水滴式饲料粉碎机的实体设计

黑龙江八一农垦大学毕业论文目 录摘 要IAbstractII1.前言- 1 -1.1水滴式饲料粉碎机的发展前景- 1 -1.2三维实体设计在我国农业机械设计的作用- 6 -2.水滴式饲料粉碎机的总体设计- 8 -2.1 电动机的确定- 8 -2.2 基本结构组成- 9 -2.3 工作原理及力学分析- 9 -3.关键部件的设计- 11 -3.1 锤片的设计- 11 -3.1.1锤片的种类- 11 -3.1.2锤片的材质与热处理- 12 -3.1.3锤片数量的确定- 13 -3.1.4锤片的排列和厚度- 13 -3.1.5锤片末端线速度的确定- 15 -3.1.6锤筛间隙的确定- 16 -3.2粉碎室的形状和结构- 17 -3.2.1粉碎室的形状- 17 -3.2.2粉碎室的结构- 18 -3.3转子结构并尺寸与粉碎室宽度及改进- 18 -3.3.1转子结构并尺寸与粉碎室宽度- 18 -3.3.2转子上的改进- 19 -3.4筛片的设计- 19 -3.5电机与转子的连接- 20 -3.6旋转主轴的设计及理论校核- 21 -3.6.1主轴的设计- 21 -3.6.2旋转主轴的力学分析及理论校核- 23 -3.7滑动轴承的热平衡计算- 25 -4.整机的虚拟装配- 27 -5.水滴型饲料粉碎机的主要参数- 30 -6.结论- 30 -7.结束语- 31 -8.致谢- 31 -1. 前言1.1水滴式饲料粉碎机的发展前景改革开放以来，我国畜牧业得到了长足发展，畜牧业生产水平不断提高，主要畜产品产量持续二十多年快速增长，畜牧业已成为我国农村经济的支柱产业，也是农民增收的亮点。随着畜禽业迅速发展，我国饲料产量已达到4500万t，总产量居世界第二位。根据全国饲料发展钢要规定的目标，2000年饲料加工能力要达到11.2亿t。我国主要生产年单班产量在5万t以下的饲料加工设备，不能满足市场发展的需要。因此，应重点发展年单班产量54O万t的饲料机械，随着畜牧业的不断发展，农民对饲料机械的要求也越来越高。要重点发展的成套设备主要包括粉碎机、混合机、制粒机、冷却机、破碎机、分级筛。我国饲料工业已经发展成为国民经济中不可缺少的重要基础产业，它对人民生活水平的提高及社会的发展发挥着越来越重要的作用。国内外饲料工业的核心设备之一是饲料粉碎机，其中锤片式粉碎机扮演主角，虽然其工作性能受众多因素影响，但冲孔筛筛分效率不高导致众多问题:(l)能耗增高；(2)能量利用系数较低(约为2)40%)；(3)饲料过度粉碎影响畜禽采食及消化利用；(4)饲料环流层加剧整机工作性能下降；(5)生产能力受限，经济效益不佳，每年因此减少国民经济收入保守估计约有数百亿元，全球经济损失更是巨大。如何提高其筛分效率，国内外学者进行过很多研究，研究内容及研究进展可归纳为:(l)增大筛分面积 (2)改进吸风系统 (3)加振动装置 (4)采用破坏环流层措施 (5)采用二次粉碎工艺。在筛分过程方面，有代表性的研究是THYN和PECHLUK曾利用同位素跟踪技术研究粉碎机内物料统计运动规律，沈在春、刘承俊等学者利用高速摄影研究过两相环流的运动趋势，但筛分效率与筛型及各参数的定量关系，筛分效率与有关参数的数学模型等基础性研究未见文献报道。很多宏观而定性分析评述或试验研究文献在有关刊物到处可见。它反映出提高筛分效率是生产实践渴求解决的重大问题之一，由于前人研究对象几乎均为冲孔筛，创新程度有待加强，因而难以取得实质性突破，筛分效率问题，至今悬而未决。通过试验和研究，在对国内外大量机型分析比较后发现:冲孔筛存在一些致命弱点，如高速运动(30-90m/s)的饲料颗粒在跨跃孔径时间极短的条件下，小于或等于孔径的颗粒穿过筛孔的统计概率很小。要从根本上解决问题，应当采用新型筛才能取得突破，因此本课题直接以全新的前所未有的筛型为研究对象进行研究，争取在筛分理论方面有所创新，起码在新型筛的筛分原理及筛分效率方面提供一些新知识或新见解。高效筛的发明能从根本上解决上述问题，并给饲料工业及畜禽养殖业带来巨大的经济效益。另外，筛分作业也在其它行业得到广泛应用，如水泥、化工、医药、矿业、陶瓷、轻工、生物工程、航空航天等。所以，本课题对推动科技进步和社会发展以及国民经济和个人生活水平的提高将产生积极而深远的影响。饲料产业中最终产品是饲料，饲料在激烈的市场竞争中能否取胜，决定因素之一是饲料价格，而饲料价格与饲料加工成本密切相关。好的加工设备不仅可以提高其质量，而且还可以降低其加工成本。所以本课题的研究意义还在于:通过对新型粉碎机粉碎、筛分机理的研究、探索其内在规律、找到提高粉碎机生产率、降低饲料的生产成本、提高饲料质量的有效途径，以促进饲料粉碎的科技进步。我国每年有8000万亿吨饲料粮和1-2亿吨农作物秸杆等被粉碎加工成饲料。饲料粉碎机保有量为150万台以上，每年消耗动力为20-30亿千瓦小时。现有粉碎机能耗很大，在能源紧张的情况下，对粉碎机的高效节能研究更具有重大意义和迫切性。最近十余年来, 世界上对肉、蛋、乳的需求有很大的增长, 而每生产吨肉或蛋需要混合饲料3.54.0吨, 每吨乳需要0.3吨精料。根据估计, 全世界每年大约要用粉碎机粉碎六千万吨谷物和其他饲料。随着饲料消耗量的增加, 饲料加工机械近些年来有了很快的发展。此外, 随着科学技术的不断进展, 也为粉碎机械的改进提供了不少方便之处。例如, 采用了先进的电测仪器和高速摄影技术, 为粉碎机的性能侧定提供了方便, 弹性力学的发展为粉碎理论的建立奠定了基础, 相似理论的发展为粉碎机械的系列化设计提供了依据, 金属材料的进步为高强度耐磨部件的出现提供了可能性。饲料工业使用的粉碎设备有很多种形式。其中，锤粉碎过程的研究进展长久以来, 研究粉碎机械的一些学者们, 皆认为饲料在粉碎机内的粉碎过程,大致可分为三个步骤：（1）饲料颗粒落人粉碎室内后, 首先受到锤片的正面冲击；(2) 受冲击后的颗粒以一定的速度冲向齿板, 被弹回后再次受到锤片的冲击；(3)饲料颗粒与筛板和锤片产生摩擦，颗粒之间彼此互相碰撞。这些学者们在上述假定的基础五推导了一系列的计算公式, 大作数学游戏的文章, 对解决实际问题并没有很大帮助。此外, 在粉碎机上还有一个很重要的问题, 长久以来一直没有弄清, 那就是如果把单颗饲料放到平板上, 受到工作部件的冲击或挤压时, 只需要很小的能量就能碎裂, 但是当把饲料放到粉碎机中去粉碎时, 则往往要耗费几十倍的能量才能碎裂参这究竞是什承原因一直没能得到满意的答案。直到近些年来, 由于高速摄影技术的进步, 才有可能实地观侧粉碎机内的粉碎过程, 通过对影片的分析, 获得很多新的发现, 从而否定了许多前人所建立的假说, 提出了一些新的见解。片式粉碎机因其占地面积小、粉碎效率高、耗电量小等优点，得到了最广泛的普及应用。最早的锤片式粉碎机都只有一个运行速度，MIAG公司在上世纪50年代研制的H880型锤片式粉碎机同时配用两台转速不同的电动机，使该公司当时不仅在制粒方面，而且在锤片式粉碎领域都处于领先地位。该机型可称为第一台真正用于配合饲料工业的锤片式粉碎机。当时，人们对转子的转速3000r/min是很推崇的。在以后的数年，人们的注意力集中在降低锤片式粉碎机的工作噪声上，其主要措施之一是降低转子的转速，一般降为10001500r/min。为保持恰当的锤片末端线速度，粉碎机的转子直径必然要同时增大。Biihler-Beka公司研制了这类机型的第一代产品zinal系列粉碎机，其转子直径约为11001200mm，粉碎室宽度为350650mm。随后又有被称为大型粉碎机的产品不断问世，典型的如Lame-miag公司产品，其粉碎室直径为1200mm，筛板宽度达1100mm；Amandus kahl公司生产的Akana2000型，其转子直径为1200mm，筛板宽度1000mm，配用动力355kW；Afall/zaragoza公司的产品，其粉碎室直径达1446mm，筛板宽度达1100mm。综合各种资料可以发现，大多数锤片式粉碎机尽管有许多相同之处，但仍存在很大区别，其重要原因在于饲料厂所用原料的不同。欧洲的饲料厂多为混合粉碎（先配料后粉碎），且经常没有任何谷物原料；而大多数美国的饲料配方是以50%的玉米或小麦为基础的，很少使用难以粉碎的比如燕麦、大麦之类的谷物等，原料水分也略低于欧洲，国内的情况与后者基本相似。 大多数锤片式粉碎机都具有结构对称，转子可正反转以利用锤片两侧的特点，外形多为上部带斜角的矩形，同时水滴式的也较流行，转速为3000r/min，1500r/min左右。它们的主要区别在于美国的产品追求筛板面积大，而欧洲的讲究冲击齿板面积大。例如，美国的Champion公司及Jacobson公司等标榜自己的产品为全周筛，而欧洲最为典型的是荷兰的Van Aarsen公司的2D系列锤片式粉碎机，其冲击齿板面积几乎达整个粉碎室外周围面积的一半（占46%）。其次在于筛板的安装。美国锤片式粉碎机在安装、更换筛板时必须停机并且打开机壳才能进行，而欧洲的许多锤片式粉碎机是从轴向插入式，不需停机和打开机壳即可抽出原有筛板，插入新换筛板；还有的机型可沿轴的一端插入从另一端抽出，更进一步的还可自动遥控换筛，Van Aarsen公司的2D系列锤片式粉碎机两侧装有遥控电动换筛装置，在运行中即可更换。几乎所有的锤片式粉碎机都有一个共同的缺点，即粉碎后物料的粒度不够理想，因为饲料原料经锤片粉碎后的物料粒度分布接近于对数正态分布，也就是说粉碎后物料粒度是不均匀的。传统的锤片式粉碎机控制粉碎物料粒度的能力是有限的，虽然锤片的厚度可影响粉碎物料的粒度（较厚的锤片会产生较多的细粉，较薄的锤片粉碎物料的粒度略粗），但锤片不易经常更换，所以最初控制粉碎物料粒度的措施是采用不同筛眼的筛网或冲孔筛板等。 筛孔实际上控制的是最大粒度，粉碎物料的粒度分布仍为对数正态分布，粒度仍然不均匀。后来，有些锤片式粉碎机采用不同速度的电动机来驱动，高转速（3000r/min）用于细粉碎，低转速（1500r/min）用于粗粉碎，但这两种速度差别太大，而且研究表明锤片末端速度对粉碎物料的粒度分布、对数标准偏差的影响也不大。近年来，还有些厂家推崇采用频率控制装置来控制改善粉碎粒度的均匀度，但这类设备的价格太高，难以应用于饲料生产。 为使粉碎粒度均匀合理，从上世纪80年代初，饲料行业就开始尝试从其它行业引入循环粉碎，先粉后筛、筛后再粉的分步粉碎工艺，同时可提高粉碎产量和粉碎效率、降低粉碎电耗。在组合这些工艺时，只需将粉碎机与筛分设备按一定的关系进行组合，即在粉碎工序中增加筛分设备。这样一来，粉碎机的功能就发生了变化，在一次直接粉碎（不加设筛分设备）时粉碎机既要负责粉碎，又要负责筛出最大粒度；而在循环粉碎中，粉碎机只负责粉碎，把控制粉碎物料粒度的任务交给了相配套的筛分设备。在组合这些工艺时，多用传统的锤片式粉碎机，也有一些厂家开发了一些新型设备，如Berga公司的“能控制制粒度的粉碎机”，仿照传统的结构，将排料方式改为根据情况让待粉碎物料在粉碎室内运行一周或半周时从粉碎室内排出，这样可省去复杂的换筛装置或昂贵的双电动机，只需配以筛分装置即可准确地控制粉碎物料粒度，将不合要求的（过粗的）物料返回粉碎室。粉碎物料在粉碎室内运动半周后即被排出机外的锤片式粉碎机统称为开放式，它不仅减少了能耗和机件的磨损，而且还提高了粉碎效果和生产效率。 为避免不必要的料粒运动，还有其它变型粉碎机，如涡轮粉碎机，其特点为在粉碎室筛板的末尾或在与进料口约成270角处，使未过筛的粗粒物料沿垂直方向向上抛出粉碎室，然后靠重力作用返回粉碎区。该机型的优点是不需配备外设筛分设备，粗粒物料在机内自行循环；缺点是整机结构不对称，不能通过简单调换转子旋转方向来利用锤片的两侧。粉碎是饲料加工生产过程中重要工序之一，粉碎作业涉及到饲料加工成本（ 电耗、 易损部件）、重量损耗（ 水分和粉尘） 、混合、颗粒饲料质量、畜禽鱼的生产性能和家畜的健康（ 溃疡）、操作环境的改善（ 粉尘、 声） 。因此，饲料粉碎技术改进对提高饲料生产效率、饲料产品质量和降低生产成有着重要的经济意义，也是许多研究人员一直探索的课题。研究主要内容有粉碎效率的提高、合理的粉碎工艺、粉碎机结构、粉碎机电耗、粉碎机操作的方便性、粉碎粒度的大小和均匀性、易损部件的耐磨性、粉碎机噪声的控制、粉碎机的自动控制、对产品质量和畜禽鱼生产性能的影响等。本文对饲料粉碎技术发展进粉碎机的类型与粉碎机的结构粉碎机类型的不同及粉碎机结构的变化，对粉碎物料的影响相当大。根据粉碎物料的粒度可分为普通粉碎机、微粉碎机、超微粉碎机；根据粉碎机的结构可分为销连锤片式、劲锤式、对辊式和齿爪式。一般的畜禽料通常采用普通的锤片粉碎机或对辊粉碎机，幼小动物、普通的水产饲料可采用微粉碎机、水滴式锤片粉碎机、爪式粉碎机，而特种水产饲料和水产的开口饲料需要采用超微粉碎机，有的甚至需要用胶体磨才能达到开口饲料所需要的粒度要求。行综合分析，以使饲料粉碎技术能更好地为饲料生产服务。普通锤片粉碎机是饲料工业生产中应用最广泛的。其粉碎原理是无支承式的冲击粉碎， 在粉碎过程中，锤片与物料的碰撞绝大部分为偏心冲击，使物料在粉碎室内发生旋转，会消耗一部分的能量，这也是锤片粉碎机耗能高的重要原因之一。同时， 由于锤片粉碎机的粉碎室结构和物料受高速锤片的冲击作用，物料在离心力作用下会贴着筛面形成圆周运动，产生环流层，大颗粒的物料在外层， 小颗粒的物料在内层，粉碎达到粒度要求后小颗粒不能及时从筛孔正常排出，出现了物料与锤片的反复冲击，形成物料的过度粉碎， 粉碎电耗增加， 粉料的温度升高，使物料内的水分形成水蒸汽，水蒸汽与细粉末会粘附于筛板，更加严重堵塞筛孔，粉碎效率下降，尤其是在物料细粉碎时，环流对粉碎效率的影响更严重。要提高锤片粉碎机效率，就必须破坏粉碎过程的环流产生。立轴式粉碎机也是锤片粉碎机的一种，粉碎过程可分成预粉碎和主粉碎2个区域，其特征是采用了环筛，还有底面的筛板，筛理面积大，有助于粉碎后物料快速排料，同时由于物料的重力作用，环筛的垂直筛面上粘附物料少，筛孔通过能力强；粉碎机转子上的刮板保证了底筛的有效利用，且产生一定的风压，促进粉碎后物料的快速排出，有效提高了整个粉碎室的筛落能力，无需在排料中设置独立吸风系统，既省去吸风系统的设备投资，又解决了长期困扰饲料厂因吸风系统故障而产生的粉碎效率低下的问题，且减少了物料在粉碎过程中水分损失。 粉碎效率和粉碎机产量有较大程度的提高，粉碎后的物料粒径均匀，潜在的细粉少，粉碎电耗可以节省 。立轴式锤片粉碎机适合于饲料粗粉碎及二次粉碎工艺前道粉碎，但不适用于物料的细粉碎。对辊粉碎机是有支承的粉碎。物料的粉碎作用主要由对辊的剪切、挤压作用产生，外力的作用绝大部分用于物料的粉碎，物料的粉碎效率比较降低了粉碎的能耗（ 没有物料的旋转、过度粉碎，物料的温度升高较小），据介绍，辊式粉碎机与传统的锤片粉碎机系统相比，节约能量在60%以上。可减少粉尘产生和维持费用，降低噪音。粉碎过程中物料水分损失少，粉碎产品的粒度均匀性好，产品的物理特征极佳，有利于物料流动和混合。在物料的粗粉碎中能取得较好的粉碎效果，但辊式粉碎机不适用于细粉碎，对多种物料的通用性也较差，尤其是各种物料混合以后的粉碎性能就更差，轧辊的维修需要专用设备，这些特性限制了对辊粉碎机在饲料生产中的应用。目前国内的一些次质小麦因价格便宜而广泛应用于饲料生产，开发粉碎小麦的专用粉碎机有相当的市场需求，对辊粉碎机在这方面应有一席之地。锤片粉碎机是一个高速运转的设备。粉碎过程易损部件是粉碎机的锤片和筛片， 也是粉碎过程中影响粉碎成本的一个关键因素，高质量的锤片可以降低粉碎过程中锤片的消耗，提高单位时间内的粉碎机产量。因此，加强锤片表面强化工艺的研究十分必要，以提供各饲料厂家迫切需求的高耐磨性，高使用寿命的锤片。粉碎机锤片的寿命与机械加工的性能有关，锤片的材质选用和热处理方式的不同是影响其寿命的主要因素。为了增加锤片的使用寿命，研究人员对锤片的结构参数和热处理进行了一系列的研究， 锤片强化研究应从耐磨、 耐冲击、高寿命、低成本等方面综合考虑。主要有3种途径：1.采用高合金的耐磨材料作为耐磨件，如高、中锰钢、高铬铸铁等；2.利用表面抗磨处理工艺， 如表面渗硼、渗碳、硬质合金堆焊等表面强化处理；3.用热处理的手段来改变材料的组织，获得各种耐磨的、高硬度的结构来提高耐磨性。要防止筛片在粉碎过程中的破损，就必须保证筛片的强度和刚度，合理的开孔率和冲孔技术优劣对筛片的强度有较大的影响， 筛片耐磨性亦应主要从材料的选择和热处理技术上考虑。 粉碎工艺是饲料粉碎技术中比较重要的一个环节，合理的粉碎工艺能使粉碎粒度符合要求和生产量合理，同时可节省粉碎过程中的能量消耗。粉碎工艺的选择应由产品质量、粉碎粒度、加工成本、投资额大小等来确定、从粉碎的先后有先配料后粉碎、先粉碎后配料或者是两者的综合；从粉碎的次数有一次粉碎、 二次粉碎和单一循环粉碎。先配料后粉碎工艺有利于控制饲料产品粒度的均匀性， 有利于某些油性物料和粘性物料等粉碎适合于加工含副产品较多的畜禽饲料和水产饲料以及宠物饲料；先粉碎后配料工艺可根据物料的特性配备相应的粉碎机，针对性强，但对于多品种物料粉碎带来不便；对较粗的粒料进行先粉碎，然后配料混合后进行粉碎，是先粉碎与后粉碎工艺综合应用，有利于物料混合均匀，有利于物料碎粒度的降低，该工艺适合于特种水产饲料；大型畜禽饲料生产厂可采用二次粉碎或单一循环粉碎艺，前道粉碎可采用筛孔较大粉碎机或对辊粉碎以提高粉碎机的产量和节省粉碎电耗；小型饲料生厂可采用一次粉碎工艺，以节省设备的投资。 综上所述，纵观锤片式粉碎机为适应饲料粉碎的特点及需求的演变过程，可以得出以下大致的发展过程与趋势：锤片式粉碎机的转速从单速驱动发展为双速驱动，目前正向变速驱动发展；由原来的既粉碎又控制物料的最大粒度向只负责粉碎而配置相应的筛分设备的方向发展；粉碎室内的粉碎区即有效粉碎点的数量由一个发展为多个；欧美各国因为饲料原料的特点曾使锤片粉碎机向两个方向发展：美国式追求筛板面积大，而欧洲式讲究冲击齿板面积大。锤片式粉碎机有两类型式发展，在选择时根据各自饲料原料的特点来考虑，本文是结合了国内外发展的趋势和我国国内的情况，设计的一个适合我国秸杆等饲料原料加工的锤片式粉碎机。1.2三维实体设计在我国农业机械设计的作用我国是一个农业大国。进入21世纪，特别是我国加入WTO以来，我国农机工业和农机化事业出现了一些新的变化，尤其是大面积的使用农机具以提高劳动效率，降低成本将是一个必然的趋势。在我国的诸多农机产品中，不仅种类繁多，其技术含量有高也有低，但总体来看与国外发达国家还有一定差距，与我国农村的市场需求也存在一定距离。在这样的形势下，我们就更加需要利用先进的手段来进行产品开发工作，争取以最高的效率和最低的成本为广大农民兄弟提供最高效、最便捷的农机产品。这样三维农业机械化的设计对新时代的发展来说就显得尤为重要了。目前以三维设计为基础的农业机械化设计道路，正在以崭新的姿态应用于大中型农业机械的生产当中。随着各种三维设计软件功能的日益强大化,更加促进了的三维设计的发展。不远的将来,以三维设计软件为基础的农业机械化设计道路,将得到广大的普及和实际的利用。我们不但可以利用三维设计软件进行零件的设计，更加可以进行虚拟的装配设计，最后我们可以利用装配关系来进行运动的仿真，既可以实现干涉的测量，又可以进行产品说明展示和应用，最终实现产品的优化设。目前我们不但应用三维设计软件来进行实体零件的设计、装配等产品设计设计工作，而且三维加工软件在实际的生产中也起到了重大作用。我们可以利用三维软件的制造模块来对建构的实体进行NC加工的模拟，而且可以模拟加工走刀的路径，和NC模拟切削，最后，我们还可以对工件进行过切的检测。当一切工序完成后，我们就可以生成NC数据，直接输入加工中心进行应用。这样可以大大的降低工人的劳动强度，并且能更好的体现设计者的设计思想。由此可见，机械现代化的发展和先进设计软件的应用是分不开的，合理有效的利用三维软件，是加快设计，制造，生产等一系列流程的循环时间，使陈旧的生产模式在质量上得到飞跃！虽然目前我国农业发展对三维软件的应用还在少数。但我相信，这种快捷的生产模式必将是未来发展和新型建设的趋势和动力所在。2.水滴式饲料粉碎机的总体设计2.1 电动机的确定电动机的功率计算 跟据公式有 N=KQ其中 K功率系数 Q台时产量这里取K=10.5，而已知Q=0.6t/h于是所需电动机的功率N=10.50.6=6.3kw取粉碎室的宽度B是280mm 转子直径D为560m， 在由公式： （2-1）确定锤片的数量，粉碎机宽度B为280mm,取锤片厚度为5mm ,而锤片配置密度系数k一般取值0.20.42,本次取为0.42，算得 z=（0.42280）/5=23.52所以确定锤片的数量z为24片。图1电动机尺寸图型号同步转速rmin额定功率/kw额定转矩NmJO4-52-Z29107.5 2.2JO4-52-Z结构尺寸如上图表一 电动机的主要参数额定电流A额定电压V电机重Kg153807.52.2 基本结构组成1 进料口和喂料器（1）本次设计的饲料粉碎机属于中型机械 故选为径向进料方式。（2）喂料器的选用：为保证粉碎机能够连续稳定的工作，需要配有能够连续稳定的供料系统，能够方便的调整物料流量的喂料器，常用的喂料器是皮带式喂料器，本次设计亦采用此种结构。2 水滴式锤片饲料粉碎机基本构造包括水滴形筛板、转子、锤片、用于锤片间定位的套筒、固定在转子周围的冲击齿板、喂入口、抛送室、风机叶片、上机体 、电机、下机体、机座、粉碎室等主要结构构成。2.3 工作原理及力学分析传统的粉碎机均使用环形筛。由于环形筛与转子同心，锤片与筛子之间有一段距离，这样就给物料提供了一个环状的运动空间。当物料进入粉碎室后，被锤片打击而被锤碎，并随锤片做高速旋转。由于颗粒大小不一样，颗粒大的分布在环流层的外圈，颗粒小的在内圈运动，这种分布状况恰与生产要求相反，不但阻碍小粒粉料的过筛，也减少了大粒料受锤片击打的几率，所以必然导致粉碎机生产率的提高受到限制。而本次设计的饲料粉碎机采用了水滴形的筛片，物料喂入粉碎室后，受锤片打击而进入环流层。当环流的物料转过270o 后，便以切线方向向对面筛片撞击，部分粒度合格的物料穿过筛孔，不合格的物料重新落入锤片回转区，再次受锤片的打击。这样，物料每环流一次，环流层就彻底的破坏一次，从而增加了锤片打击物料的几率，改进了粉碎机的性能和排粉能力。其两大特点：（1）粒度均匀，粉末少，且物料升温小。 （2）功率消耗少，生产率高。 图2. 粉碎机结构示意图1. 上机壳 2.筛片 3.锤片 4.侧门 5.转子 6.电动机 7.筛托 8.下机壳 9.下料斗锤片式粉碎机转子轴组所受的外力只有锤片对物料的打击力，锤片是在高速运动状态下与物料颗粒碰撞来击碎物料，为减少由锤片传到轴承传到机体上的冲击力，应使锤片回转中心与销轴的轴线重合。对于矩形锤片来说，锤片中心与销轴中心之间的距离应符合下式： （2-2）式中： ， 我国锤片式粉碎机的锤片以制定了行业标准，根据农业机械手册，此次设计选用型锤片，其基本尺寸为：表二 锤片的尺寸表形式 尺 寸（mm） abcde14060 30.505 图2 附锤片受力运动示意图故根据上式和上述数据带入数据：=332.6y= 故算得=30.32mm由上述粉碎理论分析可知，当质量为m的物料由喂入口向机体内运动时，在t时间内速度由0增至V时，由冲量定律可知物料受到的打击力为： = （2-3）式中 m物料的质量， D转子直径，m V锤片的末端线速度，m/s n转子转速，r/min 物料受打击的时间，s3.关键部件的设计3.1 锤片的设计3.1.1锤片的种类锤片的种类有许多，按外型分有矩形锤片、阶梯形锤片、多角形锤片与尖角形锤片等（如下图5）。其中矩形锤片因其通用性好、形状简单、易制造和节约原料而应用最广。它有两个销孔，其中一销孔连在销轴上，可轮换使用四个角来工作。在角边堆焊碳化钨或特殊的耐磨合金，可以延长使用寿命23倍，但制造成本较高。阶梯形锤片耐磨性能差，多角形锤片与尖角形锤片相似，它们具有粉碎效果好、使用寿命长的优点，但制造复杂、生产成本高。我国的锤片式粉碎机的锤片已标准化，1986年由中国农机院拟定的机械工业部部标三种规格，都是矩形双孔锤片，其中I型用于小型粉碎机。本文选用矩形锤片。 （a)矩形锤片(b) (c) (d)两端堆焊耐磨合金的矩形锤片(e)阶梯锤片(f) (g)两端有尖角的锤片(h)周边锯齿圆形锤片( i) (j)组合锤片(k)椰头式锤片(l)双菱头锤片图3 锤片种类和形状3.1.2锤片的材质与热处理锤片的材料与热处理工艺的选择很重要。目前我国常见的有低碳钢固体渗碳淬火、中碳钢热处理、特种铸铁和在锤片工作棱角堆焊耐磨合金等多种方式。不论何种方法都应在保证耐磨耐用的同时，保证锤片耐受冲击、生产安全。当采用45号、65号、65Mn、60SiMn等优质钢做锤片的材料时，热处理后淬火区硬度为HRC5057，非淬火区硬度不超过HRC28。一般使用60100小时后锤片应换角使用。为延长锤片寿命，最常见的方法是堆焊碳化钨合金，焊层厚13mm。其使用寿命比65Mn整体淬火锤片的使用寿命提高了78倍，但成本高出2倍。堆焊碳化钨锤片的缺点是对焊接工艺和转子平衡的要求较高。选用65Mn的锤片，经渗碳处理，渗碳层深度0.81.2毫米， 淬火后硬度达HRC5058。这种锤片粉碎含水1012 的玉米时，使用寿命为120小时左右；采用45#钢经碳氮共渗，硬度为HRC5662的锤片，粉碎含水1020 的玉米，使用寿命一般是160小时左右；采用 钢，先渗碳后渗硼的锤片。使寿命是350小时左右；采用45#钢在工作边进行碳化钨合金堆焊的锤片，使用寿命一般为600小时左右。如以65Mn渗碳处理的锤片使用寿命为1的话，45 钢碳氮共渗为13 渗碳硼为3。45#碳化堆焊为5。从以上数据可知，锤片使用低碳钢经渗碳渗硼处理，以及45#钢经碳化钨合金堆焊处理后，使用寿命明显得到提高，先渗碳后渗硼的锤片具有其它化学热处理难以达到的硬度(表面硬度在HV12002000)，而且其外层是FeB，硼化铁十分耐磨，使得锤片在工作时不会产生脆性剥落现象，从而起到保护作用。碳化钨合金的堆焊是借助于基体金属熔化将其粘合在一起， 堆焊部份的硬度可以达到HRA9393.7因而此处理方法的锤片也十分耐磨，但是专业生产厂家在堆焊过程中，比较难控制堆焊量，因而生产成本比65Mn渗碳处理高两倍。但使用寿命比65Mn渗碳处理的锤片高三倍以上。因此选用45#钢碳化钨堆焊的锤片是比较经济划算的。本文选取锤片的材料采用45#钢材料，在边缘部分进行渗碳处理，渗碳深度为0.8-1.3mm。3.1.3锤片数量的确定锤片数量对粉碎的性能也有一定影响。片数太多，打击次数多，功率消耗大，效率下降；片数太少，粉碎能力降低，效率也下降。偏离最佳值，效率就会下降。锤片数Z由下式确定： （3-1） 式中： B一粉碎机宽度(mm)一锤片厚度(mm)k一锤片配置密度系数，一般取k=O.280.42 由于需要对称布置，故取为24片。3.1.4锤片的排列和厚度锤片安装在转子销轴上的位置，称做排列方式。它关系到转子平衡、物料在粉碎室内的分布、锤片磨损的均匀程度。对锤片排列的要求：锤片的运动轨迹不重复、沿粉碎室宽度锤片运动均匀、物料不被推向一侧、有利于转子的平衡。常用的锤片的排列方式有螺旋线排列、对称排列、交错排列和对称交错排列四种。 以往机器采用交错排列，不仅不能满足动平衡要求，而且工作时物料略有推移，销轴间隔套品种应用较多。对称排列的锤片运动轨迹重复，在相同轨迹密度下，需用较多锤片。优点是对称销该设计选用的锤片是对称排列的。轴的离心力合力作用线重合e=0且大小相等，因此可以相互平衡，故转子运行平稳，物料也无侧移现象，锤片磨损比较均匀，且磨损量特别小，故应用最广。 对称交错排列不仅轨迹均匀，不重复，而且锤片排列左右对称，四根销轴上的合力作用在同一平面上，对称轴相互平衡，因此平衡性能好。 本次设计就采用了对称交错排列。锤片的排列方式如下：图4锤片式粉碎机转子锤片的布置方式转子的动平衡计算，如下：（1） 在每根锤片轴上分布8根的两轴所构成的平面上图5锤片式粉碎机转子平面受力图设每个锤片旋转时所产生的离心力，两标线之间的距离为l 由于有关离心力的各参数在锤片之间均相同，故各锤片所产生的离心惯性力均相等。且两根轴的转子数目相等，且相对于中间线对称布置。于是满足静平衡要求。l 对两端轴承A、B分别取矩 同理： 在此位置A、B两处满足动平衡。（2）在每根锤片轴上分布4根的两轴所构成的平面上图6锤片式粉碎机转子平面受力图l 由于有关离心力的各参数在锤片之间均相同，故各锤片所产生的离心惯性力均相等。且两根轴的转子数目相等，且相对于中间线对称布置。，于是满足静平衡要求。l 对两端轴承A、B分别取矩 同理： 在此位置A、B两处满足动平衡。据有关资料及试验表明。当转子高速旋转时，锤片在物料中搅动，好象若干把切刀，锤片过厚，则效率不高，但过薄又易磨损，故在我国是根据性能价格比来定的，一般采用5mm或6mm的矩形锤片。转子上锤片的多少对粉碎能力有较大的影响，每个锤片数目通过正交试验得到 并以锤片密度来衡量。我国一般现行的是低密度用于粗粉碎高密度用于细粉碎。由于粉碎机在粉碎玉米等脆性物料时，主要是锤片的高速冲击使物料颗粒受弯矩而粉碎的而在粉碎秸秆、茎蔓类物料时，则主要是由于锤片的高速冲击使物料与锤片的棱角和筛片、齿板发生剧烈的搓擦而粉碎的。试验证明薄锤片有利于这两种物料粉碎过程的进行：在同等条件下粉碎玉米用3 mm厚锤片时产量为ll4.7 kg(kWh)，比用5 mm厚锤片产量100.2 kg(kWh)提高14.5，但薄片耐磨性差，在具体确定时，要根据实际情况而定。因为本文所设计的粉碎机主要用于谷类物料，故选取锤片厚度为5mm。3.1.5锤片末端线速度的确定 粉碎机锤片的线速度对粉碎机主要性能指标有着极为重要的影响。因为锤片式粉碎机主要是靠冲击来粉碎物料的，在粉碎机其它结构参数均不变的情况下，锤片施予被粉碎物体的能量是与锤片线速度的平方成正比的，锤片末端线速度V增大时，增强锤片对物料的打击、搓擦和磨碎作用，能增加粉碎能力和产品细度，但V过大会使机器的空载功率增加，同时因转子不平衡产生的噪音和振动也随之增加，粉碎能力反而下降，因此，合适的V值对提高粉碎机性能至关重要。根据有关资料介绍，不同的物料需要不同的V值(见表2)。表三 不同物料的v值表物料高粱玉米小麦黑麦线速度 m/s48526575物料大麦燕麦麸糠燕麦壳线速度 m/s88105110115 计算锤片末端的线速度：由于转子直径选为560mm，且电机转速已选定为2910r/min，且经过联轴器直接连接于转子的主轴之上，根据公式： （3-2）在实际生产中，粉碎机的应用是多元的，需要通用性比较强的。根据试验及使用的经验，目前我国常用的锤片式粉碎机的锤片末端线速度多在8090m/s。所以本文选取锤片末端线速度V为8090m/s。上述算得数据满足上述末端线速度的选取范围。3.1.6锤筛间隙的确定锤筛间隙是指转子旋转时锤片末端与筛板内表面之间距离，它直接决定粉碎室物料层的厚度，物料层太厚，摩擦粗碎作用减弱，粉碎可能将筛孔堵塞而不易穿过筛孔：物料厚太薄。则物料太易穿过，对粉碎粒度有影响。锤筛间隙对粉碎机的工作性能有较大影响。当锤筛间隙较大时，在饲料中靠近筛面饲料颗粒运动速度较慢，合格的产品容易穿过筛孔，但外圈稍大的饲料颗粒不易与筛片接触，受打击的机会少，同时筛片对它们的摩擦作用也会因速度低而减弱，因此度电产量下降，成品变粗。间隙大到一定程度时，筛面上的饲料颗粒运动速度过慢，甚至堵塞筛孔，使生产率进一步下降。当锤筛问隙过小时，外圈饲料受到锤片打击的机会多，在筛面上的饲料运动速度高，不易穿过筛孔，使摩擦粉碎的作用增大，将饲料粉碎得过细，更加不利于排粉，不但浪费动力，使度电产量下降，而且成品也显过细。图7 锤筛间隙与度电产量的关系图8 锤筛间隙图间隙的大小主要取决于筛孔直径和被粉碎物料的品种。对于一定物料和筛孔有其最佳的锤筛间隙。因此建议一定要根据筛板孔径来选择合适的筛板孔径。经大量试验研究表明，粉碎室采用变化的锤筛间隙，能破坏锤片末端与筛片表面的环流层，有利于提高粉碎室的工作能力。本次设计的锤筛间隙采用8mm、12mm、20mm，三种锤筛间隙，间隙大小由筛托调节块来调整。3.2粉碎室的形状和结构3.2.1粉碎室的形状粉碎室有圆形和水滴式之分。圆形粉碎室又分偏心式粉碎室和椭圆式粉碎室，为圆形时较易形环流层，不利于出料。而粉碎室为水滴式时较易破坏环流层。利于物料的吸出筛板。传统的粉碎机均使用环形筛。由于环形筛与转子同心，锤片与筛子之间有一段距离，这样就给物料提供了一个环状的运动空间。当物料进入粉碎室后，被锤片打击而被锤碎，并随锤片做高速旋转。由于颗粒大小不一样，颗粒大的分布在环流层的外圈，颗粒小的在内圈运动，这种分布状况恰与生产要求相反，不但阻碍小粒粉料的过筛，也减少了大粒料受锤片击打的几率，所以必然导致粉碎机生产率的提高受到限制。在水滴型粉碎室中，物料喂入粉碎室后，受锤片打击而进入环流层。当环流的物料转过270o 后，便以切线方向向对面筛片撞击，部分粒度合格的物料穿过筛孔，不合格的物料重新落入锤片回转区，再次受锤片的打击。这样，物料每环流一次，环流层就彻底的破坏一次，从而增加了锤片打击物料的几率，改进了粉碎机的性能和排粉能力。在粉碎室内的环流运动是影响粉粒过筛能力的主要原因，也是降低生产率的重要因素。为克服环流运动，提高粉碎效率，水滴式粉碎室设汁制造较容易。本文选用的就是水滴式粉碎室。3.2.2粉碎室的结构 锤片式粉碎机的粉碎室主要有3个区，即初试破碎区、加速区、全速区。被粉碎物料靠重力从粉碎机进料口进入，其下落速度一般为0.15ms0.30ms 随即和线速度为85ms的锤片末端相接触低速的物料在首次与高速的锤片发生剧烈的撞击后，被锤片拉入加速区，在此颗粒速度能在很短的时间内被提高到接近锤片的末端线速度。并随锤片一起作圆周运动。而在全速区内逐渐形成物料环流层，同时物料也得到进一步的粉碎。3.3转子结构并尺寸与粉碎室宽度及改进3.3.1转子结构并尺寸与粉碎室宽度锤片式粉碎机转子轴组主要由转子轴、转子盘、锤片销轴、销轴套、锤片等零件组成。转子直径是指两锤片间最长的距离。粉碎机转子的安装一般为两块筛板对称面上且在下部筛板的圆心处。其实这不是最佳安装，而是要有一点偏心更好。因为这样更易破坏环流层，从而提高产量。因为该粉碎机的功率N是5.4 KW，而K取值，根据公式： K=N/(BD) （3-3）选取转子直径D为560mm，经计算选取粉碎室宽度280mm。图9锤片式粉碎机转子组示意图3.3.2转子上的改进为了适应侧顶部的进料方式，本次设计采用带风扇叶片的转子结构，分别在两两锤架板之间，对称焊上四对后倾状的叶片，这样，既能增加锤架板的强度，改善轴的受力情况，又能增加粉碎室的风量和风压，并且无须配备外部的风运设备，节约投资，降低成本。1锤片 2.销轴及套 3.锤架板 4.风扇叶片 5.轮毂图10 转子结构示意图3.4筛片的设计 本次设计采用孔眼式筛面，根据农业机械学设计手册，筛片的主要参数如下表四 筛片的结构表筛片号孔径d厚度h孔距t121.21.22.6图11 筛子结构示意图本次设计采用水滴式的粉碎筛，其两侧插装在进料口的两侧壁上，下端由圆弧状的筛托支撑，动齿盘扁齿外缘与筛片间的径向间隙为820mm，过大则会产生反料和堵塞现象，使效率显著降低。图12 筛子形状示意图3.5电机与转子的连接 本次设计采用电机与转子通过连轴器直接联系的方式，连轴器的选用与计算如下：1. 联轴器所受的扭矩 2. 由于直接连于电动机的转子之上，故其转速为2910r/min，并根据轴径选择凸圆联轴器。l 本次设计采用4个铰制孔螺栓给联轴器进行定位，所以须对螺栓进行强度校核，其过程如下：每根螺栓所受的剪力 （3-4）根据联轴器选择M8的铰制孔螺栓则螺栓所受的剪应力 （3-5） 螺栓所受的挤压应力 （3-6）满足使用要求。l 联轴器上键的校核 键上所产生的挤压应力 ， 满足使用要求。 （3-7）3.6旋转主轴的设计及理论校核3.6.1主轴的设计1作用在轴上的力电机轴扭矩=Nm，忽略连轴器的效率。所以主轴所承受的转矩T=24.6Nm2确定轴上的最小直径选取轴的材料为45号钢，调制处理，据查=112。 = （3-8） 取 ，由于存在键槽，则须增大最小轴径的20%，算得为24mm，且又由于转速较高，所以最后取最小轴径3轴的结构设计 各轴段的具体尺寸见下表： 表五 各轴段尺寸表 单 位（mm）轴 段尺 寸 备 注I II此段为联轴器配合段，所选择的直径与长度均已给定。II III此为定位轴肩，直径稍大于前段。III IV滑动轴承配合处，具体尺寸选择见下文。V VI所选长度根据转子端面与机壁之间距离而定出。VII VIII转子配合处，长度根据粉碎室的的宽度定出。IX X所选长度根据转子端面与机壁之间距离而定出。X XI滑动轴承配合处，具体尺寸选择见下文。主轴的结构图如下：图12 轴的尺寸设计图各轴段的配合：I II段与连轴器连接，为了方便装配采用间隙配合，配合为H7/g6。III IV和 X XI段与滑动轴承相连接，配合间隙的大小直接轴承的承载能力有关，根据机械设计手册查得，配合代号选为H8/f7。VII VIII段与转子配合，由于此处配合距离较长，如采用键连接，对于转子的键槽加工较难，且由于转子承受的转矩和轴向力较小，故选用过盈配合连接较为合适，配合代号为H8/v7。3.6.2旋转主轴的力学分析及理论校核为了保证机器的正常工作，我们在设计机器的各部件时，首先要保证有足够的能力负担起应当承受的载荷。因此它应当满足强度要求、刚度要求、稳定性要求。在粉碎室加长、增加锤片、定刀后，是否具有足够的强度等问题，需要进一步的验证。所以对主轴进行校核及力学分析：1主轴所受的扭矩电机轴扭矩 =Nm， （3-9）由于忽略连轴器的效率，主轴所承受扭矩与电动机所受的扭矩相等。 2主轴上所受的各种力转子旋转后重量差5克引起的离心力=0.0050.21（23.142910/60）=97.4N由转子中心偏移量（）引起的不平衡力 （3-10）= 式中：转子重假定两个力作用在同一直线上，则3求轴承支撑反力主轴的受力图图13 主轴受力图（1）强度校核 先对A点取矩：得： 算得 ： 取=0.6T=14760 N则算得轴所