万方科技学院 37 9 9 出粒组件的设计 出粒组