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02设计计算说明书格式
XX型XX机
设计计算说明书
北京XX
200X年X月
第一章设计任务
1.1目的及意义
1.2应用范围
1.3基本参数及性能指标要求
1、基本参数
-产量：
120kg/h～240kg/h（颗粒产品最大直径23mm）
-整机质量：
≤600kg
-适合于电动机及柴油机两种动力输入，且便于移动转移。
2、性能指标
-能耗指标：
-噪声：
≤93dB（A）
1.4设计计划及进度安排
2007年6月～2007年12月：
收集资料，知识产权咨询及专利申报；
2008年1月～2008年6月：
设备方案论证、控制方案及样机设计；
2008年7月～2008年8月：
配套技术研究及关键部件试制；
2008年9月～2008年11月：
样机试制、样机试验、调试；
2008年12月：
样机试验、总结。
第二章总体设计
2.1技术要求及设计思想
其特点是：
2.2确定技术参数及工作原理
2.2.1设备结构组成
2.2.2技术参数确定
第三章结构设计
3.1如：
压缩成型系统设计
3.1.1系统受力分析
压缩成型系统主要有主轴、环模和压辊组成。
颗粒在压模与压辊之间的挤压下完成，其挤压过程见下图；
图3-1压模与压辊受力分析
1.压模2.压孔3.压辊
根据物料在挤压过程中所处的状态不同，可将其分为三个区段:
供料区、压紧区和挤压区。
供料区：
在此区,物料除受离心力外，基本上不受外力作用，处于自然状态。
压紧区：
随着模、辊的旋转，物料受模、辊的挤压作用，物料之间产生相对移动，空隙逐渐减小。
在模、辊锲形夹持下，物料向前移动速度加快，即压力逐渐加大，物料之间也产生一定的连接和变形，密度增大到接近1.0g/cm3.
挤压区:
在此区,挤压力急剧增大，物料间进一步靠紧和镶嵌，物料间的接触面积增大和联结增强。
当挤压力增加到能够克服模孔对料粒的摩擦力时，具有一定密度和联结力的物料被挤进模孔，经过模孔一段长度的饱压形成颗粒。
这一区段物料将产生弹性、塑性组合变形。
压出之后的物料密度可达0.8g/cm3～1.4g/cm3。
为使物料在模、辊转动作用下压制成颗粒，必须具备两个条件：
一是模、辊要把物料攫入变形区，二是压辊对物料的挤压力大于模孔内物料对料柱的摩擦阻力。
在物料压粒过程中，物料被模、辊攫入主要靠模、辊表面与物料的摩擦。
为了便于研究，将变形区内靠近攫入弧的一小段粉料做为脱离体来分析受力状态。
如下图：
图3-2变形区一小段脱离体的受力分析
引压辊表面A点的切线和压模内表面A1点的切线交于C点，∠ACA1=α-β，称为攫取角。
从图3-1可知，对物料作用有两个力，压辊压力P和环模内表面的反力R，阻碍物体进入变形区的力为Psin（α-β）
攫取物料的力为Fcos（α-β）+T=FPcos（α-β）+f1R
欲使物料被攫入变形区而不被滑出，则必须满足
f1R+FPcos（α-β）≥Psin（α-β）（3-1）
式中，f1=tgφ1压模与物料间的摩擦系数
f=tgφ带槽沟压辊与物料间的摩擦系数
α物料对压辊的包角
β与压辊压模有关的角
而R=Pcos（α-β）+fPsin（α-β）
若f1=f
整理后得到攫入条件
（3-2）
从（3-1）式可以看出，攫取角α-β与摩擦系数f成正比。
物料的成分不同，摩摖系数也不同，因此其攫取角也不同。
模孔中的物料在轴向压应力为
，则根据沿孔向无变形和广义胡克定律可求的物料径向压应力
（3-3）
式中，
——模孔内物料径向应力
——物料的泊松比
从上式可知，作用于物料在轴向压应力为作用于物料径向压应力的
倍。
对任何物料
＜0.5，故
＞
。
压模模孔除承受径向压力外，同时还承受由径向压力而产生的切向摩擦力F（F=fP，f摩擦系数，P为径向压力）。
沿模孔取出一段物料进行分析，如下图
图3—3模孔受力分析
综上所述，可得：
1、增大摩擦系数f，减小模孔半径r0，衰减速度加快，意味着物料在模孔内的饱压过程缩短，物料成型性变差。
反之，减少摩擦系数f，增大模孔半径r0，衰减速度减慢，表明物料在模孔内的饱压过程延长。
由此得出：
设计压模时模孔r0不应过小，同时将模孔加工光滑，以减小摩擦系数f，提高成型性能。
2、影响物料压制过程的不只是摩摖系数f，反映物料纵横向变形的物料泊松比也是一个重要的特性参数。
3、压模厚度H不是随便选定的尺寸，其大小直接受模孔半径r0所要求的颗粒密度以及物料特性的制约。
试验表明，随着模孔深度（即压模厚度H）增大，颗粒产量明显降低，耗能增加，颗粒硬度提高，因为随着模孔深度加大而摩擦面成正比增加。
为了获取较好制粒性能，使产量和质量处于最佳状态，对每种物料都有比较适宜的长径比（模孔深度H与孔径d的比值）。
因此，根据玉米秸秆的特性和需要的加工产品的要求密度。
经过大量的实验，确定模孔直径d=23mm，模孔深度H=83mm。
3.1.2环模的设计
环模是成型系统的主要部件，其质量对产量和颗粒质量有很大影响。
环模的设计图如下：
图3—4沟槽式环模设计图
1、环模直径和环模有效压制宽度以及压辊直径的确定
a、环模直径和有效宽度是环模的主要参数
首先根据国内外压缩成型制粒机参数及优先数列确定环模直径为510mm;参考饲料加工机械颗粒成型机以及目前市场上使用的秸秆压块机的功耗，确定成型工段相对功率为12kW；根据等有效压制面积等功率之比值（一般14cm2/kW～22cm2/kW）,确定环模有效宽度23mm（有效宽度是指环模中间与压辊接触部分）。
b、压辊直径的确定
它是通过环模和压辊之间相互的挤压力，克服物料通过模孔的阻力，从而达到制粒的目的。
相同环模下，压辊直径越大，环模和压辊之间型成的三角挤压范围越大，越利于挤压作用。
根据经验确定压辊外径与压模内径比为0.475,再经过多次试验圆整后确定压辊直径为110mm。
2、与环模孔相关的各参数的确定与作用
a、环模压缩比I=L/d，它是反映颗粒挤压强度的一个指标。
压缩比越大，挤出的颗粒越结实。
所以环模模孔d确定，即在环模压缩比I一定的条件下，环模的有效厚度L=I*d就确定了。
b、环模工作面积S=π*D*H（3-4）
环模制粒机的设计功率和环模工作面积成正比，因此功率一定的制粒机，一般环模直径D和环模有效宽度H成反比，由于本机器的产量要求，为保证环模出料均匀，选择环模有效宽度为23mm，环模内径为344mm。
c、环模开孔率ψ=S1/S（3-5）
式中S1为所有孔的总面积，S1=
n为模孔的个数，r0为模孔的半径。
S为环模工作面积
本设计采用的单排沟槽式模孔的直径为23mm，均部圆周41个。
沟槽的宽度为23mm。
由上面的公式可得到环模开孔率约为71%。
d、粗糙度
粗糙度也是衡量环模质量的重要指标。
在同样的压缩比下，粗糙度越大，颗粒挤出阻力越大，出料越困难，过大的粗糙度也影响颗粒表面的质量。
但过低的粗糙度又会增加成本，在多次试验后最终确定粗糙度值为3.2μm。
3.1.3主轴的设计
根据轴的载荷情况可分为转轴、心轴、传动轴三类。
转轴承受弯矩和转矩；心轴只承受弯矩，不传递转矩；传动轴主要承受转矩，不承受或只承受较小弯矩。
由设计知主轴主要传递转矩，为典型的传动轴。
1、选择轴的材料
轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。
碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较小，所以应用较为广泛。
45号钢等优质中碳钢是直轴最常用的材料。
由于该轴主要承受转矩，查手册知选用45号钢。
2、计算轴径
该轴用圆钢车制。
因为传递转矩主要靠轴的近表面材料，所以空心轴比实心轴在材料的利用上较为经济，但加工费用较高。
所以本轴仍采用实心轴。
按扭转强度计算只需知道转矩大小，方法简单。
已知该轴主要是传递转矩，可以只按轴所受的转矩进行计算。
扭转强度条件为：
（3-6）
式中：
T――――轴传递的转矩，N∙mm，
；
WT――――轴的抗扭界面系数，mm3；
P――――轴传递的功率，kW；12kW
n――――轴的转速，r/min；63.5r/min
[
]―――轴材料的许用切应力，MPa。
对实心轴，
，则主轴轴径选择的计算公式为：
（3-7）
上式中：
d――――轴的直径，mm；
T――――轴传递的转矩，N∙mm，
；
P――――轴传递的功率，kW；
n――――轴的转速，r/min；
A――――系数,
；
由各部分所承受的载荷确定各部分的尺寸。
其中轴的输出功率一端驱动压辊转动，另一端驱动环模转动，其中驱动压辊转动消耗的功率较大为Pm
Pm=Pⅹ1/3=4kW（3-8）
电动机转速n1=960r/min。
减速器减速比i=15.1则传动轴的转速为，
（3-9）
则主轴径为：
（3-10）
3、主轴的总体结构设计
由设计条件得知，该轴主要是传递转矩。
其详细的设计结构如图3-10所示。
最小轴径为安装联轴器处的直径，结合联轴器的轴径选此轴为40mm，结合轴各段的作用选择各段的尺寸。
安装齿轮段的轴径为50mm，长度为25mm。
参考轴承的规格确定轴承段的轴径为45mm，长度为68mm。
轴承右端有轴肩故其轴径为50mm，长度为50mm。
齿轮左端有轴肩定位故其轴径为50mm，长度为50mm。
中间轴径为47.5mm，长度为70mm。
图3-10主轴设计图
3.1.4压缩成型系统的校核
压缩成型系统的校核主要为模孔强度的校核和主轴的校核。
1、模孔强度的校核
由图3—3模孔受力分析知作用于物料在轴向压应力
模孔径向压应力
模孔切向摩擦力
均按指数规律沿模孔长度变化。
在压模内表面处达到最大值，以后逐渐衰减，到模孔末端达到最小值。
所以只要满足物料作用于内表面的轴向压应力和径向压应力小于材料的许用应力即可。
经过试验所选模孔壁厚t满足要求。
2、主轴的校核
主轴的校核首先判断危险截面，通过分析轴各段的受力以及自身的尺寸情况知中间段轴径为47.5mm段为危险截面，故只需校核此截面。
主轴用45钢，由于弯矩相对转矩较小（只受自重的弯矩），且载荷平稳，故取[
]=45MPa。
轴传递的转矩
P1――――轴传递给压辊的功率，kW；
n1――――压辊轴的转速，r/min；
轴的抗扭界面系数
截面上的扭转切应力为
[
]―――轴材料的许用切应力，45MPa。
所以轴的尺寸和材料满足设计的要求。
3.2粉碎系统设计
3.2.1粉碎机产量计算及基本参数确定
粉碎机产量按照设计任务书，设备成品颗粒（颗粒产品最大直径23mm）产量最大为240kg/h，因此，粉碎机的产量应不小于300kg/h。
颗粒成品的直径为23mm，参考相关文献，原料的粉碎粒度应为成品直径的0.5倍–0.8倍。
考虑到田间作业，原料的均匀性非常差，秸秆根部与顶部的水份含量在收获后的不同时间段差别非常大。
这会对原料的成型造成影响，因此，原料的粉碎粒度应减小，以减小由于水份含量不均对于成型的影响。
因此，我们取原料粉碎粒度小于成品颗粒直径的0.5倍，即小于12mm。
粉碎机的动力消耗，参考JB/T9822–2008饲草粉碎机技术条件，在饲草含水率小于15%，筛孔直径为3mm时，每千瓦小时的生产率应该大于等于40kg；以及JB/T7144.1–1993青饲料切碎机技术条件，青贮玉米含水率大于或等于65%时，其单位长度千瓦小时产量应大于80kg。
由于我们的设备工作时，原料的含水量在15%-25%。
参考以上标准，我们的原料粉碎后平均粒径在12mm左右，千瓦小时的粉碎产量应不低于100kg。
因此，每小时粉碎量为300kg时，可以确定粉碎机的动力消耗在4kW·h左右。
3.2.2粉碎机确定
根据以上标准及计算，选定由辽宁省凤城市凤志机械厂生产的93ZP-1.0型多功能粉碎机，仅选其工作部分，不包括动力。
其粉碎机的主要工作性能及技术指标如下：
产品型号：
93ZP-1.0型
产品名称：
多功能粉碎机
主轴转速：
800r/min
生产能力：
≥300kg/h
适用动力：
4kW
该机型适用于农作物秸秆、草类等的粉碎加工。
农作物秸秆的铡切采用轴向喂料，物料由风力输送至贮料斗。
3.3调质与输送系统设计
3.3.1调质料斗设计
调质料斗的主要作用有两个，一是对于水份含量过于低的物料再加入适量的水份后进行搅拌，二是向压缩环模中输送物料，以保证环模中物料的数量与质量。
为了能使物料的水份含量能保持在一定范围内，在物料的水份含量不足时，可以人工向物料中加入一定的水份，然后经过输送螺旋适当的搅拌送入压膜室。
3.3.2输送系统设计
输送系统输送量的计算，由于受设备空间所限，首先确定螺旋长度与直径，然后根据产量确定节距及螺旋叶片的倾角。
其喂料量计算公式及基本参数如下：
Q=47D2φsnγC（t/h）
式中：
D–螺旋直径：
0.247m
φ–充满系数：
0.25
s–螺旋节距：
0.09m
n–螺旋转速：
63.5r/min
γ–物料容重：
0.08t/m3
C–倾斜输送修正系数：
1
Q–产量（t/h）
带入以上数据，考虑到物料容重与水份含量有关，经计算调制输送器的输送量为：
Q=328（t/h）
因此，调质输送机每小时的产量328公斤，能够满足设计要求的每小时240公斤的最大产量要求。
第四章动力传动系统设计
4.1总动力的确定
传动系统如下图。
4.2主轴与总动力轴传动设计
4.3变速箱设计
1、变速箱传动设计
2、齿轮参数及传动比计算
变速箱齿轮参数计算表
名称
符号
单位
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
齿数
Z
20
40
22
79
45
56
模数
M
4
4
3
3
3
3
压力角
α
°
20°
20°
20°
20°
20°
20°
分度圆直径
d
mm
80
160
66
237
135
168
齿顶高
ha
mm
4
4
3
3
3
3
齿根高
hf
mm
5
5
3.75
3.75
3.75
3.75
齿顶圆直径
da
mm
88
168
72
243
141
174
齿根圆直径
df
mm
70
150
58.5
229.5
127.5
160.5
基圆直径
db
mm
75.17
169.14
62.02
222.71
126.86
157.87
周节
p
mm
12.56
12.56
9.42
9.42
9.42
9.42
齿厚
s
mm
6.28
6.28
4.71
4.71
4.71
4.71
标准中心距
Aa
mm
120
120
151.5
151.5
151.5
151.5
1）环模速度及传动比计算
环模传动比
环模速度n=960xi=150r/min
2）压辊传动比计算
压模传动比
压模转速n=960xi=63.5r/min
根据以上计算，确定环模的转速为150r/min，压辊的转速为63.5r/min。
4.4主轴与粉碎系统传动设计
按照粉碎机的动力要求，动力输入采用三角带传动，转速满足其额定要求。
第五章电气控制系统
5.1电气系统设计要求
设备的电气控制系统，主要为制粒系统电气控制，粉碎系统电气控制及调制系统电气控制。
电气控制系统的总体要求如下：
-操作简便，可靠；
-运行平稳，明确表示出各个电气零部件电压、电流使用范围；
-各个机械工作部件应有安全及过载保护装置；
-各个电气元器件及线型应符合相应的工作条件及环境；
-尽量采用标准化的部件及线路。
5.2粉碎及成型系统电气设计
设计要求：
-粉碎及成型采用一键启动；
-成型部分在产生过载、塞车或异物进入的紧急情况时，整机电源切断；
-粉碎机系统在产生过载或异物进入时亦可整机电源切断，或机械上设置离合器；
-电机应配有启动、停止、点动等功能；
-配电箱应有相应的指示、仪表等显示功能，以便随时监视工作情况。
主要参考资料：
1、中国农业机械化科学研究院编农业机械设计手册中国农业科学技术出版社（上、下）2007.11
2、史仲平华兆哲译生物质和生物质能源手册化学工业出版社2007.1
3、饶应昌主编饲料加工工艺与设备2000.5
4、饲料工业标准汇编中国标准出版社（上、下）1996.11
5、吴创之马隆龙生物质能现代化利用技术化学工业出版社2003.5
6、王革华原鲲译生物质燃料用户手册化学工业出版社2007.8
7、肖波周英彪李建芬生物质能循环经济技术化学工业出版社2006.1
8、原振宏吴创之马隆龙生物质能利用原理与技术化学工业出版社2005.3
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