厩肥发酵搅拌装置的设计说明书

11 前言1.1 生物发酵发展前景与现状在千姿百态的生物世界中，存在一种人们肉眼看不见、摸不着的微生物，能为人类提供能源。在微生物的家族中，因为种类不同，它们的作用也不尽相同，有的会给人类带来灾难，有的会给人类带来幸福。微生物中，能为人类提供能量的甲烷细菌和酵母菌，它们可以生产出沼气和酒精，为人类做出贡献。 人们经常看到，在沼泽地、污水沟或粪池里，有气泡冒出来，如果人们划着火柴，可把它点燃，这就是自然界天然发生的沼气。沼气，是各种有机物质，在隔绝空气（还原条件），并在适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。沼气的主要成分是甲烷，约占所产生的各种气体的 60%一 80%。甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即对燃烧。每立方米纯甲烷的发热最为 34000 焦耳，每立方米沼气的发热量约为 2080023600 焦耳。即 1 立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于 0.7 千克无烟煤提供的热量。关于沼气发生的基本原理，目前尚在探索之中。沼气的形成过程大致可分为两个阶段，首先将各种复杂的有机物转化为低级脂肪酸，例如丁酸、丙酸、乙酸；然后把上述各类产物继续转化为甲烷和二氧化碳等。目前，世界各国已经开始将沼气用作燃料和用于照明。用沼气代替汽油、柴油，发动机器的效果也很好。将它作为农村的能源，具有许多优点。例如，修建一个平均每人 l15 平方米的发酵池，就可以基本解决一年四季的燃柴和照明问题；人、畜的粪便以及各种作物秸秆、杂草等，通过发酵后，既产生了沼气，还可作为肥料，而且由于腐熟程度高使肥效更高，粪便等沼气原料经过发酵后，绝大部分寄生虫卵被杀死，可以改善农村卫生条件，减少疾病的传染。现在，沼气的应用正在各国广大农村推广，沼气能源的开发利用的普及等方面，已经取得了较好的成绩。 世界上一些发达国家，也正在进行利用微生物厌氧消化农场废物、生产甲烷的较大规模试验。英国建立了甲烷的自动化工厂。在厌氧消化器中有三个基本过程： 第一阶段的水解把不溶解的有机化合物和聚合物，通过酶法转化为可溶解的有机物。 第二阶段再将上一步转化成的产物如碳水化合物、蛋白质、脂肪类、醇等发酵为有机酸。 第三阶段由有机酸发酵产生甲烷。 据估计，在英国，利用人和动物的各种有机废物，通过微生物厌氧消化所产生的甲烷，可以替代整个英国 25的煤气消耗量。苏格兰已设计出一种小型甲烷发动机，可供村庄、农场或家庭使用。美国一牧场兴建了一座工厂，主体是一个宽 30 米 2、长 213 米的密封池组成的中烷发酵结构，它的任务是把牧场厩肥和其他有机废物，由微生物转变成甲烷、二氧化碳和干燥肥料。这座工厂每天可处理 1650 吨厩肥，每日可为牧场提供 11.3 万立方米的甲烷，足够 1 万户家庭使用。目前美国已拥有 24 处利用微生物发酵的能量转化工程。从世界范围看，利用各种微生物协同作用生产甲烷的研究和应用，正处于方兴未艾的阶段。 1.2 设计目的及意义畜粪发酵处理主要是利用生物技术结合先进的工艺处理技术，对畜禽粪便进行有效处理，其目的是尽可能地利用畜禽粪便并填加一定比例的辅料，经过处理后形成可利用的资源，同时减少或完全消除对环境的污染。中国农业资源和环境的承载力十分有限，发展农业和农村经济，不能以消耗农业资源、牺牲农业环境为代价。农村沼气把能源建设、生态建设、环境建设、农民增收链接起来，促进了生产发展和生活文明。发展农村沼气，优化广大农村地区能源消费结构，是中国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义。 32 方案设计2.1 设计内容厩肥发酵搅拌装置的设计内容研究包括以下方面：（1）厩肥发酵搅拌装置的功能分析，进行功能分解；（2）厩肥发酵搅拌装置的结构分析，根据结构分析进行方案设定；（3）比较各种方案，进行方案优化，选择最优方案；（4）对厩肥发酵搅拌装置的传动系统进行设计；（5）设计实现搅拌装置的搅动设计；（6）设计实现装置自动前进的前进功能设计；（7）分析厩肥发酵搅拌装置的各种零件的形状及功能； （8）分析计算，包括计算轴的转速、强度、齿轮的传动等等；（9）根据实际功能及计算确定零件的材料，结构等；（10）画出厩肥发酵搅拌装置的装配图和零件图。2.2 设计结果厩肥发酵搅拌装置适用于集约化、规模化的畜牧养殖场及有机肥加工企业畜粪发酵加工处理的机械设施。养殖场在养鸡过程中会产生大量的鸡粪。鸡粪在发酵过场中需要进行翻堆处理。目前的鸡粪翻堆多是通过人工进行的，劳动效率极低，使用本机械既降低了企业的人工成本，又提高了企业的生产效率。本机械采用的是料槽式堆肥结构，槽的两侧固定安装轨道，通过翻转搅拌器，对物料进行搅拌、捣碎、翻起、推移，从而对微生物质中的水分进行合理调节，使物料达到好氧发酵的目的。实现畜禽养殖业污染物的减量化、无害化、资源化。厩肥发酵搅拌装置的功能分解为：物料的搅拌、翻起、推移等；物料的搅拌可以选择搅龙搅拌、双轴搅拌、单轴搅拌、行星轴搅拌等等，根据实际情况，选择搅龙搅拌；物料的翻起可以利用倾斜一定角度的翻板，与地面呈一定角度，翻起物料，由于物料坑较长，搅拌装置想要搅拌充分，需要来回搅拌，所以，搅拌装置有两块翻板，位于装置的两侧，采用弹簧安装，方便翻起物料；物料的推移可以利用可活动的挡板实现；厩肥发酵搅拌装置中的搅拌装置采用双层搅龙搅拌，首先翻板将物料翻起，在此搅龙搅拌开始搅拌，同时使得起料板翻起物料的阻力减小，使得搅拌充分；传动装置采用链轮传动，主要是双层链轮之间采用链轮传动； 4行走装置采用电机自动行走；电机类型的选择以及减速器的选择；进行设计计算，轴的强度，梁的强度，链轮的传动等等；根据计算及功能选择零件，链轮 1 的内径要求 40，安装链轮的轴外径 40，链轮2 的内径为 60，安装链轮 2 的轴尺寸为 60 左右，相应的轴承选择滚动轴承，则轴承座选择滚动轴承座 SN208，安装尺寸为 170，如果选择滑动轴承，则相应的滑动轴承座为滑动轴承座 H2040，安装尺寸为 140，装置的外支撑采用回型钢；2.3 厩肥发酵搅拌装置的装配图图 2-1.厩肥发酵搅拌装置主视图 5图 2-2.厩肥发酵搅拌装置的俯视图图 2-3.厩肥发酵搅拌装置的侧视图2.4 工作原理（1）厩肥发酵搅拌装置的驱动方式 6行走轮在鸡粪厂支撑起的平行轨道上运行，在安装架上设有电动机与电瓶，电瓶与电动机相连，储存电量，电动机同时又与减速器相连，减速器通过链轮传动带动行走轮支撑轴的一条轴转动，进而通过行走轮支撑轴的转动带动链轮的转动，不同链轮分别通过链传动带动大搅龙的支承轴上的链轮的转动，进而带动大搅龙支承轴的转动，搅龙内防护罩内侧也有一个链轮，通过此链轮与小搅龙的支承轴之间的链传动，带动小搅龙支承轴的转动；大搅龙安装轴的另一端也有一个链轮，通过此链轮与行走轮支承轴的另一个从动链轮连接，以相同的传动比带动另一条行走轮支承轴的转动，进而带动行走轮前进；有电动机带动搅拌装置前进；通过电动机的正转反转来控制搅拌装置的运行方向。驱动装置包括电动机和电机传动连接的减速器，减速器输出轴上固定有减速器链轮，链轮通过链条传递动力。（2）厩肥发酵搅拌装置的搅拌方式首先，由电动机的驱动，带动装置前进，装置下方设有起料板（有一定倾斜角度），有利于将物料翻堆起来，翻堆的过程中，物料到达起料板的上方时，由搅龙将物料缴入，实现了物料的翻堆，充分吸收空气，活化微生物。（3）弹性保护装置在行走轮上安装弹簧，弹性设置，减轻震动等阻碍，保持行走通畅。2.5 厩肥发酵搅拌装置的优点（1）采用自动化控制，操纵方便，节省人力；（2）机械结构简单，检修方便，故障率低；（3）采用动力传动系统，运行平稳，噪音低；（4）采用独有的翻转推移搅拌机构，搅拌均匀；（5）成品有机肥品质高，无害化达 100%；（6）根据用户特殊需要，可以提供无人 24 小时自动运转机型。 73 原始参数设计和要求3.1 电动机的选择（1）选择电动机的类型厩肥发酵搅拌装置是在安静平稳的工作环境中，噪声不能过大，否则会影响鸡的生产，电动机应选择恒转矩负载特性的机械，无冲击、无过载情况。（2）选择电动机的功率工作机所需功率：(KW) （3-1）1306.847.01520wFvP式中：F工作机的阻力，N；v 为工作机的线速度， m/s；nw工作机的转速，r/min；w工作机的效率。其中：w=0.96 0.96 0.96=0.88473 （3-2）所需电动机功率为：（KW） （3-3）2391.9184.06wdP式中：Pd工作机实际需要的电动机输出功率，KW；Pw工作机需要的输入功率，KW； 8电动机至工作机之间传动装置的总效率。其中，总效率为：=0.99 0.96 0.96=0.884736 （3-4）（3）选择电动机的转速厩肥发酵搅拌装置的线速度初步设定为：v0=0.5（m/s ）=0.5 60=30(m/min) （3-5）厩肥发酵搅拌装置的行走轮的圆周长度为：l=180(mm)=0.18(m) （3-6）厩肥发酵搅拌装置的行走轮的转速为：n= =166.6667(r/min) （3-7）18.03所以电动机选择直流电动机，额定电压为 48v，额定功率为 2.2kw，转速为2000r/min，额定扭矩为 10.8 ，额定电流为 54A。m（4）电动机的安装尺寸 9图 3-1.电动机的安装尺寸主视图3.2 减速器的选型减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用来降低转速并相应地增大转距。减速器的种类很多，按传动和结构特点来划分，这类减速器有下述六种：（1）齿轮减速器主要有圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器。（2）蜗杆减速器主要有圆柱蜗杆减速器、环面蜗杆减速器和锥蜗杆减速器。（3）蜗杆-齿轮减速器及齿轮-蜗杆减速器。（4）行星齿轮减速器（5）摆线针轮减速器（6）谐波齿轮减速器减速器是厩肥发酵搅拌装置的主要传动部件之一。根据电动机的转速，链速的合理传动比，采用蜗轮蜗杆传动，箱体采用部分对称结构，为将厩肥发酵搅拌装置的动力传至行走轮支承轴上，驱动装置多为平行布置形式。减速器所有零部件都安装在减速箱壳体内，上下箱壳为对称结构，以适应左右工作面和机关，机尾使用。上下箱体间用螺栓连接。箱体侧帮上有两个孔，用方头螺栓将减速器固定到安装架的支撑上。一端用联轴器连接电动机，另一端通过链轮 10传动连接行走轮支承轴。减速器选择蜗轮蜗杆标准减速器，型号:KWU63，下图为减速器的安装尺寸图：图 3-2.减速器图 3-3.减速器安装方式3.3 轴的设计计算3.3.1 行走轮支撑轴的设计计算轴按其受载情况分为转轴、心轴和传动轴，其中转轴既支承传动机件又传递动力，即承受弯矩和扭矩两种作用；心轴只用来支承旋转件而不传递动力，即只承受弯矩作用；传动轴主要用于传递动力，即主要承受扭矩作用。按结构形状分为：光轴、阶梯轴、实心轴、空心轴等。按几何轴线形状分为：直轴、曲轴、钢丝软轴。设计轴时应考虑多方面的因素和要求，其中主要问题是轴的选材、结构、强度和刚度。对于高速轴还应考虑其震动稳定性问题。 11轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题继而加以选用，力求合理经济。轴的常用材料是 35、45、50 优质碳素钢，对于受载较小或不太重要的轴，也可以用 A3、A5 等普通碳素钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的轴，材料可采用合金钢。根据工作条件要求，轴可在加工前或加工后经过整体或表面处理，以及表面强化处理（如喷丸、辊压、氮化等） ，以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。本次设计的行走轮支撑轴的作用主要是驱动行走轮行走，并且在安装轴上安装有一个从动链轮，轴的两端各有一个键槽，以便安装行走轮，轴的两端轴颈略短，以便安装轴承与轴承支座，将轴固定在厩肥发酵搅拌装置的安装架上。（1）轴径计算行走轮支撑轴选择材料为 Q235，按许用转应力计算轴径，选取 A=135，则得：dmin1 A(P/n)1/3=135(11.3061/166.6667) 1/3=55.058（mm） （3-8）式中：dmin1截面处轴的直径，mm；A按 定的系数；P轴传递的额定功率，KW；n轴的转速，r/min；（2）轴的强度计算与校核由机械设计手册 ，查得材料 Q235 的机械性能数据为：抗拉强度 b:440屈服点 s:240弯曲疲劳极限 -1:180扭转疲劳极限 -1:105许用静应力+1|MPa :176许用疲劳应力-1|MPa:120 138轴传递的转矩为： 12T1=9.55106P/n=9.5510611.3061/166.6667 =6.478105 (Nmm) （3-9）计算得出轴的力矩图如下图所示：图 3-4.轴的扭矩图与弯矩图按弯曲扭合成应力校核轴的强度：确定危险截面。根据轴的结构尺寸以及弯矩图、扭矩图，有齿轮配合与键槽引起的应力集中，故属危险截面。现对此截面进行强度校核。计算轴的应力：（3-10）2.13561.08.08232221 WTMca轴的材料为 Q235，由表查得许用疲劳应力-1|MPa:120138， ca1-1，所以，轴安全。3.3.2 搅龙安装轴的设计计算搅龙安装轴的设计根据搅龙决定，搅龙是可拆卸式，可安装任意长度的安装轴，所以，安装轴中心部分选用花键轴式，轴的两端开有键槽，安装链轮，用以传递动力。（1）轴径计算 13按许用转应力计算轴径，材料选择 Q235，选取 A=140，则得：dmin2 A(P/n)1/3=140(11.3061/166.6667) 1/3=57.097（mm） （3-11）式中：dmin1截面处轴的直径，mm；A按 定的系数；P轴传递的额定功率，KW；n轴的转速，r/min；（2）轴的强度计算与校核由机械设计手册 ，查得材料 Q235 的机械性能数据为：抗拉强度 b:440屈服点 s:240弯曲疲劳极限 -1:180扭转疲劳极限 -1:105许用静应力+1|MPa :176许用疲劳应力-1|MPa:120 138轴传递的转矩为：T2=9.55106P/n=9.5510611.3061/166.6667 =6.478105 (Nmm) （3-12）计算得出轴的力矩图如下图所示： 14图 3-5.轴的扭矩图与弯矩图按弯曲扭合成应力校核轴的强度：确定危险截面。根据轴的结构尺寸以及弯矩图、扭矩图，两边有链轮配合与键槽引起的应力集中，故属危险截面。现对此截面进行强度校核。计算轴的应力：（3-13）1.3601.8.58232222 WTMca轴的材料为 Q235，由表查得许用疲劳应力-1|MPa:120138， ca2-1，所以，轴安全。因为此轴是搅龙安装轴，搅龙要用以搅拌发酵物，所以阻力较大，使用较频繁，所以，此处将轴的直径选择为 60mm。3.4 链轮的设计计算3.4.1 链轮的主要技术要求轮组件主要是有链轮滚筒组成，它是厩肥发酵搅拌装置的的重要组件。起料板、搅龙、行走轮有链轮驱动运行，链轮轴是整个输送机承受扭矩最大的零件。因此，要求链轮具有较高的强度。和耐磨性能，还要具有一定的韧性。滚筒使两个链轮组 15成一体，它只是传递扭矩，不与刮板链啮合摩擦。链轮是厩肥发酵搅拌装置的主要传动部件，它的结构是否合理和质量优劣直接影响厩肥发酵搅拌装置的正常工作和链条的使用寿命，降低链条的冲击负荷，改善链条的受力状态，减少链环的磨损。合理的几何尺寸即使链条受力节距伸长后（在允许的范围内） ，也能保持正确的啮合，并具有高的啮合传动效率，减少电动机功率消耗。要有较高的使用寿命。链轮是厩肥发酵搅拌装置的易损件之一，它的寿命过短，不但影响机器的正常运转，而且能影响与之别和的圆环链的使用寿命。所以，在结构和工艺上要保证链轮有足够的强度、硬度、耐磨性和抗挤压变形强度。链轮的结构要便于安装与拆卸。3.4.2 链轮的几何尺寸及齿形计算（1）初始条件传动功率 P：11.3061（kW）主动轴转速 n1：166.6667（r/min）从动轴转速 n2：166.667（r/min）传动速度 v:0.5动种类:水平传动传动比 i：1主动机机械特性:运转平稳从动机机械特性:运转平稳无张紧装置（2）链轮齿数及设计功率小链轮齿数 z1：21大链轮齿数 z2：21工况系数 f1:1主动链轮齿数系数 f2:1.22复排链排数系数 Km：1（即单排链）设计功率：Pd: =KAP =13.79 （KW） （3-14）KA工矿系数； P传递功率，KW ； 16（3）链条节距及链宽链号：12A链条节距 p2：31.75(mm)a0：8.4p（4）链条各项参数链长节数 Lp：101实际链长节数 Lp：101链条长度 L：(m) （3-15）21.30PLp链速 v:1.85(m/s)（5）计算中心距理论中心距 ac：当 z1= z2 时，(mm) （3-16）1270zLPc实际理论中心距 a：(mm) （3-17）19.26c（6）计算圆周力及轴上拉力有效圆周力 Ft ：(N) （3-18）41.610vPt作用于轴上的拉力 FQ：7211.46(N)（7）选择润滑方法滴油润滑。（8）链轮的结构类型 17图 3-6.链轮的结构类型3.5 轴承的选择 3.5.1 轴承的种类如果仅按轴承用于承受的外载荷不同来分类时，滚动轴承可以概括地分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承。只能承受径向载荷的轴承叫做向心轴承；只能承受轴向载荷的轴承叫做推力轴承；能同时承受径向载荷和轴向载荷的轴承叫做向心推力轴承。3.5.2 轴承的选用原则轴承的选用，包括类型、尺寸、精度、游隙、配合以及支承形式的选择。首先是选择轴承的类型，在选择时应考虑的主要因素有：轴承的载荷、转速和调心性能、安装和拆卸等方面。根据载荷的大小选用轴承类型时，由于滚子轴承中的主要元件是线接触，宜用于承受较大的载荷，承载后的变形也较小。而球轴承中则主要为点接触，宜用于承受较轻的或中等的载荷，因此当载荷较小时，应优先选用球轴承。根据载荷的方向选择轴承时，对于纯轴向载荷，一般选用推力轴承；对于纯径向载荷，一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承；当同时承受径向载荷和轴向载荷，而轴向载荷不大时，可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承。在一般转速下，转速的高低对类型的选择不会产生什么影响，只有在转速较高时，才会有比较显著的影响。球轴承与滚子轴承相比较，有较高的极限转速，故在高速时应优先选用球轴承。轴承的极限转速是在一定载荷和一定润滑的条件下，滚动轴承所能允许的最高转速，它与轴承类型、尺寸、保持架的材料与结构、润滑方式、润滑剂的性质与用量、载荷的大小与方向以及散热条件等因素有关。按照以上原则，在本设计中，行走轮支承轴的固定需要用带立式座轴承UCP208，搅龙安装轴的固定安装用带菱形座轴承 UCFLU208，它可以同时承受径向载荷和轴向载荷，也可单独承受轴向载荷，由于一个轴承只能承受单向的轴向力，因此，一般成对使用。并且承受轴向载荷的能力与接触角 有关。接触角大的，承受轴向载荷的能力也高。 184 厩肥发酵搅拌装置各部分功能分析（1）厩肥发酵搅拌装置的搅龙杆厩肥发酵搅拌装置的灵魂就是搅龙的设计，因为要符合不同的槽坑的大小需求，将搅龙设计成一定长度的单独的安装体，根据轴的长度安装一定数量的搅龙。因厩肥发酵搅拌装置是用起料板作为起料通气，搅龙的作用有两个：一是将起料板堆起的肥料进行搅拌，是空气充分进入，二是通过搅龙的搅拌减轻起料板前进的阻力。 大搅龙杆的设计结构如下图所示：图 4-1.大搅龙杆大搅龙轴套与大搅龙杆的装配体如图所示：图 4-2.大搅龙轴套与搅龙杆的装配体小搅龙杆的形状与大搅龙杆相似，只是尺寸减小，如图所示： 19图 4-3.小搅龙杆小搅龙轴套与大搅龙杆的装配体如图所示：图 4-4.小搅龙轴套与搅龙杆的装配体（2）厩肥发酵搅拌装置的搅龙安装轴套搅龙安装轴套用以焊接搅龙杆，内孔为花键轴孔，与花键轴安装，传递动力。搅龙安装轴套用以安装搅龙杆，结构图如下：图 4-5.搅龙安装轴套正视图 20搅龙安装轴的侧视图：图 4-6.搅龙安装轴侧视图（3）厩肥发酵搅拌装置的安装架厩肥发酵搅拌装置的安装架选择的角钢材料，在安装架上需要安装电动机、减速器以及电瓶，安装架的下端安装两根搅龙安装轴，安装架的两端安装行走轮。安装架的结构如图所示：图 4-7.安装架正视图（4）厩肥发酵搅拌装置的起料板起料板，顾名思义就是将发酵微生物堆起，其设计结构如下图所示： 21图 4-8.起料板俯视图起料板架，支撑起料板，分左右两个，如图所示：图 4-9.起料板架主视图（5）厩肥发酵搅拌装置的行走轮厩肥发酵搅拌装置的行走轮安装在行走轮支承轴的两侧，在槽坑外行走，轮子中央采用垂直角度，以便采用角钢做轨道，在角钢轨道山铺设一层胶皮，增大摩擦。行走轮结构如下： 22图 4-10.行走轮主视图 图 4-11.行走轮侧视图 236 结 论本次课题厩肥发酵搅拌装置的设计是对现有的刮