环模式饲料制粒机设计说明书

JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY本 科 毕 业 论 文（设 计）题目： 环模式饲料制粒机设计 学 院：姓 名：学 号：专 业：年 级：指导教师二 0 一 四 年 五 月I摘 要环模制粒机是饲料机械四大主机之一，很大程度上决定了饲料加工产量，在饲料加工过程中占有非常重要的地位。本文首先介绍了制粒机的几种基本形式及发展过程，综合比较不同制粒机之间的不同，从而得出环模式制粒机的具有成型性好、制粒效率高的特点。在此基础上，详细分析了环模制粒机的喂料系统、调质系统、压粒机构、电动机及传动机构的组成及结构。并重点对压粒系统中的物料在压粒过程中的受力情况及物料在环模中的高度对效率的影响。最后，综合已有的设计产品及文献资料，对相应的轴、环模、压辊、螺旋喂料器和调质器的计算分析，应用 MATLAB 软件编程计算出齿轮的径向力及轴向力，并对其进行弯扭组合变形的校核，设计出环模式饲料压粒机的整体结构，并运用三维 PRO/E 5.0 软件对设计出的环模式压粒机进行装配，并得出各部分的零件图纸及装配图。关键词：环模 压辊 制粒机 喂料器 调质器 MATLAB 程序IIAbstractRing die pelletizer is one of the four main host feed machinery, largely determines feed processing production, occupies very important position in the process of feed processing. This paper first introduces several basic form and developing process of pelletizer, comprehensive comparison between different granulating machine, thus draws the ring pattern granulator has the characteristics of good formability, high granulating efficiency. On this basis, a detailed analysis of the ring die pelletizer feeding system, conditioning, compression roller, motor and transmission mechanism of the composition and structure. With emphasis on the particle material in the system pressure the forces pressing the material in the granulation process and the height of the ring mold Efficiency. Finally, the integrated design of existing products and literature, the corresponding shaft, ring mold, pressure roller, screw feeder and conditioning calculation analysis, application of MATLAB software programming to calculate the gear radial force and axial force, and the combination of the bending and twisting deformation checking，design a ring model the overall structure of the feed pressure machine, and using 3D software PRO/E 5.0 pattern for the ring of the designed pressure machine for assembly, and parts drawings and assembly drawings of each part are obtained.Keywords: ring-type matrix; compression roller; pelletizer; feeder; Conditioning apparatus; MATLAB language programmingI目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .I第一章 绪 论 .1第二章 喂料系统 .32.1 螺旋输送机结构及工作原理 .32.2 螺旋输送机构输送量及功率计算 .42.3 螺旋轴的结构 .5第三章 调质系统 .63.1 调质的作用 .63.2 调质器 .63.3 调质桶直径 .73.4 调质器轴转速 .8第四章 制粒系统 .94.1 环模制粒机生产率与功率计算 .94.2 环模和压辊 .104.2.1 环模 .104.2.2 压辊 .114.2.3 分配器与切刀 .124.3 环模与压辊的直径计算 .12第五章 电动机及传动系统 .135.1 喂料系统传动 .135.1.1 联轴器选择 .135.1.2 键强度校核 .135.2 调质系统传动 .145.2.1 带传动设计 .14II5.2.2 键强度校核 .165.3 压粒系统传动 .165.3.1 联轴器选择 .165.3.2 传动齿轮设计 .175.3.3 轴的设计与校核 .18参考文献 .21致 谢 .221第一章 绪 论我国是农业大国，养殖业是国民经济的基础产业，而饲料加工为养殖业的发展作出巨大的贡献。改革开放以来，我国饲料加工工业步入了快速发展的道路。随着饲料工业的迅速发展，饲料机械的需求越来越大，要求也来越高。研发高品质、高效率的饲料机械产品已成为支持饲料工业发展的迫切需求。制粒机是饲料机械的四大主机(混合机、粉碎机、膨化机、制粒机)之一，很大程度上决定了饲料加工的产量，在饲料生产中占有很重要的地位。压粒机广泛用来将食品和饲料挤压成球形或圆柱形颗粒。根据压粒工作部件的不同结构特点，可将压粒机分为以下四种型式。1、窝眼辊式压粒机（图 1-1a） 。2、齿轮啮合式压粒机（图 1-1b） 。3、螺旋式压粒机（图 1-1c） ；4、滚轮式(也称压辊式) 压粒机（图 1-1d、e ） 。根据压模的形状，通常把这种压粒机分为平模式压粒机(见图 1-1 d)和环模式压粒机(见图 1-1 e)两种型式。它们广泛应用于畜禽和鱼虾颗粒饲料的加工，其中环模式应用更为普遍。a.窝眼辊式 b.齿轮啮合式 c.螺旋式 d、e. 滚轮式图 1-1 压粒机型式环模制粒机主要由喂料系统、调质系统、压粒机构、电动机及传动机构组成2（图 1-2） 。1、料斗；2、螺旋供料器；3、搅拌调质器；4、制粒机；5、电动机图 1-2其工作原理是：1、往料斗（1）中装入饲料颗粒，通过调节进料口的大小来控制进料的速度；2、饲料颗粒进入螺杆供料器（2）后通过螺杆的推进作用，使得饲料颗粒进入搅拌调制器（3） ；3、在搅拌调质器的壁面装有水管，物料进入搅拌器后一边向前运动一边混合，同时通入蒸汽，以增加粉料含水量；4、调制后的物料进入压粒机构的环模内腔进行压粒。3第二章 喂料系统在饲料加工，固体材料可能的个体（如箱，袋，瓶，罐）或团体（如粉末，颗粒）的运输方式。在运输过程中应能保持稳定的形状，在一定的压力下会造成破坏，但过大的压力会造成材料损坏。固体颗粒的输送，可以使用各种形式的带式输送机，斗式提升机，螺旋输送机等。在本饲料压粒机的设计过程中，采用螺旋式的输送结构。2.1 螺旋输送机结构及工作原理螺旋输送机，俗称“绞龙” 。是一种连续输送设备无挠性牵引装置，它采用螺旋旋转材料向前完成运输，主要适用于各种输送松散粉末、小颗粒、散装材料，用于传输距离短的水平，如面粉，谷物和其他物料的输送。在运输过程中，还可以混合，搅拌，加热和冷却操作的材料。但不宜输送易变质、易碎、易结块及大块的物料。螺旋输送机主要有料槽、输送螺旋轴和驱动装置组成，机长较长时应加中间吊挂轴承，如图 2-1 所示。1.驱动装置 2.料口 3.螺旋轴 4.中间吊挂轴承 5.壳体 6.进料口图 2-1 螺旋输送机 a.外形图 b.结构图螺旋输送机是利用旋转的绞龙轴，将物料在固定的机槽内推移而起到输送作用的。物料由于重力和摩擦力作用，在运动中不随螺旋轴一起旋转，而是以滑动形式沿着料槽由加料端向卸料端移动。输送螺旋上焊有螺旋叶片，螺旋叶片的面型根据输送物料的不同有实体面型、带式面型和叶片面型等几种形式，如图 2-2 所示。螺旋按旋向分为左旋和右旋，按头数又可分为单线、双线和三线，一般多为单线右旋。4a.实体面型 b.带式面型 c.桨形叶片面型 d.齿形叶片面型图 2-2 螺旋叶片面型2.2 螺旋输送机构输送量及功率计算查找相关资料可得输送量 可用下式计算:(/)Gth（2-1 ）2-d3604DFvsnC式中, 为料槽内物料的断面积， ； 为物料速度， ； 为物料的堆积密F2mv/ms度， ； 为螺旋直径， ； 为转轴外径， ； 为螺旋轴的转速， ；3/tmDdn/inr为螺旋叶片的螺距， ； 为与输送机倾角有关的系数（见表 2-1） ； 为物料填充sC系数（见表 2-2） 。表 2-1 与输送机倾角有关的系数 C根据实际经验选取绞龙轴的直径，并圆整为螺旋的标准直径(我国标准推荐的螺旋且径系列为（ 、 、 、 、 、 和 ） ，10m2160m250m3240m再反过来进行校核计算。根据实际经验，螺旋喂料器的转速为 。1/inr5图 2-5 全螺旋叶片螺旋轴2.3 螺旋轴的结构查找相应的资料可知螺旋直径的参数参见表 2-4。表 2-4 选用螺旋直径参数注：表中 为物料的堆积密度，3/tm根据市场需求及查找相关的资料得生产率 ，参照表 2-4，选取螺旋直1./Gth径为 70 ，根据表 2-2，选择使用实体型螺旋表面，根据式 2-1m215-dDsnC2将相关数据代入得： 24.50.150.20.761d76dm圆整为 ，按照相关经验及标准，叶片厚度一般为 48 ，螺距15dmm，螺旋轴长度 ，其图纸参见附录。0s80L6第三章 调质系统调质器的主要功能是与水蒸气的加入混合原料，油或糖蜜充分混合，提高制粒质量。畜禽颗粒加工常用 1 2 段调质器；为了提高水颗粒的水稳定性，进行充分调质。一般使用 2 3 段调制器；使物料达到或接近制粒的要求供给颗粒剂,以确保制粒的质量和提高制粒的效率。3.1 调质的作用 （1）促使物料中的淀粉糊化和蛋白质的改性，提高颗粒的质量和饲料的消化率。（2）提高制粒效率。通过添加蒸汽使物料软化，具有可塑性，有利于挤压成型，并减少对制粒机工作部件环模和压辊的磨损，提高制粒的质量。（3）杀菌消毒。调质过程中的高温与制粒过程的摩擦热和压力的综合作用可杀灭细菌，并进行消毒，有利于畜禽的健康。（4）增加液态原料在饲料中的调价比率。3.2 调质器调质工艺中的主要设备之一就是调制器，其主要功能是对制粒前的物料进行水热调质，是物料充分吸收热量及液体，使其达到或接近制粒工艺所需的要求，同时完成从供料器到制粒机的物料输送。主要的考核指标是调质时间、水分及液体的吸收量、调质温度、淀粉的糊化度及附加动力等。根据相关的资料及文献，典型的结构形式单级桨叶式调制器，如图 3-1、3-2。7图 3-1 桨叶式调质器轴图 3-2 典型单级桨叶式调质器结构3.3 调质桶直径根据相关资料，调质时间：（3-1 ）24360()dLvKVt sQ式中： 为调质桶体积， ； 为调质桶内径， ； 为调质桶长度， ，一mmLm般取 ； 为饲料容重， ，取 ： 为饲料的充满系数，取6Ldv3/t 30.5/vtK； 为调质轴输送量， ，取压粒设计产量 的 1.52.0 倍，初定为0.3KQhq；将上述有关参数代入调质时间 计算式得：18qt（3-2 ）260.53460()18dt sq（3-3 ）33.86053604tdqt调质轴输送量的计算公式如下:8（3-4 ）0.75()costanQCrbdA式中: 为叶片宽度； 为叶片安装角； 为物料容积； 为叶片轴转速； 为充arn满系数； 为调质修正系数； 为叶片宽度； 为叶片轴内径。Cbd由实际经验可知，对于一台选定产量 的制粒机来说，调质时间 对 的影响很qtd大，为了便于设计，一般取 。15ts将数据代入式 3-3 得: 330.86.01.52dqt m则根据 。621Lm3.4 调质器轴转速调质器轴主要由轴头不锈钢管和叶片组成，叶片有多种形式，其作用都是为了增强饲料与蒸汽的搅拌效果。调质轴转速高低对搅拌效果影响很大，速度太高，物料熟化时间短，还没有完全糊化就被送进压粒，饲料品质不理想，反之调质时间过长，损失过多维生素，流动性差，含水率偏高，影响压粒性能和冷却效果。调质轴转速受许多因素影响，暂时无直接的公式进行计算，一般取为 100-300r/min 范围。9第四章 制粒系统制粒机构是制粒机的核心部分，主要是由环模、压辊、分配器和切刀等组成。环模的周围有许多孔径相同的模孔，在环模内装有 23 个压辊，压辊装在一个不动的支架上（如图 4-1） 。压辊能随环模的转动而自转，压辊与环模之间有很小的间隙。1.环模 2.压辊 3.分配器 4.切刀 5.环模转向图 4-1 压粒过程示意图工作时环模有电动机驱动作顺时针转动，进入环模的饲料，被分配器和转动着的环模带入压辊和环模之间，饲料被两个相对旋转的部件逐渐挤，通过环模上的孔向外挤压出来，再由固定不动的切刀切成短圆柱状颗粒。4.1 环模制粒机生产率与功率计算根据参考文献1，制粒机的生产率： 222201sincosQZrRNn 式中： 为压辊数目； 为模孔直径； 为环模内径； 为模孔数目； 为环模0RNn转速； 为物料的初始密度； 为辊径模径比； 角如图 4-3 所示。010图 4-4 计算原理图根据制粒产量(按国家配方和 5 小孔为准)与制粒的吨料电耗指标，即可粗算m出主电机功率 ，一般按国家标准取吨料电耗为 ，则主电机功率计算式为：P10/KwhtAP=产量 吨料电耗= =2.2 。QKW4.2 环模和压辊颗粒压制机的压模、压辊（图 4-4、4-5）是重要的工作和磨损部件，其工艺参数的配备合理与否，性能和质量的好坏，将直接影响到颗粒机的生产效率和产品质量。图 4-4 环模 图 4-5 压辊4.2.1 环模环模是由镍铬合金钢精加工制成，热处理后表面硬度 5359。本设计的环模HRC式制粒机主要用于生产猪料用，环模孔径一般为 ，本设计中取环模孔径3.5m11为 。4.5m颗粒料是从环模上的小孔挤出，模孔的轴线一般都是指向环模的轴线。环模的孔形和厚度对制粒的质量和效率有着密切的关系。选择环模的孔径太小、厚度太厚，则生产效率低下、成本费用高，反之则颗粒松散、影响质量和制粒效果。物料品种的不同对环模壁厚和孔径大小的要求也不同，查找相关资料得高淀粉、高脂肪类饲料的模孔直径一般为 4.5 ，压模壁厚一般取最大 ，最小 ，m5m45平均直径为 。模孔的形式主要有圆柱形、阶梯型、外锥形和内锥形四种（如图50m4-6） 。在本设计中，选择使用阶梯形的模孔。1.圆柱形孔 2.阶梯形孔 3.外锥形孔 4.内锥形孔图 4-6 模孔形式为了使物料易于进入模孔，还要将孔在环模腔内的一端倒角，倒角大小根据物料的性质在 范围内选取。在日常生活中，环模的使用寿命习惯上用所加工的6012全部物料量来表示，一般可达 。408t4.2.2 压辊压辊其主要作用是将物料挤压入模孔，在模孔中受压成形。压辊一般有 23 个，其作用是用来向环模工作表面施加压力从而挤出饲料。压辊采用与环模相同的材料，表面加工成与轴线平行的齿形槽或在其表面钻孔，以增加摩擦力，加工后也要热处理，压辊半径的大小对抓粉能力影响很大。压辊轴承的工作条件较差，温度高且粉尘多，多采用迷宫式油封来进行密封，为简化设计，使用毛毡圈密封。124.2.3 分配器与切刀分配器是将调质后的饲料均匀的分给各个压辊，数量与压辊的数目相同。切刀是用来将从环模圈内挤出的柱状物料切成长度适宜的颗粒，通常颗粒的长度为颗粒直径的 1.52 倍，一个压辊配一把切刀，它与环模之间的距离也需要调节，以改变柱状颗粒的长度来适应不同的需要。4.3 环模与压辊的直径计算参照参考文献1中环模内径 及压带宽 的计算公式：db()APm式中： 为单位功率面积。A根据相关的研究及资料可得 与 的关系为：bd(0.23)Kd将 代入上式得：PdbAPd根据计算得，环模的内径为 ，压辊外径 。 320m140Dm13第五章 电动机及传动系统在本设计中，由于是用于一般的饲料生产行业，对传动精度的要求不是很高，且考虑到皮带传动具有过载保护的功能，因此在输送系统和调质系统中使用普通 V 带传动，而压粒系统使用齿轮传动。5.1 喂料系统传动5.1.1 联轴器选择装在制粒机顶端的螺旋喂料器是用来根据制粒机产量大小来调节物料输送量的。所以设计该输送机要求可以变速，用变频调速电机实现，电机与螺旋轴之间通过联轴器联接。由前述设计可知，螺旋喂料轴的转速范围为 ，调速电机功率为120/minr，查阅相关型号，选择变频调速电机的型号为：YVP80 -4，其额定转矩为0.5KW1M。联轴器的型号为: 。3.NmA1J30GY8725.1.2 键强度校核由于是在轴端安装联轴器，选择使用 A 型平键，根据安装齿轮处的轴颈,选择键 ，由上述带轮的尺寸计算得轴段长度为 ，从键70dm201bh 132m的标准长度中选取 ，标记为：键 GB/T 1096。5Lm2015调质器轴的参数为： ， ，根据转矩的计算公式：.PKw/minnr.90596NTA取键的许用应力 ，对键的强度校核结果数据如下：13pMa14计算应力 p =1.253 MPa校核计算结果： 满足p5.2 调质系统传动根据上述叙述可知，喂料系统采用普通 V 带传动。5.2.1 带传动设计由相关经验及文献资料，电动机的初始功率 ，由于 Y 系列电动机是02.PKW按照国际电工委员会（IEC）标准设计的，具有国际互换性的特点。广泛用于电源电压为 380V 无特殊要求的机械上，如机床、泵、风机、农业机械等。根据初始功率，选择电动机的型号为：Y132S-8.1、确定计算功率查阅机械设计手册得工作系数 =1.2，故AK1.2.64caPkW2、根据计算功率 及小带轮的转速 ，选用 型普通 V 带，选择小带轮的基准can直径 =90 。1dm带速 190713.5/60dnvms传动比 12.035in3、大带轮直径 21.9182.7di m圆整为 2180dm154、根据式 ，初定中心距120120.7()()dda023am根据式 210120()()4dddLa求得 ，选取带的基准长度0892.7dLm89dLm5、按公式 00()2da求得实际中心距 ，中心距的变化范围为 21625629a6、小带轮的包角 12157.380().48120da 由 和 ，查阅机械设计手册得 。190dm17/innr 0.6PkW根据 ， 和 型带，查阅机械设计手册得 。/ir2A9查表得 ，得 ，于是.3K0.9Lr0P().65LKkA带的根数 r2.4065caz7、计算单根 带的初拉力的最小值V查表可知 型带的单位长度质量 ，初拉力为：A.1/qkgm20min(25)15.37caKPFqvNz应使带的实际初拉力 。0in8、计算压轴力 p压轴力的最小值为1610minmin 157.482s24.3sin.652pFz N由上述计算数据及结果，可以得出相应的带轮的结构，其结构图参见附录。5.2.2 键强度校核由于是在轴端安装带轮，选择使用 C 型平键，根据安装齿轮处的轴颈 ,70dm选择键 ，由上述带轮的尺寸计算得轴段长度为 ，从键的标准长度201bh 90m中选取 ，标记为：键 C GB/T 1096。8Lm2018调质器轴的参数为： ， ，根据转矩的计算公式：.PKw35/inr.295608.NTnA取键的许用应力 ，对键的强度校核结果数据如下：13pMa计算应力 =.04 P校核计算结果： 满足p5.3 压粒系统传动目前制粒机主传动系统一般有两种型式：一种为齿轮传动型式；另一种为皮带传动型式。齿轮传动型制粒机由主电机输出动力。经联轴器，使齿轮轴随电动机同轴运转，再经一对齿轮减速后，带动空轴连同环模一起旋转。皮带传动型制粒机由主电机输出动力，通过皮带轮减速，带动环模旋转。5.3.1 联轴器选择根据相关文献资料及经验，主电机功率 ，环模转速 ，01PKW035/minnr选择电动机的型号为：Y180L-8. 满载转速 ，主传动系统的传动比73/minr17。根据实际的需要，选择弹性柱销联轴器，型号为：0732.45ni。轴端选择 C 型平键，标记为：键 C GB/T 1096，经计算得J1LT 12890，满足 。84.9 MPa135MPa5.3.2 传动齿轮设计根据传动的需要，选择直齿圆柱齿轮传动。对于农用机械，其精度等级一般为811，饲料制粒机为一般的农用工作机器，选精度为 9 级。小齿轮材料选择 45 钢（表面淬火） ，硬度为 48HRS，大齿轮材料为 45 钢（表面淬火） ，硬度为 48HRS，由于是采用硬齿面传动，二者硬度取值相等。采用闭式传动，对称布置，热处理级别MQ，齿轮的使用寿命按 10 年（360 天） ，每天工作 10 小时计算。选小齿轮齿数 ，大齿轮齿数 ，取 。19z2.43196.7z246z将数据代入齿轮设计计算公式，得齿轮的主要参数如下：查国标，取 ，根据接触强度初算模数 ，按照接触强度初算模数.0d.m，参照国标中推荐的模数值，将大小齿轮的模数取为 ，经计算圆整得2.93m 4。由此得齿轮的基本参数为：01d14976dz218mm1230a176.9db取 ，175Bm170对齿轮的弯曲疲劳强度与接触疲劳强度校核得：齿轮 1 接触强度极限应力 Hlim150.Mpa齿轮 1 抗弯疲劳基本值 FE64P18齿轮 1 接触疲劳强度许用值 H130.5Mpa齿轮 1 弯曲疲劳强度许用值 F82齿轮 2 接触强度极限应力 Hlim.齿轮 2 抗弯疲劳基本值 FE2640Pa齿轮 2 接触疲劳强度许用值 H13.5Mp齿轮 2 弯曲疲劳强度许用值 F28接触强度用安全系数 Hmin.0S弯曲强度用安全系数 Fi14接触强度计算应力 2976.5HMpa接触疲劳强度校核 满足条件 齿轮 1 弯曲疲劳强度计算应力 F1.P齿轮 2 弯曲疲劳强度计算应力 29a齿轮 1 弯曲疲劳强度校核 满足条件F1齿轮 2 弯曲疲劳强度校核 满足条件25.3.3 轴的设计与校核5.3.3.1 主传动轴设计主动齿轮 1 的分度圆直径 ，参照国标，将齿轮 1 做成齿轮轴，参照176dm材料力学及机械设计中的强度计算公式，应用 MATLAB 软件编程，计算出齿轮的轴向力及径向力，并进行弯扭组合的校核。计算结果为：表 5.1 计算数据结果图径向力 Fr圆周力 t弯矩 M扭矩 T正应力 许用应力 198.47 KN3.79 352640 NmA143900 A13.3 MPa60 a由上述计算表格可以看出， ，轴的强度满足条件。5.3.3.2 从动轴设计计算传动力学简图如下：图 5.1 力学简图上面可知， ， ，根据结构的对称性可知：8.47rFKN3.79r124.xFKN8y其剪力图与弯矩图为：图 5.2 力图合成弯矩2022296.813.5VHMNmA按照第三强度理论 22222244ca TMTWW22343450.61.93.70.1-.5TPad 有上述计算结果可以得出，按结构设计所得出的传动轴满足强度条件。21参考文献1 孙旭青环模制粒机的主体结构优化研究D 无锡：江南大学，20092 方希修，尤明珍饲料加工工艺与设备M北京：中国农业大学出版社，2007.83 孙营超 环模制粒机制粒工艺研究与控制系统开发D南京：南京理工大学，20094 李润萍. 浅谈小型一步制粒机在中药制粒中关键因素的控制J. 南昌：江西中医学院学报，2006,18(3):54-55.5 崔建云食品机械 M北京：化学工业出版社，2006.126 陈从贵，张国治食品机械与设备M南京：东南大学出版社，2009.67 陈斌食品加工机械与设备M北京：机械工业出版社，2008.78 安琦，王建文机械设计课程设计M上海：华东理工大学出版社，2012.19 朱文坚，黄平机械设计基础课程设计M北京：科学出版社，200910 庞声海，郝波饲料加工设备与技术M北京：科学技术文献出版社，2001.211 王宁侠机械设计 M北京：机械工业出版社，2010.1112 刘鸿文材料力学 M北京：高等教育出版社，2012.0913 濮良贵，纪名刚机械设计M北京：高等教育出版社，2012.0622致 谢大学四年，转眼间走到尽头。回首往事，不禁感慨万千。2010 年的懵懂入学，到现在背起行囊步入社会，仿佛就是那一瞬间的事，仿佛就在那睁眼与闭眼之间。扪心自问，四年的青春岁月，自己到底有没有虚度光阴，有没有留下什么遗憾，要是有的话现在还能不能弥补。在做毕业设计和备