《单轴面筋脱水机设计报告（论文）》

单轴面筋脱水机设计TOC\o"1-3"\h\u229641、前言 IV单轴面筋脱水机设计1引言小麦淀粉生产过程中，面筋淀粉分离器是关键设备。根据面筋淀粉分离设备的不同形式，将淀粉工艺分为马丁法，水旋流法等.根据物料进入分离段的不同形式，可分为面团法等。我国小麦淀粉生产产业化始于20世纪30年代至40年代，繁荣于20世纪80年代至90年代。随着工业乙醇的兴起，小麦淀粉工业得到了前所未有的发展。然而，小麦淀粉加工设备，特别是面筋淀粉分离设备的发展落后于小麦淀粉生产的实际需求。自20世纪80年代以来，中国先后在上海和新疆引进了一些国外小麦淀粉生产线，但由于能耗高、工艺复杂，大多陷入困境。近年来，关于面筋淀粉分离器和小麦淀粉生产技术的技术研究得到了广泛的重视。2、单轴面筋脱水机结构设计2.1单轴面筋脱水机的工作原理单轴面筋脱水机是利用螺旋轴在固定的圆筒形滤鼓（斜槽）内旋转，使湿面筋在滤鼓内轴向推进中受挤压而脱水、浓缩。螺旋轴是脱水环节中主要的工作机构，设计计算时，确定螺旋叶片大径与轴径、压缩比、螺距等系列参数，最后还要进行部分危险截面与构件的受力分析和强度校核。起先湿面筋从进料口以一定的供料量由泵打入，到达机内的滤鼓和螺旋轴之间的间隙处，然后湿面筋被输送段强行推进到压缩段，压缩段的长度较长，该截面设计为固定外径，变螺距的结构，因此压缩截面起到输送和压缩脱水材料的作用。物料再向前进入出料段，物料在出料段进一步受到均匀压缩，最后将料定压、定量地由出口挤出。出料段由装料小车在下方接脱水后的面筋，由人工或自动感应重量装置进行自动装料并在控制程序的作用下，实现装料，位移，卸料的循环过程。2.2面筋脱水机的类型面筋脱水机根据螺旋轴的有无可以分为有轴螺旋脱水机和无轴螺旋脱水机两种。有轴螺旋脱水机由U型斜槽，盖板，螺旋杆，进、出料口以及驱动装置六大块组成。无轴螺旋脱水机与传统有轴螺旋脱水机相比，转距大，能耗低，排料口不堵塞，环保性能好。通常，我们所说的面筋脱水机都是指有轴的脱水机。而根据其输送挤压物料安装形式的不同，又可以分为倾斜式图2.1、垂直式图2.2和水平式图2.3三种类型。图2.1倾斜式图2.2垂直式图2.3水平式其中，倾斜式脱水机由于面筋与水的分离部分设计需要严格的密封性，且由于对称性较差，在实际中很少采用。本论文设计的单轴面筋脱水机属于水平式的脱水机，常被称作卧式或普通的脱水机，其倾角为0°，它是最具代表性的一种脱水机，其结构也是所有螺旋输送机结构的基础，这种形式不仅加工方便，还能使螺旋面具有一定的光洁度。单轴面筋脱水机比只收敛螺距更有优势，本文的设计采用了这种螺旋。2.3单轴面筋脱水机的结构简图单轴面筋脱水机由脱水环节、支承环节、驱动环节和减速环节这四个大环节组成，其中脱水环节是整个设计的重点。由于对于机械，简单实用是它的优点，而且越简单，出错的可能性就越小，故本次单轴面筋脱水机的结构简图如图2.4所示：图2.4单轴面筋脱水机的结构简图3、单轴面筋脱水机脱水环节设计3.1螺旋叶片参数的确定3.1.1螺旋叶片选型脱水机绞龙部分的螺旋是输送与挤压共有的基本构件。其分类与选用如表3.1：表3-1-1螺旋叶片分类按旋向右旋(普通的形式)左旋按线型单线双线三线等实际生产中一般较常使用较少使用，只在卸车机中用。按输送挤压物料的种类实体带式叶片式齿形用于粉状材料或流动性好的干燥小颗粒材料用于块状或粘性物料用于可压缩材料而对于挤压面筋，最常用的是实体式的螺旋叶片，其又被称作全叶式的螺旋。这里设计的绞龙螺旋部分，便采用实体式。3.1.2螺旋叶片直径的确定由于，湿面筋具有一定的粘性，所以其螺旋直径可初步按下式计算：（3.1）式中——输送能力，t/h；K——物料特性系数，常用物料的K值见非标准机械设备设计手册表3.2；——填充系数，；

——物料的堆积比重（t/m3）；C——倾斜系数，；表3.2螺旋形状应用举例物料块度螺旋形式填充系数ψ特性系数K综合系数A面团状全叶式、带式的0.20~0.400.071020表3.3螺旋输送机倾斜修正系数C倾斜角β0°≤5°≤10°≤15°≤20°C1.000.900.800.700.65ψ物料运动情况物料层堆积情况及其滑移面输送速度与能耗情况5%物料堆积高度不仅低又矮，而且大部分靠近槽壁的物料圆周速度显得较低，物料颗粒沿轴向的运动要较圆周方向显著得多动滑移面几乎与输送方向平行此时在与输送方向垂直的附加物料流轻微，单位范围内能量功耗小13%圆周方向的运动将比输送方向的运动更强物料运动的滑移面将变陡导致输送速度的降低和附加能量的消耗40%在圆周方向的运动将比输送方向的运动强物料运动的滑移面继续变陡在单轴面筋脱水机槽内，物料的充填系数影响脱水过程和能量的消耗。由上表可以分析，对于水平螺旋输送机，物料的填充系数不是越大越好，相反取小值有利，一般取ψ＜50%。将所有参数代入公式（3.1），得到螺旋直径D为：结果圆整为标准螺旋直径D=500mm（标准螺旋直径系列：

100，150；200；250；300；400；500；600；单位：mm）取D=500mm

3.1.3螺旋输送机的极限转速的确定螺旋输送机的极限转速可由下列公式确定n=（3.2）式中:n——螺旋轴的极限转速(r/min)；A——表示物料综合特性的系数；A值如上表10-30，取A=20；所以，螺旋输送机的极限转速n由公式(3.2)算得：n=20/=28.28r/min由于圆整后，螺旋输送机的直径和极限速度与计算结果略有不同，所以其填充系数ψ可能不同于原来从参考文献中所选取的数值，所以要验算生产率及充填系数ψ。3.1.4验算生产率及充填系数下面验算其填充系数ψ：=/47CD2nS（3.3）式中：对于流动性较好，易流散的物料，可取k1=1，取法称D制法。本次设计采用较常采用的S制法。故螺旋叶片螺距S=0.8D=0.8*0.5=0.4m。通过公式（3.3)对填充系数进行校核，则：=/47CD2nS=30/(4710.52300.4)=0.21因为0.21在0.20-0.40之间，符合要求，所有螺旋轴的转速确定n=30r/min。综上所述，我们可以得到螺旋轴叶片直径D=500mm（0.5m），螺距S=400mm，螺旋轴转速n=30r/min（亦即0.5s/min）。3.1.5螺旋轴轴径初选d=(0.2-0.35)D

取d=（0.2+0.35）D/2

=0.55×5002

=137.5mm，d值取整为140mm。3.1.6螺旋面厚度取值对于磨损和粘度较大的物料输送，螺旋面采用扁钢轧制或铸铁。直径D500mm为偏大值，物料为柔性，故螺旋面厚度δ取8mm。螺旋的叶片一般那是做成标准形式的，即螺旋面的母线是一垂直于螺旋轴线的直线。螺距h一定时，在同一螺旋面上各点的螺旋角明显是不一样的，因为其螺旋外径D远大于其内径d。3.1.7压缩比的计算压缩比是螺杆轴进给处第一引线和最后引线的空容比，脱水机理论压缩比公式：；（3.4）式中：V1——第一个导程空余体积，Vn——最后一个导程空余体积。因为湿面筋的含水量一般为38%-70%，而脱水后面筋极限含水量理论值为14%，亦即脱水率分别为24%-56%，则设所需设计的压缩比为x：1-y：1。用proe螺旋扫描的方法，绘制，得到轴径为140mm，螺旋叶片直径为500mm，螺距为400mm的输送端的一部分如下：图3.1螺旋叶片图3.2螺旋叶片（消隐）3.2螺旋轴参数的确定3.2.1驱动轴所需功率计算脱水机螺旋轴上所需功率：N0=KQ（0LH）/367（3.5）式中：Q——输送量，t/h，Q=30t/h；K——功率备用系数在2.7-3.4之间选取，此处选3.1，（因压缩段功率变化，有所调整）0——物料的阻力系数，由物料的阻力系数表，湿面筋粘性较大，0=5；L——脱水机螺旋部分水平投影长度，L目前约为2.7m；H——脱水机螺旋部分倾斜布置时，其在垂直平面上投影的高度m，水平布置时H=0.综上，可选用4.3kw以上的电动机。但考虑脱水机下料的不均匀性，一般选常见的5kw型电机。3.2.2螺旋轴材料的选择脱水机绞龙螺旋轴的材料除了要求满足强度和刚度外，还应具备良好的耐磨性。螺旋轴从结构上大致可以分成铸造、焊接两种。ZG270-500，具有良好的铸造性能而且切削性能也很优异，强度跟塑性都还可以，通常情况下比较大的螺旋脱水机的设计都会优先考虑铸钢。为提高其耐磨性，压缩段螺旋工作面和卸料段表面应喷涂2-3毫米厚耐磨硬质合金，喷焊后的表面硬度可达HRc52-58；本次设计采用焊接法，材料为40Cr，经调制处理3.2.3螺旋轴轴径选择为了减轻机器重量及降低制造成本，螺旋轴可以是实心的或空心的，这里采用空心轴，因为它在承受相同扭矩的情况下空心材料所用的材料较少，而且抗扭能力更好，相互间的连接更为方便。初步设计采取空心轴方式。内、外径比为1：1.25。对于空心轴须将实际传递的功率P除以空心轴计算系数b后由上式得：d=47.04/0.59=76.34mm；按上式计算的轴径、未考虑键槽对轴强度的影响，若当d<=100时，开一个键槽则轴径增大3%-5%，经计算得：d=78.63-80.16；故主轴直径初步选取取内径：80mm，外径：100mm。3.2.4绞龙螺旋轴的受力分析当面筋脱水机机正常工作时，螺旋轴受到面筋施于的一个法向合力Fn。图3.3绞龙轴受力情况下面主要计算最后一个螺旋面的受力情况：用proe测绘得d约等于250mm，所以Dcp=（D+d）2=（500+250）2375mm。又：T=9.55106，Pw为螺旋所需的功率(kw)，nw为螺旋工作时的转速(r/min)。所以：T=9.55106=1.089106(Nmm)，Ft2Dp21.089106375=8.17108(Nmm2)3.3螺旋轴的强度校核3.3.1计算扭矩T产生的剪应力因为：τ=T/W

(Pa)（3.6）式中：T=9.55×106η

(N・mm)；Nmax为电机最大传动功率(kw)nmax为螺旋轴最高工作转速(r/min)η———传动效率。故：T=9.55×106η

(N・mm)=9.55×106×0.973=1.59×106(N・mm)W——抗扭断面模量(mm3)，对于实心轴，W=d3，d为最小断面根径，对于空心轴，W=d3(1-C4)，式中C=d/d0，d0为内孔直径。故：W=d3(1-C4)=1003(1-4)=1.16×105(mm3）故：τ==1.59/1.1610=13.7(Pa)实际上，由于螺旋轴自重引起的弯曲应力很小，一般可以忽略不计。对于出料端有支承的螺旋轴比悬臂式受力情况好，变形也比悬臂式小，这里不再讨论。综上，可得设计后的螺旋轴三维图如下：图3.4螺旋轴4、轴承的选择及校核计算4.1轴承的选择根据对各种系列轴承的分析，又考虑到面筋脱水机冲击载荷不是很大，可以减小轴承的直径。根据设计手册，本设计中选取6415型(GB/T276-94)深沟球轴承和6220型各一个，分别位于轴外侧，以承受径向载荷的作用。选取单向推力轴承51316型(GB/T301-93)一个，其一圈与轴承座联接，另一圈与轴联接，并作为首端轴承，以承受面筋运动阻力所产生的轴向力。如此，可使绞龙轴全长受拉伸作用，改善了其工作条件。4.2轴承的组合结构设计为了保证轴承的正常运行，在正确选择轴承的类型和型号的同时，必须合理设计轴承的组合。本设计对这几种结构进行了分析，并根据轴承的实际情况，在设计过程中采用单向固定的结构型式。轴承的回转套圈受旋转载荷，应选用较紧的配合。综上，可得其装配如下图所示：图4.1主轴左端轴承组合图图4.2主轴右端轴承组合图4.3轴承的润滑与密封考虑实际情况，设计采用油润滑，油润滑的优点是润滑的冷却效果更好。在本设计中，由于脱水机在工作过程中对环境有一般要求，对各部分的密封装置没有很高的要求，因此在综合考虑后，设计中采用了毡环密封。5、减速环节的设计5.1电动机的选择对于市面上常见的卧式脱水机这种类型，现在普遍都是使用YCT系列电磁调整异步电动机，故本设计也采用它进行驱动和后面减速环节的计算。查螺旋运输设计手册，选定电机为型号为：YCT200-4A-5KW电磁调速电机。它是采用改变励磁电流大小的方法来调节输出转速的一种调速电机。表5.1电机的基本参数型号额定功率kW调速范围，r/min额定转矩，N．m转速变化率，δ%重量，kgYCT200-4A5.5125-125036.1<3%2485.2一级圆柱斜齿轮减速器图5.1减速环节驱动锥齿轮轴承的预紧程度可以通过选择两个轴承内圈之间的套筒长度，调整轴承与轴肩之间的垫片等来调整。近年来，采用波纹套筒来调整轴承的预紧程度是非常方便的，波纹套筒安装在两个轴承的内环之间或轴承与肩部之间。5.3带轮的传动设计由于dd1=80mm属于小直径故主动轮采用实心式；dd2=236mm属于中等直径，故从动轮采用腹板式。图5.2小带轮左、大带轮右三维模型5.4齿轮传动设计小齿轮采用45钢，调质处理，齿面硬度230MPa，大齿轮采用45钢归一化处理，齿面硬度为190Mpa。主减速器锥齿轮的主要参数有主、从动锥齿轮在选定主减速比，主减速器的减速型式、齿轮类型及计算载荷以后，便可根据这些已知参数选择主减速齿轮的主要的几项参数。在双曲面齿轮传动中，齿轮中心线与大齿轮中心线偏移的大小和方向是传动的重要参数。本次设计取=30mm。可得设计后的小齿轮与大齿轮三维图如下：图5.3小齿轮图5.4大齿轮5.5单轴面筋脱水机结构总装图图5.5主视图图5.6斜侧图图5.7俯瞰图结论针对现有技术的不足，本文设计的目的是为了提供一种单轴变螺脱水机，可以实现连续自动脱水操作。此外，针对我国现有脱水机的缺点，结合国外同类产品的一些优点，本文设计的单轴变螺脱水机的结构主要由电机，滑轮，齿轮及其壳体，机架等组成。脱水基本原理设备采用变速电机作为驱动电源，结构紧凑。铰龙叶片采用变桨距结构，与铰龙壳体高度产生压缩比，推动物料前进压缩，从嵌入通孔筛板的渗水壳体排出水，脱水物料通过出料口排出。防渗墙外壳及筛板采用分体螺栓紧固结构，便于维修拆卸。进料口和防渗墙下部均设有排水壳。在挤压过程中，物料体积逐步减小，累积的水充分排出，形成松散、含水量低的最好的工作情况。为下一步干燥制粒奠定了基础。同时，将小麦面筋生产线与这种单轴变螺式自动脱水机配套，可以提高生产线的自动化程度，有利于提高小麦面筋生产线的