饲料颗粒机的设计

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计 饲料颗粒机的设计THE DESIGN OF FEED PARTICLES MACHINE 学生姓名：王武学 号：200841914602年级专业及班级：2008级机械设计制造及其自动化(6)班 指导老师及职称：向阳 副教授 学 院：理工学部 湖南长沙提交日期：2012年5月饲料颗粒机设计 摘 要：随着养殖业的不断发展和养殖规模的不断扩大，饲料的需求量日趋增长。如今世界上动物性食品以高于人口增长的速度发展，世界市场上的动物性食品空前丰富。在品目繁多的动物饲料中，颗粒饲料占有非常大的比重，有些国家生产的颗粒饲料占全部饲料的50%以上。饲料，特别是颗粒饲料，在养殖生产中的作用越来越重要，对国民经济发展的影响越来越大。研究设计高效节能，易操作，效率高，寿命长的饲料颗粒机，对于生产加工颗粒饲料，提高养殖业的效益，增强我国饲料工业在国际市场的竞争力都有着重大的作用。 关键词：饲料；环模；颗粒机The Design of Feed Particles Machine Student：Wang WuTutor：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 Chinas feed industry s competitiveness in the international market have a significant role.Key words：Feed；Ring mode；Granule machine1 前言饲料颗粒机属于饲料制粒设备。是以玉米、豆粕、秸秆、草、稻壳等的粉碎物直接压制颗粒的饲料加工机械 。饲料颗粒机广泛适用于大、中、小型水产养殖，粮食饲料加工厂，畜牧场，家禽养殖场，个体养殖户及中小型养殖场，养殖户或大、中、小型饲料加工厂使用。将饲料加工成颗粒状比混合粉状饮料可获得更高的经济效益。颗粒形成过程还能使谷物、豆类中的胰酶抵制因子发生变性作用，减少对消化的不良影响，能杀灭各种寄生虫卵和其它病原微生物，减少各种生虫及消化系统疾病。本设计的目的在于针农户家庭小规模养殖生产的需要，设计一种小型饲料颗粒机。1.1 研究意义（1）结构简单,适应性广,占地面积小,噪音低。 （2）粉状饲料、草粉不需要或少许液体添加即可进行制粒,故颗粒饲料的含水率基本为制粒前物料的含水率,更利于储存。 （3）鸡、鸭、鱼等,比混合粉状饲料可获得更高的经济效益。（4）干料加工,生产的饲料颗粒硬度高、表面光滑、内部熟化，可提高营养的消化吸收。 （5）颗粒形成过程能使谷物、豆类中的胰酶抵制因子发生变性作用，减少对消化的不良影响，能杀灭各种寄生虫卵和其它病原微生物，减少各种生虫及消化系统疾病。1.2 国内外现状近年来，由于消费需求和养殖结构变化，我国饲料产品结构已发生较大变化，小型饲料颗粒机价格使我国的水产饲料产量年均增长率高达17%，远高于配合饲料8%的平均增速，猪料、禽料比例呈下降趋势。水产饲料业已成为饲料行业发展中的最大亮点。1991年我国水产饲料产量只有75万吨，仅占我国饲料总产量的2.1%。然而至1999年，其产量已激增至400万吨，占饲料总产量的5.8%。为了使我国水产饲料工业能够沿着科学的道路发展，从“六五”开始，国家对我国主要的养殖对象的营养需求和饲料配方组织了全国性的科技攻关，“六五”至“九五”期间，小型饲料颗粒机价格分别进行了“我国主要养殖鱼类的营养需求和鱼饲料配方的研究”、“主要水生动物饲料标准及检测技术的研究”、“鱼类营养及饲料配制技术的研究”等，目前还对我国主要名优养殖对象的饲料添加剂、预混料等进行研究。提出了草鱼、青鱼、团头鲂、鲤鱼、尼罗罗非鱼等的饲料配方和添加剂预混料的配方，颁布了鳗鲡和中国对虾的饲料标准（代号分别为SCl004-92，SC2012-94）；目前正在进行一些主要养殖鱼类的饲料标准制定工作。开展了甲鱼、河蟹、石斑鱼、大黄鱼等海淡水养殖对象的饲料和添加剂的研究。同时，我国水产饲料在饲料原料、加工、机械、添加剂以及研究开发条件、测验手段、质量监测、科研队伍建设、人才培养诸多方面，均得到相应发展，具备了进一步研究开发和发展工业生产的能力。 近年来，我国小型饲料颗粒机价格水产饲料行业一路高歌猛进，其直接原因是缘于国内水产养殖业一直持续地较高增长。众所周知，中国是目前世界上最大的水产品养殖国，同时也是目前世界上惟一一个养殖产量超过捕捞产量的国家。当前，我国水产品总产量约占全球总量的35%，其中水产品养殖产量占全球养殖产量的2/3，已连续十三年高居世界首位。养殖产量占有如此高的比重，这在世界主要渔业大国中是绝无仅有的。 中国是世界上水产饲料市场容量最大的国家，正是由于庞大的水产养殖市场给我国水产饲料产业带来了巨大的发展空间。其中引人注目的是八十年代之后，以对虾、鳗、甲鱼等为代表的名优水产品的养殖迅猛发展，形成了阵阵的“养殖热”。作为发展水产养殖业物质基础之一的饲料加工业，随之得到快速发展，涌现出不少名优企业，一些名牌饲料受到养殖者的青睐。 根据2010年食物发展纲要，2010年我国水产品人均占有量将达到44公斤（即总量达到5720万吨），但目前只有33.8公斤。因此，在未来6年当中，水产业的产量还将有大的提高。而我国现有小型饲料颗粒机价格水产养殖品2500万吨的产量中，仅有20%左右是以饲料喂养生产的。根据我国目前的政策，海洋和江河捕捞产量保持零增长，水产品总量的增长将基本上由养殖产量来提供，采用饲料养殖的比例预期将提高到35%以上，2010年水产饲料的市场需求量将达到15002000万吨，将在现有产量的基础上增长1.52.5倍。 如今饲料颗粒机更趋向于小型颗粒机的发展。小型颗粒机机型吸取了国内外颗粒机之精华，为节能新产品。过去一般将饲料加工成粉末后饲喂，存在饲喂不方便、适口性差、家畜挑食、利用率低等缺陷。随着新型小型颗粒饲料机械的问世及普及，现在已可以方便地将粉末饲料加工成颗粒饲料。可采用照明电为动力，在压辊的挤压下从模孔中压出制粒，可以很方便地调整颗粒长短，其结构简单，占地面积小，噪音低，加工成颗粒饲料后具有很多优点。1.3 饲料颗粒机概述 饲料颗粒加工设备按成型的工作原理分类有：活塞冲压式成型机、螺旋挤压式成型机和辊模挤压式成型机三大类；按成型的工艺分类有：热压成型机和冷压成型机两大类；按秸秆成型后的形状分类有：实心棒状、空心棒状、颗粒状和块状四大类。根据秸秆原料的含水率、长度、拥有量等情况和秸秆成型形状的不同，其相应加工设备和成型工艺也不相同13。根据压辊式形状的不同，压辊式成型机课分为环模成型和平模成型机，其中环模成型机又可以分为卧式和立式2种机型。卧式环模成型机是现有成型机的主流机型。这种机型由于有压模的更换保养方便、样机容易进行尺寸和速度放大等特点，所以近年来有了很大的发展。立式环模成型机的压模和压辊的轴线都是垂直设置。这种机型具有构造简单、结构紧凑、使用方便等特点，因此本文采用立式设计。环模旋转成型机成型工艺为冷压成型，生产产品的形状为块状，适宜在农村分散设点就地加工生产秸秆成型块，是解决秸秆运输、储存问题，使秸秆成为规模化工业燃料的有效途径之一。饲料颗粒机其主要如图1所示。1. 原料 2.压辊 3驱动轴4.切刀 5.成品 6 环模图1饲料颗粒机工作原理图Fig 1 the work principle diagram of biomass ring-die briquetting machine 2 饲料颗粒机总体设计2.1 饲料颗粒机技术指标的确定 目前国内外市场上的颗粒颗粒机均采用热压缩成型工艺(颗粒成型温度在230C左右)加工而成，但利用热成型工艺加工颗粒，会损失一部分的生物质能量，污染环境，不是理想的颗粒成型工艺。本文利用冷压缩成型工艺来加工生物质燃料饲料颗粒机，能节省成本、简化机构、更适应农民使用。确定本次设计的饲料颗粒机的技术指标如下：（1） 整机功率：1.1kw（2） 最佳产量：100150kg/h（3） 成型尺寸：5块状 为实现冷压缩成型工艺加工生物质颗粒燃料，确定本次设计的成型机具体传动方案为：电动机通过皮带与主轴相连，环模通过螺栓连接固定在壳体上，两压辊通过行星板与主轴连接，带动压辊转动。这种传动的好处在于：首先，通过调整皮带轮的大小，可以方便地调节压辊转数；其次，通过主轴拖动压辊，其机械结构简单，传动路线短，功率损耗低；最后，通过环模与压辊的滚动挤压出物料，使摩擦力降到最低，有利于提高产量，降低吨电耗。具体传动路线见图2。1. 压辊 2.环模 3.电动机4.小带轮 5.大带轮图2 饲料颗粒机传动方案Fig 2 transmission scheme of biomass ring-die briquetting machine 2.2 异步电动机型号的选择 三相交流电源容易获得，因此本次设计的饲料颗粒成型机动力源采用三相异步电动机。由于该饲料颗粒成型机对电动机无特殊的要求，因此本次设计选用最常用的Y系列笼型三相异步电动机，型号规格为B5（机座不带底脚，端盖有凸缘）型，此电动机具有效率高，工作可靠，结构简单，维修方便，价格低等优点。具体参数见表1。表1三相异步电动机参数表Table 1 parameter table of three-phase asynchronous motor电机型号Y132S-4额定功率1.1KW额定电压380V额定转速1440r/min额定电流2.7A2.3 皮带的选择2.3.1 确定计算功率 PCA=P2KA=5.51.0=5.5kW （1） 式中：KA工况系数，查表11-6（基础）取1.0 P2电动机额定功率，kW PCA计算功率，kW2.3.2 选取V带带型 根据PCA和减速器输出转速为300r/min查机械设计手册图6-1-4确定选用SPB型窄V带。2.3.3 确定带轮基准直径为提高V带寿命，条件允许的情况下小带轮直径尽量取较大值26。选取小带轮直径ddl=140m，大带轮直径dd2=410mm。2.3.4 验算带速 （2）Vmax=35m/s，满足设计要求。2.3.5 确定窄V带的基准长度和中心距根据0.7（d1+d2）a02（d1+d2），初步确定中心距ao左=610mm。2.3.6 计算带所需的基准长度Ld （3）将ao和dd带入上式得Ld为1879.8mm选取基准长度Ld为1880mm。2.3.7 计算实际中心距a （4）将数值代入式（）计算得a为620mm2.3.8 验算主动轮包角a1 （5）主动轮上的包角满足要求。2.3.9 计算窄V带根数Z （6） 式中：Ka包角修正系数，选取Ka=0.9 KL带长修正系数，选取KL=098 P0单根V带额定功率，查表得5.20kW P0功率增量，查表得1.07kW根据上式计算选取Z=3根。2.3.10 计算预紧力 （7） 查机械设计手册，单位长度质量q=0.20kg/m，所以计算得F0=113.47N2.3.11 计算带传动作用在轴上载荷 （8）计算得FP为1068.25N。所以带传动具体参数如表2所示表2带传动参数表Table 2 parameter table of belt transmission 传递功率/kw1.1预紧力/N113.47小轮直径/mm140.0000大轮直径/mm410.0000线速度/(m/s)10.85基准长度/mm1880 续表2带长修正系数0.98中心距/mm860小轮包角/143.34包角修正系数0.90额定功率/kW5.20功率增量/kW1.07小轮转速/(r/min)1440.00大轮转速/(r/min)300.00压轴力/N1068.25实际传动比5.07传动比误差2.8%工况系数1.00设计功率/kW1.10轮槽类型SPB带根数3最大功率/kw1.152.4 压辊的结构设计 物料形成的基本原理是通过环模和压辊之间的相互挤压力来克服物料通过模孔的阻力，从而达到压型的目的。在环模相同的情况下，压棍直径越大，环模和压棍之间形成的三角挤压范围就越大，越有利于挤压作用。理论上讲，单辊的压辊直径可做得最大，挤压时间、挤出效果也最好，但在机器运转时，压辊和压模之间的作用力在主轴、主轴轴承和空轴之间传递，所以单辊制粒机的主轴、主轴轴承和空轴等机械结构比较粗大，只有在小型实验室制粒机及难于制粒的大型秸秆压块机中采用。双压辊制粒机两压辊之间的挤压力在主轴头上平衡，压模上的反作用力相互抵消，设备上的主轴(主轴轴承处)、主轴轴承和空轴等受力小，机械结构紧凑，因此本设计采用双压辊。2.5 环模的结构设计 环模是颗粒机的关键零件，是成型机的最主要易损件。根据统计，环模损耗费占整个生产车间维修费的25以上7，同时对挤压出来的物料质量有着直接的影响。因此，了解环模的特性并对环模进行正确的选用、合理的使用以及有效的保养，对于成型机来说是至关重要的。本次设计中，环模材料为20CrMnTi，淬火后表面硬度为HRC5558，环模内经为180mm，压缩比为2.5，环模和压辊的结构如图3。图3 环模压辊结构图Fig 3 structure of ring-die and roller 2.6 主机的结构设计饲料颗粒成型机结构形式多种多样，国内外也各不相同，根据结构形式，有立式、卧式和平模三种。图4 饲料颗粒环模成型机Fig4 vertical biomass ring-die briquetting machine考虑此次设计主要是用于广大农村，因此采用结构简单、使用方便和经济性好的立式中心传动结构，由主轴带动压辊转动来实现压制成型，此种结构传动简单，结构可靠，通过合理确定环模和压辊的直径，以及电动机的功率和转数，确保了该机的产能和工作温度，在实际运行中表现良好。具体压辊环模的结构如图7所示。1、主轴 2、轴承 3、行星板 4、环模 5、压辊 6、轴承 7、机架图5 工作部件结构图Fig 5 the structure of working parts 3、 饲料颗粒机的主要工作部件的设计3.1 环模的设计 环模是饲料颗粒成型机的关键零件之一，对挤压出来的物料质量有着直接的影响。同时，环模也是成型机的最主要易损件之一，价格不菲，根据统计，环模损耗费占整个生产车间维修费的25以上7。其质量的好环和质量是否稳定，直接影响环模的使用寿命和颗粒成型机的产量以及颗粒的质量，从而影响颗粒加工的生产成本。因此，了解环模的特性并对环模进行正确的设计、合理的使用以及有效的保养，对于颗粒生产来说是至关重要的。3.1.1 环模材料选择 目前，国内外环模生产商加工环模主要使用以下三类材料：碳素结构钢、合金结构钢和不锈钢。碳素结构钢如45钢，其热处理硬度一般为HRC4550，它属于比较低档的环模材料，其耐磨性和耐腐蚀性都较差；合金结构钢，如20CrMnTi、40Cr、35CrMo等，热处理硬度在HRC50以上，并具有良好的综合力学性能，由此类材料制造的环模强度高，耐磨性也好，但缺点是耐腐蚀性不好；不锈钢材料有4Crl3、3Crl3等，这些材料的刚度和韧性都较好，热处理硬度大于HRC50，并具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，使用寿命较长24o在常用环模材料加工工艺中，常见的热处理方法有正火、调质、淬火、渗碳、渗氮。要针对不同的环模材料，综合考虑这些热处理方法的特点，进而安排于机加工工序之间。正火是将环模加热到AC1或ACM30-50以上，保温一段时间(45分钟至90分钟)后，26在空气中冷却。正火处理的冷却速度比退火处理的冷却速度快些，得到的组织要细一些，且生产效率也要高些。因此，常用正火处理来消除前一道工序所带来的各种组织或性能上的缺陷，消除内应力，为下一道工序作组织准备。在环模加工工艺中，正火处理一般安排在锻造之后或粗加工之前，也有安排在精车之前。经正火处理后的环模，切削性能有所改善，并能适当地改善加工后表面光洁度25。 调质是将环模加热到AC3或AC13050以上，保温一段时间(45分钟至90分钟)后，迅速冷却(淬油)后，再高温回火。调质的目的是获得较高的强度和韧度相互配合的综合机械性能，特别是保持环模心部的综合机械性能。在环模加工工艺中，一般安排在精车，扩孔之前或粗加工之后；也可以安排在渗氮之前，为最终热处理准备良好的组织。对于中碳优质结构钢和合金结构钢，要注意淬火与高温回火的时间间隔不宜过长，否则，因环模的复杂结构而可能造成环模的热处理裂纹。 淬火是将环模加到AC3或AC1以上3050，保温一段时间(45分钟至90分钟)后，快速冷却。常用的冷却介质为水和油。在水中的冷却速度比在油中快些。如在水中加入0.150.30的聚乙烯醇，其冷却介于水和油之间，可得到较好的热处理组织。淬火一般安排在扩孔后或磨削加工之前，可作最终热处理工艺。渗碳是向环模模孔表面和内环表面渗入碳原子，形成较高硬度、较严密的碳铁化合物组织，以提高模孔和内环表面的硬度，提高其耐磨性，从而提高环模的使用寿命。渗碳主要针对含碳量0.150.25的优质结构钢和低合金钢如20号钢、20Cr、20CrMnTi等。渗碳时间与渗碳层厚度有关，可根据经验测定。常见的环模渗碳方式为固体渗碳。其方法是将环模埋入装满木炭和助渗剂(Na2C03或BaC03)的渗碳箱内，加热至920950(一般为930)，保温一段时间，视渗碳层厚度要求而定，取出空冷或油冷、水冷，也有气体渗碳的，一般将环模竖着堆放入密封的井式渗碳炉中，通入渗碳气体或滴入含碳的液体，在930保温后，空冷或油冷、水冷。渗碳作最终热处理工艺。 渗氮一般作为环模的最后热处理工艺，其目的一方面是保证环模的心部性能，另一方面是在表面得到耐磨的、致密的氮铁化合物。渗氮常用于中碳优质结构钢和中碳合金结构钢如45号钢、40Cr、40CrMnMo等。渗氮后，渗氮表面硬度可达HRC6572，有较高的耐蚀性，可增强对水及水蒸汽的腐蚀。但由于氮化时间较长，氮化成本较高，因而造成环模价格也略高些。常见渗氮有井式炉气体渗氮和辉光离子氮化。 在加工制造环模时，应对环模毛坯的硬度加以控制，其硬度在HBl70220之间为宜，如果硬度过高，钻孔时钻头易断裂，并造成死孔，硬度过低则影响模孔的光洁度。为了控制毛坯内部材质的均匀性，有条件的话，应对每个毛坯进行内部探伤，防止毛坯内部有裂纹、气孔、夹砂等缺陷。25本文所设计的环模材料采用20CrMnTi，热处理后表面硬度为HRC5558。具体加工和热处理的过程为：开料锻造正火粗车调质精车钻(扩)孔渗碳磨（除氧化层）一试压涂防锈油检验入库。203.1.2 模孔压缩比和粗糙度常见的环模孔主要有直形孔、阶梯形孔、外锥形孔和内锥形孔等。阶梯形孔又分为释放式阶梯孔(俗称减压孔或释放孔)和压缩式阶梯孔，如图8所示，不同的模孔形式适合不同种类的物料。本设计考虑加工工艺，并充分考虑吨电耗，本次设计采用如图9孔形结构15。环模压缩比是指环模孔的有效长度和环模孔的最小直径的比值，它是反映燃料挤压强度的一个指标。压缩比越大，挤出的燃料颗粒越结实。对于直形孔的环模压缩比来说，环模孔的有效长度即为环模的总厚度，最小直径即为模孔本身的直径；对于释放式阶梯孔和外锥形孔来说，模孔的有效长度即为环模的总厚度减去释放孔的长度或外锥孔的长度，小直径段的孔径即为计算压缩比的孔径；对于压缩式阶梯孔和内锥形孔来说，这种情况比较特殊，一般把整个环模厚度作为模孔的有效长度，最小直径取小直径段的孔径，当然，这样计算出的环模压缩比的含义和前两种情况是有区别的。本次设计模孔直径为30mm，选用压缩比为75/30=2.5。图6孔型结构图Fig 6 structure of roller 图7 饲料颗粒环模成型机孔形结构图Fig 7 the hole shape structure of biomass ring-die briquetting machine 粗糙度也是衡量环模质量的重要指标。在同样的压缩比下，粗糙度值越大，物料挤出阻力越大，出料越困难，过大的粗糙度也影响物料表面的质量。本次设计的环模孔内表面的粗糙度值为0.8，为进一步减小工作阻力，在环模使用之前，在油料中加入25的细沙对环模孔进行研磨2h，经研磨后的环模，孔面光滑，阻力小，有利于进行秸秆的压制成型。3.1.3 单位功率面积 单位功率面积是指压粒主电机每Kw所对应环模有效压带面积（mm2）,它是衡量成型机性能的重要参数，也是设计成型机的主要依据。该参数太大，主电机功率偏小，则造成超载，反之则浪费能耗。因此，单位功率面积（mm2/KW）必须有一最佳值. 纵观国内外生产厂家,单位功率面积取值范围为300600mm2/KW, 设计时500mm2/KW,这样使成型性能较稳定，可靠性好5。 单位功率面积A计算公式： （mm2/KW） (9) 式中：S环模压带有效面积（mm2） D环模内径（mm） b环模压带宽（mm）3.1.4 环模内径D和压带宽b 根据单位功率面积理论推导，环模内径D应在一最佳范围内，由单位面积S计算式得： （mm） （10） 一般，D与b的关系为：b=(0.20.3)D=kD（参数） (mm) （11） 本设计中，主电机功率P=1.1KW，单位功率面积A=500mm2/KW，,取k=0.25 所以： （12） 实际机子上的环模内径设计为240mm，b=0.25D=60（mm）环模外径为320mm。3.1.5 模孔开孔率 压模表面开孔率的大小，直接影响秸秆环模成型机的产量和机加工难易程度。开孔率搞，则其产量大，但加工孔眼多，制造所需的工时就多。在考虑开孔率和产量的同时，应特别注意压模表面有足够的支撑面积，保证有足够抗断裂能力和结构强度，以防止承载是破裂而缩短使用寿命。对于开孔率问题，国内外以做了大量实验研究，一般认为，根据模孔直径不同，开孔率可在20%30%之间选择2。开孔率计算公式为: （13） 式中 ro模孔半径（mm） N模孔数 从式(13)可以看出，在模孔直径一定的情况下，要提高环模的开孔率，必须增加模孔数，增加模孔数将导致壁厚减小，但最小壁厚必须满足环模强度的需要。本次设计环模材料使用20CrMnTi，模孔为30，采用渗碳的热处理工艺，渗碳层厚约lmm，同时保证壁厚有足够的韧性，因此设计模孔数为26。3.2 压辊的设计3.2.1 压辊直径d饲料颗粒成型机的环模和压辊尺寸是颗粒成型机诸参数中最为重要的两个基本参数。因而选择最佳的环模和压辊径比（=r/R)是设计颗粒机的关键问题，解决这个问题，不仅有助于进一步认识压粒过程中的一些基本规律，还可为设计和改进颗粒机提供理论依据。这里从颗粒机工作时某些参数之间的几何关系加以研究，环模区工况如图8所示。图8 环模区工况图Fig 8 working figure of ring-die area 由图33可以计算压辊所能攫取的物料层厚度： （14） （15） 式中：R环模的直径，mm r压辊的直径，mm ho压辊所能攫取的物料层厚度，mm 物料攫取角，() 式（15）表明了攫取层厚度ho与攫取角、环模成型机辊模径比以及模径R之间的关系。根据式（15）进行计算，从而可得到理论最佳值如表32。表3 理论最佳值Table 3theory optimal value of /102030405060maxho/R最大值0.8520.16090.7450.29980.6670.42240.6090.53350.5660.63600.5390.7321环模转动时，压辊沿坏模的内表面运动，并依靠物料与压辊、环模之间的摩擦力将攫取的物料压入模孔中。为了研究攫取条件，从压粒变形区内靠近咬入弧的一小微段物料的受力状态来分析。这时环模、压辊和物料之间存在着以下诸力：环模作用于物料的正压M和物料、环模内表面间的摩擦力T压辊作用于物料的正压力N和物料、压辊表面间的摩擦力F，如图9所示。图9 物料体受力分析图Fig 9 stress analysis figure of material阻碍物料进入压粒变形区得力为：Nsin;钳入物料的力为：Fcos+T=Ncos+f2M，物料欲进入压粒变形区必有：f1Ncos+f2MNsin，将M=Ncos+f1Nsin代入上式得到攫取条件：18 （16） 式中：f1物料与压辊之间的摩擦系数 f2物料与环模之间的摩擦系数将所设计的值代入上式，符合要求。 由图8可知，压辊旋转一周，被一个压辊挤入模孔中的物料量由攫取层厚度ho所决定，它的体积为：16 （17） 式中： ho物料压实层的宽度，mm 坏模开孔率 R为模孔半径，mm 将式（15）代入式（17）得： （18） 若压辊数目为Z，转速为n，秸秆的初始密度为0时，生物质环模成型机的生产率为： （19） 由式（19）可以看出，成型机的生产率与其他影响因素之间的关系。但其中由于压辊数目同辊模径比有相互制约的关系，因此Z的增量不一定在任何情况下都能使生产率得到提高，为进一步研究生产率，现分析压辊数目Z与辊模径比之间的关系。设m为辊模径比的极限值，可得出：14 （20）根据式（20）得到表42表4压辊个数Z与辊模径比的关系Table 4 relationship of pressure roller number Z and roller diameter ratio modulus ZmZm20.50.4540.41420.3530.46410.4050.30720.30 由表4可知，当Z取2时为0.450.5，所以，压辊直径d=（0.450.5)D=170mm3.2.2 压辊与压辊轴承的设计 对于饲料颗粒成型机来说，压辊是主要易损件之一，其寿命的长短直接影响到颗粒燃料生产成本，因此对压辊合理设计、提高使用寿命有着重要的意义。饲料颗粒成型机在造粒的过程中要求压辊与环模之间保持一定的间隙，一方面是使物料进入模孔，另一方面避免环模和压辊直接接触。该间隙随物料类型的不同而变，一般保持在015mm左右，而造粒过程中，物料对压辊和环模的磨损恰恰使这一间隙经常改变，因此要求压辊能够调整偏心，这样可以补偿磨损，提高压辊寿命。基于此理论，本次设计选择压辊轴材料为40Cr，调制处理，表面硬度为HB350；压辊材料选择为20CrMnTi，表面采取渗碳热处理工艺，渗碳后硬度为HRC5254。3.2.3 压辊轴承的选择 本次设计压辊轴承选用既可以承受径向力又可以承受轴向力的圆锥滚子轴承；其型号为33208。设定轴向游隙时必须考虑热膨胀。采用X型配置方式时，温度升高总是使轴承游隙减小；采用O型配置方式时，有三种不同的情况：当滚动圆锥顶点，即轴承外圈滚道延长线与轴承中心线的交点重合时，轴承游隙不受热膨胀的影响；当两轴承距离较近，滚子圆锥顶点互相交错，轴承轴向游隙会随热膨胀的增加而减小；当轴承距离较大时，滚子圆锥顶点不相交，轴承轴向游隙会随着热膨胀的增加而增大。由于饲料颗粒成型机在工作时，压辊、环模与物料相互摩擦和挤压，产生大量的热。这些热量势必引起压辊轴系和轴承游隙的变化，因此在设计时必须加以考虑。由于压辊轴较短，因此无论轴承采用哪种安装方式，在受热的状态下都会使轴承轴向游隙减小。考虑到加工和安装结构简单，本次设计的一对圆锥滚子轴承采用X型布置方式，在装配时保证轴承的轴向游隙为015mm。具体结构见图10。图10压辊轴承配合图Fig 10 cooperate figure of pressure roller and bearing 3.3 主轴的设计传递功率为5.5W，主轴转速200r/min，材料牌号：45调质；硬度(HB)：230；抗拉强度：650MPa；屈服点：360MPa；弯曲疲劳极限：270MPa ；扭转疲劳极限：155MPa；许用静应力：260MPa；许用疲劳应力：180MPa。首先根据轴的基本直径估算公式估算主动轴的基本直径：13 （21）式中 d为轴的基本直径，mm； P为轴的传递功率，KW； C为计算常数，取决于材料及受载情况； n为轴的转速，r/min。 选C=110，将功率和转速代入式（21）可求得直径为49.09mm,考虑到轴端要安装压辊需开键槽，将其轴颈增加3%7%，所设计的主轴的基本直径必须大于所求的直径，现取轴的直径为60mm。（1）轴传递的转矩： Nmm （22）（2）轴的结构设计按照工作要求，该轴立式放置，轴的一端与联轴器相连，另一端与旋转部件相连，中间通过轴承支撑，该轴基本上只产生扭转变形，初步结构尺寸如图11所示。3.3.1 轴的校核（1）皮带轮作用力 由上计算得FQ=1509N（2）校核轴的弯曲强度和扭转强度如下图所示：图11 轴结构图Fig.11 structure of shaft 图12 水平面剪力图（N）Fig 12 figure of horizontal shear (N)图13 水平面弯矩图（Nmm）Fig 13 Plane plot (N mm)图14 合成弯矩图（Nmm）Fig 14 synthetic plot (N mm)图15 扭矩（Nmm）Fig 15 torque (N mm) （4） 弯曲应力校核如表5：表5弯曲应力校核Table 5 bending stress checking危险截面的x坐标：35mm直径：15mm危险截面的弯矩M：5205Nmm扭矩T：5650.45Nmm截面的计算工作应力：39.03MPa许用疲劳应力：180MPa 结论：弯曲应力校核通过（5） 疲劳强度校核如表6：表6 疲劳强度校核 Table 6 fatigue strength check 危险截面的x坐标：35mm直径：15mm危险截面的弯矩M：5205Nmm扭矩T：5650.45Nmm 有效应力集中系数（弯曲作用）：2.05有效应力集中系数（扭转作用）：1.55截面的疲劳强度安全系数S：4.07许用安全系数S：2.0 35mm处疲劳强度校核通过 （6）静校核计算如表7：表7静校核计算 Table7 calculation of static check 危险截面的x坐标：35mm直径：15mm 危险截面的弯矩M：5205Nmm扭矩T：5650.45Nmm截面的静强度安全系数：7.56许用安全系数Ss：1.8 35mm处静强度校核通过（7）扭转刚度校核如下： 选取圆轴的扭转角为0.26，许用扭转变形为0.9/m，扭转刚度校核通过（8）弯曲刚度校核如下： 挠度计算如表8表8 挠度计算 Table 8 deflection calculation 序号x/mmi/mm序号x/mmi/mm 117.250.0541966103.50.022973 234.50.0478997120.750.017427 351.750.04160181380.012619 4690.0353039155.250.008341 586.250.02901310172.50.004724 选用许用挠度系数为0.003；最大挠度为0.054196mm，所以弯曲刚度校核通过 （9）临界转速计算如下：表9临界转速 Table 9 critical speed 当量直径dv：81.74mm轴所受的重力：400N支座形式系数1：9.0轴的一阶临界转ncr1：17582.83r/min轴截面的惯性距I：52038.69mm4支承距离与L的比值：0.364 结论本文突破传统饲料颗粒成型机的热成型理念，设计出利用冷成型工艺压制的饲料颗粒环模成型机。对饲料颗粒成型机进行了总体设计，对成型机的关键易损件环模设计进行了详细的阐述。主要研究内容和取得的成果有如下几个方面：1 通过对比国内外的饲料颗粒成型机，设计利用冷成型工艺压制饲料颗粒环模成型机； 2 对成型机从电动机到传动系统到工作部件进行了设计、选型；3 对压辊和环模的材料、尺寸配合等进行了详细分析；4 对主要传递转矩的主轴进行了强度校核。在设计过程中也遇到很多问题，其中最大的问题是传递方案的确定，通过对带轮传动、齿轮传动减速和减速箱减速进行计算和分析，觉得虽然带传动有容易打滑等缺点，但通过带轮传动是最简单、方便和便于实现的一种传动方案，所以最后选用带传动，也希望在以后不断地学习和实践中能完善此设计。随着我国不可再生资源的减少，人们对保护自然环境意识的日益增强，可再生资源的利用越来越受到人们的重视。并且致密成型机组变废为宝，产品又有广泛的消费市场，