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固体
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固体物料颗粒造粒机的设计,固体,物料,颗粒,造粒机,设计
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毕业 设计 成绩单 院系 专业 入学时间 学号 学生姓名 班级 周数 起止日期 指导教师 职称 论文（设计）题目 固体物料 颗粒 造粒机 的 设计 指 导 教 师 评 语 建议成绩 指导教师签名 年 月 日 评 阅 人 评 语 建议成绩 评阅人签名 年 月 日 答辩与评分 综合成绩 答辩小组 负责人签名 年 月 日 nts 本科生毕业 设计 选题审批表 毕业论文（设计）题目 固体物料颗粒造粒机 的 设计 指 导 教 师 职 称 学生具备条件 已修完大学本科全部课程 ,具备了一定 的分析问题和解决问题的能力 选题完成形式 在导师指导下 ,独立完成课题 ,提交毕业 设计 内 容 简 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。 系主任签字： 年 月 日 院长签字： 年 月 日 nts 本科生毕业 设计 开题报告 题 目 固体物料颗粒造粒机 的 设计 学院名称 专业名称 年 级 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 年 月 日 nts 选题的依据及意义 （包括课题的理论价值和实践价值；国内外的研究概况等） ： 随着经济的发展和人民生活水平的提高，固体废弃物的排放量与日俱增，而以固废减量化、资源化、无害化为目的的固体废弃物处理与处置技术也在多元化的发展之中。其中，堆肥化技术已成为了对固体废弃物实现资源化处置的关键技术之一。我国的农业生产中普遍存在着过量施用化肥、有机肥施用不足而导致的农业环境污染、农产品质量不高的问题。在发展生态农业、走可持续发展道路的今天，充分地利用已有的固体废弃物，特别是富含有机质和一定量氮、磷、钾等营养元素的有机废物来发展 生物有机肥技术具有相当重要的意义。 有机复合肥设备是用于进行固体废弃物的无害化处理、资源化利用的专业设备。设备采用的主要原料为禽畜粪便、菌类下脚料等有机废弃物，经过预处理、槽式发酵、混合、造粒成型、冷却包装等工序，完成连续式的有机肥工厂化生产，实现有机废弃物的无害化处理、资源化利用。有机复合肥设备的主要组成机器有发酵激活机、发酵槽、混合机、造粒机、冷却包装机等。本课题研究的是有机复合肥的成型造粒机。 国内外造粒技术经过几十年发展，日渐成熟并形成了专门的学科和独立的技术。目前的造粒技术主要有搅拌造粒法、沸腾造 粒法、压力成型造粒法、 热熔融成型法 、喷雾干燥造粒法等。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。 nts 本课题研究内容 本课题 将设计的 固体颗粒造粒机是挤压式平模造粒机。 本课题将分析国内外多种造粒技术 ， 为更好的处理有机固体废弃物，减少对环境的污染，也为有机复合肥设备节能高效的生产有机肥成品颗粒，本课题将 从以下几个方面进行了设计计算： （ 1）通过对目前国内挤压造粒机技术进行深入的了解和分析，结合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。 （ 2）针对不同性能和功能要求，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。 （ 3）对关键零件如主轴、锥齿轮和轴承等进行设计计算及校核，保证其功能要求和性能要求，同时绘制造粒机总装配图和关键零件图。 （ 4）并利用 Auto cad 软件绘制整机的图纸。 本课题研究方案 本课题研究的是 挤压式平模造粒机， 近年来固体废弃物的排放量与日俱增，而以固废 减量化、资源化、无害化为目的的固体废弃物处理与处置技术也在多元化的发展之中。我国的农业生产中普遍存在着过量施用化肥、有机肥施用不足而导致的农业环境污染、农产品质量不高的问题。在发展生态农业、走可持续发展道路的今天，充分地利用已有的固体废弃物，特别是富含有机质和一定量氮、磷、钾等营养元素的有机废物来发展生物有机肥技术具有相当重要的意义。 有机复合肥设备是用于 对 固体 废弃物的无害化处理和 资源化利用的专业设备 。 因 此在研究国内外造粒机发展的基础上，确定本课题研究的总体方案。首先确定其工作原理，然后进行总体设 计并确定辊轮的个数和切刀的安装方式，选择合适的电动机。其次对其动力、传动组件、造粒和 出粒组件分别进行设计。最后对本设计中的部分零件进行强度等的校核 研究的创新之处 本课题设计的 固体颗粒造粒机是挤压式平模造粒机 。 此设计能更好的处理有机固体废弃物，减少对环境的污染， 充分利用固体废弃物来生产有机肥， 同时为 有机复合肥设备节能高效的生产有机肥成品颗粒 。 nts 研究过程 (含完成期限 ) 研究分为以下 五 阶段完成： 1、 2010.12.01-2010.12.31： 查阅、收集整理相关资料 ，定课题。 2、 2011.01.01-2011.01.20： 文献综述、 外 文文献翻译， 写 开题报告 。 3、 2011.01.21-2011.04.30：做 总体方案 设计 ，整理、 计算 数据 。 4、 2011.05.01-2011.05-31：完成论文内容 ,与导师交流、讨论，开始 撰写论文 并绘制图纸。 5、 2011.06.01-2011.06.14： 设计的修改及准备毕业答辩 。 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 教研室意见 教研室主任签名： 年 月 日 院系意见 主管领导签名： 年 月 日 nts nts毕业设计说明书中文摘要 固体物料颗粒造粒机的设计 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。并利用AUTO CAD 软件绘制完 成整机的设计图纸。 关键词 有机肥 造粒机 CAD nts 毕业设计说明书外文摘要 nts Design of Solid Material Granulation Machine Abstract Chinas 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 organic fertilizer granulator CAD 目录 nts1 引言 . 错误 !未定义书签。 1.1 课题的背景及意义 . 错误 !未定义书签。 1.1.1 生物有机肥的作用 . 错误 !未定义书签。 1.1.2 固体废弃物的处理 . 错误 !未定义书签。 1.2 课题相关技术的国内外发展概况 . 错误 !未定义书签。 1.3 课题的研究内容 . 错误 !未定义书签。 2 设计任务书 . 错误 !未定义书签。 3 设计计算说明书 . 错误 !未定义书签。 3.1 挤压式平模造粒机的工作原理 . 错误 !未定义书签。 3.2 挤压式平模造粒机的总体设计 . 错误 !未定义书签。 3.2.1 挤压式平模造粒机具体机型的选择 . 错误 !未定义书签。 3.2.2 辊轮个数的确定 . 错误 !未定义书签。 3.2.3 切刀安装方式和切刀数目的确定 . 错误 !未定义书签。 3.2.4 电动机的安装方式及传动减速方式的确定 . 错误 !未定义书签。 3.3 挤压式平模造粒机的动力设计 . 错误 !未定义书签。 3.3.1 电动机功率计算 . 错误 !未定义书签。 3.3.2 电动机 的选择 . 错误 !未定义书签。 3.4 挤压式平模造粒机传动组件的设计 . 错误 !未定义书签。 3.4.1 传动组件的设计 . 错误 !未定义书签。 3.4.2 传动组件运动参数的计算 . 错误 !未定义书签。 3.4.3 锥齿轮组的设计计算 . 错误 !未定义书签。 3.4.4 空心轴的校核计算 . 错误 !未定义书签。 3.4.5 轴承的校核计算 . 错误 !未定义书签。 3.4.6 键的选择及强度计算 . 错误 !未定义书签。 3.5 挤压式平模造粒机造粒和出粒组件的设计 . 错误 !未定义书签。 3.5.1 造粒组件的设计 . 错误 !未定义书签。 3.5.2 出粒组件的设计 . 错误 !未定义书签。 4 使用说明书 . 错误 !未定义书签。 5 标准化审查报告 . 错误 !未定义书签。 nts结论 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 nts目录 1 引言 . - 1 - 1.1 课题的背景及意义 . - 1 - 1.1.1 生物有机肥的作用 . - 1 - 1.1.2 固体废弃物的处理 . - 1 - 1.2 课题相关技术的国内外发展概况 . - 2 - 1.3 课题的研究内容 . - 3 - 2 设计任务书 . - 3 - 3 设计计算说明书 . - 4 - 3.1 挤压式平模造粒机的工作原理 . - 4 - 3.2 挤压式平模造粒机的总体设计 . - 4 - 3.2.1 挤压式平模造粒机具体机型的选择 . - 5 - 3.2.2 辊轮个数的确定 . - 5 - 3.2.3 切刀 安装方式和切刀数目的确定 . - 6 - 3.2.4 电动机的安装方式及传动减速方式的确定 . - 6 - 3.3 挤压式平模造粒机的动力设计 . - 7 - 3.3.1 电动机功率计算 . - 7 - 3.3.2 电动机的选择 . - 10 - 3.4 挤压式平模造粒机传动组件的设计 . - 10 - 3.4.1 传动组件的设计 . - 10 - 3.4.2 传动组件运动参数的计算 . - 11 - 3.4.3 锥齿轮组的设计计算 . - 12 - 3.4.4 空心轴的校核计算 . - 16 - 3.4.5 轴承的校核计算 . - 26 - 3.4.6 键的选择及强度计算 . - 27 - 3.5 挤压式平模造粒机造粒和出粒组件的设计 . - 28 - 3.5.1 造粒组件的设计 . - 28 - nts3.5.2 出粒组件的设计 . - 31 - 4 使用说明书 . - 32 - 5 标准化审查报告 . - 32 - 结论 . - 32 - 参考文献 . - 34 - 致 谢 . - 35 - nts - 1 - 1 引言 1.1 课题的背景及意义 1.1.1 生物有机肥的 作用 生态有机肥营养元素齐全，能够改良土壤，改善使用化肥造成的土壤板结。改善土壤理化性状，增强土壤保水、保肥、供肥的能力。生物有机肥中的有益微生物进入土壤后与土壤中微生物形成相互间的共生增殖关系，抑制有害菌生长并转化为有益菌，相互作用，相互促进，起到群体的协同作用，有益菌在生长繁殖过程中产生大量的代谢产物，促使有机物的分解转化，能直接或间接为作物提供多种营养和刺激性物质， 促进和调控作物生长 。 有机肥在适宜的温度、湿度、空气等条件下，被微生物持续分解，释放出各种养分和二氧化碳供给作物吸收利用，比化肥的肥效长。 有机肥 在作物根系形成的优势有益菌群能抑制有害病原菌繁衍，增强作物抗逆抗病能力降低重茬作物的病情指数，连年施用可大大缓解连作障碍。减少环境污染，对人、畜、环境安全、无毒，是一种环保型肥料 。 有机肥中的腐殖质能吸收某些农药，从而消除农药残毒及减轻重金属污染土壤，减轻土壤环境污染，改善周边生态环境 1。 1.1.2 固体废弃物的处理 生产有机肥的原料很多，有农业废弃物 ,畜禽粪 便，工业废弃物，生活垃圾等。近年来 固体废弃物的排放量与日俱增，而以固废减量化、资源化、无害化为目的的固体废弃物处理与处置技术也在多元化的发展之中。我国的农业生产中普遍存在着过量施用化肥、有机肥施用不足而导致的农业环境污染、农产品质量不高的问题。在发展生态农业、走可持续发展道路的今天，充分地利用已有的固体废弃物，特别是富含有机质和一定量氮、磷、钾等营养元素的有机废物来发展生物有机肥技术具有相当重要的意义。 有机复合肥设备是用于 对 固体 废弃物的无害化处理和 资源化利用的专业设备。设备采用的主要原料为禽畜粪便、菌类下 脚料等有机废弃物，经过预处理、槽式发酵、混合、造粒成型、冷却包装等工序，完成连续式的有机肥工厂化生产，实现有机废弃物的无害nts - 2 - 化处理、资源化利用。有机复合肥设备的主要组成机器有发酵激活机、发酵槽、混合机、造粒机、冷却包装机等。本课题研究的是有机复合肥的成型造粒机 2。 1.2 课题相关技术的国内外发展概况 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 。 造粒技术主要有搅拌造粒法、沸腾造粒法、压力成型 造粒法、 热熔融成型法 、喷雾干燥造粒法等 3。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 4。 搅拌法造粒是将某种液体或粘结剂渗人固态细粉末并适当地搅拌，使液体和固态细粉末相互密切接触，产生粘结力而形成团粒。其优点是成型设备结构简单、单机产量大、所形成的颗粒易快速溶解、湿透性强，缺点是颗粒均匀性不好，所形成的颗粒强度较低。 沸腾制粒法是喷雾技术和流化技术综合运用的结果，传统的混合 -制粒 -干燥在同 -封闭容 器内 一 次完成，实现一步法制粒，原料粉末在床内建立流态化，同时将粘合剂雾滴喷至流化界面成粒，经干燥挥发水份随排风带出机外 5。 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 6。 挤压造粒机可分为如图 1-1 中的几种。 nts - 3 - 图 1-1 挤压造粒机分类 热熔融成型法是利用产品的低熔点特性 (一般低于 300 )，将熔融的物料通过特殊的冷凝方式，使其冷凝结晶成所要求的片状、条状、块状及半球状等形状 7。热熔融成型法具有工艺流程短、热量消耗低、产品产量高和环保效益好等优点，但是其产品规格有限，产品范围窄，对参数要求高 ，设备昂贵。李闯研究用尿素熔融喷浆造粒法制造复合肥 8。其以尿素熔融液为主要氮源，通过造粒过程中产生涂布作用与其它固体基础原料混和，使产品外观圆滑，颗粒具有较高的强度，在造粒过程中既是原料又充当液相参与过程，并能提供一定的热量，便于成球，且减少了烘干过程所需的热能。 1.3 课题的研究内容 本课题设计的固体颗粒造粒机是挤压式平模造粒机。为了更好的处理有机固体废弃物，减少对环境的污染，也为了有机复合肥设备节能高效的生产有机肥成品颗粒，本文从以下几个方面进行了设计计算： 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图。 2 设计任务书 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 nts - 4 - 本课题的主要设计技术参数 如表 2-1 所示。 表 2-1 主要技术参数 生产率 整机功率 主轴转速 1.5 2 T/h 22 35 kw 144 r/min 3 设计计算说明书 3.1 挤压式平模造粒机的工作原理 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。 3.2 挤压式平模造粒机的总体设计 本 次 毕业 设计的是立式平模挤压机，其结构简图如图 3-1所示 。 辊 轮模 板切 刀电 动 机图 3-1 立式平模挤压机结构简图 nts - 5 - 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。 3.2.1 挤压式平模造粒机具体机型的选择 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 9。 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 10。 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。 3.2.2 辊轮个数的确定 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 11。 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。 nts - 6 - 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。 3.2.3 切刀安装方式和切刀数目 的 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 12。 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 13。 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。 3.2.4 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。 nts - 7 - 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。 3.3 挤压式平模造粒机的动力设计 3.3.1 电动机功率计算 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 3-2 所示 。 h 0w bR 0h图 3-2 辊 轮工作示意图 图 3-2 中 ， 0 -辊 轮与物料接触面弧长圆心角； 0h -物料厚度， 取 mmh 10 ； h -模板与滚轮的间隙 ， mmh 2.01.0 ，取 mmh 2.0 ； R -辊 轮半径，实际滚轮半径 mmR 90 ； w -辊 轮宽度，实际滚轮宽度 mmw 74 ； f -辊 轮与有机物料之间的摩擦系数， 20.015.0f ，取 18.0f ； nts - 8 - 0F -辊 轮对物料的挤压压强， 单位为 Pa 。 对于有机物料，一般MPaF 40350 ，取 PaF 70 105.3 ； l -辊 轮力臂，实际 辊 轮力臂 mml 135 ； m -辊 轮个数，实际 辊 轮个数 4m ； 2n -主轴转 速 ，实际主轴要求转 速 r/min144n 。 （ 1）计算角度 0 。 由公式RhhR )(cos 00 得 RhhR )(arccos 00 （ 3-1） 25.790)2.01(90arccos 即 1265.00 。 （ 2）计算对主轴产生扭矩的力以及 辊 轮对物料的总挤压力。 0000 sincos11 ffRwmFF x（ 3-2） N1269025.7sin25.7cos18.018.01265.0 114074.009.0105.3 7 式中： xF -辊 轮与物料总摩擦力的水平分力，对主轴产生扭矩。 ffRwmFF y 0000 sincos11 （ 3-3） N5853018.025.7sin18.025.7cos11265.0 14074.009.0105.3 7 nts - 9 - 式中：yF-辊 轮对物料的总挤压力。 （ 3）主轴扭矩计算。 公式： lFT x2 （ 3-4） mmN 61071.10135.012690 式中： 2T -主轴扭矩。 （ 4）电 动 机功率计算 。 公式： 955022nTPw （ 3-5） W2578095501441071.1 6 式中： wP -工作装置所需功率，近似认为 kWPw 8.25 。 电 动 机 所需的输出功率 0P 为： wPP 0（ 3-6） kW6.928891.08.25 式中： 为由电动机至工作装置的传动装置的总效 率891.09.099.021 ，其中联轴器传动效率 99.01 ，锥齿轮传动效率9.02 。 电动机的额定功率 mP 一般 略大于电动机所需的输出功率 0P ，故选择 kWPm 30 。 nts - 10 - 3.3.2 电动机的选择 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 14。 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min/1442 rn ，所以总传动比 101441440 i 。 由于传动模块中有一对锥齿轮传动，锥齿轮传动的最佳传动比为 u=14， 所以优先选择减速电动机 ，且 减速电动机 的传动比范围为 25。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 51039.5 ，传动比 92.21 i 。 3.4 挤压式平模造粒机传动组件的设计 3.4.1 传动 组件 的 设计 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 3-3 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 3-3 传动 组件 剖视图 nts - 11 - 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 15。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 3-4 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 16。 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 3-4 心轴定位图 3.4.2 传动 组件 运动参数的计算 （ 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/min1442 n ，所以锥齿轮组的传动比为： 43.3144500 u。 nts - 12 - 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 min/500 rn m ，锥齿轮轴 min/5001 rn ，空心轴 r/min1442 n 。 各轴输入功率： 电动机轴输出功率 kWP 290 锥齿轮轴 kWPP 71.2899.029101 空心轴 kWPP 839.259.071.28212 各轴输入转矩： 电动机输出转矩 mmNnPTm 5400 1054.5500 109.295509550 锥齿轮轴 mmNnPT 54111 1046.5500 10871.295509550 空心轴 mmNnPT 64222 1071.1144 10584.295509550 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 电动机轴 锥齿轮轴 空心轴 参数 转速 n(r/min) 500 500 144 功率 P(kW) 29 28.7 25.8 转矩 T(N mm) 5.54 105 5.46 105 1.71 106 传动比 i 1.00 3.47 效率 0.99 0.90 3.4.3 锥齿轮组的设计计算 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。 nts - 13 - d 2hfha RBd a 2da1d1小 齿 轮 圆 锥 角大 齿 轮 圆 锥 角图 3-5 锥齿轮结构图 查表，取载荷系数 1.1K 。令 RbR / ，称为锥齿轮传动的齿宽系数，通常取35.025.0R ，这里去最常用的值 31R 。 取锥齿轮压力角 20 。 由表 3-1得 mmNT 51 1046.5 。 锥齿轮的材料及热处理方法 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 171 z ，则大齿轮齿数为 31.5843.31712 uzz ，取582 z 。此时 41.3175812 zzu，与要求相差不大，可用。 按齿根弯曲疲劳强度计算 小齿轮分度圆锥角211 arctan zz （ 3-7） 34.165817arctan 所以大齿轮分度圆锥角 66.7334.169090 12 。 nts - 14 - 按公式coszzv （ 3-8） 计算锥齿轮的当量齿数，则小齿轮的当量齿数为72.1734.16cos 17cos111 zz v ，大齿轮的当量齿数为16.20666.73cos 58cos222 zz v 。 小齿轮的弯曲疲劳强度极限 MPaFE 5001 ；大齿轮的弯曲疲劳强度极限MPaFE 3802 。 取弯曲疲劳寿命系数 85.01 FNK ， 88.02 FNK 。取弯曲疲劳安全系数 3.1S ，由公式 SK FEFNF （ 3-9） 计算弯曲疲劳许用应力，得 MPaSK FEFNF 92.3263.1 50085.0 111 ； MPaSK FEFNF 23.2573.1 38088.0 222 。 计算大、小齿轮的 FSaFaYY并加以比较。 查取齿形系数得 922.21 FaY ； 12.22 FaY ；查取应力校正系数得 527.11 SaY ；866.12 SaY 。 所以： 01365.092.326527.1922.2 1 11 FSaFa YY 01538.023.257866.112.2 2 22 FSaFa YY 结果为111222 FSaFaFSaFa YYYY ，故将用222 FSaFaYY 计算模数。 nts - 15 - 计算 锥齿轮大端 模数。 由公式 ： 3 2 2222121 15.01 4 F SaFaRR YYuzKTm （ 3-10） 37.501538.0141.317315.01311046.51.143 2225查表得大端模数为 5.5m 。 计算锥齿轮参数 计算分度圆直径： mmmzd 5.93175.511 319585.522 mzd 计算外锥距： mmudR 21.1662141.35.9321 221 计算齿宽： mmRbR 68.5521.16631 ，圆整为 mmbb 5521 计算平均分度圆直径： mmddRm 92.77315.015.935.0111 mmddRm 83.265315.013195.0122 计算锥齿轮圆周速率： smndv m /21 0 0 060 50092.771 0 0 060 111 ，选用 9 级精度。 按齿面接触疲劳强度校 核 对于压力角 20 的锥齿轮， 齿面接触疲劳强度的校核公式为： 5.015 3121 HRREH udKTZ （ 3-11） 式中： H -齿面接触应力 )(MPa ； nts - 16 - H -许用接触应力 )(MPa ； EZ -材料的弹性影响系数，查得 40Cr 的弹性影响系数218.189 MPaZ 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 MPaH 6001lim ；大齿轮的接触疲劳强度极限 MPaH 5502lim 。取接触疲劳寿命系数 90.01 HNK ； 95.02 HNK 。取安全系数 1S ，计算接触疲劳许用应力的公式为： SK HHNH lim （ 3-12） 所以 MPaSK HHNH 5406009.0 1l i m11 MPaSK HHNH 5.52255095.0 2lim22 接触疲劳许用应力取较小的值。 接触疲劳强度校核。 按公式，得： udKTZ RREH 31215.015 MPa6.51541.35.93315.01311046.51.18.1895325计算结果 2 HH ，锥齿轮齿面接触疲劳强度符合设计要求。 3.4.4 空心轴的校核计算 空心轴的结构示意图如图 3-6 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nts - 17 - 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。 701152 1 31 58 8110A B图 3-6 空心轴的结构 图 按弯扭合成应力校核空心轴的强度 空心轴的载荷分布图如图 3-7 所示 。 空心轴的材料为 45 钢 ，调质处理。 从空心轴的结构图 （图 3-6） 和载荷分布图 （图3-7） 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 62 1071.1 。 nts - 18 - 图 3-7 空心轴的载荷分布 Y1 Y2 T2 Ft M1 Fa X2 X1 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 nts - 19 - 空心轴受力分析 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： 112mt dTF （ 3-13） N45104.192.771046.52 空心轴的垂直分力为 : 1sintan ta FF （ 3-14） N341043.134.16sin20tan104.1 图 3-7 为空心轴载荷分布图。由公式： 213882131 aFX（ 3-15） N1012213881043.1213 3 所以 12 XFX a N418 10121430 水平最大弯矩为： 11 88XM （ 3-16） mmN 89056 101288由公式： 213882131 tFY （ 3-17） nts - 20 - N99 0721 388104.121 3 4 所以 12 TFY t N40939907104.1 4 垂直最大弯矩为： 12 88YM （ 3-18） mmN 871 816990 788计算最大总弯矩。 由公式： 22213 MMM （ 3-19） 得 223 8 7 1 8 1 68 9 0 5 6 M mmN 876350 将 危险截面 A 的弯矩 值列表 ，如表 3-2。 表 3-2 空心轴受力分析表 载荷 水平面 垂直面 支反力 NX 10121 ， NX 4182 NY 99071 ， NY 40932 弯矩 M mmNM 89 05 61 mmNM 8 7 1 8 162 总弯矩 mmNM 8 7 6 3 5 03 扭矩 T mmNT 62 1071.1 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： 12223 WTMca（ 3-20） nts - 21 - 式中： ca -轴的计算应力 )(MPa ； W -轴的 抗弯截面系数 )( 3mm ； -折合系数； 1 -对称循环变应力时轴的许用弯曲应力。 空心轴危险截面 A 的内径为 mmd 701 ，外径为 mmd 110 ，轴的危险截面面积为： 43 11.0 dW （ 3-21） 式中 636.0110701 dd 。 所以 3543 1011.1636.011101.0 mmW 。 轴的弯曲应力： WTMca2223 MPa16.121011.11071.16.08763505262 查得空心轴的许用弯曲应力 MPa60 1 ，因此 1 ca ，故安全。 精确校核轴的疲劳强度 判断危险截面 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 351011.1 mmW 抗扭截面系数 WWT 2.0 nts - 22 - 3551022.21011.12.0mm 截面 B 左侧的弯矩 213 152138763504 MMPa814635 截面 B 上的扭矩 mmNT 62 1071.1 截面上的弯曲应力 WMb 4（ 3-22） MPa34.71011.18146355截面上的扭转切应力 TT WT2 （ 3-23） MPa70.71022.21071.156 空心轴的材料为 45 钢，调质处理，查得 MPaB 640 ， MPa2751 ，MPa1551 。 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 76.0q， 79.0q故有效应力集中系数为 11 qk（ 3-22） 61.1184.176.01 11 qk（ 3-23） nts - 23 - 24.1130.179.01 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 1q，则轴疲劳极限综合系数为 11 kK （ 3-24） 77.2192.0 16.0 61.1 11 kK （ 3-25） 68.1192.0 178.0 24.1 查得碳钢的特性系数 2.01.0， 取 1.01.005.0，取 05.0于是，弯矩安全系数为 maKS 1 （ 3-26） 53.1301.034.777.2275扭矩安全系数为 nts - 24 - maKS 1 （ 3-27） 27.23270.705.0270.768.1155安全系数的值为 22SSSSSca （ 3-28） 70.1127.2353.1327.2353.1322 由于 5.1 SS ca ，可 知轴安全。 截面 B 右侧 抗弯截面系数 43 11.0 dW 35421031.11157011151.0mm抗扭截面系数 WWT 2.0 3551062.21031.12.0mm 截面 B 右 侧的弯矩 MPaMM 81463545 截面 B 上的扭矩 mmNT 62 1071.1 截面上的弯曲应力 WMb 5MPa22.61031.18146355nts - 25 - 截面上的扭转切应力 TT WT2 MPa53.61062.21071.156 由于 77.2K， 68.1K； 1.0， 05.0故弯矩安全系数为 maKS 1 （ 3-29） 96.1501.022.677.2275扭矩安全系数为 maKS 1 （ 3-30） 39.17253.605.0253.668.1155安全系数的值为 22SSSSSca （ 3-31） 76.1139.1796.1539.1796.1522 由于 5.1 SS ca ，可知轴安全。 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。 nts - 26 - 3.4.5 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，
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