固体物料颗粒造粒机的设计.docx
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固体物料颗粒造粒机的设计
1引言-1-
1.1课题的背景及意义-1-
1.1.1生物有机肥的作用-1-
1.1.2固体废弃物的处理-1-
1.2课题相关技术的国内外发展概况-2-
1.3课题的研宄内容-3-
2设计任务书-3-
3设计计算说明书-4-
3.1挤压式平模造粒机的工作原理-4-
3.2挤压式平模造粒机的总体设计-4-
3.2.1挤压式平模造粒机具体机型的选择-5-
3.2.2辊轮个数的确定-5-
3.2.3切刀安装方式和切刀数目的确定-6-
3.2.4电动机的安装方式及传动减速方式的确定-6-
3.3挤压式平模造粒机的动力设计-7-
3.3.1电动机功率计算-7-
3.3.2电动机的选择-10-
3.4挤压式平模造粒机传动组件的设计-10-
3.4.1传动组件的设计-10-
3.4.2传动组件运动参数的计算-11-
3.4.3锥齿轮组的设计计算-12-
3.4.4空心轴的校核计算-16-
3.4.5轴承的校核计算-26-
3.4.6键的选择及强度计算-27-
3.5挤压式平模造粒机造粒和出粒组件的设计-28-
3.5.1造粒组件的设计-28-3.5.2出粒组件的设计-31-
4使用说明书-32-
5标准化审查报告-32-
结论-32-
参考文献-34-
致谢-35-
-#-
华天design
1引言
1.1课题的背景及意义
1.1.1生物有机肥的作用
生态有机肥营养元素齐全，能够改良土壤，改善使用化肥造成的土壤板结。
改善土壤理化性状，增强土壤保水、保肥、供肥的能力。
生物有机肥中的有益微生物进入土壤后与土壤中微生物形成相互间的共生增殖关系，抑制有害菌生长并转化为有益菌，相互作用，相互促进，起到群体的协同作用，有益菌在生长繁殖过程中产生大量的代谢产物，促使有机物的分解转化，能直接或间接为作物提供多种营养和刺激性物质，促进和调控作物生长。
有机肥在适宜的温度、湿度、空气:
条件下，被微生物持续分解，释放出各种养分和二氧化碳供给作物吸收利用，比化肥I肥效长。
逆抗病能力降低重茬作物的病情指数，连年施用可大大缓解连作障碍。
减少环境污染，对人、畜、环境安全、无毒，是一种环保型肥料。
有机肥中的腐殖质能吸收某些农药，从而消除农药残毒及减轻重金属污染土壤，减轻土壤环境污染，改善周边生态环境[1]。
1.1.2固体废弃物的处理
来固体废弃物的排放量与日俱增，而以固废减量化、资源化、无害化为目的的固体废弃物处理与处置技术也在多元化的发展之中。
我国的农业生产中普遍存在着过量施用化肥、有机肥施用不足而导致的农业环境污染、农产品质量不高的问题。
在发展生态农业、走可持续发展道路的今天，充分地利用已有的固体废弃物，特别是富含有机质和一定量氮、磷、钾等营养元素的有机废物来发展生物有机肥技术具有相当重要的意义。
有机复合肥设备是用于对固体废弃物的无害化处理和资源化利用的专业设备。
设备采用的主要原料为禽畜粪便、菌类下脚料等有机废弃物，经过预处理、槽式发酵、混合、造粒成型、冷却包装等工序，完成连续式的有机肥工厂化生产，实现有机废弃物的无害
化处理、资源化利用。
有机复合肥设备的主要组成机器有发酵激活机、发酵槽、混合机、
造粒机、冷却包装机等。
本课题研宄的是有机复合肥的成型造粒机[2]。
1.2课题相关技术的国内外发展概况
国内外造粒技术经过发展，日渐成熟并形成了专门的学科和独立的技术。
目前世界上大型造粒机生产企业有日本两家和德国一家，日本神户制钢公司产品在中国市场的占有率非常高。
造粒技术主要有搅拌造粒法、沸腾造粒法、压力成型造粒法、热熔融成型法、喷雾干燥造粒法等[3]。
国外造粒技术较为先进，大多采用大型造粒设备，具备完善的检测监控系统，自动化程度高。
国内造粒技术多为模仿国外技术起步，同时针对国内情况加以完善和改进[4]。
粉末1所形/
封闭2滴喷iJ
□
压力物料丨等优」过容粒。
水分。
对辊式挤压机\光面对辊挤压机
华夫”面对辊挤压机
挤压造粒机
单螺杆挤压机
I双螺杆挤压机
螺杆式挤压机卧式环模挤压机
推压式挤压机■<
图]
）
（
的冷
型法,
有限，
合肥[:
料混
与过
1.3i
物，
从以
式平^最后）求和1
2设计任务书
本课题的主要设计技术参数如表2-1所示。
表2-1主要技术参数
生产率整机功率主轴转速
1.5〜2T/h22〜35kw144r/min
3设i
3.1挤
造
再次减
带动模
模板的
甩料盘
盛粒筒
3.2
-4-
我们需要确定挤压式平模造粒机具体机型，辊轮的个数，切刀安装方式和切刀数目，
传动减速方式，电动机的安装方式等。
3.2.1挤压式平模造粒机具体机型的选择
立式平模挤压机分为动辊式挤压机和动模式挤压机，两种挤压机各有优缺点[9]。
动辊式挤压机的模板固定不动，通过电动机提供动力将动力传给主轴，主轴带动辊轮组件转动，同时由于滚轮和模板之间布有固体物料进而产生摩擦力带动辊轮转动，所以形成了辊轮架公转，辊轮自转，模板上的物料随着辊轮的自转而被碾压入模板的小孔中，实现物料的挤压成型。
上不
2
o
便，i的挤
轮架固定在心轴上不动，导致动模式挤压机的结构复杂，所以造粒机的检修不方便。
同时由于模板的结构决定了动模式挤压机整机尺寸不能过大，太大的话模板所受的压力过大会导致其强度不够，模板容易失效。
先选择效率高、造粒成本较低的造粒机，即动模式挤压机。
3.2.2辊轮个数的确定
挤压造粒机的辊轮数目一般为2-5个。
辊轮个数直接影响造粒机单位小时的产量，辊轮个数越多，造粒机生产率越高，且造粒机的生产率与辊轮个数成正比[11]。
同时，辊轮个数的增多直接导致辊轮与物料面的摩擦力增大，从而使模板所需扭矩增大，这就需要选择输出功率和扭矩较大的电动机。
本次设计要求造粒机的生产率达到1.5〜2T/h，整机功率约为22〜35kw。
滚轮个数的多少将直接影响产品的质量，生产的效率和整机规模的大小，因此考虑到生产率和整机功率都比较大，优先选用多个辊轮，即4个或者是5个辊轮。
辊轮架有互相垂直的4根小轴（4轴辊轮架称为十字轴）或圆周均布的5根小轴两种，在其它条件相同时，后者比前者造粒能力大，但5根小轴制造困难、精度难以保证。
设计中各小轴轴线在垂直方向的相对高度应有精度要求，高度差引起各小轴上辊轮与模板间的隙差，不利于物料挤入模板孔中。
同样各小轴的水平度影响辊轮宽度方向与模板间隙的均匀度，也不利于物料进入模板孔中。
所以辊轮架上的小轴越多，其制造越困难，精度越低，故选择4轴辊轮架，即十字轴。
3.2.3切刀安装方式和切刀数目的确定
依靠為
实现
模板
度，
这种1碎肩f外观^E
减少
多，
机主
3.2.4
电动机采用卧式安装时，虽然占用空间较大，但是输出轴一般没有轴向载荷，不需要安装轴承，同时卧式安装的电动机振动较小，运行平稳性好。
由于是卧式安装，需要把电动机输出轴的水平旋转变为垂直旋转，同时电动机需要再次减速，综合考虑采用锥齿轮传递转速及扭矩。
-6-
电动机立式安装占用空间少，散热快，但电动机输出轴轴向载荷大，需要安装滚子轴承承受载荷，立式安装主轴和电动机轴都是垂直旋转，所以可以用圆柱齿轮或者是皮带轮减速。
立式安装主要适合小型电动机的安装，电动机较大时采用立式安装容易导致电动机振动过大，稳定性不好。
本次设计所需的电动机功率较大，尺寸较大，为了电动机运行的平稳性，采用卧式安装电动机为宜，同时使用一对锥齿轮减速传动。
3.3挤压式平模造粒机的动力设计
3.3.1电动机功率计算
力确定的。
辊轮的工作示意图如图3-2所示
h丰旲板与滚轮的间隙，h=0.10.2mm，取h=0.2mm；
R$辊轮半径，实际滚轮半径R=90mm；
w------辊轮宽度，实际滚轮宽度#=74mm；
f辊轮与有机物料之间的摩擦系数，f=0.15~0.20，取f=0.18
-7-
.辊轮对物料的挤压压强，单位为作。
对于有机物料，一般
=35~40MPa，取巧=3.5x107Pa；
l辊轮力臂，实际辊轮力臂^=135mm；
m辊轮个数，实际辊轮个数m=4；
o
n2主轴转速，实际主轴要求转速n=144r/mi
（1）计算角度炉0。
由公式coscpQ=R_（ho_h）得
1R
（3-1）
R-（h0-h）
7.25°
0.
（2；
1+
（3-2）
3.5x10x0.09x
12690#
1
（3-3）
^0+fsin中0,
1
xsin7.25°）-0.18
-cos7.25°+0.1
0.1265
3.5x107x0.09x0.074x4
58530#
-8-
式中：
Fy…辊轮对物料的总挤压力。
（3-4）
（3）主轴扭矩计算。
公式：
T2=Fxl
=12690x0.0135=1.71x106#•mm
（4）电动机功率计算
=25780F
（3-5）
邪.806202=
r
8則册
（3-6）
V=V1•V2=0.99x0.9=0.891，其中联轴器传动效率仏=0.99，锥齿"2=0.9。
30kW。
电动机的额定功率&一般略大于电动机所需的输出功率g，故选择&
3.3.2电动机的选择
电动机的选择首先是确定转速。
额定功率相同的同类型电动机由若干种转速可供设计选用。
电动机转速越高，则磁极越少，尺寸及重量越小，一般来说价格也越低；但是由于造粒机主轴转速较低，所选用的电动机转速越高，减速传动所需传动装置的总传动比必然增大，传动级数增多，尺寸及重量增大，从而使传动装置的成本增加。
兼顾电动机及传动装置，对两者加以综合分析，选择同步转速为1500r/min的电动机[14]。
锥齿轮传动的最佳传动比为u=1〜4，所以优先选择减速电动机，且减速电动机的传动比范围为2〜5。
电动机与主动锥齿轮轴通过联轴器连接，所以电动机输出轴端不需要法兰
盘。
因此选择的该减速电动机的输出转速为500r/min，输出转矩为5.39x105#•mm，传动比<=2.92。
3.4挤压式平模造粒机传动组件的设计
3.4.1
构成。
传动组件剖视图如图3-3所示
传动组件的设计
-10-
与锥齿轮轴相连的是花键半联轴器，两个半联轴器靠凸缘绞合定位和六个普通螺栓固定。
锥齿轮轴与花键半联轴器以花键定位连接，同时选用两个单列滚子轴承，用以承载锥齿轮轴的轴向作用力。
两个单列滚子轴承外径固定在轴承套上，轴承套以六个螺栓固定在箱体上。
锥齿轮轴将动力传递给从动锥齿轮，同时由于锥齿轮组的传动比，使传递的转速大大降低，达到设计要求。
从动锥齿轮周向以平键固定在空心轴上，轴向两边以套筒定位。
空心轴以滚动轴承承受载荷，其中上端的轴承主要承受周向载荷所以选用深沟球轴承，而下端既承受周向载荷也承受轴向载荷，选用单列滚子轴承[15]。
空心轴中有一心轴，两轴采用间隙配合，心轴主要用来固定造粒模块中十字轴及滚轮，同时也分担空心轴过大的周向载荷，增加空心轴的弯曲刚度。
从
螺钉，
而达
图3-4心轴足位图
3.4.2传动组件运动参数的计算
（1）空心轴和锥齿轮轴的传动比
减速电动机的输出转速为500r/min，空心轴转速为巧=144r/min，所以锥齿轮组
的传动比为：
u=500=3.43。
144
11-
既空心轴和锥齿轮轴的传动比为3.47。
（2）计算传动组件各轴的运动和动力参数各轴转速：
电动机轴\=500r/min，锥齿轮轴巧=500r/min，空心轴n2=144r/min。
各轴输入功率：
3.4.3锥齿轮组的设计计算
锥齿轮组负责传递扭矩和转速，本节根据已定的传动比和需要传递的扭矩，对锥齿轮的齿数及主要尺寸进行设计计算[17]。
图3-5为锥齿轮组的结构图。
-12-
u
Z2
17
58
（3-7）
arctan
16.34c
□
所以大齿轮分度圆锥角A=90。
-忒=90。
-16.34。
=73.66。
-13-
z
（3-8）
②按公式\=-
coso
计算锥齿轮的当量齿数，则小齿轮的当量齿数为17
17.72，大齿轮的当量齿数为
cosO1cos16.34°
o
z
O
O2
GFE2=380MPa。
S=1.3，
[
（3-9）
由公:
o
夂=謂XU=0.01365[aF]1326.92
YYl=2.12X醫=0.01538[aF]2257.23
YYYYYY
结果为>Y^Y1，故将用Y^Y2计算模数。
[^f]2[^F]1[^F]2
⑤计算锥齿轮大端模数。
4KT1
YY
1Fa21Sa2
（pR（1-0.5^r）2zfa/"2
+1
[汀F]2
4x1.1x5.46x
105
x
m>3
x0.01538
172V3.412+1
3-10）
3
1-0.5x-3
=5.37\m=5.5,
）.2丄mm
mm
（.92mm
5mm
9级
x
x
精度。
（3胺i
对于压力角^=20°的锥齿轮，齿面接触疲劳强度的校核公式为:
^[〜]
KT1
（1-0.5A）
GH=5ZE,
3-11）
-齿面接触应力（MPa）
-15-
[aH]许用接触应力（MPa）
ZE材料的弹性影响系数，查得40Cr的弹性影响系数
1
ZE=189.8MPa2。
①计算许用接触应力。
计算结果^〃<[aJ2，锥齿轮齿面接触疲劳强度符合设计要求。
3.4.4空心轴的校核计算
空心轴的结构示意图如图3-6所示。
轴左端由滚动轴承支撑，由于辊轮挤压物料对空心轴产生的部分轴向作用力以及从动锥齿轮产生的轴向作用力，滚动轴承应选择滚子轴承，本造粒机选择的是单列圆锥滚子轴承，型号为滚动轴承33121GB/T297。
为了定
-16-
从动锥齿轮通过平键与空心轴连接。
空心轴右侧用一个深沟球轴承支撑，型号为滚动轴承6324GB/T296。
在从动锥齿轮与两个轴承之间分别用一个隔套用来轴向定位。
从动锥齿轮右侧空心轴有一轴肩，定位锥齿轮的轴向右侧。
A
6
3-7）可以;T2=1.71x:
k
-K
-K
受力间图
水平
Xi
X,
水平
垂]
垂]
M2
合成
M3
转矩图
T,
图3-7空心轴的载荷分布
18
①空心轴受力分析
由于空心轴受到的水平分力与垂直分力就是主动锥齿轮所受周向力与轴向分力的反作用力，所以空心轴水平分力为：
2T
Ft=（3-13）
dm1
2x5.46x105
1.4x104#
M1
^J1（3-16）
88x丄U丄Z
89056#•mm
213Ft,、
t（3-17）
88+213
213x1.4x104
88+213=9907N
所以匕=Ft-T
=1.4x104-9907=4093N
（3-19）
2
3
6
1.71x:
2
载荷
支反力
弯矩M
总弯矩
扭矩T
②按弯扭合成应力校核轴的硬度
进行校核时，通常只需要校核危险截面的强度。
由于空心轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取折合系数a=0.6。
弯扭合成应力的校核公式为：
如:
+[ocT2）2rn,、
oca=^^<[a1]（3-20）
caw
-20-
式中：
Gca轴的计算应力（MPa）;
W——轴的抗弯截面系数（mm3）a折合系数；
⑵精确校核轴的疲劳强度
很小，不必做强度校核
[ct_1]---对称循环变应力时轴的许用弯曲应力。
截面B为危险截面，并且由于截面B受载荷较大，故而需要进行强度校核。
因此空心轴只需校核截面B左右两侧即可。
②截面B左侧
抗弯截面系数W=1.11x105mm3
抗扭截面系数WT=0.2W
-21-
=0.2x1.11x105
=2.22x105mm3
213-15213
Ma
876350x
截面B左侧的弯矩
B
814635MPa=1.71x106#•mm
-1）
（1.84-1）
（3-22）
1+
1+0.76x
1.61
（3-23）
kr=1+-1）
-22-
=1.24
取尺寸系数sa=0.6
扭转尺寸系数sT=0.78
轴按磨削加工，查得表面系数为
=275
=2.77x7.34+0.1x0=13.53
扭矩安全系数为
-23-
=155
—
（3-27）
770770
1.68x^—+0.05x^—
22
=23.27
由于SC/3>>S=1.5，可知轴安全
M
截面上的弯曲应力Gb=一二
W
=814635
1.31x105
=6.22MPa
-24-
截面上的扭转切应力tT=Tt-
Wt
=1.71x106
2.62x105=6.53MPa
由于Ka=2.77，Kt=1.68；（pa=0.1，（pT=0.05
由于Sca»S=1.5，可知轴安全。
空心轴无大的瞬间过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。
至此，轴的校核即告结束。
-25-
3.4.5轴承的校核计算
空心轴下端用滚动轴承支撑，由于空心轴轴向载荷较大，选择单列圆锥滚子轴承，现对其进行寿命校核计算。
选择的轴承型号为滚动轴承33121GB/T297，轴承的额定动载荷为
C=2.65x105#，对应的e值为e=0.42。
（3-33）
和滚轮挤压物料时产生的对空心轴的轴向压力，径向载荷为锥齿轮对空心轴径向压力的支撑反力。
=11706#
FttanacosO1
1.4x104xtan20°xcos16.34°4890#
故轴向载荷为
Fa
Fy1+F3
-26-
=11706+4890=16596#
山丁Fa16596^
由于——==1.67>e
Fr9959
所以选择径向动载荷系数和轴向动载荷系数为
J=0.4，Y=1.42
键、轴和从动锥齿轮的材料都是钢，载荷有轻微冲击，查得许用挤压应力[ap]=100〜120MPa取其平均值，[cp]=110MPa。
键的工作长度
l=L-b=56-28=28mm
-27-
k=0.5h=0.5x16=8mm
又有键传递的扭矩为
T2=1.71x106#•mm
2x1.71x106
3.5挤压式平模造粒机造粒和出粒组件的设计
3.5.1造粒组件的设计
造粒组件是平模挤压造粒机的重要组成部分，同时也是整个造粒机组成最复杂、构造最精密的组件。
造粒组件结构图如图3-8所示。
造粒机组件主要由盛粒筒迷宫、模板、内圆桶、心轴、布料器和辊轮机构等组成[19]。
模板通过平键定位与空心轴相连，随着空心轴的转动而带着物料一起转动。
内圆桶用六颗螺钉固定在模板上，内圆桶主要是限制物料的分布范围。
辊轮机构的径向由平键定位，
28-
轴向由心轴轴肩和布料器定位，其中辊轮与模板间存在0.02mm间隙。
盛粒筒迷宫以:
颗螺钉固定在空心轴上[2（）]。
布料器
料。
1被挤<让其:
轴承端盖
锁紧圆螺母
圆螺彳
上，
摩擦;轮的[轴承，
端用^
板如图3-10所示，模板上均布有通孔，通孔且径为5mm，
im，通孔成放射性排列，每两排通孔的夹角为4°。
有机,
模板是造粒机上最重要的零件之一，模板的结构直接影响成型有机肥颗粒形状。
本次设计的造粒机通孔的圆心距为
轮挤压压入模板通孔，直至被压实后从模板通孔中挤出肥颗粒形状，如果需要多种形状的有机肥颗粒，可以迭更换模板，就可以生产出所希望的有机肥颗粒形状。
模些腐蚀性强的有机肥物料，模板也很容易被腐蚀直至失需要对模板仔细清理并保养，以增加模板的使用寿命。
3.5.2
调
盘、」左右板转2栓固;整完1转动I
4使用说明书
本课题选择了减速电动机，该减速电动机的输出转速为500r/min，输出转矩为5.39X105N*mm，额定功率Pm=30kw。
插上电源打开开关，产品正常启动，使用前选择适当的润滑油，，保证其润滑性、相容性，定期更换润滑油。
先使其空转一会保证造粒机能够正常运转再投入使用。
当机器出现故障时，应切断电源拆机检查。
5标;
1
1
5
7
文件有图样完符合（GB/T1
综
动化生
经审查
结论
在发展生态农业，走可持续发展道路的今天，现代农业领域越来越重视生态种植，讲宄绿色有机无污染，所以单纯的无机化肥式种植将被逐步淘汰，而绿色有机肥会越来越受欢迎，特别是一些富含有机质还有用含有有机元素的有机肥来发展生物有机肥技术具有相当重要的意义，所以固体颗粒造粒机的研宄将具有重要的意义和市场前景。
理来生产有机肥颗粒。
本次设计从总体出发主要对其总体、各个部件及其零件进行了设计。
总体流程和结论如下：
（1）根据设计要求和阅读国内外资料确定了总体设计方案
（2）针对不同性能和功能要求，对挤压式平模造粒机各个功能组件进行研宄设计。
有动力部分、传动部分、造粒和出粒部分分别进行设计。
-32-
（3）对挤压式平模造粒机中的部分零部件如主轴、锥齿轮和轴承等关键部位的零件进行设计计算并校核，保证其功能要求和性能要求，同时绘制造粒机总装配图和零件
图。
通过本次毕业设计，我相信，只要我继续保持在这次设计中的刻苦创新精神，努力学习，不断的要求自我，改造自我，进入社会后，遇到再大的困难，我也能冷静的面对，找到解决问题的方法，不断锻炼自己，成为一个有所作为的机械人，为社会和国家服务！
参考文献
[1]李江梅,苏武峥,李苗,戴健.有机肥应用中存在的问题和产业发展对策[J].农业经济,2009,（9）:
77-78.
[2]杜娟.用有机固体废弃物生产生物有机肥[J].中国资源综合利用,2009,（9）:
22-24.
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