膨化饲料立式干燥机布料机构试验研究报告.docx
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膨化饲料立式干燥机布料机构试验研究报告
本科毕业论文
题目：
膨化饲料立式干燥机顶层布料匀料机构实验研究
姓名：
李亮
学号：
2008307202818
专业：
机械电子工程
指导教师：
谭鹤群
职称：
副教授
中国·武汉
2018年6月
分类号密级
华中农业大学本科毕业论文
膨化饲料立式干燥机顶层布料匀料机构实验研究
ThetopLeveloftheExtrudedFeedVerticalDryerFabricTestofUniformMaterialBodies
学生姓名：
李亮
学生学号：
2008307202818
学生专业：
机械电子工程
指导教师：
谭鹤群副教授
华中农业大学工学院
二○一二年六月
目录
膨化饲料立式干燥机顶层布料匀料机构实验研究
摘要
本文以利用现有匀料机构实验装置，在研究其工作原理、分析工作效果影响参数的基础上，选择主要工艺参数，进行实验研究，获得匀料机构的优化工艺参数为目的。
在比较国内外多种布料器和参阅布料理论的基础上，选取了布料板转速、桨叶倾斜角度、桨叶运行速度、布料板高度等为实验因素，对每个因素选取合适的水平分别进行布料实验，并计算均值，标准差，变异系数等，然后对数据进行方差分析，从而确定各因素对布料机构布料效果的影响是否显著。
实验结果及数据分析表明桨叶运行速度对实验结果的影响不显著；布料板转速、布料板离地高度、桨叶运行速度三个因素对实验结果影响显著，因此选取这三个因素做正交实验分析。
通过对实验结果的分析明确各因素对实验结果影响的主次为布料板转速，布料板高度，桨叶运行速度。
经进一步的分析获得优方案表明，在布料板转速设定为50r/min，布料板高度设定为740mm，桨叶角度设定为50°的情况下，现有的匀料机构的布料效果最佳。
关键词
立式干燥机；匀料机构；正交实验设计；优化工艺
Abstract
Inthispaper,inordertoobtaintheoptimizationofprocessparametersofthemechanism,themostimportantparamentssuchasrevolvingspeedoftheboard,bladeangle,thespeedofblade,thedistancebetweentheboardandthefloorhavebeentrialedonthebaseofthetheoryofdistributingdecive，thenselecttheappropriatelevelofeachfactorfabrictestandcalculatethemean,standarddeviation,coefficientofvariationofthedataforanalysisofvarianceinordertofindtheparameterswhichhaveasignificanteffectontheresults.
Thetestresultsanddataanalysisshowedthatthebladespeedtestresultsarenotsignificant。
speedoffabricpanels,fabricpanelsaboveground,thebladespeedofthreefactorsinfluencethetestresultssignificantly,sochoosethesethreefactorsfororthogonalexperiment.Accordingtotheresults,wecanfindthebestcombinationofthewholeparameters.ReasonableuseoftheExceltoolintheprocessofdataprocessingdoagreathelpforanalysis.
Keywords
verticaldrier。
uniformmechanism。
orthogonalexperimentaldesign。
optimizedparameters
1.前言
目前,膨化颗粒饲料的干燥形式主要有单级、多级输送带式干燥机、滚筒管束烘干机等。
近些年来，在国外出现了一种立式干燥机，相较于其他干燥设备，立式干燥机具有横向占用空间小，干燥能源利用率高，更易实现自动化控制等特点，具有较好的发展前景。
影响立式干燥机干燥效果的最主要的因素就是进料层物料的分布均匀性。
料层的厚度，以及进料速率等都对最终的干燥效果有着重要的影响，因此，干燥时，对物料的布料规律的研究以及布料装置的设计研究和进行实验验证具有重要的意义。
本文以布料板转速、布料板离地高度、桨叶倾斜角度、桨叶运行速度等为实验因素，进行布料实验，对每个因素中的每个水平进行三次重复实验，每次实验中在布料机构的横截面均匀的选取100采样点测量数据，计算每组数据的均值、标准差、变异系数，并进行方差分析，从而分析各因素对布料机构布料效果的影响的显著性，获得对实验指标影响显著的因素，然后对影响显著的因素进行正交实验设计，分析实验结果，寻找各因素最优水平组合，确定优方案。
最后根据实验结果，提出匀料机构的优化工艺参数，以期对现有匀料机构实验装置有更深入的了解和对现有布料匀料机构改进提出有价值的建议。
1.1研究背景
近年来，我国饲料行业稳步发展，实现了饲料产量、产值、利税和就业人数的增长，完成了从手工作坊式生产到世界第二大饲料生产大国的飞跃。
作为我国农业经济的重要组成部分，饲料行业发展水平的高低已经成为衡量现在农业发展程度的重要标志。
随着水产养殖业向规模化、集约化、专业化和工厂化的方向发展，对水产饲料的要求也越来越高，传统的粉状配合饲料和颗粒配合饲料存在着水中稳定性差、沉降速度快、易造成饲料散失浪费和水质污染等弊端，已越来越不适应现代水产养殖的需要<邱楚武，2001）。
而膨化饲料能较好地克服粉状和颗粒饲料的这些弊端，是现代水产养殖的理想饲料品种，有着较好的市场潜力和前景。
膨化饲料完全熟化，适口性好，容易被消化吸收，而且经高温高压杀菌消毒，纯净无菌；膨化饲料水中稳定性好，饲料利用率高，不会污染水质和底质<张为民，1997）。
膨化饲料水分的高低直接影响饲料的质量<张为民，1997）,因此烘干是膨化饲料加工的最重要工序之一。
刚从膨化机挤出的饲料颗粒水分很高，达到22%以上，必须配套烘干设备先去除10%以上的水分再经冷却处理后，才能保证其达到合格产品质量。
目前国内膨化机饲料加工中配套的烘干设备多采用输送带和链式板箱式烘干机。
该类型设备均为卧式结构，占地面积大，造价高，多数新建厂房仍依靠进口。
而立式干燥机占地面积小，能源利用率高，设备操作方便，维护简单。
影响立式干燥机干燥效果的最主要的因素就是进料层物料的分布平整度。
料层的厚度，布料板转速、桨叶倾斜角度、桨叶运行速度以及进料速率等都对最终的干燥效果有着重要的影响，因此，干燥时，对物料的布料规律的研究以及布料装置的设计研究和进行实验验证具有重要的意义。
1.2国内外研究现状
国内外对布料规律以及布料器的研究，重点集中在了2个领域：
高炉炼铁和烧结矿石。
此外，在冷凝造粒、垃圾焚烧、石灰生产、饲料颗粒等领域的布料器设计和使用也有着相关的研究。
1.2.1高炉炼铁用的布料器
布料器作为高炉炉顶装料设备的一个重要组成部分，是关系到高炉能否正常生产的关键设备之一国内外学者从出现高炉炼铁起就开始对炉顶的布料理论和布料器进行了研究和设计。
在我国出现的高炉炼铁布料器大致经历了以下几个阶段：
敞开式炉顶、钟式炉顶布料器和无钟炉顶布料器。
⑴敞开式炉顶
炉料靠人工装入炉内，生产不安全，而且装料速度慢，生产效率低下。
⑵钟式炉顶布料器
钟式炉顶有大钟、大钟受料斗、小钟、小钟受料斗、均压系统、放散系统、上料系统组成。
其加料程序为：
通过小车加料到炉顶小钟受料斗。
放散打开，小钟开下料至大钟受料斗后，小钟关闭，均压打开，大小钟之间均压以后，大钟开启，炉料进入炉内进行冶炼，关闭大钟，不断进行这种循环过程。
按出现的先后顺序有巴利式布料器，布朗式布料器1850年，在英国最早出现了巴利式布料器<图1），它用手势操作，炉料放进料斗后，开大钟，炉料沿大钟斜面布到炉内，使炉内料面呈漏斗形。
图1巴利式布料器
Fig.1Bali-styledistributor
布朗式布料器<图2）是由美国埃比威尔厂第一个使用的。
这种布料器是单钟的，使用时也不能克服巴利式布料器密封性不好的缺陷。
图2布朗式布料器
Fig.2Brown-styledistributor
图3马基式布料器
Fig.3TheMarkeystyledistributor
1907年美国马基公司设计的马基式布料器<图3），继巴利式布料器之后，掀起了第二次布料革命。
在短短20年内，这种布料器在美国几乎所有的高炉都被采用，并在世界范围内得到迅速推广。
⑶无钟炉顶布料器
第一个无钟布料器是1972年德国蒂森钢铁公司汉博恩厂生产的，它克服了马基式布料器的基本缺点，完成了高炉布料的第三次革命。
在我国除大、中型高炉多数使用进口无钟装置外，很多300-600m³级的高炉也采用了国产的无钟炉顶布料设备，而且使用效果很好。
我国第一个无料钟炉顶装置与1979年应用于首钢2号高炉。
图4无料钟布料器
Fig.4Bellfabric
近年来，国内外对无钟高炉布料规律的研究进行的如火如荼，从研究不同炉料静止到动态的性能和运动规律等，取得的成果也是越来越好。
1.2.2烧结用布料器的研究
随着烧结生产普遍采用混合料强化制粒、小球烧结、厚料层烧结和低温烧结等技术,烧结布料技术的重要性日益显现出来。
现代烧结工艺对烧结混合料布料的基本要求是:
良好的粒度偏析。
料层表面的平整均匀。
料层表面的合理压实。
避免“塌料”现象,消除“脉冲状料层”的形成<尚策等，2018）。
国外对烧结布料技术的研究一直十分重视，特别是在前苏联和日本，在许多方面都取得了良好的成效并已用于实践。
目前国内外烧结机布料器大致可以分为四大类：
磁辊类、空气流偏析类、反射板类和多辊类。
国内烧结厂多数采用的是反射板类和多辊类。
反射板布料器的优点是料层的垂直偏析效果好，排料粒度范围大，能承受给料住压力、给料均匀可靠，可以实现混合粒度和燃料的有益偏析。
多辊类布料器的优点是布料量大、布料面较宽，可以避免崩料，混合料沿台车宽度方向均匀性好。
磁辊布料偏析法<图5）就是在普通圆辊布料器内固定安装一个由若干交变极性的永久磁铁组成的磁系。
图5磁辊布料偏析法
Fig.5Magneticrollerfabricsegregation
带式反板式偏析法<图6）可以改变转动方向和速度以此改变混合料的速度达到粒度偏析的目的。
其偏析程度由皮带角度与速度决定，皮带转速越快偏析越大。
图6带式反板式偏析法
Fig.6Beltanti-platesegregation
空气偏析布料法<图7）是对装入的混合料沿自然坡度的角度方向自下而上<与料流相反地方向）喷吹空气。
图7空气偏析布料法
Fig.7Airsegregation
1.3本课题研究内容与技术路线
1.3.1研究内容
1．查阅文献及布料理论，熟悉现有布料匀料机构的结果及工作原理。
2．本实验以现有的布料匀料机构为实验对象，以膨化饲料为实验材料，选取布料板转速、布料板高度、桨叶角度，桨叶运行速度为实验因素，以料面的平整度为实验指标进行实验，进过细致的数据分析以期得到对指标影响显著的因素，从而提出现有设备的优化工艺参数。
1.3.2技术路线
图8技术路线
Fig.8Technicalsolutions
2布料匀料机构结构的结构及其工作原理
立式干燥机具有横向占用空间小，干燥能源利用率高，更易实现自动化控制，产能更大等特点。
该立式干燥机包括一个匀料单元，三个干燥单元以及一个冷却单元。
膨化饲料从顶层进入匀料单元，在匀料机构的作用下进行料层的匀料步骤。
每个干燥单元中都有一个换热器和风机，能够实现单元内的循环。
另外在立式干燥机的顶层和底层都设有空气的输送口，以实现整个干燥机的循环。
膨化饲料进物料传送带进入顶部，在布料装置的作用下均匀分布到全截面，物料在其运行轨道上一遍缓慢下移一遍与强风进行热交换，以实现对物料的干燥，经干燥后的物料在冷却层进行冷却。
由于本文主要是对现有的膨化饲料立式干燥机顶层的匀料机构进行实验研究，所以下面主要对匀料机构的结构及其工作原理进行介绍。
2.1布料匀料机构的结构
匀料机构的目的是使物料均匀分布在装置的横断面上，为后续的干燥创造有利的先决条件。
该匀料机构包括以下主要结构：
落料装置，支撑臂，桨叶，丝杆螺母，滚筒以及电动机。
图9匀料机构整体示意图
Fig.9Levelingtheoverallschematicdiagramofthefeedingmechanism
2.2匀料机构的工作原理
布料板在一个电动机的控制下以设定的速度进行旋转运动，经落料装置进入机构的物料随布料板的旋转分散在截面四周，另一个电动机通过皮带传动的方式带动滚筒进行旋转运动，旋转运动的滚筒通过连接在支撑臂上的丝杠螺母转换为支撑臂的直线运动，支撑臂带动等间距安装在其上的14个桨叶将分散的物料均匀分布在截面内。
在支撑臂的轨道的两端分别设置了行程开关，以使支撑臂在其轨道上进行往复运动，达到更好的布料效果。
3实验研究
3.1单因素实验
在单因素实验中，每个因素的每个水平都重复做三次实验，每次实验在布料匀料的机构横截面上均匀的选取100的点测量料面的高度，以期能够较全面的反应料面的平整度。
实验后在每个因素的每个水平中选择变异系数最小的两组数据进行方差分析。
具体实验的原始数据见附录。
3.1.1布料板转速对匀料效果影响的实验
颗粒饲料经落料装置进入机构，在布料板的旋转作用下分散到落料区。
不同的布料板旋转速度对颗粒饲料的分散效果不同，在考虑到布料区域的大小等实验条件下将测定的旋转速度定位35r/min，40r/min，45r/min，50r/min，55r/min5个水平，并在桨叶角度为30°，布料板高度为680mm，滚筒转速为41.6r/min的前提下进行布料板转速对匀料效果影响的实验。
实验方案如表1
表1布料板旋转速度单因素实验
Table1Singlefactortestofrotationspeedofthefabricpanels
水平
桨叶角度θ/（°>
料斗高度H/mm
滚筒转速N（r/min>
35
30
680
41.6
40
30
680
41.6
45
30
680
41.6
50
30
680
41.6
55
30
680
41.6
实验后，用Excel对数据进行处理，计算每组数据的均值，标准差以及变异系数。
并在每个水平的三次重复实验中选择两组变异系数较小的数据做方差分析。
在计算过程中需要用到AVERAGE和STDEV函数；变异系数Cv=标准差/均值。
实验指标的结果如表2：
表2不同布料板转速实验结果
Table2theresultsofdifferentrotationspeedofthefabricpanel
旋转速度变异系数<%）
35
8.9342
10.0751
40
9.4208
10.3043
45
8.8397
10.3043
50
8.8045
8.2023
55
9.4493
9.1224
方差分析结果为：
表3布料板转速对布料效果影响的方差分析
Table3Analysisofvariance
差异源
SS
df
MS
F
P-value
Fcrit
组间
0.000231
4
5.77E-05
2.350973
0.186871
5.192168
组内
0.000123
5
2.46E-05
总计
0.000354
9
备注：
F＞Fc时，影响显著；当Pv≤0.01时，极显著；0.01-0.05时，显著
由表2的实验结果及表3的方差分析可知，布料板的旋转速度对实验指标额影响显著。
当布料板的旋转速度为35r/min时，实验结果的变异系数较大，在10%左右；当提高旋转速度到50r/min，变异系数整体最小，即料面平整度最好，而继续提高旋转速度，变异系数反而会增加，因此在其他因素的实验中将布料板的旋转速度设定为50r/min。
3.1.2桨叶角度对匀料效果影响的实验
安装在支撑臂上的桨叶的角度直接影响了布料过程中“料垄”的形成及其大小，从而决定了是否能够将物料铺平到横截面的各个区域，以及是否能够较少“死角”问题。
因此桨叶的角度对布料效果也有很大的影响。
在考虑到现有机构的实际条件的情况下，将测量因素的水平定为0，15°，30°，45°，60°5个水平，并在布料板转速为50r/min，布料板高度为680mm，滚筒转速为41.6r/min的前提下进行布料实验，实验方案如表4
表4桨叶角度单因素实验
Table4singlefactortestofBladeangle
水平
料斗转速n/（r/min>
料斗高度H/mm
滚筒转速N/（r/min>
0
50
680
41.6
15
50
680
41.6
30
50
680
41.6
45
50
680
41.6
60
50
680
41.6
实验后，用Excel对数据进行处理，计算每组数据的均值，标准差以及变异系数。
并在每个水平的三次重复实验中选择两组变异系数较小的数据做方差分析。
不同桨叶角度对布料效果影响的实验结果如表5。
表5不同桨叶角度的实验结果
Table5theresultsofdifferentbladeangle
桨叶角度<θ/°）
变异系数<%）
0
13.0106
13.383
15
11.9786
11.2104
30
8.8045
8.2023
45
7.5929
7.8295
60
10.6635
10.5055
方差分析的结果为：
表6桨叶角度对实验结果影响的方差分析
Table6Analysisofvariance
差异源
SS
df
MS
F
P-value
Fcrit
组间
40.15229
4
10.03807
85.61975
8.6E-05
5.192168
组内
0.586201
5
0.11724
总计
40.73849
9
备注：
F＞Fc时，影响显著。
当Pv≤0.01时，极显著；0.01-0.05时，显著
由表5的实验结果及表6的方差分析可知，桨叶角度对实验指标的影响显著。
当桨叶的角度为0，即桨叶与支撑臂处在水平方向上时，实验结果的变异系数系数最大，在13%左右，变异系数随着桨叶的增加逐渐减小，在桨叶角度为45°的时候达到最小值，在7.5%左右，此时布料效果最好，即料面的平整度最好。
继续增大桨叶的角度反而会导致实验结果的变异系数增大。
因此在后续实验中将桨叶角度设定为45°进行实验。
3.1.3桨叶运行速度对匀料效果影响的实验
桨叶的运行速度决定了单位时间内桨叶在机构中的往返次数从而会影响整体的布料效果。
本次实验跟据现有的实验条件测试了0，31.2r/min，41.6r/min，52r/min，62.4r/min等5个水平，在布料板转速为50r/min，布料板高度为680mm，桨叶角度为45°的前提下桨叶运行速度对布料效果影响的实验。
实验中以滚筒转速表示桨叶运行速度。
实验方案如表7。
表7桨叶运行速度单因素实验
Table7singlefactortestofbladesrunningspeed
水平
布料板转速料斗高度H/mm
桨叶角度θ/（°>
0
50
680
45
31.2
50
680
45
41.6
50
680
45
52
50
680
45
62.4
50
680
45
实验后，用Excel对数据进行处理，计算每组数据的均值，标准差以及变异系数。
并在每个水平的三次重复实验中选择两组变异系数较小的数据做方差分析。
不同桨叶角度对布料效果影响的实验结果如表8。
表8不同桨叶运行速度实验结果
Table8theresultsofdifferentbladesrunningspeed
桨叶运行速度变异系数<%）
31.2
24.6185
25.9383
41.6
26.4196
24.3898
52.0
24.3261
23.9154
62.4
24.2883
23.9411
方差分析的结果为：
表9桨叶运行速度对布料效果影响的方差分析
Table9Analysisofvariance
差异源
SS
df
MS
F
P-value
Fcrit
组间
3.011484
3
1.003828
1.305541
0.388281
6.591382
组内
3.075591
4
0.768898
总计
6.087075
7
备注：
F＞Fc时，影响显著。
当Pv≤0.01时，极显著；0.01-0.05时，显著
根据表8的实验结果及表9的方差分析可知，桨叶的运行速度对实验指标影响不显著。
3.1.4布料板高度对匀料效果影响的实验
颗粒膨化饲料经布料板的旋转作用分散到布料区域的情况与布料板的高度也有的关系，不同的布料板高度对颗粒膨化饲料初始的分布有很大的影响，考虑到现有机构的实际情况，将测试的布料板高度水平定为620mm，680mm，740mm三个水平，并在布料板转速为50r/min，滚筒速度为41.6r/min，桨叶角度为45°的情况下进行布料板高度的实验，实验方案如表10。
表10布料板高度单因素实验
Table10singlefactortestofFabricpanelsheight
水平
布料板转速桨叶角度<θ/°）
滚筒转速（r/min>
620
50
45
41.6
680
50
45
41.6
740
50
45
41.6
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