自动多层带式干燥机(1) - 副本.doc

自动多层带式干燥机的设计与研究 安徽农业大学 自动多层带式干燥机的设计和研究作者：高海涛 指导教师：曹成茂安徽农业大学工学院08级机制（3）班摘要：自动多层带式干燥机为箱式结构，箱内设有多层输送带，输送带在箱内循环运动。物料从料斗进入箱内，通过链条的运动，物料翻转倒入下一层，此过程反复接替进行，直到最后一层卸料。热空气由底部吹入带层间，并沿“S”路线流动，使热空气与物料充分接触，从而达到了除去水分的目的。其设计涉及到机械传动系统、控制系统、以及传热系统等。该型干燥机具有劳动条件好、占地面积小、热效率高的特点。关键字：带式 干燥机 机械传动 控制系统 1绪论1.1 课题背景 干燥通常是指将热量加于湿物料并排除挥发性湿分（大多数情况下是水），而获得一定湿含量固体产品的过程12。 干燥技术随着有关产业的发展有着比较大的进展，因为干燥时涉及不同品类产品的品质、性状、干燥前后不同的物态。而干燥的能耗在工业发达国家要超过能耗总量的10%3，因此干燥过程的节能是涉及面广的长远课题。同时大量的干燥需求也必然促使干燥装置制造业的发展。其中机电一体化，加工制造标准化，调控水平等也都是体现干燥装置水平的内涵。由此认为我国目前干燥技术的发展方兴未艾。随着干燥有关产品的发展，对其品质的提高，能量单耗得降低，操作的可靠程度，都会对干燥技术及装置提出更高的要求。对于干燥装置制造业来说，满足上述要求，乃至逐步形成具有当代世界水平或领先水平的产品及企业也是必要的。若干干燥工作开展不多的产品，如造纸，食品，矿冶等方面的加强以及干燥基础理论的研究，已有机种及新机种的开发，机电一体化程度的提高、制造标准的接轨等都是今后的工作内容45。1.2 本课题研究目的及意义 干燥机的种类很多，例如隧道式干燥机、厢式干燥机、转鼓式干燥机、转筒式干燥机以及自动多层带式干燥机等等6。其中隧道式干燥机和厢式干燥机是有悠久历史的干燥设备适用于有爆炸性和易生碎末的物料，胶粘性，可塑性材料等，当这两种干燥机存在着诸多缺点，如隧道式干燥机，占用场地面积大，生产条件差，能源浪费严重，厢式干燥机的主要缺点是：物料得不到分散，干燥时间长，工人的劳动强度大，热效率低，产品质量不够稳定等，而转鼓式干燥机和转筒式干燥机适用范围小，不能满足大生产的要求。而自动多层带式干燥机很好地克服了上述缺点。自动多层带式干燥机部件有箱体，多层冲孔输送带，链及链轮，传动轴，风机以及热风炉，电控柜等。箱体为不锈钢制作，内部钢结构。该型干燥机分设有六层输送带，输送带的开孔率很高，每层传送带都可放置物料。物料由料斗从顶层的左端输入，均布在输送带上。这样，随着输送带的不断运动，物料将会翻落到下一层，并在在逐层往返翻落的过程中被烘干，最终由布置在最底层输送带卸料。另外，还设计有特殊的热量回收装置，提高了热效率。这种结构设计合理、新颖，占地面积小，生产率高，能源利用率高；而且无需人工翻动物料，降低了工人劳动强度，改善了工作条件，适应了工业化大生产的要求。1.3 本课题研究流程图自动多层带式干燥机三维造型机械传动系统设计总体设计热风系统设计控制系统设计3 自动多层带式干燥机的总体设计3.1自动多层带式干燥机结构与工作原理 如图3.1所示，该图为自动多层带式干燥机的结构图，其有箱体，多层冲孔输2413图3.1自动多层带式干燥机的结构图1热空气（Hot air）2传输系统（Transmission system）3热空气运动方向（Hot air flow direction）4水蒸汽（Steam）送带，链及链轮，传动轴，风机以及热风炉，电控柜等。箱体为不锈钢制作，内部为钢结构。该型干燥机分设有六层输送带，输送带的开孔率很高，每层传送带都可放置物料。在工作过程中，电动机的输出转矩经联轴器传递给齿轮组，进而带动外啮合的轮系运动，轮系共有七个齿轮，垂直布置，处于同一水平位置的链轮与齿轮安装在同一轴上，因此，相邻的两输送带运动的方向是相反的，输送带在箱体内循环运动，相邻的输送带是相互错开布置的，物料等由料斗从顶层的左端输入，均布在输送带上（注意要使均匀地分布在第一层输送带上）。这样，随着输送带的不断运动，物料将会翻落到下一层，并在在逐层往返翻落的过程中被烘干，最终由布置在最底层输送带卸料。这种结构设计合理、新颖，占地面积小，生产率高。351426图3.2自动多层带式干燥机工作原理图7 1新鲜空气（Fresh air）2加热器（Heater）3风机（Blower）4进出料装置（输送带）（Feeding and out device）5尾气排放装置（Exhaust emission device）6尾气（Exhaust gas）7余热回收装置（Surplus heat recovery device） 如图3.2所示，该图是自动多层带式干燥机的工作示意图。新鲜空气由鼓风机鼓入加热装置，新鲜空气被加热至设定温度后进入箱体内，气流沿图示箭头方向运动，为了使热空气沿这种特定的方向运动，输送装置一端与箱体紧密连接，防止热空气在此处流动。另一端与箱体之间留有一端宽度为5CM左右的开口，热空气就会沿这个开口向上流动。这样只能在输送带间沿“S”路线流动。热空气穿越物料层，干燥物料。散逸的一部分热量经尾气回收装置回收后再度进入加热装置。实现了热量的循环利用，提高了能源利用率，降低了生产成本。3.2机械传动系统的设计3.1.1原动机的选择:带的运动速度对干燥效果有着重大影响，合适的带速可以提高生产效率，提高产品质量。根据现场测绘，设定输送带的运动速度为0.01。电动机做功主要用来带动链轮运转。其次还要克服传动过程中摩擦功耗，例如齿轮传动部位的效率为，链传动部位的效率为，轴承部位的效率为，电动机自身的效率为。那么若设该型干燥机功率损耗率为：则有在该型干燥机中取=90%，=88%，=99%，=75.5%。那么设定加工物料为山核桃，加工量为150KG，均布在六层输送带上，取第一层为研究对象进行研究分析。输送带及链轮的受力如图3.3所示GFF 图3.3输送带与链轮的受力图已知链轮的外径D=119mm，带的水平长度为L=2956mm。设定此时第一层输送带消耗的功率为,那么由于是六层输送带，所以输送带消耗的总功率设电动机的额定功率为,则有据此我们选用小功率异步电动机其中YS系列的异步电动机，具有优良的启动和运行性能，结构简单，使用和维修方便，适合使用三相电源的小型机械。经查表，我们选取型号为YS8024的电动机。其具体技术参数为7：功率（Power）：750W；电流(Electric Current)：2A；电压(Voltage)：380V；频率(Frequency)：50HZ转速(Rotational speed)：1400r/min；效率(Efficiency)：75.5%；功率因数(Power factor)：0.75；下面进行转速的校核：已知带速齿轮轮系的传动比，链轮的外径。并设链轮的角速度为，电动机的输出角速度为，电动机的输出转速为。联立上述各式可求得：显然在电动机和齿轮轮系必然设有减速或调速装置，这里只简单提出，不做细致探究。但上述校核计算说明，该型号的电动机是符合要求的。3.1.2原动机输出转矩计算 根据转矩计算公式知：3.1.3联轴器和离合器的选择电动机输出的转矩传递给齿轮，再由齿轮传递给链轮，链传动在工作过程中会产生冲击和振动，因此，应采用有弹性元件的挠性联轴器。此处选用弹性套柱销联轴器，这种联轴器制造容易，装拆方便，成本较低。它适用于连接载荷平稳，需要正转或启动频繁的传递中小转矩的轴8。离合器选用的是电磁离合器，电磁离合器是一种自动化执行元件，它利用电磁力的作用来传递或终止转矩的传递9。3.1.4齿轮组的设计（1）齿根弯曲疲劳强度的校核已知选用的标准渐开线直齿圆柱齿轮的d=90mm，模数为2.25，标准安装。齿厚为20mm，材料为灰铸铁。由公式知，根取，可计算的：取失效概率为1%，取寿命系数 ，齿轮的疲劳强度取安全系数。求得满足设计要求; (2)齿面接触疲劳强度的校核,经查表，得取，。满足设计要求。（3）齿轮组传动效率的计算最后一级齿轮转矩设为:设齿轮组效率损失为（4）轮系的传动比此齿轮组采用统一规格的齿轮外啮合而成，因此传动比为1。（5）齿轮组的润滑开式及半开式齿轮传动，或速度较低的闭式齿轮传动，通常用人工定期做周期性加油润滑，所用润滑剂为润滑油或润滑脂。根据表10-11，应选用普通开式齿轮油（SH/T 0363-1992）3.1.5主轴的校核 按扭转强度条件计算，这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。在做轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可以作为最后计算结果。轴的扭转强度计算公式为：式中：_扭转切应力，；_轴所受的扭矩，；_轴的抗弯截面系数，；_轴的转速，；_轴传递的功率，;_计算截面处的直径，；_许用扭转切应力， 。根据上述计算数据带入公式知：已知：Q235-A,20号碳素钢的范围在1525Mpa，显然选用的轴是符合要求的。3.1.6轴承使用寿命的计算链轮部位受力较大，因此只对安装在滚筒内轴承进行校核。已知选用轴承类型为深沟球轴承（结构代号6304），选择左支撑为支撑1，右支撑为支撑2，已知轴所受的载荷（参照图3.3）并且该载荷作用在支撑轴的中间部位，转速为0.17r/min。温度系数，载荷系数。图3.4轴承受力图（1）径向载荷，的计算：(2)当量动载荷的计算：深沟球轴承只能承受很小的轴向力，由图3.4知，该轴承承受的轴向力为0。故。取。轴承的当量动载荷应为：由于当量动载荷很小，而且轴承的转速极低，所以该轴承具有极高的使用寿命，一般在润滑良好，不出现意外事故的情况下，如频繁过载等。在该型干燥机的使用寿命里，无需更换轴承。3.1.7链传动此处采用套筒滚子链，为避免使用润滑油造成产品污染，套筒滚子链使用优质不锈钢制造；链轮使用35SiMn,或40Cr，35CrMo，采用淬火或回火的热处理方式。适用于使用优质链轮的重要链轮。注意，由于链传动是安装在干燥机箱体内，为防止因润滑油而污染加工品，因此链传动不能使用工业润滑油。3.1.8输送带通常输送带是由不锈钢薄板（厚度1mm），板上冲有长条孔，开孔率6%到45%，输送带的开孔率根据干燥产品颗粒的尺寸是否容易粘着等因素确定。此处采用的是穿孔不锈钢薄版输送带，输送带是装配式的，组装件两端有特殊设计的链条上的部件所支撑。支撑外部装有随输送带一起运行的保护罩。保护罩之间部分互相搭盖，防止物料在输送带上，特别在卸载端链轮周围处的侧边防漏。在整个输送带两侧装有弹性耐磨的金属封罩。防止漏料。输送带卸料端通常装有拨料装置辅助卸料，在输送带回转部位装有网孔清扫机，以清除粘附在网孔上的物料。3.2热风系统的设计3.2.1热源被干燥物料的中的水分主要是借助热风来传递热量、蒸发水分。所以热风生成方式除与干燥物料的性质，成品质量要求、干燥工艺以及燃料供应条件外，还要结合装置的投资费用及操作、自动化控制程度等各方面因素综合考虑、合理选择适当的热风加热形式。此处选用的是电热加热方式，其特点是近于直接火，是电热管的直接热风。该种加热方式热风的洁净度好，易于是实现反馈控制，但设备和运转费用较高。工作时由鼓风机吸入新鲜空气鼓入电热炉内，另外还有一部分回收的热空气，也会重新被鼓入电热炉内。加热后经管道输入到干燥机底部。3.2.2热传递热空气被鼓入干燥机底部后，由于输送带在水平方向上相互错开布置，在相隔的两个输送带边缘地带留有一条较大的开口，以方便空气向上流动。因此，热空气是沿着“S”型路线行走的，以使各层产品能受热均匀。另外，由于输送带是不断运动的，运动过程中会使被加工品不断翻动，以使被加工品表面各部分都能均匀受热。3.2.3热回收 此种干燥机已经很大的提高了热效率，但仍有一部分热量散逸，为回收这部分热量，这种干燥机在顶部添加了特殊形状的顶盖，箱内的余热以顶板的作为热传递介质，加热顶盖上部空间内的空气，其后，这部分空气还会重新进入电热炉内。3.3控制系统对干燥机的控制，其基本要求是保持干燥过程的稳定性，具体目的有以下几个方面：（1） 保持干燥产品质量；（2） 将干燥过程尽可能调节到最佳状态，也即在保持产品质量的前提下，使干燥机产量最高，能耗最低，干燥产品的损耗最小等等。（3） 节省人力，使人为因素失误的可能性降到最低，同时降低人工成本 。（4） 提高干燥机运转的安全性，降低发生火灾、爆炸、产品报废、严重机械故障及大规模环境污染的可能。 干燥机控制系统的要求是以最大限度的满足以上控制目的为前提，常见的干燥机控制系统有手动控制，反馈控制，前馈控制和前馈反馈控制，模型控制（MBC）,智能控制等。此处采用的是反馈控制，反馈控制是自动控制最基本也是最常用的控制原理。图3.5是该型干燥机的控制系统的原理图。此处制作一般原理的概述，不做具体数学模型的构建10。 加工物料时，必须在适当的温度范围内，温度过高或过低都会对产品的质量产生重大影响。上图是自动多层带式的控制原理图。操作人员根据不同的物料，设定加工温度，电机转速，产品理想湿度等参数。由控制装置来控制执行元件，如电动机。安装在干燥机内部的传感器会把干燥机内部的温度以及物料的湿度等信号反馈给操作人员。此系统为闭环系统，对产品的质量控制提供了很好的保证。控制装置执行元件温度及湿度测量原件给定参数偏差信号控制信号物料反馈信号图3.5控制系统图3.4干燥过程的安全问题干燥装置的正常操作应该在安全、有效和经济的情况下进行。安全生产可以通过对设备的正确操作和维护而获得，如果操作不当，操作人员没有进行培训或操作说明书不正确，即使是设计水平最高的装置也会发生事故的。据统计，人为差错引起的安全事故占工业事故的90%以上，因此，对干燥操作过程必须加强安全管理工作。为保障干燥装置的正常运行和安全生产，所有的干燥装置都应配有清楚地操作说明书，这就把装置的提供者和使用者有机地联系在一起。干燥装置的操作说明书应包括下列内容：开车前的准备工作（主要是单机调试）；（1） 开车程序；（2） 正常运行；（3） 正常停车；（4） 紧急停车11；另外加强设备的维护和操作人员的培训对装置的安全、有效和经济运行必须的。结论自动多层带式干燥机有诸多创新之处，例如多层输送带垂直布置以节省场地，独特地气流循环设计，独具匠心的热能回收装置等。创新是科技的生命，对生产力有着巨大地的推动力，我们应不断追求创新。通过此次撰写毕业论文，不仅巩固了原有知识，认识到做科学研究的不易之处，也深深感受到创新的魅力。并为我以后的学习提供了大量经验。致谢本研究及学位论文是在我的导师曹成茂教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，曹老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。从第一次向曹老师请教课题时，曹老师就非常细致的给我介绍做毕业论文的流程，以及一些要查询的论文资料。让我从宏观上把握了毕业论文，后来，曹老师为了能使我们更直观的了解课题，他不辞辛劳，带着我们千里迢迢感到宁国市，让我们实地考察干燥机。我们学到很多直观的知识，此间，曹老师给了我们很多细致的指导。期间，曹老师和我们吃住在一起。把我们的饮食起居照顾的十分周到；在这里我同样要感谢宁国长乐林产品有限公司，他们为我们提供了场地产品，他们公司负责人更是给予我们热情的招待。在此，对你们的付出和帮助表达感谢。在此，我还要感谢研究生胡斌学长，以及罗天雄同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!参考文献1潘永康，现代干燥技术.1版. 北京：化学工业出版社.1998.(12-13)2施娥娟，多层带式干燥机厢内流场的计算流体动力学分析及优化.中国农业大学硕士学位论文(3-4) 3毛先胜，穿流气流带式干燥机设计与运用期刊论文化工装备技术1990（3）4姚雪东，肖红伟，高振江，田松涛，杜荣气流冲击式转筒干燥机设计与实验期刊论文农业机械学报2009（10）5宁国鹏，王德成，王光辉.带式干燥机摆动式均匀布料器的设计期刊论文农业机械学报2007（8）6潘永康，现代干燥技术.1版. 北京：化学工业出版社.1998.(89-90)7罗宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册，3版，北京：高等教育出版社，2006(176)8 濮良贵，纪名刚.机械设计.7版，北京：高等教育出版社，2001.(347)9吴晓刚，王旭平，车辆起步过程电磁离合器模糊控制研究期刊论文汽车技术2008(4)10潘永康，现代干燥技术.1版. 北京：化学工业出版社.1998.(1192)11潘永康，现代干燥技术.1版. 北京：化学工业出版社.1998.(1214)12S. 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