秸秆压块机设计 (2)（机械CAD图纸）

摘要本文论述了生物质压缩成型技术在国内外的发展历史及研究现状，并比较了各生物质压缩成型设备的优缺点。在对麦秸压块机的模辊受力情况分析基础之上，利用简化力学模型计算了麦秸压块机设计的主要技术参数，通过对其动力的设计确定电动机的选择，对碾压装置的设计计算确定电动机的功率，成型模孔的设计及其传动系统的设计，心轴的校核，键的选择及强度校核等。在此基础之上，设计了用于生产秸秆成型压块的麦秸压块机。关键词： 生物质压缩成型,力学模型,制粒机 Abstract The developing history and current research status of biomass compressive shaping technology was described in this thesis and all kinds of equipment for biomass formation were also compared. On the basis of analysis on forces exerted on flat die and rollers, main technical parameters of flat die pellet mill were calculated by applying simplified force model, Through the design of the power to determine the motor selection, For the rolling device design calculation to determine the power of the motor, the design of forming die and the design of transmission system,spindle check,selection of key and intensity,etc,On this basis,the design for the production of straw briquette, press block of flat die straw briquette machine.Keywords: biomass compression molding model die pelletizer目录摘要I1 绪论1 1.1 课题研究的背景和意义1 1.2 国内外研究综述1 1.3 生物质压缩成型机种类.9 2压块机动力学分析与计算13 2.1 压块机的工作过程13 2.2 模辊压块作用的运动学分析13 2.3 模辊压块作用的力学分析14 2.4 简化力学分析15 2.5 辊轮作用力计算163总体设计19 3.1 制粒机主要技术参数计算19 3.2 传动装置设计20 3.3 碾压装置的设.24 3.4 主轴设计计算及强度校核. 264 轴承的选择.30 4.1 轴承分类.30 4.2 轴承选择方法.31 5 结论及后续展望36 致谢37 参考文献38 1 绪论1.1 课题研究的目的和意义在农业和林业生产过程中，会产生大量的剩余物。例如，残留在农田内的农作物秸秆，农副产品加工后剩余的稻壳、 玉米芯和花生壳等， 林业生产过程中残留的树枝、 树叶、木屑和木材加工的边角料等。上述农林业生物质资源通常松散地分布在大面积范围内，堆积密度比较低，给收集、运输、储藏和应用带来了一定的困难。由此，人们提出了生物质固体成型燃料技术，即在一定温度和压力作用下，利用木质素充当粘合剂，将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状、块状或颗粒状的成型燃料。压缩后的成型燃料能源密度相当于中质烟煤，提高了运输和贮存能力；燃烧特性明显得到改善，提高了利用效率。生物质固体成型燃料技术是生物质能开发利用技术的主要发展方向之一，不仅可以为家庭提供炊事、取暖用能，也可以作为工业锅炉和电厂的燃料，替代煤、天然气、燃料油等化石能源，近年来日益受到人们的广泛关注。我国生物质能资源非常丰富，但是，作为一种散抛型低容重的能源存在形式，生物质能源具有资源分散、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点，严重制约了生物质能的大规模应用。所以生物质高品位转换技术的研究便成为人们开发利用生物质能的重点。 而近年来对生物质压缩成型技术的改进创新发展，为高效利用农林废弃物、农作物秸秆等重新提供了一条途径。1.2 国内外研究综述1.2.1生物质压缩成型技术的发展历史及研究现状生物质压缩成型技术的研究始于20 世纪初，到目前为止，世界上各个国家研究的重点还是集中在生物质压缩成型燃料的制造技术和相应燃烧设备的开发上。1.2.1.1 国外发展历史及研究现状 国外的生物质致密固化成型产品现状及发展趋势：国外生物质致密固化成型产品的发展分为三个阶段，从20世纪30-50年代为研究、示范、交叉引进阶段，研究的着眼点以代替化石能源为目标，最早是英国一家机械研究所以煤泥原料研制成的，后用于加工褐煤和精煤，逐步发展到用造纸厂的废弃物。20世纪30年代，螺旋式成型机在美国开始设计生产；同时，现代化的活塞式成型机也在瑞典、德国得到推广。以锯末为原料的燃料块在市场上有了竞争力，50年代后又相继产生以油压、水压为动力的生物质压缩成套设备以及以机械为动力滚筒式小颗粒成型设备。20世纪70-90年代为第二阶段，各国普遍重视化石能源对环境的影响，同时由于出现能源危机，生物质压缩固化成型燃料发展很快，西欧及日本等国家已成为一种产业。1984年日本已有172家工厂生产生物质压缩固化成型燃料，年总产量达26万吨。第三阶段为90年代后，首先以丹麦为首开展了规模化利用研究工作，率先研制成功了利用生物质直接燃烧发电厂，随后瑞典、德国、奥地利等过都先后开展利用生物质固化成型燃料发电和作为大型锅炉的代替燃料的研究，联合国也将此作为重点研究开发项目。美国在1993-1998年，每年生物质压缩固化成型燃料销售总量约50-60万吨，占住宅取暖需求量的0.025%；目前，已在25个州建立了树皮成型燃料加工厂，每天产量超过300吨。欧洲现有上百家固化成型燃料加工厂，瑞典2000年生物质压缩固化成型燃料的生产能力已达到100万吨，人均年耗量达160公斤。亚洲的菲律宾，越南等在2003年建立了4座以木材废弃物为原料、年产量达20万吨的大型固化成型燃料加工厂。国外生物质固化成型技术发展有以下几个特点：一是生产技术大部分已经成熟，并达到规模化和商品化；二是已由过去烧壁炉的生活用能为主转向了生产阶段；设备制造比较规范，耗能较高、成本较贵，同等生产能力的设备是国内的5-10倍在发达国家中，生物质能研究开发应用工作主要集中于气化、液化、热解、固化和直接燃烧等方面。美国2004年生物质能供应量72Mtoe，约占美国能源供应总量的3%，计划2030年达到30%。欧盟2003年欧盟25国生物质能消费量69Mtoe, 约占欧盟能源消费总量的4%，计划2010年达到8.6%。国外生物质能政策的出发点和目标：（1）保障国家能源安全，提高能源自我供给能力；（2）促进农业产业调整和农村发展，把发展“能源农业”作为实现农业转型和农村可持续发展的重要途径。（3）增加新的就业机会，把发展生物质能看作是解决本国就业问题的一个重要手段；研究表明：在工业化国家，陆上石油（包括开采、冶炼和销售）每百万吨标准有的能源需要工作岗位959个：煤炭业为925个；天然气业为430个。而生物质固体燃料业为3000-5000个；生物乙醇业为18000-28000个；生物柴油业为29000个；生物质发电业为1650个。（4）改进环境保护，把发展生物质能源看作减少CO2排放的重要措施。国外主要生物质能政策：美国（1）政府行政命令 1999年，总统克林顿签署13134号开发和推进生物及产品和生物能源的总统令，提出目前生物基产品和生物能源技术有潜力将各再生农林资源转换成能满足人类需求的电能、燃料、化学物质、药物及其它物质的主要来源。这些领域的技业和雇佣机会；为农林业废弃物建立新的市场；给未被充分利用的土地带来经济机会；以及减少我国对进口石油的依赖和温室气体的排放，改善空气和水的质量。并提出了到2010年生物基产品和生物能源扩大三倍，2020年增加十倍，每年为农民和乡村经济新增200亿美元的收入和减少一亿吨碳排放量的宏大目标。(2) 生物质能立法与政策措施2002年国会通过了生物质研究开发法案，制定了（生物质技术路线图,成立了生物质项目办公室即生物质技术咨询委员会。2002年通过了农田安全和农村地区发展法案。提出鼓励生物质发展的一些政策措施，包括；要求农业部制定政府生物质能采购政策，协调分摊生物质商业项目的成本；鼓励生物质能相关领域的教育计划；鼓励农民、农场主和农村小型实体使用可再生能源技术和产品，购买可再生能源系统等。2005年颁布（能源政策法）.它是一部综合性能源法规，规定了一系列的鼓励生物质能发展的政策措施，包括：税收激励；强制性联邦政府购买可再生能源产品配额；强制性的标准和规范；生物能产品生产和消费补贴；生物质技术研发支持；贷款担保等。(3) 政府部门有专门的生物质能发展计划 如能源部制定的美国生物质路线图；生物质能办公室管理的生物能多年计划；环保署管理的甘蔗乙醇计划。(4) 地方州政府的优惠政策美国各州和地方政府通过税收减免、低息贷款及其它的财政手段鼓励生物质能产品的生产和使用。其中有18个州和华盛顿特区对电力供应实行包括生物质在内的可再生能源配额制；14个州建立了可再生能源效益基金。 欧盟(1) 欧盟政策 通过发布一系列的政策法令。为欧盟及成员国生物质能源和其它可再生能源的开发利用提供指导。以发布的有关文件是：2001年发布的、；2003年发布的、通过欧盟能源各级计划为生物质能技术的研发、推广、示范提供资金支持。通过欧盟委员会下设的能源环保研究机构为欧盟委会及成员国的政府、研究机构、公司提供生物质资源、技术等方面的信息服务。(2) 成员国政策 欧盟成员国也以法律或联邦政府法令的方式建立起促进生物质能技术研发、投资、生产和消费的政策框架。如;德国、西班牙等15国对生物质发电实行保护性电价；德国、英国、芬兰、丹麦等11国为生物质供热提供投资补贴；瑞典、荷兰、意大利等4国为生物质供热免税。(3) 州和地方政策各国地方政府积极采取措施租金生物质嫩黄的发展。如各国的巴伐利亚洲政府把发展生物质能列为该州发展非食品农业、租金农村社会发展的重要举措，制定了州生物质能发展规划和目标。州政府整合地方基础研究、技术开发、市场营销等机构，成立了州生物质能技术开发中心。并为村落型生物质热电联产示范项目提供配套补贴资金。1.2.1.2 国内发展历史及研究现状我国从20世纪80年代引进并开始致力于生物质压缩成型技术的研究。南京林化所在“七五”期间开展了对生物质压缩成型机的研制及对生物质成型理论的研究；湖南省衡阳市粮食机械厂于1985年研制了第一台ZT-63型生物质压缩成型机；江苏省连云港东海粮食机械厂于1986年引进了一台OBM-88棒状燃料成型机；1990年前后，陕西省武功县轻工机械厂， 河南工艺包装设备厂等单位先后研制和生产了几种不同规模的生物质成型机和碳化机组；1994 年湖南农大、中国农机能源动力所分别研究出PB-1 型、CYJ -35 型机械冲压式成型机；1997 年河南农业大学又研制出HPB-1型液压驱动活塞式成型机；2002年中南林学院也研制了相应设备。目前我国成型机的生产和应用已形成了一定的规模，热点主要集中在螺旋挤压成型机上，但是，仍然存在着诸如成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短电耗大等问题，因此有待于进一步深入研究。 中国从20世纪80年代引进螺旋推进式秸秆压块机，生物质压缩成型技术的研究开发已有二十多年的历史。南京林业化工研究所在“七五”期间设立了对生物质压缩成型机及生物质成型理论研究课题，湖南省衡阳市粮食机械厂为处理粮食剩余谷壳，于1985年根据国外样机试制了第一台ZT-63型生物质压缩成型机。江苏省连云港市东海粮食机械厂于1986年引进了一台OBM-88棒状燃料成型机1990年以后，陕西武功轻工机械厂，湖南农村能源办公室以及河北正定县常宏木炭公司等单位先后研制和生产了几种不同规格的生物质成型机和炭化机组，1998年初，东南大学，江苏省科技情报所和国营9305厂研制出了“MD-15”型固体燃料成型机。20世纪90年代期间河南农业大学，中国农机能源动力研究所分别研究出PB-I型机械冲压式成型机，HPB系列液压驱动活塞式成型机，CYJ-35型机械冲压式成型机，进入21世纪，中南林学院，辽宁省能源研究所研制的颗粒成型机，南京林产化工研究所研制的多功能成型机，河南农业大学机电工程学院研制的活塞式液压成型机，在国内都已形成或正在形成产业化。 尽管引进和研究的有很多种生物质成型机械，但我国发展的压缩成型机基本上就两种：螺旋挤压成型机和液压冲压成型机，国内螺旋挤压成型机在运行的曾有800多台，生产能力多在100200kg.t-1之间，电机功率7.518kW，电加热功率24kW，生产的成型燃料大多为棒状，直径5070mm，单位产品电耗70100kWh.t-1，目前这些设备大都停止了运行，主要原因是：以木屑为原料，市场和资源的针对性差，成本高。螺旋挤压设备磨损严重，维修周期短(6080h)，耗能高。由此看来螺旋式成型机的关键技术是螺杆的使用寿命。由辽宁省能源研究所用特种材料研制的螺杆已经问世，其连续使用时间已达500小时，但成本相当高，而液压式生物质成型机是液压驱动活塞冲压成型，其运行性能稳定，延长了易损件的使用寿命；2002年河南农业大学环境与能源工程系研究的第三代液压驱动式(HPB-III型)，是双头活塞式秸秆成型机，解决了螺旋挤压式成型机存在的螺杆磨损快问题，技术基本成熟。1.2.2生物质压缩成型原理植物质原料中含有纤维素、半纤维素、木素、树脂和蜡等物质。一般在阔叶木、针叶木中，木素含量为2732%(绝干原料)、禾草类中含量为1425%。现在知道木质素是具有芳香族特性的结构，单体为苯基丙烷型的立体结构高分子化合物，不同种类的植物质都含有木质素，而其组成、结构不完全一样。在常温下木质素主要部分不溶于有机溶剂，它属于非晶体，没有熔点但有软化点，当温度为70110时软化具有粘性。当温度到达200300时成熔融状，粘性高，此时加以一定的压力使植物质各部分粘结在模具内成型。对植物质原料加热软化，也利于减少成型的挤压力。燃料可按用户要求，使用不同规格的模具，制成多种规格尺寸的成型燃料品。因此现代的压缩成型设备，尤其是生物质成型块较大的机械，多在成型模的末端，用电阻丝加热，达到既成型又减少阻力的目的。由于植物生理方面的原因，生物质原料的结构通常都比较疏松，密度较小。这些质地松散的生物质原料在受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历重新排列位置关系、颗粒机械变形和塑性流变等阶段。体积大幅度减小，密度显著增大。由于非弹性或粘弹性的纤维分子之间的相互缠绕和绞合，在去除外部压力后，一般不能再恢复原来的结构形状。对于木质素等粘弹性组分含量较高的原料，如果在成型温度达到木质素的软化点，则木质素就会发生塑性变形，从而将原料纤维紧密地粘结在一起，并维持既定的形状，成型燃料块经冷却降温后，强度增大，即可得到燃烧性能类似于木材的生物质成型燃烧块；对于木质素含量较低的原料，在压缩成型过程中，加入少量的诸如粘土、淀粉、废纸浆等无机、有机和纤维类粘结剂，也可以使压缩后的成型块维持致密的结构和既定的形状。因为这些粘结剂加入后，生物质粒子表面会形成一种吸附层，使颗粒之间产生一种引力(即范德瓦尔斯力)，同时在较小外力作用下粒子之间也可产生静电引力(Electrostatic forces)致使生物质粒子间形成连锁(Interlocking)结构。被粉碎了生物质粒子在外压力和粘结剂作用下，重新组合成具有一定形状的生物质成型块，这种成型方法需要的压力比较小。对于某些容易成型的材料则不必加热，也不必加粘结剂，但在粉碎颗粒需要细小，结构成型压力需要大，滚筒挤压式小颗粒成型实际就是这种类型。1.2.3 生物质压缩成型工艺生物质压缩成型在加工方式上可分为冷压成型与热压成型，干态成型与湿压成型， 以及加粘结剂或不加粘结剂。根据主要工艺特征的差别，可将这些工艺从广义上分为常温湿压成型、热压成型和碳化成型和冷压态成型。（1） 常温湿压成型工艺常温湿压成型工艺常用于含水量较高的原料。纤维类原料经一定程度的腐化后，会损失一定能量，但是其挤压、加压性能会有明显改善。纤维类原料在常温下，浸泡数日水解处理后，其压缩成型特性明显改善，纤维变得柔软、湿润皱裂并部分降解，易于压缩成型。利用简单的模具，将部分降解后的农林废弃物中的水分挤出，即可形成低密度的压缩成型燃料块。这一技术在泰国、菲律宾等国得到一定程度的发展，所生产的成型燃料块平均热值约23KJ/kg，被当地称为“绿色碳”，在燃料市场上具有一定的竞争能力。常温湿压成型一般设备比较简单，容易操作，但是成型部件磨损较快，烘干费用高， 多数产品燃烧性能较差。（2） 热压成型工艺热压成型工艺是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。其工艺流程为：原料粉碎干燥混合挤压成型冷却包装。热压成型技术发展到今天，已有各种各样的成型工艺问世，总的看来可以根据原料被加热的部位不同，将其划分为两类：一类是原料只在成型部位被加热，称为“非预热热压成型工艺”；另一类是原料在进入压缩机构之前和在成型部位被分别加热，称为“预热热压成型工艺”。两种工艺的不同之处在于预热热压成型工艺在原料进入成型机之前对其进行了预热处理，这样降低了成型所需压力，从而大幅度提高了成型部件的使用寿命，显著降低了单位能耗。（3）炭化成型工艺根据工艺流程不同，炭化成型工艺又可分为两类，一类是先成型后炭化；一类是先炭化后成型。1先成型后炭化工艺工艺流程为：原料粉碎干燥成型炭化冷却包装。先用压缩成型机将松散碎细的植物废料压缩成具有一定密度和形状的燃料棒，然后，用炭化炉将燃料棒炭化成木炭。2先炭化后成型工艺工艺流程为：原料粉碎除杂炭化混合粘结剂挤压成型成品干燥， 包装。先将生物质原料炭化成粉粒状木炭，然后再添加一定量的粘结剂，用压缩成型机挤压成一定规格和形状的成品木炭。由于原料纤维结构在碳化过程中受到破坏，高分子组份受热裂解转换成炭并释放出挥发份，使其挤压成型特性得到改善，成型部件的机械磨损和挤压过程中的能量消耗降低。 但是，炭化后的原料在挤压成型后维持既定形状的能力较差，贮运和使用时容易开裂和破碎，所以压缩成型时一般要加入一定量的粘结剂。 如果在成型过程中不使用粘结剂，要保证成型块的贮存和使用性能， 则需要较高的成型压力，这将明显提高成型机的造价。（4） 冷压成型工艺生物质冷压成型工艺即在常温下将生物质颗粒高压挤压成型的过程。其粘接力主要是靠挤压过程所产生的热量，使得生物质中木质素产生塑化粘接。冷压成型工艺一般需要很大的成型压力，为了降低成型压力，可在成型过程中加入一定的粘结剂。如果粘结剂选择不合理，会对成型燃料的特性有所影响，因此在冷压成型工艺中，粘结剂的选择是致关重要的。1.3 生物质压缩成型设备目前，国内外最常见的成型设备是螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式颗粒成型机。1.3.1 螺旋挤压式成型机螺旋挤压式成型机利用螺杆挤压生物质，靠外部加热，维持成型温度150300使木质素、纤维素等软化，挤压成生物质压块。为避免成型过程中原料水份的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生，一般将原料的含水率控制在812%之间， 成型压力的大小随原料和所要求成型块密度的不同而异，一般在490012740Pa 之间， 成型燃料形状通常为直径5060mm的空心燃料棒。螺旋挤压式成型机开发应用最早，当前应用最为普遍。这类成型机运行平稳、生产连续性好，主要问题是螺杆磨损严重、使用寿命短以及单位产品能耗高。为了解决螺杆首端承磨面磨损严重这一问题，现在大多采用喷焊钨钴合金，焊条堆焊618或碳化钨， 或是采用局部渗硼处理和振动堆焊等方法对螺杆成型部位进行强化处理。如图1-1所示。 图1-1 螺旋式挤压成型机构1.3.2 活塞冲压式成型机 活塞冲压式成型机的成型是靠活塞的往复运动实现的。按驱动力不同分为机械式和液压式两种。机械式冲压成型机是利用飞轮储存的能量. 通过曲柄连杆机构，带动冲压活塞，将松散的生物质冲压成生物质压块。液压式冲压成型机是利用液压油缸所提供的压力，带动冲压活塞使生物质冲压成型。冲压式成型机通常用于生产实心燃料棒或燃料块，所得的产品是压缩块其密度介于0.81.1之间。其中液压式冲压成型机对原料的含水率要求不高，允许原料含水率高达20%左右。活塞冲压式成型机通常不用电加热，成型物密度稍低，容易松散，与螺旋挤压式成型机相比，明显改善了成型部件磨损严重的问题，但由于存在较大的振动负荷，所以机器运行稳定性差，噪音较大，润滑油污染也较严重。如图1-2 所示。 图 1-2 活塞式挤压成型机构示意图1.3.3 压辊式颗粒成型机压辊式成型机的基本工作部件由压辊和压模组成。其中压辊可以绕自己的轴转动。 压辊的外周加工有齿或槽，用于压紧原料而不致打滑。压模有圆盘或圆环形两种，压模上加工有成型孔，原料进入压辊和压模之间，在压辊的作用下被压入成型孔内。从成型孔内压出的原料就变成圆柱形或棱柱形，最后用切断刀切成颗粒状成型燃料。用压辊式成型机生产颗粒成型燃料一般不需要外部加热，可根据原料状况添加少量粘结剂，对原料的含水率要求较宽，一般在1040%以下均能很好成型，颗粒成型燃料的密度为1.01.4。压辊式成型机主要用于大型木材加工厂木屑加工或造纸厂秸秆碎屑的加工。如图1-3所示 图 1-3 环模式挤压成型机构示意图1.3.4生物质压缩成型设备性能比较 图1-4设备性能比较技术 类型原料要求发展现状主要优缺点发展趋势环模压辊成型要求原料含水率1520%，粒度小于10mm。在成型物料行业已经商业化阶段，成型燃料处于半商业化阶段。生产能力较高，产品质量好；模具易损、堵塞，维修成本较高。降低成本， 实现商业化压辊成型要求原料含水率1520%，粒度小于10mm。技术比较成熟，进入商业化发展阶段。设备简单，制造成本较低；生产能力较低。适宜小规模生产对辊挤压成型要求原料含水率1035%，粒度小于10mm。技术处于研发阶段。对原料的适应性强，能耗、机器损耗较低；生产能力较低。提高生产能力，适宜中小规模生产机械活塞成型要求原料含水率在20%以内，粒度小于40mm。技术处于半商业化、商业化阶段。能耗较低，产品耐储存、密度大；设备稳定性差、振动大，有润滑污染问题。配套锅炉， 适宜规模化发展。液压活塞成型要求原料含水率在12%以内，度小于40mm。技术处于商业化阶段成型设备部件工作方式改变，寿命提高，能耗下降，较之机械活塞运行平稳； 生产能力较低，易发生“ 放炮” 现象，产品易开裂。提高生产能力，增强对原料湿度的适应性，适宜规模化发展。螺旋热压成型要求原料含水率在8%12%内，粒度小于40mm。技术进入半商业化、商业化阶段。产品耐储存、密度高，可加工成各种形状；套筒易磨损，维修成本较高， 对原料适度要求严，易发生“放炮” 现象。适宜中小规模生产 2压块机动力学分析与计算2.1 制粒机的工作过程立式挤压制粒机的制粒是在辊轮下的模板孔中完成。辊轮安装在十字辊轮架上，辊轮架与主轴用花键联接，多孔模板处在辊轮下面，并与辊轮底边有一间隙，当主轴旋转时带动辊轮架转动，当模板上布了一层物料时，靠辊轮圆周面与物料面的摩擦，使辊轮转动起来，即辊轮架公转，辊轮自转，模板上一层料随辊轮自转而被碾压入模板小孔中，料不断布在模板上，辊轮一次次碾压过，圆柱状条料从模板下面挤出，由旋转割刀切成短柱状领粒，落到转动的出料盘上，依靠离心力从切线方向甩出，经熟化包装。制粒机主电机经V带轮一级减速后，再经圆锥齿轮进行二级减速，并转变为垂直方向的主轴转动，带动辊轮架、辊轮及其它部件旋转，完成挤压制粒的工作。2.2 模辊制粒作用的运动学分析制粒机工作过程中模辊运动情况如图3-1所示，压辊与压模作相向运动。压辊作平面运动，在随同压辊轴作圆周运动的同时绕轴自转，压模作绕轴转动。散状物料在压辊和压模跳作用下 ，经过压缩进入模孔，压实后成柱状挤出，由切刀切割成圆柱形颗粒。在制粒过程中，压模的转速为，压辊的转速为。压辊相对于压模的运动，不仅有滚动，亦有滑动，其滚动方式和速度的大小随着物料压实均匀度的变化和着力点的不同而变化。图2-1 制粒机模辊运动分析图当沿压辊轴向作用半径处为压实着力点时，沿压辊轴向作用半径R处辊模间的相对滑动速度V为 当时，V值为零，压辊处于纯滚动状态。当时，V为正值，压辊以处的转动速度转动，压辊相对于压模转动线速度小于纯滚动所要求的速度，压辊相对于压模做一部分无转动的平移滑动，以补偿转动线速度不足。其速度V值的大小，随着R的增加而增加，在处达到最大值，即在压模最外圈辊模间的于移滑动速度最大。当时，V为负值，压辊同样以处的转动速度转动 ，压辊相对于压模的转动线速度大于纯滚动所要求的速度 ，压辊相于压模作做一部分无行程空转滑动，以减消转动线速度的超出部分。其速度V绝对值的大小，随着R的减小而增加，在处达到最大值，即在压模最内圈辊模间的空转滑动速度最大。2.3 模辊制粒作用的力学分析制粒机的制粒理论研究表明，松散粉状物料压制成硬颗粒物料的过程，是一个热力学粘附和微粒间引力通过施加外界压力使粉状微粒变形、粘合、密结的过程，最后形成保持一定密度和硬度的硬颗粒。其制粒质量除取决于粉状物料的组成和物化状态外，主要还取决于制粒过程中辊模间的作用力。图2-2为制粒机压辊任一截面处，制粒过程模辊作用受力示意图。在颗粒压制过程中，松散的粉状物料从A点进入模辊挤压空间，并随着压辊的转动，被挤紧压实，压力和密度逐渐增加，在压力克服了模孔与物料的间的摩擦力时，从模孔中挤压出来，C点完成整个压制过程。 图2-2模辊作用受力示意图如图2-2所示，制粒机颗粒压制过程中，压辊轴向任一截面处，作用于压辊上的力有轴心O 处主动力的水平分力P和垂直分力Q在压辊喂料角范围内的AC弧上，分布着单位长度上为N的径向反力和单位长度为F的切向摩擦反力。作用于被压制物料上的力有：在弧上分布着和N、F大小相等方向相反的作用力和，在物料与压模接触线CD上，分布着单位长度上为T的接触反力和单位长度上为S的摩擦反力。其中单位长度上的反力N、F、S和T随着作用角的变化而变化其大小是作用角的函数，即，图2-2中所示作用力N和F是任一作用角为，压辊上B点处单位长度上的作用力，压辊整个圆弧AC上的作用力在水平方向的分力和垂直方向的分力应为：在模辊作用制粒过程中，压辊轴向任一截面，任一瞬时，各个作用力平衡关系式为：被压制物料上的各作用力平衡关系式为：上述各式是压辊和物料在模辊作用过程中各作用力临界平衡关系式，随着截面运动状态的改变，各作用力的大小和平衡关系将产生变化，从而引起模辊制粒工况的变化。2.4 粒作用的简化力学模型2.4.1 简化力学分析如图2-2所示辊轮与物料接触段弧长的圆心角为。由图可见，辊轮周向上各点对物料的压力是不同的，辊轮最低点，即=0处，压力最大，随着的增大，压力逐渐减小，当=时，压力降为零。假设辊轮宽度方向压力无变化，取单位宽度的辊轮进行分析。辊轮与物料的接触部位作用着两个力。（1）物料对辊轮的压力N，沿辊轮径向；（2）物料与辊轮之间的摩擦力F，沿辊轮切向 （1）式中为辊轮与物料之间的摩擦系数。当=0时，压力和摩擦力达到最大值， （2）式中为最大挤压应力，应能满足挤出物料并使颗粒达到强度要求。当时，压力和摩擦力为最小值， （3）考虑到与物料压缩量的关系和物料压缩量与挤压力之间的关系，为简化计算，在攫取角度0与之间时，假设压力沿成线性分布，即 （4）2.5 辊轮作用力计算2.5.1 压力N在水平和垂直方向之合力建立X、Y直角坐标系，X方向为水平方向，Y方向为垂直方向。N在水平和垂直方向的投影为： （5）辊轮和物料的整个接触区域内，N在水平和垂直方向之合力为 （6）2.5.2 摩擦力F在水平和垂直方向的合力F在水平和垂直方向的投影分别为 （7）在辊轮和物料的整个接触区域内，F在水平和垂直方向的合力为 （8）式中R为辊轮半径。2.5.3 挤压力和主轴功率的计算前面分析了单位宽度的辊轮受力情况，考虑辊轮宽度和个数，所有辊轮的N、F在水平方向、垂直方向的合力分别为 （9）式中W为辊轮宽度。将（6）、（8）式代入上式得 （10）垂直合力是辊轮对物料的总挤压力，水平合力对主轴产生扭矩，由此可推算出主轴功率，即制粒所消耗的功率。主轴扭矩为 （11）式中L为主轴轴心至合力作用点距离，即辊轮的公转半径。主轴功率为 （12）式中T为功率，单位kwM为主轴扭矩，单位Nm为主轴转速，单位rpm。 3 压块机设计3.1 压块机主要技术参数计算3.1.1 挤压力计算为计算挤压力和主轴扭矩，初步确定如下设计参数：辊轮直径R=185mm，宽度W=31mm，辊轮公转半径L=231mm ，间隙H=0.15mm。根据浙江工业大学高增梁教授对制粒机制粒力学模型的研究，取=45MPa，=0.2根据公式（10）得到： 3.1.2 主轴扭矩和功率计算根据公式（11）得主轴扭矩 根据公式（12）主轴功率3.1.3 生产能力确定模板上有效布料面积是辊轮架旋转时，辊轮所压过的面积，该面积是一圆环，大小为： mm2 (13) 式中L为辊轮的公转半径，即主轴轴心至辊轮面中线的径向距离 W为辊轮宽度。假如只有一个辊轮压过模板上高度为的料层，并全部挤入孔中，主轴转一圈，压入孔中的物料质量为： (14)式中S为模板上有效布料面积 为物料层高度取 为物料的密度。该制粒机具有2个辊轮，则每小时压入孔中的物料重量为： (15)3.2 传动装置设计3.2.1 电动机的选择和传动比分配经过分析可知，电动机所输出的能量大部分供给了主轴旋转所需的能量，另一小部分能量供给辊轮对物料的挤压以及与物料之间的摩擦，由前面的计算得出，主轴功率为，因此选用三相笼型异步电动机，型号为，电压380V，功率为30kw，转速为980减速机ZD250-6.3。初步设计的主轴转速为89，因此总传动比，采用两级减速传动。由于模板与辊轮板与辊轮间隙很小，一旦有硬物如螺钉、铁块等掉到模板上，辊轮碾压过，会产生很大挤压力和扭矩，致使电机过载，使模板辊轮表面破坏。因此第一级选用V带减速传动，用V带打滑来缓冲过大的载荷冲击。传动比。因为电动机为水平布置，而主轴为竖直方向，所以第二级采用变速箱减速传动，第三级采用圆锥齿轮传动。3.2.2 第一级减速传动（1）确定计算功率=P式中：P传递的额定功率（即电动机的额定功率），单位kw工作情况系数根据工况条件，选择所以，（2）选择带型根据计算功率和小带轮的转速，选择普通V带C型（3）确定带轮基准直径和根据V带类型和最小基准直径，选取=200mm验算V带的速度，V=12.82m/s，符合要求从动轮基准直径根据V带轮的基准直径系列表，确定基准直径如下：，（4）确定中心距a和带的基准长度由，确定根据带的基准长度计算公式从而选取V带基准长度再根据来计算实际中心距（5）验算主动轮上的包角，满足要求（6）确定带的根数z考虑包角不同的影响系数，简称包角系数考虑带的长度不同时的影响系数，简称长度系数，单根V带的基本额定功率计入传动比的影响时，单根V带额定功率的增量（7）确定带的预紧力计算功率考虑带的长度不同时的影响系数，简称长度系数，z带的根数v带的速度（8）计算带传动作用在轴上的力（简称压轴力）Q式中：z带的根数单根带的预紧力主动轮上的包角。 图 3-1锥齿轮3.2.3 圆锥齿轮传动（1）选择材料及精度等级选用硬齿面齿轮传动，小齿轮用渗碳淬火，。大齿轮用表面淬火，选用8级精度，要求齿面粗糙度 式中为试验齿轮的接触疲劳极限应力（），为接触疲劳强度寿命系数，为接触疲劳强度最小安全系数。通过计算得（2）按齿面接触疲劳强度设计，根据公式式中K为载荷系数，为小齿轮的转矩（），u为齿数比，为材料的弹性系数，为齿宽系数，为许用接触应力。计算得（3）大齿轮齿数式中：为传动比为大齿轮的分度圆直径当两齿轮的齿面硬度HBS都小于350时，c=18；所以，取，则，取齿数比 与设计要求的传动比误差为2.6%，可用。（2）模数大端模数取标准模数（3）大端分度圆直径（4）节锥顶距（5）节圆锥角（6）大端齿顶圆直径小齿轮大齿轮 （7）齿宽（8）按照齿根弯曲疲劳强度校核 式中为试验齿轮的弯曲疲劳极限应力（），为弯曲疲劳强度寿命系数，为弯曲疲劳强度最小安全系数。通过计算得根据齿根弯曲疲劳强度校核公式 计算得，因此安全可用。3.3碾压装置的设计3.3.1的设计直径为651.3mm，厚度为70mm，在上开有32个模孔，模孔的孔径为32mm，为防止秸秆压块的开裂，在模孔的上表面开有角度为的锥度。 图 3-2 3.3.2压辊的设计压辊的直径为185mm，因为上孔径为32mm，为减小摩擦力，将与接触部分的压辊宽度设计为31mm，辊轮腹宽度为72mm。为增强压辊对物料的碾压，将辊轮设计为带齿槽的圆柱体，在压辊的圆周表面上拉有与轴线平行的条形齿，条形齿个数为29个，每个条形齿的宽度为13mm，深度为10mm，相邻齿之间的距离为7mm。 图3-3 压辊 3.3.3轴承端盖设计 图3-4 端盖铸造件结构工艺性 铸件结构设计：保证其工作性能和力学性能要求、考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求，铸件结构设计合理与否，对铸件的质量、生产率及其成本有很大的影响。1.设计的主要问题和设计要求 箱体设计首先要考虑箱体内零件的布置及与箱体外部零件的关系，如车床按两顶尖要求等高，确定箱体的形状和尺寸，此外还应考虑以下问题：满足强度和刚度要求。对受力很大的箱体零件，满足强度是一个重要问题；但对于大多数箱体，评定性能的主要指标是刚度，因为箱体的刚度不仅影响传动零件的正常工作，而且还影响部件的工作精度。散热性能和热变形问题。箱体内零件摩擦发热使润滑油粘度变化，影响其润滑性能；温度升高使箱体产生热变形，尤其是温度不均匀分布的热变形和热应力，对箱体的精度和强度有很大的影响。结构设计合理。如支点的安排、筋的布置、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高箱体的强度和刚度。工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。、造型好、品质小。2.铸件的外形应尽可能使铸件的分型面数目最少。 铸件的分型面数目减少，不仅减少砂箱数目、降低造型工时，还可以减少错箱、偏芯等的机会，提高铸件的尺寸精度。3.在铸件上设计结构斜度在铸件的所有垂直于分型面的非加工面上，应设计有结构斜度3.4 主轴的设计计算及校核3.4.1传动轴的临界转速 长度一定时，传动轴断面尺寸的选择应保证传动轴有足够的强度和足够高的临界转速。所谓临界转速，就是当传动轴的工作转速接近于其弯曲固有振动频率时，即出现共振现象，以致振幅急剧增加而引起传动轴折断时的转速。传动轴的临界转速nk（r/min）为，安全系数K取2.0，适用于一般精度的伸缩花键则有 （为发动机转速） ， 3.4.2传动轴计算转矩 3.4.3传动轴长度选择 根据轴距3300mm，初选传动轴支承长度为 mm，花键轴长度应小于支承长度，满足万向节与传动轴的间隙要求，取花键轴长度为3.4.4传动轴管内外径确定得又初取 ， 则Lc为传动轴长度（mm），即两万向节中心之间的距离；dc和Dc分别为传动轴轴管的内、外径（mm）3.4.5传动轴扭转强度校核 由于传动轴只承受扭转应力而不承受弯曲应力，所以只需校核扭转强度，根据公式有 （为轴管许用扭转应力）上式说明设计参数满足扭转强度要求3.4.6花键内外径确定 取安全系数2.27，则 为许用扭转应力 为花键转矩分布不均匀系数，取1.3 花键外径 花键内径 为花键有效工作长度 B为键齿宽 为花键齿数 由于花键齿侧许用挤压应力较小，所以选用Lh较大尺寸的花键，查GB/T1144-2001，取,，。3.4.7花键挤压强度校核 当花键齿面硬度为35HRC时，许用挤压应力为则,满足花键挤压强度。3.4.8传动轴形位公差确定 通过查手册中轴的公差及基本偏差表，确定轴选用配合e7，此配合适用于有明显间隙、易于转动的支承配合，花键根据手册查得dh为f7，Dh为a11，B为d10，由此可确定轴的外径和内径分别为mm mm，花键外径跟内径分别为，。传动轴总成的不平衡是传动系弯曲振动的一个激励源，当高速旋转时，将产生明显的振动和噪声。万向节中十字轴的轴向窜动、传动轴滑动花键中的间隙、传动轴总成两端连接处的定心精度、高速回转时传动轴的弹性变形、传动轴上点焊平衡片时的热影响等因素，都能改变传动轴总成的不平衡度。提高滑动花键的耐磨性和万向节花键的配合精度、缩短传动轴长度并增加其弯曲刚度，都能降低传动轴的不平衡度。为了消除点焊平衡片的热影响，应在冷却后再进行动平衡检验。传动轴的不平衡度，对于所设计的货车，在10004000r/min时不大于50100g 。传动轴总成的径向全跳动不大于0.8mm。轴管两端的摆差在其两端不大于0.5mm。 图 3-4 主轴 4 轴承的选择4.1轴承分类4.1.1圆锥滚子轴承有圆锥形内圈和外圈滚道，圆锥滚子排列在两者之间。所有圆锥表面的投影线都在轴承轴线的同一点相聚。这种设计使圆锥滚子轴承特别适合承受复合（径向与轴向）负荷。轴承的轴向负荷能力大部分是由接触角决定的；角度越大，轴向负荷能力就越高。角度大小用计算系数e来表示；e值越大，接触角度越大，轴承承受轴向负荷的适用性就越大。4.1.2深沟球轴承 通常是分离型的，即由带滚子与保持架组件的内圈组成的圆锥内圈组件可以与圆锥外圈（外圈）分开安装。深沟球轴承（Deep Groove Ball Bearings）是滚动轴承中最为普通的一种类型。基本型的深沟球轴承由一个外圈，一个内圈、一组钢球和一组保持架构成， 深沟球轴承类型代号为6。深沟球轴承主要用于承受纯径向载荷，也可同时承受径向载荷和轴向载荷。当其仅承受纯径向载荷时，接触角为零。当深沟球轴承具有较大的径向游隙时，具有角接触轴承的性能，可承受较大的轴向载荷 。深沟球轴承的摩擦系数很小，极限转速也很高， 特别是在轴向载荷很大的高速运转工况下，深沟球轴承比推力球轴承更有优越性。4.1.3角接触轴承 角接触球轴承的钢珠与内外圈接触点的连线与径向成一角度。接触角度一般分为15、30、40，分别用字母C、A、B表示，NSK特别生产接触角度为25的此类轴承，用A5表示。角接触球轴承主要承受较大单向轴向负荷，接触角度越大，承受负荷能力越大。保持架材料有钢板、黄铜或工程塑胶，成型方式有冲压或车削，视轴承形式或使用条件不同而选用。其它尚有组合角接触球轴承、双列角接触球轴承及四点接触球轴承。可同时承受径向负荷和轴向负荷。能在较高的转速下工作。接触角越大，轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取15 度接触角。在轴向力作用下，接触角会增大。单列角接触球轴承只能承受一个方向的轴向负荷，在承受径向负荷时，将引起附加轴向力。 并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移。若是成对双联安装，使一对轴承的外圈相对，即宽端面对宽端面，窄端面对窄端面。这样即可避免引起 附加轴向力，而且可在两个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内。 角接触球轴承因其内外圈的滚道可在水平轴线上有相对位移，所以可以同时承受径向负荷和轴向负荷联合负荷（单列角接触球轴承只能承受单方向轴向负荷，因此一般都常采用成对安装）。 保持架的材质有黄铜、合成树脂等，依轴承形式、使用条件而区分。4.2轴承选择的方法 能否正确选用滚动轴承，对主机能否获得良好的工作性能，延长使用寿命；对企业能否缩短维修时间，减少维修费用，提高机器的运转率，都有着十分重要的作用。因此，不论是设计制造单位，还是维修使用单位，在选择滚动轴承时都必须高度重视。 一般来说，选择轴承的步骤可能概括为： 1. 根据轴承工作条件（包括载荷方向及载荷类型、转速、润滑方式、同轴度要求、定位或非定位、安装和维修环境、环境温度等），选择轴承基本类型、公差等级和游隙； 2. 根据轴承的工作条件和受力情况和寿命要求，通过计算确定轴承型号，或根据使用要求，选定轴承型号，再验算寿命； 3. 验算所选轴承的额定载荷和极限转速。 选择轴承的主要考虑因素是极限转速、要求的确良寿命和载荷能力，其它的因素则有助于确定轴承类型、结构、尺寸及公差等级和游隙工求的最终方案。 4.2.1 类型选择 各类滚动轴承具有不同的特性，适用于各种机械的不同使用情况。选择轴承类型时， 通常应考虑下列因素。一般情况下：对承受推力载荷时选用推力轴承、角接触轴承，对高速应用场合通常使用球轴承，承受重的径向载荷时，则选用滚子轴承。总之，选用人员应从不同生产厂家、众多的轴承产品中，选用合适的类型。 1 轴承所占机械的空间和位置 在机械设计中，一般先确定轴的尺寸，然后，根据轴的尺寸选择滚动轴承。通常是小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承。但是，当轴承在机器的直径方向受到限制时，则选用滚针轴承、特轻和超轻系列的球或滚子轴承；当轴承在机器的轴向位置受到限制时，可选用窄的或特窄系列的球或滚子轴承。