1、毕业设计说明书作 者 :学 号：学 院 : 机械工程学院专 业 (方 向 ): 武器系统与工程（探测制导）题 目 : 清洁化环模制粒机三维设计与性能分析指导者： 教授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2015 年 5 月声 明我声明，本毕业设计说明书及其研究工作和所取得的成果是本人在导师的指导下独立完成的。研究过程中利用的所有资料均已在参考文献中列出，其他人员或机构对本毕业设计工作做出的贡献也已在致谢部分说明。本毕业设计说明书不涉及任何秘密，南京理工大学有权保存其电子和纸质文档，可以借阅或网上公布其部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权保存、借阅或网上
2、公布其部分或全部内容。学生签名：年 月 日 指导教师签名：年 月 日毕 业 设 计 说 明 书 中 文 摘 要环模制粒机是饲料加工装备的四大主机之一，在很大程度上决定了饲料加工的产量和质量，是所有饲料装备中最重要的设备之一，在饲料生产中占有重要地位。然而，目前国内环模制粒机的情况却不容乐观，普遍存在成本较高、生产率偏低、能耗较高、使用寿命较短，饲料残留多等问题。本课题首先论述环模制粒机的发展历史和现状，介绍它的结构、制粒原理，在此基础上，对环模制粒机的饲料残留问题进行了清洁化的设计，初步完成制粒机原理样机的设计，并应用有限元分析软件进行关键部件的三维仿真与性能分析，本文对清洁化制粒机的推广、应
3、用提供一定的借鉴意义。关键词 环模制粒机 结构 有限元 清洁化全套图纸加 153893706毕 业 设 计 说 明 书 外 文 摘 要Title Three-dimensional design and performance analysis of clean ring die pellet mill AbstractRing die pellet mill is one of the four host feed processing equipment, largely determine the yield and quality of feed processing, is one
4、of the most important equipment in the feed equipment of all, it plays an important role in feed production. However, the current domestic situation ring die pellet mill is not optimistic, high prevalence costs, low productivity, high energy consumption, short life, feed residues and other issues.Th
5、is paper first discusses the history and current situation of ring die pellet mill, introduces its structure, granulation principle, on this basis, to feed the ring die pellet mill residues were clean design, the initial completion of the granulation aircraft prototype design and finite element anal
6、ysis software for three-dimensional simulation and performance analysis of key components, the paper clean granulator promotion and application to provide some reference.Keywords ring die pellet mill Structure Finite element analysis clean本 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 I 页 目 次1. 绪论 .11.1 环模制粒机 .11.2 环模制粒在饲料加工上
7、的应用 .11.3 制粒的不足 11.4 环模制粒机技术现状 21.4.1 国外技术现状 21.4.2 国内技术现状 21.5 环模制粒机制粒原理 31.6 环模制粒机结构 31.6.1 环模的重要参数 41.6.2 孔数 51.6.3 沉头与扩孔 .61.6.4 环模材料 .61.7 研究内容 71.8 研究方法 72 绿色化环模制粒机结构设计及参数计算 .82.1 环模制粒机主电机选择 .82.2 环模设计 .82.2.1 确定环模面积 .82.2.3 确定孔型和孔数 .92.2.4 确定环模材料 102.3 压辊设计 102.3.1 压辊表面设计 .102.3.2 压辊参数及材料 112
8、.3.3 压辊装配 122.4 主传动设计 122.4.1 确定齿型、精度等级、材料及齿数 132.5 调质器设计 142.5.1 确定调质筒直径 142.5.2 调质器结构设计、计算 142.5.3 调质器的电机 152.6 喂料器设计 162.6.1 喂料输送结构设计 162.6.2 喂料器电机选择 162.7 喂料器调质器装配 172.8 制粒机装配 172.9 本章小结 183 环模的有限元分析 .19第 II 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书3.1 环模的结构静力学分析 193.2 环模的结构动力学分析 223.3 本章小结 24结 论 25致 谢 26参 考 文 献 .27本
9、 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 1 页 1. 绪论饲料工业是国民经济的基础产业和支柱产业，在国民经济中具有十分重要的地位。随着人民生活水平的提高，大幅度增加了对肉蛋奶等动物性食品的需求，对饲料工业的迅猛发展提供了很好的促进作用。全球每年完全依靠饲料加工装备生产的配合饲料有 7 亿多吨，因此饲料加工装备在整个饲料工业产业链中处于不可替代的核心位置。其中，用于直接生产成品饲料颗粒装备的环模制粒机在很大程度上决定了饲料加工的产量和质量，是所有饲料装备中最重要的设备之一，对于饲料的生产十分重要 1 。环模制粒机在饲料加工中应用广泛，主要因为其具有颗粒密度高，成型结构紧凑，方便加工运输，生产效率高
10、，成品饲料颗粒绿色安全等特点。环模制粒机工作过程中，环模和压辊磨损均匀，配件拆装简单方便，且环模与压辊的互换性与通用性很好，更换方便。但是，因为我国的环模制粒技术起步较晚，相对于西方国家，技术比较落后，存在生产效率不高，能耗偏大，环模压辊寿命较低，使用后饲料残留较多等问题。本课题主要在对环模制粒机的结构和制粒原理研究的基础上，通过查阅相关的国内外文献资料并结合所学到的专业知识，在现有结构的基础上，改进设计一款清洁化的环模制粒机，通过有限元分析对其结构进行校核，并对提高环模的使用寿命提供一些建议。1.1环模制粒机环模制粒成型技术又称旋转辊轧挤压制粒技术，是将粉体类物料经旋转辊轧、挤压压缩而制备成
11、颗粒的技术，是当前国际制粒成型技术领域的主流技术，广泛应用于生物质固化成型、饲料加工、制药、能源与化工等领域 1。1.2环模制粒在饲料加工上的应用环模制粒机是颗粒饲料生产中的关键设备，通过它可以将配合好的各种粉末状饲料压制成颗粒。通过制粒，饲料的物理性能和生化性能得到了改善，饲料利用率和喂养适口性得到了提高，是现代化饲料厂家不可或缺的重要设备 2。 1.3 制粒的不足（1）制粒的成本较高：相对粉末饲料，设备的成本、能源损耗相对都比较高。（2）营养成分的损耗：一部分不稳定的营养成分在制粒过程中会被不同程度的破坏。即使在后期的喂料过程中可以补充流失的营养成分，可是饲料的成本得到了变相的增加 3。第
12、 2 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 1.4 环模制粒机技术现状1.4.1国外技术现状1）拥有完善的技术体系目前，发达国家已经形成了健全的环模制粒设备技术体系，能够提供多种优质、高效的生产设备与完善的工程解决方案。国际著名的环模制粒装备企业主要有瑞士 BUHLER 公司、美国 CPM 公司、奥地利 Andritz 公司、德国 MUNCH 公司等一些欧美发达国家和地区的企业，它们在环模制粒成型技术方面研究较早，已分别从制粒工艺、装备设计与制造、智能控制技术、专家诊断与服务技术等多个方面进行了系统研究，形成了完善的技术体系 4 。2）可靠性高，并且高效、节能环保国外环模制粒装备企业重视基础
13、研究，对于制粒装备涉及的材质性能和加工技术进行了大量研究工作，装备的材质、润滑油、润滑脂的使用均充分考虑了环保问题；结构、工艺参数进行了优化，节能效果显著；进行了大量的关于工艺与装备之间的优化组合研究。3）不断向大型化、智能化方向迈进国外环模制粒装备的研发趋向大型化、智能化方向发展，主流的环模制粒装备为 50t 甚至 100t。并且装备的智能化程度也很高，一键开机，全程监控已经基本实现。1.4.2 国内技术现状1）已具有相对完善的环模制粒装备技术与产业体系，但技术平台与基础研究比较落后我国环模制粒装备产业的发展经历了引进、消化吸收、自主研发、合资合作生产、规模化发展等几个阶段，相对完善的产业体
14、系已经形成，国内各领域的生产需求基本得到满足。但是总体而言，我国的环模制粒装备技术平台与基础还比较落后，缺少环模制粒装备技术领域的高端人才，产品的创新力度与技术水平受到了制约。2）部分技术参数已达到或接近国际一流水平，但在总体参数方面与国际的先进水平还有一定差距近年来，我国通过不断的技术创新，制粒技术已经得到了快速发展：多种新型制粒设备被开发出来，制粒机的适应性不断增强；通过对环模的孔型、开口率，压辊的厚度等几何结构参数的优化研究，以及对加工工艺和材料的不断改进，开发了可以适应不同物料的系列化产品，在保证颗粒质量的前提下能耗得到了大幅度降低。虽然我国的制粒技术与装备得到了长足的发展，但是在绿色
15、环保、能耗、核心部件使用寿命等核心指标上与国际先进水平相比仍差距较大，改进与提高迫在眉睫。3）以环模制粒机为核心的颗粒成套生产线大型化、智能化水平不高本 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 3 页 环模制粒机是颗粒生产的核心设别，其技术水平的提升对饲料工业非常重要；但同时，以环模制粒机为核心的颗粒生产成套生产线整体水平的提升也非常关键；否则环模制粒机单机性能将得不到充分发挥。我国自己开发了环模制粒装备自动控制系统，可以满足目前国内建设大型颗粒加工厂对装备的需求，但当前成套控制系统的智能化水平较低，且成套生产线的大型化水平与国际先进水平相比差距仍然较大 5。1.5 环模制粒机制粒原理简单来说，它
16、的基本原理是，粉末状的饲料通过调质器的调质后被送到制粒室，在制粒室中通过环模和压辊的挤压，压缩进入环模孔，最终形成颗粒状的饲料，如图 1.1。在制粒过程中，环模在电机的带动下做主动转动，压辊与环模间的饲料使压辊受到摩擦力的作用，从而使压辊做从动转动，给予饲料压制力，如图 1.2。当饲料受到的压制力大于饲料与内壁间的摩擦力时，在压制力的作用下饲料进入环模孔，饲料通过环模孔后形成颗粒，最后通过切刀切断形成所需要的饲料颗粒 6。1.6 环模制粒机结构喂料器、调质器、制粒室、调节机构以及润滑系统是环模制粒机的主要五大组成部分。图 1.3 是其基本的结构组成。 图 1.1 环模制粒原理示意图 图 1.2
17、 饲料受力示意图第 4 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 其中制粒室，或者说是环模压辊，是影响制成颗粒质量和生产效率的最重要部件，在环模制粒机的结构中具有重要的地位 7。1.6.1 环模的重要参数简单来说，环模是一个金属的圆筒。它上面布满了用于挤出饲料的孔。环模的参数对制成颗粒的质量和环模制粒机的生产效率有着重要的影响 2。图 1.4 是一个环模实体：其中 W 表示 环模的工作宽度， O 表示总宽度。一个个小的环模孔分布在环模表面，环模孔孔型参数如图 1.5 所示：图 1.3 环模制粒机结构示意图图 1.4 环模实体本 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 5 页 图中，几个重要参数的意义
18、如下：L：有效厚度它是环模的有效厚度，促进颗粒的压制，因此，也被称为工作厚度。直孔（末端没有扩孔）的有效厚度就是它的总的厚度。而末端扩孔的孔的有效厚度就是它的总厚度减去扩孔的厚度。X：扩孔深度它是环模总的厚度与有效厚度的差。通过在环模外侧钻一个半径大一些的孔来释放环模作用与物料的压力，有助于饲料更好地穿过环模，并且可以在有效厚度固定的前提下通过扩孔深度来增加环模的强度。T：全部的厚度这是一个环模的总厚度。在很多实例中，考虑到制粒机工作过程中环模内的应力，我们总是让环模的总厚度大于他的有效厚度，以此来保证环模具有所需的强度。 ：进口角环模上锥形的入口使饲料方便的流入，对于小环模来说，这个角一般在
19、 30到 40之间。D：入口直径d：颗粒直径即生产出的颗粒饲料最终的直径 8。图 1.5 环模孔型参数第 6 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 1.6.2 孔数它表示一个环模上孔的总个数。对于环模来说，它上面的孔应该足够多，这样能提高环模制粒机的生产效率。然而，孔之间的距离也不能太小，因为要保证环模具有一定的强度。所以孔数的选择对环模的性能至关重要 8。由于设计上的区别，任何尺寸的环模的孔数都会不一样，对于小颗粒（直径 5mm）来说，三种孔型是可用的：（1） “紧密型”孔数这种类型的环模对于加工“容易成型的饲料”或者不用考虑环模的最大强度时比较试用。肉鸡饲料就属于这一类。（2） “标准型
20、”孔数这种类型的环模通常用在一般的制粒操作中，而且适用于这种环模的配方和材料也比较多。（3） “承重型”孔数这种环模是专门应用到可能承受比较大的压力和应力的情况下的。矿物含量、尿素含量较高时可能需要这种环模 9。1.6.3 沉头与扩孔沉头与扩孔的目的已经在前面环模的主要参数中列出，然而沉头与扩孔的形式却有很多，加工不同的饲料，不同的配方，环模孔的选择都不尽相同，环模制造商也给出了多种环模孔特征参数供选择。图 1.6 和图 1.7 给出了几种沉头与扩孔的形式 10，其中的沉头孔型分别为标准型，深入型，平面型和“井”型；扩孔类型分别为圆柱，圆锥，梯形。1.6.4 环模材料环模的材料一般采用合金钢，
21、它是一种向钢材中加入了一种或多种合金元素制成的。它图 16 环模上孔的沉头类型图 1.7 环模上孔的扩孔类型本 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 7 页 的强度和韧性比碳素钢要好得多。一般情况下，我们选择普通的合金钢，而当环模需要工作在腐蚀性比较严重的情况下时，我们会在钢材中加入较多的铬和镍元素，组成的高铬合金钢可以有效地解决腐蚀问题，使环模的使用寿命得到了保证 11。1.6.5 压辊压辊，类似于模具，都是一个一个圆筒形的设备，它通常是由碳化钨颗粒或波纹壳制成的 12。压辊的存在就是为了帮助饲料进入到环模孔，所以压辊表面必须足够粗糙，防止饲料在环模和压辊间滑移，常见的压辊，表面通常进行拉丝处
22、理已达到增大摩擦力的要求 13。1.7 研究内容制粒机的清洁化主要包括有两个方向：机器本身的清洁化和颗粒饲料的清洁化。本课题将围绕以下两点展开研究：优化机器结构：结合现有的结构，除去不需要的部分，改善不合理的机构，比如可能存在饲料残留的部分。优化驱动系统：结合现有的制粒机和当今的驱动装置，选取更好的驱动系统，从而达到降低功耗的作用 14。1.8 研究方法（1）文献查阅：通过图书馆和网络等途径收集文献资料，并进行阅读整理，从而来了解国内外环模制粒机现状。（2）问题咨询：遇到问题时及时与指导老师或者学长沟通询问，主动向指导老师汇报自己近期的研究成果，并请求老师给予指导。（3）使用 SolidWor
23、ks 绘制出环模制粒机三维结构图并用 CAXA 画出工程图。（4）运用 ANSYS 软件对环模制粒机关键部件进行强度校核，并完成性能分析报告。第 8 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 2 绿色化环模制粒机结构设计及参数计算2.1环模制粒机主电机选择电机为整个机械系统提供动力，为了能更好的带动机械系统，使系统能够正常运转，电机的功率必须足够，然而为了降低能耗，电机的功率不能过高，所以选取电机的标准就是：在满足功率要求的前提下，尽量选取小功率的电机。主电机通过齿轮带动环模转动，由于技术要求中制粒机功率为 110KW，即取标准电机功率 P=110KW。查阅中小型电机选型手册，为了满足清洁化的要
24、求，获得更高的效率，低的噪声和高的可靠性，最终确定选用 Y315S-4 电动机，额定功率 110KW、额定转矩1.8Nm、转速 1480r/min、效率 92.5%、cos=0.89 。2.2 环模设计 因为本课题设计的环模制粒机要求环模和压辊方便拆卸，在环模设计中不仅要考虑到清洁化的设计要求，也要考虑到模块化的设计需要，所以设计过程中环模与压辊的独立性、通用性和互换性都要考虑到，这样在使用过程中维修更换起来很方便。2.2.1 确定环模面积按照下式确定环模的工作面积：S=PA （2.1）其中，P 为环模制粒机的功率，KW，A 为单位功率面积， cm/KW；S 为环模工作面积cm。本课题设计的环
25、模制粒机功率为 110KW，所以 P 取 110KW。单位功率面积是指制粒机的主电机单位功率对应的环模有效压带面积，直接影响环模制粒机的工作效率，是设计制粒机的主要技术指标。但是，目前环模制粒机的单位功率面积确定并没有一个统一的技术指标，也是凭经验进行估算，所制成的颗粒越难挤压，即制成单位颗粒需要的能耗越大，单位功率面积的取值越小。根据当前制粒机主流机型单位功率面积的数据分析，单位功率面积的取值一般在 15-40 cm/KW 之间，这里取 30cm/KW ，适用于加工比较容易成粒的饲料。根据公式（2.1） ，计算出 S=P*A=110*30=3300（cm） 2.2.2 确定环模直径与宽度本
26、科 毕 业 设 计 说 明 书 第 9 页 图 2.1 环模简图环模简图如图 2.1，环模直径 D 与环模宽度 b 之间的关系为b=KD , （2.2）其中，D 为环模内径，单位 mm； b 为环模有效宽度，单位 mm； K 为环模宽径比。环模面积的计算公式为（2.3）/10SD联立公式（2.2）和（2.3）可得出环模直径 D 与环模宽度 b 的计算公式为：10PAK（2.4） 10b（2.5） 根据当前制粒机主流机型环模宽度与直径比的数据汇总，可以得出大部分机型的环模宽径比在 0.2-0.35，,这里取 K=0.3。计算并圆整，得出 D=590mm，b=175mm。2.2.3 确定孔型和孔数
27、孔型及其具体尺寸设计如图 2.2，有效长度 L 为 65mm，开口角 ， 扩孔直径为608mm，扩孔长度为 12mm，总长度与环模厚度相等为 80mm15。由环模的开口率公式：环模开孔率 (R/2) 2n/S （2.6）第 10 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 其中，R ：环模孔径，n：环模总孔数，S：环模的工作区总面积。环模的开口率一般取 0.20.35，这里取 0.3，因为在孔径确定的情况下，环模的孔数越多，开口率越大，相应的环模制粒机的工作效率也越高，越能满足清洁化的设计要求。带入到公式（2.6） ，得出 n=3500。环模孔按照等边三角形分布，这样可以保证环模具有一定的强度。图
28、 2.3 为环模的三维图。图 2.2 环模孔型 图 2.3 环模2.2.4 确定环模材料环模在工作过程中，压辊通过物料对环模产生作用力，这种作用力会对环模产生疲劳破坏，并且经过调质后的饲料中水分、蔗糖等成分的存在，在不同程度上对环模产生腐蚀作用，所以环模的选材要综合考虑到材料的硬度均匀性、及耐腐蚀性，此处环模的选材为17CrNiMo，真空淬硬处理。由此材料制成的环模能防止制粒原料的点蚀，但耐磨性和韧性比渗碳钢环模差，它们的外表面并不硬，但是芯部却比渗碳钢环模硬 16。2.3 压辊设计压辊与环模共同构成一个制粒的模块，它们要配套使用，所以压辊的设计也要满足互换性，多样性，独立性的要求。压辊与环模
29、构成制粒的子系统，它们技术参数是对于环模制粒机至关重要，参数的改变直接影响到最终颗粒的质量和生产效率。2.3.1压辊表面设计压辊主要作用是帮助饲料进入环模孔，因此在设计压辊的形状和结构时，要充分考虑到压辊防止饲料滑移的作用，并且要设计成能得到更大牵引力的粗糙表面。压辊表面有如图2. 4（a） （b） （c）三种结构形式。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 11 页 （a ）带凹穴辊面 （b）槽沟型辊面（c）碳化物辊面图 2. 4 压辊的三种结构形式其中（a）带凹穴辊面，物料很容易填满辊面，促使压辊表面的摩擦力降低，不利于物料的滑动，使用后饲料在压辊中残留较多需要清洗；在（b）槽沟型辊面中，
30、表面的摩擦力在辊面上窄形的槽沟的作用下变大，但要注意槽型两端不应铣通，防止饲料粉末混入到成型的饲料中，使饲料的质量下降；（c）碳化物辊面中，辊面通过堆焊碳化钨，增大表面的粗糙度，且加入钨后表面硬度和耐磨性都得到了增强，适用于物料硬度高或者粘度较大的情况，可以延长压辊的使用寿命，但成本较高 17 。本设计压辊表面选为槽沟型辊面，以增大摩擦力，同时成本不是很高，满足清洁化的设计要求。2.3.2 压辊参数及材料由于挤压物料时的摄取角受压辊直径的直接影响，所以在条件允许的情况下，选取的压辊直径应尽可能大。压辊直径 d 与环模内径 D 之间的关系为（2.7）其中，d 为压辊直径，mm；D 为环模内径，m
31、m； 为压辊直径与环模的比值，即辊径比。第 12 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 通过对目前主流环模制粒机型辊径比的数据分析得出，=0.430.485，这样使两压辊间存在装配的间隙，有助于装配的调节，为了得到更大的摄取角，这里取 =0.48，计算并圆整，得到压辊直径 d=280mm，压辊宽度取为 180mm。压辊宽度略大于环模有效宽度，以使压辊与环模的滚压成型效率更高。此外，为了保护环模，减少环模的磨损，压辊材料选用硬度低、韧性好的 50Mn。2.3.3 压辊装配两个压辊分别安装在两个偏心轴上，压辊与偏心轴通过轴承进行径向定位，压辊偏心轴左侧的台阶轴用来将偏心轴固定在压辊盘上，直径最大
32、的中间部分用来安装定位环、轴承和压辊壳，右侧的台阶轴用来固定压辊偏心轴。压辊中心轴线与压辊两侧的台阶轴有一个偏心，用来在初期装配时调节压辊与环模间的距离，对于压辊的安装和机械的调试有很大的帮助。压辊总成装配如图 2.5 所示。图 2.5 压辊总成装配2.4 主传动设计目前，制粒机的传动系统包括带传动与齿轮传动两种基本方式，带传动与齿轮传动各有优缺点，针对两种传动方式在制粒机中的应用，对比分析如下：（1） 相对齿轮传动，带传动的制造和安装精度要求较低，所以成本较低；（2） 皮带传动能缓和工作过程中出现的载荷冲击，具有过载保护的功能；本 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 13 页 （3） 齿轮传
33、动不会出现滑移现象，所以传动比更精确，传动效率更高。（4） 相对于齿轮传动，当传动同样大的圆周力时，齿轮传动的寿命更高。根据齿轮传动和带传动的特点，结合清洁化的设计要求，不难发现齿轮传动更适合此次设计。工作时，由主电机带动小齿轮轴进行转动，通过齿轮啮合带动大齿轮和环模转动，促使环模与压辊对饲料进行挤压成型。2.4.1 确定齿型、精度等级、材料及齿数为了确定环模的传动比，我们首先应该知道环模的线速度和环模转速。通过查阅相关的文献资料，了解到环模的线速度应该在一个合理的范围内，一般取 58m/s。环模的线速度过大，会使物料在模孔中停留的时间过长，能耗增大，影响颗粒质量；若线速度过小，抛料高度太低，
34、物料不能被挤压成型，不能完成制粒过程。根据当今主流制粒机型的线速度取值可以看出，即使对于同一直径的环模，不同机型的线速度取值也不同，线速度的取值与直径的取值关系不明显。所以，为了适应不同的饲料配方，同一环模直径也应该能以不同的线速度旋转，以提高设备的适应能力。根据以上原则，本次选取环模的线速度为 6m/s，在环模直径确定的情况下，通过计算得出环模的转速为 194r/min。主传动采用一级齿轮传动，根据电机功率计算出传动比为：1480/194=7.6。选用圆柱直齿轮，硬齿面，大齿轮材料选为 45 钢（调质） ，硬度为 240HBS，小齿轮为 40Cr(调质)，硬度为 280HBS，7 级精度。分
35、别按照齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，计算结构如下：模数 m=2.5，小齿轮齿数为 Z1=25，大齿轮齿数为 Z2=25*7.6=190 为了简化体积，在保证强度的前提下将小齿轮设计为齿轮轴的形式。图 2.6 为设计的大齿轮。图 2.7为设计的齿轮轴。图 2.6 大齿轮 图 2.7 齿轮轴第 14 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 2.5 调质器设计2.5.1 确定调质筒直径调质器实际上是一个搅拌器，它把水蒸汽、蔗糖或者其他液体添加到饲料中，然后通过蒸汽对饲料进行熟化和消毒，提高饲料颗粒营养成分的利用率。在调质过程中，调质筒直径和调质轴转速是影响调质质量的重要参数，所以调
36、质筒直径和调质轴转速的设计和选取要合理，其中调调质时间是一个重要的参考依据，根据调质时间的公式：（2.8）24360()DLKVt sQ其中，V 是调质筒的体积，m；Q 为调质轴输送量， t/h，D 为调质筒的直径，m ；L 为调质筒的长度，m；V 是物料容重，t/m；K 为饲料充满系数；通常为制粒机设计产量的 1.52.0倍，取 Q=1.8q。将上述有关参数带入调质时间计算公式，得出：（2.9） 260.443618Dtq（2.10）33.0.7604364tqt根据加工质量要求，这里调质时间确定为 25s，即 t=25s，查看相关的制粒机数据，取L=6D，=0.6t/m，K=0.4 。本课
37、题的主电机功率选为 110KW，根据主电机功率计算式：（2.11）PqW其中 P 为主电机功率， KW；q 为生产率，t/h；W 为吨电耗，KWh/t。根据经验，对于比较容易加工的饲料，吨电耗 W 取 10KWh/t，则得出 q=11t/h。带入公式（2.10），计算得出调质筒直径为 490mm。2.5.2 调质器结构设计、计算调质器选用单级桨叶式调质器。桨叶式调质器输送量与桨叶结构参数的关系式如下 18：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 15 页 （2.12）0.75*CbDcostanQ其中，a 为叶片宽度， a=（0.40.6）b，mm; 为叶片安装角，1545； 为物料容重， k
38、g/m；n 为叶片轴转速，r/min； 为充满系数， 0.150.55；C 为调质修正系数，0.150.5；b 为叶片长度，mm；D 为叶片轴直径，mm。以式（2.12）为参照依据，并考虑到物料进入调质器后调质器有一定的适应时间，设计调质器的长度为 2800mm，叶片轴直径 145mm，桨叶安装角 35，叶片长度 150mm，叶片宽度 70mm。图 2.8 为调质器主轴。 图 2.8 调质器主轴为了满足清洁化的设计，调质筒边缘应设计成圆角的形式，以减少制粒结束后物料在调质筒中的残留，影响环模制粒机下次的使用。图 2.9 为调质器外壳。图 2.9 调质器外壳2.5.3 调质器的电机调质器的转速对
39、于物料的调质质量非常重要，转速太低，调质的时间变长，虽然物料得到了充分的混合，但熟化时间过长造成了大量营养成分的损耗，同时能耗增大；相反，转速过快，物料混合不均匀，且饲料熟化程度不够，降低了饲料颗粒的质量，不利于营养成分的第 16 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 吸收。确定调质轴的转速要考虑到很多因素，一般在 100300r/min 的范围内。本设计采用变频调速，使调质轴转速可变，对于不同的饲料选用不同的调质时间，来达到最佳的调质效果。选取电动机型号为 YCT200-4B，额定功率为 7.5KW，调速范围在 1251250r/min。2.6 喂料器设计饲料存储器中的饲料通过喂料器以一定
40、的速度进入到调质器中，常见的喂料机构有两种形式，螺旋式喂料器和离心式喂料器。这里选用螺旋式喂料器，和离心喂料器相比，螺旋喂料器的具有密封性能好，结构简单，安装方便，螺旋杆直径较小等优点，因此更换方便，维修成本较低。2.6.1 喂料输送结构设计螺旋叶片输送机输送量 Q 的计算公式如下：2Sn360*4D（2.13）其中，S 为螺距， m；D 为螺旋直径， m；n 为螺旋轴转速，r/min ； 为饲料容重，t/m；K 为充满系数，一般取 K=0.8-0.95。根据公式（2.13）,并查阅相关的设计手册，设计喂料器螺旋送料杆（图 2.10）参数如下，额定功率 1.5KW，螺旋直径为 200mm，送料
41、长度 800mm，总长 919mm。螺杆直径 60mm，螺距为 100mm。图 2.10 喂料器主轴2.6.2 喂料器电机选择为了适用不同的饲料，喂料器的电机需要具有变频的功能，根据查阅相关资料，取电机功率为 1.5KW，根据机械设计手册，选取电机型号为 YCT132-4B，其调速范围1251250r/min，可以基本满足不同饲料的要求。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 17 页 2.7 喂料器调质器装配图 2.11 喂料器调质器装配图 图 2.12 连接放大图喂料器和调质器通过螺栓进行连接，图 2.11 为装配图，喂料器中的饲料在喂料器主轴旋转的带动下，通过连接结构送到调质器中。以前的
42、结构中，它们的连接部分由于饲料的成分和结构原因，会产生残留，本课题改进了连接结构，如图 2.12 的连接放大图，通过平滑的曲面减少了饲料的残留，满足了清洁化的设计要求。2.8制粒机装配在制粒机装配中，制粒机中的各个零部件主要通过螺栓进行连接，总的装配图如图 2.13所示。 图 2.13 制粒机装配图第 18 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 2.9本章小结本章主要对环模制粒机的主要零部件的结构进行了设计计算，说明了每个结构的选取依据。并通过对环模制粒机结构的详细分析，结合清洁化的设计要求，在原有的制粒机结构基础上进行了改进，使其具有清洁化的功能，同时在设计过程中充分考虑到了模块之间的互换
43、性和通用性，为其调试和更换带来方便，也降低了制粒成本。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 19 页 3 环模的有限元分析环模制粒机中决定制粒生产成本和生产率的一大因素一直是环模的使用寿命，提高环模的使用寿命，是国内外专家学者一直研究探讨的关键问题。因为环模在制粒过程中，受到压辊通过物料对其施加的作用力、物料的摩擦力、电机对其产生的驱动力矩，利用 ANSYS 对环模进行结构静力学、结构动力学分析，来全方面的审核环模的性能，从而完成对环模制粒机的性能优化，提高环模使用寿命 19。 3.1 环模的结构静力学分析结构静力学分析用于计算在载荷固定不变的作用下结构的效应，惯性和阻力的影响不需考虑。环模
44、制粒机中环模材料选择的是 17CrNiMo，此次仿真用结构钢代替，其弹性模量，环模材料的泊松比 =0.28。环模的主要结构参数中，环模内径 590mm，1E2.*0Pa环模外径 520mm，环模宽度 175mm，为使计算方便，忽略环模的模孔。从 Solidworks 中导入已经创建好的环模三维模型，如图 3.1。图 3.1 导入三维模型环模划分网格，通过细化网格，用较多的结构单元来提高环模的计算精度，这里取单元尺寸为 0.02m 20，划分后如图 3.2。第 20 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 图 3.2 环模网格划分对环模的上下两端进行固定约束，约束后的环模如图 3.3。图 3.3
45、 环模的力约束由于环模内表面受到物料及压辊对其产生的正压力，施加载荷沿环模径向，施加载荷大小根据环模内表面受力公式：（3.1）12PQDd本 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 21 页 其中，P 为电机功率， W； 为电机效率； 为传动效率； 为环模转动角速度，r/s；R2为环模内半径，f 为环模和压辊间摩擦力。取 f=0.4，计算并圆整，得到环模内表面所受到的正压力为 2113N，转换为压强为6.5KPa，应力分析云图如图 3.4，总变形分析云图如图 3.5 所示。图 3.4 应力分析云图从环模的应力分布云图中可以看出，在不包括约束部分的情况下，环模内侧中间收到的压强最大，并有中间向两侧逐
46、渐减小，然而环模内表面上的应力分布并不是十分均匀。在强度方面，材料所受到的最大应力为 20Kpa，在许用应力大小范围内，满足环模强度要求。图 3.5 总变形分析云图第 22 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 从总变形分析云图上可以看出，在受到内表面正应力的情况下，环模内表面的中间所受形变较大，而两侧固定部分形变相对较小。因此在设计压辊的时候，压辊的宽度应该略大于环模的有效宽度，这样能保证颗粒的成型效率，但是如果压辊过宽，环模内表面会因受力过大而发生形变，对环模的使用寿命产生影响。3.2 环模的结构动力学分析环模在转动过程中受到电机对其产生的驱动力矩 M，所以应用有限元分析，研究结构对于动
47、载荷的响应，以便确定结构的承载能力和动力学特性，也为改善结构性能提供重要依据。由于环模在转动过程中的两侧面是固定在壳体上的，所以施加约束在环模的两侧面。施加的驱动载荷大小根据公式：（3.2）2MFR其中，M 为环模所受到的驱动力矩，Nm；F 为环模内表面所受到的正应力，N；R 为环模内径半径，m。计算并圆整，得到 M=498Nm，施加载荷和方向如图 4.6 所示。图 3.6 施加载荷生产的总应力分析云图，如图 3.7 所示，生成的位移云图如图 3.8 所示。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 第 23 页 图 3.7 总应力分析云图从环模所受到的驱动载荷总应力分析云图中可以看出，环模内边缘处受
48、到的驱动力矩相对较大，向中间逐渐减小，因此为了保证环模的可靠性，环模内表面所受到的正应力应适量减小，或者降低环模内径大小，从而使驱动力矩变小，当环模内侧不会受到过大的变形影响时，环模的使用寿命会得到很大的提高。从强度上看环模所受到的最大屈服力为 17KPa，满足环模的强度要求。图 3.8 位移云图第 24 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 从环模所受驱动力矩的形变图中可以看出，环模内侧中间部分形变最大，越靠近边缘固定环模处形变最小，这也是因为压辊宽度小于环模总宽度所造成的，解决方法同正应力影响下造成的形变，增大压辊宽度即可。 3.3 本章小结本章主要的工作是应用有限元分析软件 ANSYS 对环模进行性能分析，通过网格划分提高计算精度，并施加约束，添加一定的载荷，得到应力分析图和形变分析图，从而进行环模的强度校核，并对环模的磨损失效状况作出分析，给出有效提高环模的使用寿命的方案。
