块状物往复式粉碎机结构设计【说明书+CAD】
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毕业论文（设计）题 目 块状物质往复式粉碎机结构设计系 部 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 学生姓名 学 号 指导教师 块状物质往复式粉碎机结构设计专业：机械设计制造及其自动化摘 要通过对块状物质原料特性的分析，确定切碎原理和方法，设计出动力消耗低、粒度大小满足压缩成型要求的块状物质粉碎机。推动我国目前综合开发利用农作物块状物质资源的技术创新和实际应用。通过对原始数据的分析、方案的论证比较和有关数据的分析计算，主要完成了粉碎机的总体设计，电动机的选择以及传动方案的分析、比较与选择等内容。在此基础上对粉碎机机体 的结构尺寸、驱动转轴的结构尺寸、V 带传动等设计应用价值进行了详细的计算和说明。该机主要是由切碎器、变速箱和喂入机构、喂入槽、甩抛装置、带传动、电动机组成。其原理是块状物质由喂入槽喂入，在喂入机构作用下将其压实并卷入机构，被动定刀片组成的切碎器切碎，最后由抛送装置抛出机外。 关键词：盘刀，粉碎机，茎秆，喂入槽，抛送机ABSTRACTIn this study, through the straw raw materials characteristic analysis, determine the cutting principle and method of design, low power consumption, particle size to meet the requirements of the chopped straw compression molding machine.Promote our country the comprehensive exploitation and utilization of crop straw resources in technical innovation and practical application。Through the analysis on the original data, program evaluation data comparison and analysis of the calculation, mainly to complete the shredding machine overall design, the choice of motor drive and program analysis, comparison and selection.On the basis of the shredding machine structure of the body size, structure size drive shaft, such as V belt drive design value are calculated in detail and description.The machine is mainly composed of cutter, gear box and a feeding mechanism, feeding trough, spin off device, belt drive, motor.The principle is that the straw from the feeding chute feeding, in the feeding mechanism under the action of the compaction and involved mechanism, passive fixed blade consists of the shredder shredding, finally by throwing device throwing machineKeywords: Radial-knife，cutter，stalk，feed，thrower目 录目 录3第1章 前言51.1设计的目的和意义51.2 提出背景及其存在问题51.2.1 提出背景51.2.2 存在问题61.3 设计的基本要求61.4 设计的指导思想7第2章 粉碎机整体方案设计82.1 总体结构设计82.2性能试验82.3 本章小结10第3章 粉碎机结构设计103.1 切碎器设计103.1.1 切碎方式选择103.1.2 切碎原理分析113.1.3 割刀参数分析123.1.4 主要技术参数确定133.2 喂入机构设计143.3 传动系统设计15第4章 粉碎机整体结构的设计154.1电机选择154.1.1 切碎器转速的确定154.1.2 切碎器功率消耗154.1.3 电机选择164.2 V带传动的设计计算164.3 传动零件设计计算184.3.2 圆锥齿轮传动224.3.3 链轮传动254.4 轴的设计计算和轴系零件的选定284.4.1 输入轴的设计与计算284.4.2 大齿轮轴的设计计算314.4.3 大圆锥齿轮轴的设计314.4.4 输出轴的设计324.4.5 轴承的校核334.5 箱体设计计算34结 论49参考文献50致 谢51致谢52第1章 前言1.1设计的目的和意义我国是一个以农业著称的国家，农业工程的发展是当前我国经济社会发展和解决 “三农”问题的需要，是实现农业现代化的重要组成部分。要加快农业工程的发展，就要加强农业的产业结构调整，使农业朝着机械化方向发展，以提高劳动生产率，降低生产成本，减轻农民的劳动强度,提高资源利用率。同时,畜牧业是农业的重要组成部分，如何推广畜牧业的发展是现代农业的一个重要问题。与发达国家相比，我国的畜牧业生产水平还比较落后，但是近年来，各地的牧业经济也得到快速发展，畜牧业成为农民增收致富的重要途径。开发粉碎机，不但可以使块状物质变废为宝，特别是封山育林，草原禁牧工程的实施，促使牛羊养殖方式的变革，养畜将成为一个时期的发展方向，而且对促进饲养业的牛羊发展，安置农村剩余劳动力、丰富市场肉品供应、增加农民收入、减轻草地压力、促进农业生态环境的良性循环、增加资金积累、促进经济发展都具有现实意义。因此，开发研制出经济且实用的块状物质加工机械，具有较大的社会效益和经济效益。1.2 提出背景及其存在问题1.2.1 提出背景当前大多数是使用传统的粉碎机对其进行加工；而国外对块状物质的加工机械也只是处于初级阶段。虽然，目前市场上已经生产出几种立式和卧式无筛粉碎机，其中立式无筛粉碎机有：AMC型无筛粉碎机、ZPS型微粉碎机和国产立式粉碎机；而卧式无筛粉碎机有：日本生产的卧式多级微粉碎机、美国生产的卧式单级微粉碎机和卧式无筛双转子锤片粉碎机。这些粉碎机虽有生产率高、能耗低、调节操作方便等优点，但由于各类型的粉碎机结构较为复杂，且采用多级电动机带动工作，使得成本较高且为微粉碎，不适合于块状物质块状物质的加工。块状物质利用是一个多年的研究话题，自上个世纪以来，国家投入了大量资金，对块状物质利用进行研究，但真正做到可持续发展的并不多，其原因是在块状物质粉碎机上遇到了一定的技术障碍，现有通用型粉碎机用来粉碎块状物质，普遍达不到粉碎块状物质的技术要求，这类粉碎机虽可以对块状物质进行粉碎，但必须对块状物质进行粉碎前的加工，如压、铡加工，并且粉碎起来存在许多缺点： 动力浪费大，度电产量不高 粉碎粒度不均匀 机器部件磨损快，工作稳定性差 生产率低 由于使用筛片磨损快，生产成本增加。本课题设计的粉碎机是专门把牧草等农作物块状物质粉碎的加工机械，该设计在设计思想、机体结构和具体零件等方面都进行了创新。目前，国内无具体的样机，是一种较新颖的产品。它在结构设计方面进行的创新，适合于畜牧业的发展，开发研制出该产品，对解决块状物质问题，开发块状物质资源，提高经济和社会效益具有重要的意义。因此应大力开发使其朝着高效低能耗方向发展，以适合我国畜牧业的发展需要。1.2.2 存在问题 制造力量薄弱：我国的畜牧机械行业在1988年有定点厂仅20多个，职工人数，固定资产，加工设备仅占农业机械行业的1%，虽然现在有所发展，但是其力量较其他国家等还是有较大的差距。研究力度不够：我国的畜牧机械专业研究人员数量少，测试设备数量少，水平低，不能有效的揭示整机或主要部件的主要参数对工作过程的影响，致使产品设计工作长期停留在传统的“类比法”的基础上。 1.3 设计的基本要求 该粉碎机主要是用于对块状物质的加工，对其具有以下要求: 对加工块状物质的适应性广，能加工各种类型的块状物质，对含水量较大、纤维较长的粗块状物质也应具有较好的适应性。 粉碎程度应能够根据要求进行调整，以满足不同的畜禽，粉碎粒度应尽量均匀，以提高其适口性。 配套动力合理、度电产量高、提高生产率、降低能耗。 结构简单、操作方便、不需要较大的技术要求。 工作部件耐磨性好，减少更换次数，以降低生产成本，提高经济效益。 噪音低、粉尘少、以减少环境污染。 机型结构简单、尺寸紧凑、体积小、占地少、成本低、以适合广大农户生产。1.4 设计的指导思想 根据块状物质主要是粗纤维质物料的物理特性，采用凿片和齿板共同作用，依靠他们之间的搓擦和剪切作用将物料粉碎。 机器的粉碎能力应达到一定的要求，但不应太大，应适合于广大农村个体农户生产需要，从而符合设计的目的和要求。 在进料口处安装切割器，以把纤维质物料粉碎为20mm的碎段，以便粉碎机能更好的作进一步的加工，出口处安装一粒度调节板以控制物料的粉碎粒度。 大力提高设计水平，进行创新设计，且要以提高经济效益为中心，提高其市场竞争力。第2章 粉碎机整体方案设计2.1 总体结构设计块状物质粉碎机的总体结构见图2.1。1.变速箱和喂入机构2.喂入槽3.切碎器4.带传动5.电动机图2.1 块状物质粉碎机总体结构示意图该机主要由切碎器、变速箱和喂入机构、喂入槽、甩抛装置、带传动、电动机组成。块状物质由喂入槽2喂入，在喂入机构1作用下将其压实并卷入机构，被动定刀片组成的切碎器3切碎，最后由抛送装置抛出机外。2.2性能试验根据前面的理论和试验分析，我们拟定了粉碎机，见图2.2，其主要的技术参数如下:喂入齿辊有效长度:100mm;喂入齿辊张开间距最大值:59mm，张开间距自动调节;喂入齿辊节径:83mm;总速比:4.47;动刀数:2;动刀转速:550r/min;喂入齿辊转速:85r/min:物料切碎长度:10mm;配备动力:2.2kw图2.2 直刃刀硬茎秆粉碎机试验材料选用浙江大学实验农场提供的本年度棉花采收后的成熟棉秆，去除根部和霉烂变质茎秆，原料平均含水率为18.5%(湿基)。每次试验物料20kg，共进行5次测试，取平均值，对切碎物料进行粒度筛分分析，测试结果见表2.1。表2.1 块状物质粉碎机性能试验结果测试项目测试结果刀轴转速(r/min)550喂入辊转速(r/min )85切碎生产率(kg/h)500能耗(kJ/kg)110切碎效率(%)92.2粒度分布:(%)02.omm11.5%2.010.omm59.4%10.020.omm21.3%，20.omm7.8%对切碎物料的粒度分布测定结果表明，经一次切碎，粒度为20.0mm的残余组分中主要为细枝梗，这表明该喂入机构在夹持粗枝梗的同时对细枝梗还会产生漏切现象。需进一步加以分析改进。2.3 本章小结 对硬茎秆粉碎机进行样机的设计研制和性能试验，确定整体方案，验证设计方法的合理性。 第3章 粉碎机结构设计3.1 切碎器设计切碎器是块状物质粉碎机的重要工作部件。它的参数设计是否合理，对切碎质量、功率消耗以及机器运转均匀程度有直接影响。影响切碎性能的主要因素有:(l)切割时要产生滑切，以减少切割阻力。(2)切割要稳定，块状物质相对于动定刀片没有滑移。(3)切割阻力矩变化均匀。3.1.1 切碎方式选择块状物质切碎方式主要有轮刀式切碎、滚刀式(螺旋刀)切碎和锤片式切碎等。轮刀式切碎质量好，刀片结构简单，主要缺点是刀盘运转不均匀。滚刀式切碎滑切作用强，切割阻力小，但切碎体不能自动抛出，刀片刚度差，不适合硬茎秆切碎。锤片式切碎是利用高速旋转的锤片来击碎块状物质，刀片结构简单，通用性好，但能耗高(蔺公振等，19%;朴香兰，1998)。表3.1 切碎块状物质的粒度分布刀轴转速粒度(mm)及百分含量(%)/rmin0-1.41.4-22-3.353.35-9.59.5-12.512.5-19.519.50-12.5锤片切碎86010.39.915.658.925.5129.67.910.868.620.7158015.311.717.144.835.5螺旋刀切碎937.611.79.625.065.412504.43.911.239.912.010.817.871.415005.84.712.843.778.9直刃刀切碎9004.34.39.714.174.212304.24.413.141.614.211.011.577.5145013.379.4 根据对直刃刀切碎、螺旋刀切碎和锤片切碎3种不同切碎方式的比较试验(盛奎川等，1999)，如图3.l所示，在相同转速下，直刃刀切碎的单位质量棉杆能耗最低，由表3.1可知，采用直刃刀切碎细小颗粒产量较高，在9001450r/min范围内，提高转速对细小颗粒产量增加不明显。图3.1 粉碎机主动轴转速与能耗的关系根据以上分析，我们选择直刃刀切碎作为棉秆等硬茎秆切碎的设计方案，动刀片数为3，均布于动刀架上，其动刀架结构见图3.2。3.1.2 切碎原理分析按刀片刃线运动方式，切割可分为砍切和滑切两种。砍切时刀片切割点M运动方向垂直刃线，而滑切时刀片切割点M运动方向不垂直刃线。由于滑切使刀片斜置切入，实际刃角相应变小，刃线变锐，切割阻力减少，因此滑切比砍切省力，且在一定滑切角范围内，滑切程度越大，切割越省力。当刀片产生滑切时，切割点M速度V分解为2部分(图3.3):滑切速度Vt，方向平行刃线;砍切速度Vn，方向垂直刃线。速度V和Vn夹角为滑切角，在一定滑切角范围内，滑切程度越大，切割越省力。3.1.3 割刀参数分析1.滑切角直线型刀片的滑切角在数值上等于刀片刃线AB与切割半径r之夹角(图3.4)。图3.2 直刃刀动刀架简图图3.3 刀片的滑切为了保证刀片有滑切，其刃线AB至回转中心O应具有偏心距e。由图3.4可得: tg= (3.1)上式说明，从切割开始到终了，随着切割点外移，切割半径r的增加，刀片的滑切角逐渐减小。因此，刀片切割阻力矩随着切割半径的增大，滑切角的减小，切割阻力的增大而增大。2.推挤角图3.4中，动刀刃线AB与定刀刃线CM间的夹角为推挤角x.切割时如果推挤角过大，块状物质受刀片作用，会先沿刃线一侧滑移，逐渐集中在最后阶段切割，结果造成刀片负荷不均，刃线末端磨损严重，碎段变长，切碎质量变坏。因此，为保证切割稳定，不产生滑动切割，满足如下切割条件: （3.2)1.O-动刀回转中心2.AB-动刀刃3.e-偏心距4.-滑切角5.r-切割半径4. x-推挤角图3.4切碎器的结构图根据文献资料(陶南，1991)，取=， ，则x。图3.4中，由三角形OGH和HCD相似关系可知，推挤角x在数值上等于回转角，在切割过程中逐渐减小。故刀片推挤角随着切割点外移、回转角的减小而减小。从以上分析可以得出，直刃刀刀片的推挤角变化比较合理，而滑切角和阻力矩变化不够理想。因此，为了改善其切碎性能，本设计采用提高切碎器转速和增大其本身转动惯量(即刀架质量)的方法，来补偿由于阻力矩变化所引起的运转不均的缺点。通过将动刀架与甩抛轮设计为一体，既可增加刀架的转动惯量，又可改善切碎物料的甩抛性能。3.1.4 主要技术参数确定1.切碎长度切碎长度是粉碎机主要性能指标之一，机器工作时，块状物质被喂入辊卷入粉碎机构的速度v(m/s)，切砰器每秒钟切碎次数为，则理论切碎长度为:L=考虑到喂入辊的打滑因素，实际切碎长度为: L= (3.3)式中：k动刀片数i切碎器主轴n与喂入辊转速n之传动比D喂入辊直径打滑系数，一般取0.050.07切碎器主轴与喂入辊之传动比i=4.47，喂入辊直径d=83mm，动刀片数K为2，打滑系数取0.06，则理论切碎长度L=20mm。2.粉碎机生产率粉碎机生产率的大小取决于喂入口面积，切碎器刀片数和转速，茎秆种类和切碎长度等，理论生产率可由下式计算: Q=60kabLn (3.4)式中: k动刀片数;a、b为喂入口高度和宽度，m;L理论切碎长度，m;n 喂入辊转速，r/min;喂入辊压缩后的茎秆容重，kg/m。切碎器的动刀片数k为2，喂入辊转速n为85r/min，喂入口宽度a取0.1m，度b取0.14m，茎秆压缩后容重以棉秆为例约为120150kg/m，若取130kg/m。切碎长度为0.02m，理论生产率约为Q=500kg/h。3.2 喂入机构设计喂入机构由喂入槽、喂入辊和压紧装置等部件组成。它的作用是将物料以一定的速度喂入切碎器，并在喂入的同时，将其夹住、压紧、无滑动，以保证切碎质量，即切碎颗粒长度均匀、切口平整。主要结构简图见图3.5。上喂入辊的动力由切碎器刀轴传入，下喂入辊由一对圆柱齿轮和一对链轮传递动力并改变转动方向，从而获得上下喂入辊转速一致，但方向不同的运动。由于本粉碎机主要是用于切碎硬茎秆，所以采用卷入性能好，并能自动调节喂入口高度的星齿型上下喂入辊(图3.6)。压紧装置采用双弹簧式压紧装置，两个弹簧在机架两侧，一端固定在机架上，另一端固定在喂入辊轴座上。随物料尺寸的改变，使压力随弹簧变形而改变，有利于喂入切割。上喂入辊随着喂入物料的直径变化，靠轴座和弹簧，以0为圆心，60mm为半径，在滑槽CD中浮动，上下喂入辊中心距在85-144mm之间，适用不同物料喂入并夹紧。1.滑槽2.上喂入辊3.齿轮传动4.调节弹簧5.链传动4.下喂入辊图3.5 喂入机构的结构示意图图3.6 喂入辊结构图3.3 传动系统设计粉碎机传动系统简图见图3.7。电动机的动力先经皮带轮传给动刀轴，再经一对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮减速后传给喂入辊。总传动比为i=4.47。3.4 本章小结本章首先对各种切碎方式进行比较分析，选择合适的切碎方式;然后从理论上对切碎器等重要工作部件进行运动学分析，确定结构设计所需参数。1.带轮传动2.动刀3.圆柱齿轮传动4.喂入装置5.圆锥齿轮传动4.电机图3.7 传动系统简图35第4章 粉碎机整体结构的设计 4.1电机选择4.1.1 切碎器转速的确定粉碎机的生产率（）由下式估算： （4.1）式中： a、b喂入口的高与宽（m） l理论切碎长度（m） z动刀片数目，一般z26把 n切碎器转速（），一般n300500 密度（）对于块状物质，饲草k充满系数，可0.30.5由已知条件Q500和前面所设计的参数代入上式得：根据设计要求和考虑实际生产过程，这里取。4.1.2 切碎器功率消耗查阅相关参考书，已知小型块状物质粉碎机每米工作幅宽的平均功率为11kW，由此可得该块状物质粉碎机消耗的功率为:，则切碎器扭矩4.1.3 电机选择此次设计的粉碎机为农户用，电压为220V，所以在Z系列电机中选择。此系列小型直流电机有发动机和电动机两种，具有转动惯量小，调速范围广，体积小重量轻，可用于静止整流电源供电等优点。电机的工作方式是连续工作制，在海拔不超过1000m，环境空气温度不超过40时，电机能按额定功率正常运转。此系列中电动机电压等级为110V,160V,220V和440V，发电机电压等级为115V和230V，其外壳防护等级为IP21,冷却方式为IC01,IC06或者IC07。根据前面计算得出的切碎器转速和功率消耗，选择Z型电机中的2332型电动机：电压220V，额定功率2.2kW，额定转速1000。计算总传动比及分配各级传动比总传动比: 展开式二级锥齿轮传动，高速轴，则：取，则。4.2 V带传动的设计计算（1）V 带轮的设计要求 设计 V 带轮时应满足的要求有：质量小；结构工艺性好，无过大的铸造内 应力，质量分布均匀，转速高时要经过动平衡，轮槽工作面要经过精细加工（表 面粗糙度一般应为 3.2）以减带的磨损，各槽的尺寸和角度应保持一定的精度， 以使载荷分布较为均匀等。（2）材料此处带轮的材料，采用铸铁，材料牌号为 HT200（3）确定计算功率 P ca 由参考资料25表 8.7 查得工作情况系数 K=1.3，设计功率Pd=KAPd ,P=2.2KW 则Pd=2.86KW（4）选取带型 根据 P ca ，n 由参考资料25图 8.11确定选用 Z系列普通V带（5）（6）确定带轮基准直径d并验算带速v 由25表 8.6 和表 8.8小带轮基准直径，外径 （7）大带轮基准直径（8）按参考资料25式(8.13)验算带的速度带速 所以： 带的速度合适（9）确定 V 带的基准长度和传动中心距 根据参考资料25式(8.20)初定中心距：由， 取（10） 基准长度： 根据参考资料1表 8.2 ，Z系列普通V带基准长度。（11）实际中心距： （12）由参考资料25式(8.7),得小带轮包角（13）查得（14）计算 V 带的根数 Z 由参考资料25式(8.26) Z=Pca/Pr=KAP/(P0+P0)KaKL KL-长度系数P0-单根V带的基本额定功率P0-计入传动比的影响时，单根V带额定功率的增量取：Z=3（15）由参考文献25式8.6得单根V带初张紧力（16）由参考文献25式8.28，得作用在轴上的力 ,4.3 传动零件设计计算4.3.1 圆柱直齿轮传动a) 选精度等级、材料及齿数1) 材料及热处理；选择小圆柱直齿轮材料为40，硬度为280HBS，大圆柱直齿轮材料45钢，硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。2) 精度等级选用7级精度；3) 试选小圆柱齿轮齿数22，大圆柱齿轮齿数68的；b) 按齿面接触强度设计因为低速级的载荷大于高速级的载荷，所以通过低速级的数据进行计算,由参考文献25公式10.9a得 （4.3）1) 确定公式内的各计算数值（1）计算输入轴传递的转矩T1=9550000*（P1/n1）=36290N.mm试选Kt1.3（2）由参考文献25表10.7选取尺宽系数 1（3）由参考文献25表10.6查得材料的弹性影响系数189.8Mpa（4）由参考文献25图10.21d按齿面硬度查得小圆锥齿轮的接触疲劳强度极 限Hlim1600MPa；大圆锥齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2550MPa；（5）由参考文献25式10.13计算应力循环次数N60njLh60550（2830015）2.376NN/3.20.77910（6）由参考文献25图10.19查得接触疲劳寿命系数KHN10.95；KHN20.98（7）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1，由参考文献25式（10.12）得0.95600MPa540MPa0.98550MPa522.5MPa所以许用接触应力1) 计算（1）试算小圆柱直齿轮分度圆直径d1t，由参考文献25式10.9a得 (4.4) d1t =44.87mm（2）计算圆周速度v（3）计算齿宽b（8） 计算齿宽与齿根之比b/h模数 = d1t /z144.87/22=2.13mm齿高 h=(2h*+c*) = 4.79 b/h=44.87/4.79=9.78（9） 计算载荷系数根据v1.35m/s、7级精度，由参考文献25图10.8中的精度/线及v查得动载系数=1.12;由参考文献25表10.2查得使用系数1;假设KAFt/b故所选轴承可满足寿命要求。2) 对输出轴上端的深沟球轴承进行寿命校核该轴承的预期计算寿命=70080h轴承的寿命校核可由参考文献25式（13.5a）即： 进行。=3，取=1.00。由于轴承主要承受径向载荷作用则，由参考文献25表13.6，取=1.0；按照最不利的情况考虑，轴承的当量动载荷为：=1.0N=3039.5N则：=h=305555.8h故所选轴承可满足寿命要求。用同样的方法可以检验中间轴和输入轴上的各个轴承，均可满足寿命要求。4.5 箱体设计计算机座壁厚取15，机盖壁厚，机座凸缘厚度，机盖凸缘厚度，地脚螺钉直径，地脚螺钉数目，轴承旁联接螺钉直径，机盖与机座联接螺栓直径，联接螺栓的间距：150200，轴承端盖螺钉直径取4.3847.94，定位销直径，至机外壁距离，至凸缘边缘距离，轴承旁凸台半径，凸台高度外机壁至轴承座端面距离，大齿轮顶圆与内机壁距离取14mm，齿轮端面与内机壁距离取12mm，机盖、机壁肋厚度，轴承端盖外径轴承孔直径+（5-5.5），轴承端盖凸缘厚度，轴承旁联接螺栓距离4.6本章小结本章主要是对粉碎机整体结构的设计，从选择电动机、V带的传动、传动零件间的设计计算、轴的计算及轴承的校核、最后确定整体的结构。结 论 结束了这段毕业设计后，我觉得自己各个方面的能力都有所提高。通过本课题的设计，使自己学会综合运用所学的机械设计、机械制图等基础知识解决实际问题。在课题进行过程中，学会了掌握资料收集及整理的方法。独立完成系统方案改造与设计工作，提高了综合运用所学过的各科知识和培养分析问题的能力。使自己具有了一定的理论联系实际的正确设计思想。更熟悉运用和查阅各种设计资料。掌握从事设计工作的具体步骤和方法。49参考文献1 陶南. 畜牧及渔业机
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