毕业设计（论文）-DL65双螺杆玉米挤压膨化机的设计

DL65双螺杆玉米挤压膨化机的设计DL65双螺杆玉米挤压膨化机的设计摘要为了推动国内畜牧业的向前进步，加快膨化饲料行业的发展，研制出一种能够大规模应用于中小型企业的膨化设备是尤为迫切的。如今市场上出现的玉米膨化机因其体积较大、功率高，价格高的缺陷，使其难以满足实际的生产需求，因此想要实现大规模的应用是十分困难的。所以研制一种结构简单、价格低廉的小型玉米膨化设备，对我国饲料行业的发展具有重要的现实意义。本文以现存在的挤压膨化机为基础，同时结合以往总结的生产实践，制定了一套既缩减了成本又简化机构的双通挤压膨化机。此双通挤压膨化机与以前的挤压膨化机在结构上有所区别，主要添加了一组挤压设置，从而形成双通结构。除此之外，对传动装置进行了相应的简化，利用主传动电机来驱动上述的双通挤压设置。在此过程中主要涉及类比与模块化的方法，对挤压膨化机的总体动力传输路径进行了初步的计算，并对挤压系统的工作效率进行了初步的分析采用现物观察与三维模型相结合的方式，对设备的零件结构进行了解析，并对此装配布置中的相关结构进行了改进。根据分析及计算确定了关键部件（传动主轴、传动皮带、主传动电动机等结构）的构造以及选型，最终研制了一种具有结构简单、生产成本低廉的双筒挤压膨化设备的三维模型及整体布置方案。该设备克服了挤压膨化机设计过程复杂、设计费用高、开发周期长等问题，同时也为双螺杆挤压膨化机研制和开发提供了一种切实可行的方案。关键词；螺杆；膨化机；挤压AbstractInordertopromotetheprogressofdomesticanimalhusbandryandspeedupthedevelopmentofexpandedfeedindustry,itisparticularlyurgenttodevelopakindofexpandedequipmentthatcanbeusedinsmallandmedium-sizedenterprisesonalargescale.Becauseofitslargevolume,highpowerandhighprice,thecornexpanderonthemarkettodayisdifficulttomeettheactualproductiondemand,soitisverydifficulttoachievelarge-scaleapplication.Therefore,itisofgreatpracticalsignificancetodevelopasmallcornpuffingequipmentwithsimplestructureandlowpriceforthedevelopmentoffeedindustryinChina.Thispaperisbasedontheexistingextrudingandpuffingmachine,combinedwiththepreviousproductionpractice,developedasetofdoubleextrusionandpuffingmachinewhichreducesthecostandsimplifiesthemechanism.Thisdouble-passextrusionpuffingmachineisdifferentfromthepreviousextrusionpuffingmachineinstructure,themainadditionofasetofextrusionSettings,soastoformadouble-passstructure.Inaddition,acorrespondingsimplificationofthetransmissionismadetousethemaindrivemotortodrivetheabovedual-passextrusionsetup.Mainlyinvolvedintheprocessofanalogyandmodularmethod,overallpowertransmissionpathofextrusionmachinehascarriedonthepreliminarycalculation,andtheefficiencyofextrusionsystemhascarriedonthepreliminaryanalysisbyusingtheformsofobservationandthree-dimensionalmodelofthewayofcombiningpartsofequipmentstructure,andrelatedstructureswasimprovedinassemblyarrangements.Accordingtotheanalysisandcalculationtodeterminethekeycomponents(drivespindle,drivebelt,maindrivemotorandotherstructures)ofthestructureandselection,andfinallydevelopedasimplestructure,lowproductioncostofthethree-dimensionalmodelofdoublebarrelextrusionequipmentandtheoveralllayoutscheme.Theequipmentovercomestheproblemssuchascomplicateddesignprocess,highdesigncostandlongdevelopmentcycleofextruder,andprovidesafeasibleschemefortheresearchanddevelopmentoftwinscrewextruder.keyword：Screw;Extruder;extrusion1引言1.1课题来源自从世界上第一台膨化机发明投产以来,膨化机提供了许多独特的加工手段，产生了意想不到的效果，并逐渐被人们所认识。随着人们对膨化技术认识和研究的不断深入，其应用领域也在不断扩大，自从1992年米糠保鲜、成型工艺被列为国家科技成果重点推广计划项目以来、膨化技术及相关的膨化设备，在油脂、饲料、食品等行业中已经取得了长足的发展。近几年，国际上已在蔬菜水果的脱水保鲜、混合产品的稳定性处理等领域中掀起了挤压膨化的热潮。但是目前市场上所见膨化机都是大型膨化机，功率大、售价高，功率一般在几十千瓦左右，最高可达340千瓦,售价由几万元到几百万元不等，因此很难在中小型企业中推广，因此设计一种结构简单、价格便宜、适于中小型企业和个体户、专业户使用的小型膨化机，这对于我国畜牧业的发展，具有重要的意义，本次设计的目的正是基于以上指导思想并根据膨化机的设计经验设计出符合以上要求的小型螺杆膨化机，用来加工玉米等农作物，促进我国农业资源的开发利用。1.2研究意义随着世界各国的畜牧业如火如荼地发展，膨化设备已在国外形成了一系列的产品，在饲料行业中得到了广泛的应用。但是国内的相关技术，如饲料生产及技术发展水平，一直未有重大的突破，甚至与国外的技术表现出明显的差距。近年来，我国也在逐步加大畜牧业的发展步伐，对饲料质量的把控也越来越严苛，相信在未来，随着我国饲料行业的进步，膨化机将很快占据广阔的市场。此次的研究中以小型膨化机为对象、以个体工商户及中小企业为主要目标人群。整个研究过程是建立在技术达标以及结构合理的基础上，简化了对整体结构影响较小的附属件，简化结构的好处显而易见，不仅降低设备的重量，缩减开发的成本，且操作更方便、维护更容易。根据上述构想，此次设计的膨化机由四个主要装置构成：传动、膨化、进料和成型。膨化机的膨化机理十分复杂，目前尚无一套成熟的理论。因此，本文将根据已有的实验资料和记录资料，将两者结合起来，以确定膨化机各项参数，使之达到设计要求。本次设计的膨化设备的预计生产率为50kg/h~80kg/h，完全可以满足客户对膨化设备的需求。经改进设计后，采用环形模头，有效的解决了模头容易被堵塞，膨化效果差的问题，因此本课题的研究对推广膨化饲料、促进我国的畜牧业的发展具有现实意义。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状膨化机在国外还有一个名称：EP机，在1797年，JosephBrahma使用活塞传动设备生产无缝铅管，这也是挤压加工史的开端。随之技术不断的改革与发展，这个设备在通心面的生产过程中得到广泛地应用。1856年美国沃德就发表了有关食品的第一份专利，1959年出现了第一台挤压式膨化机。20世纪30年代中期，有人用成型挤压机将粗面粉与水回合制作面条。1936年第一台应用与谷物加工的单螺杆挤压蒸煮机问世，并取得成功。在1930s的末期，RobertColombo和CarloParquets对双螺杆的啮合同向旋转挤压机进行了研究。在1940s的中期和晚期，最早的挤压食物-玉米片是由单螺旋挤压机批量生产出来的。美国早在上个世纪50年代就将膨化技术引入了饲料行业，主要是为了宠物食品的加工和饲料的预处理，目前美国已经拥有了数百项技术和设备的专利。而日本在这一领域发展比美国推迟了十年。如今，以德国、英国为代表的欧洲国家都对此进行了广泛的关注。而膨化设备的生产制造基地更是遍布世界各国，如美国的CPM公司，日本的上田铁工所等。西德的兰明公司所制造的挤压膨化设备可以处理高含水量的饲料，压力达30~100kg/cm2,10~20秒即喷出成形。20世纪70年代前期CruetLoire为食品加工饲料加工新技术。目前，膨化技术在食品行业中的应用已经可以制造出丰富多彩的食物，例如各种甜点、饼干等。同时，膨化技术的发展道路也越来越广阔，在饲料行业中也受到前所未有的青睐。日本在膨化技术方面也取得了重大的进步，二战时期，大米和小麦都是用膨化技术生产的，然后被挤压成特定的形状，可以存放一年而不腐。作为备用的军粮。日本1968年开始生产膨化食品，1975年膨化食品销售额为1050亿日元，1978年超过2200亿日元，巧克力销售额为2000亿日元，比巧克力的销售额还大，说明膨化食品的发展是相当迅速的。根据1977年的统计，日本生产膨化食品量为14.62万吨，折合人民币10亿元，1970年以后日本开始生产膨化饲料用于饲养家畜和鱼虾，膨化饲料成品比一般的颗粒饲料成本高二倍，因此只用于鱼类迅速生长的阶段。1.3.2国内研究现状我国从1950年代起，膨化处理开始在食品工业中的应用中占有一席之地，在往后的十年中已在饲料工业中得到了一定的应用。在相关技术人员的不懈努力之下，膨化设备的生产技术有了明显的突破，且加工技术与之前比较有了较大的改善，因此所生产的膨化制品的品质也有了显著地提高，且生产的成本也在逐渐地降低。1975年挤压式膨化技术传入我国，食品与水产两个行业开始研制，上海中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所先后与有关单位协作研制了多种外加温长螺杆型膨化机，宁夏水产试验厂和宁夏柴油机厂合作，开发出各种自热长螺旋膨化机，70年代也有少数单位开发出了膨化颗粒饲料机，其中以添加温长螺杆为主。例如上海新泾农业机械厂、吴县渔具机械厂等。由于其力学性能不稳定，不够安全，无法在实际生产中得到广泛应用。关于畜牧业的膨化，80年代以来，国内逐步开展了相关的研究工作。内蒙农牧业研究所于1986年将饲料麦杆进行罐式膨化，并通过了部级鉴定，沈阳市的相关农业研究所和农业大学对稻壳膨化机进行了分析和试制，前者为大型后者为小型，都初步进行了推广和应用。为了开发新饲料来源，1980s初期，全国各地都在开发一种能够处理家禽混和饲料的膨化机，除了能够正常的膨化精料，还可以处理较粗的混合料。一次杀菌、造粒、局部脱水，为挤出膨化设备开辟了新的领域。近十年来，膨化饲料也受到了家禽、鱼类和观赏动物等产业的追捧。部分大型中外合资的饲料加工企业，因采用膨胀机，产品结构发生了很大的改变，有些公司的饲料产量超过60%。1.4主要内容本课题的研究对象是小型膨化机，其用户群体为中小企业和个体户。总体设想是在满足技术要求及结构合理的条件下，减少膨化机的附属件，降低生产成本，使其结构简单，使用和维修方便。所以，在此次的设计说明书当中，第一步就是对该产品的功能进行基本的概述，之后对其结构进行了详细的设计，并对其传动系统、挤压系统、外形等进行了详细的分析，并利用经验方法设计了相关的参数，从而得出相关的计算。整个过程对膨化设备的设计和计算的基本原理和方法进行了实践。此外，使用sw软件具体进行设计，主要内容有电机的选择、V带传动的设计、挤压系统的设计传动系统二维绘图及三维建模等等，以期设计出系统运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修、调整的小型膨化机。第2章总体方案拟定2.1总体方案的拟定整体方案的制定主要是对不同的设计方案进行了比较、论证，分析其优劣，最终确定比较合理的方案。该方法是进行后续设计工作的先决条件，其制定原则通常取决于设计需求，而本设计的整体规划原则是尽量减少辅助部件，降低制造费用，简化结构，同时保证工艺要求和结构合理，使用方便。本文的总体设计思路是在传统挤压膨化机的基础上，通过使用双螺杆结构，来提高膨化机的工作效率。总体的设计方案包括传动系统和挤压系统两大部分组成。其中传动系统中又包括电动机-小带轮-大带轮-传动轴四个关键零部件，实现把电机的动力分别传递给两组挤压膨化系统。而挤压系统部分中又包含螺杆、机筒、喷嘴、成型口模等零部件，并且两套挤压系统是各自独立工作的。2.2传动系统方案的拟定V带传动、齿轮传动和液压传动是当前常用的传动形式，其优点和不足如下表2-1所示：表2-1三种传动方式的优缺点传动方式优点缺点V带传动两个轴心距大的传动容易实现；具有弹性，可减震，因此传动平稳，无噪声；结构简单、维护方便、造价低廉；摩擦式皮带在过载时，皮带会在皮带上滑动，能有效地防止其它零件的损伤，起到过载保护的作用。外廓尺寸大，不紧凑；传动效率低，平带传动一般为0.95，V带传动一般为0.92；带的寿命较短，一般仅为2000~3000h;摩擦型带传动因带与带轮间存在相对滑动，不能保证准确的传动比。齿轮传动1.传动比恒定，传动效率高，使用寿命长，使用范围广及承载能力高。制造和安装精度较高；成本较高。液压传动重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快；操纵控制方便，可实现大范围的无级调速。传动效率低；制造精度要求较高，价格较贵；得不到严格的传动比。膨化机传动系统的设计原则要求原动机的选用应满足能源供应普遍，该系统结构简单，价格低廉，效率高，以便于控制和使用。为了达到以上目的，电动机是一种理想的动力源，故选择了电动机作为驱动装置。动力传动采用V型皮带驱动，具有结构简单、维护方便、造价低廉的优点；传动稳定，没有噪声，在超负荷时，皮带会打滑，对防止电动机烧毁。2.3挤压系统方案的拟定膨化机的螺杆、机筒、喷嘴、成型口模等零部件形成了挤压系统，该系统是整个膨化设备中的最核心部分。根据螺杆的数量，可将其分成单、双、多螺旋三种。由于多螺旋挤压系统的生产条件和安装精度比较严苛，在此被忽略。双螺杆挤压系统进给率和挤出率都比较高，且还具有良好的混炼、排气、自洁性，除此之外凭借较低的塑化温度，还降低了分解的可能性。螺杆是挤压系统中的关键元件，其作用不仅直接影响到膨化机的熟化、糊化作用，也影响着最终产品的品质。不同的螺旋具有不同的挤出和膨胀作用，因此此部分的设计需要着重考虑。螺杆的主要设计参数是螺杆和螺棱的几何尺寸。为了在膨化过程中具备高压、高温的条件，物料在输送过程中被充分挤压、剪切，为了达到最佳的膨化效果，本次设计选用了等螺杆。机筒是由螺杆外部包裹的，属于易磨件。此次设计的对象是一台小型膨化设备，其体积小，整体结构简单，因此选用整体式结构。在衬套的内壁上设计出直线形的沟槽，以提高挤压系统在工作时的剪切和摩擦作用。为了实现对物料的挤压和剪切，并且尽可能地减小泄漏，使螺杆和套筒之间的距离最小。根据整体设计，充分考虑了各种因素对膨化效果的影响，进行了膨化机的设计。本机由四个主要部件构成：传动装置、膨化装置、进料装置和成型装置，见图2-1所示。传动装1.传动装置2.膨化装置3.喂料装置4.成型装置图2-1膨化机结构简图置选用V带传动系统，电动机经过对比选型后，确定使用三相异步电动机，该电动机具有诸多优势，首先结构简单且易于维护，其次成本低，性价比较高。该装置还使用了单螺杆挤压系统，其中机架使用了焊接工艺，焊接的原材料则是热轧板。通过上面的描述可知，膨化机系统的结构主要分为这几大部分，且具有结构简单、维修方便等特点，符合本次设计的要求。该机器在工作时，螺杆位于套筒的内部，其顶部呈锥形，机器运转时，它会在套筒内部旋转。该螺杆与喷嘴之间存在一定的空隙，在转动过程中，机器的喷嘴不发生变化，起到了阻断物料的作用，同时使腔内的压力进一步变大。而该设备的喂料装置是由料斗组成，这是物料进入机器的通道。通常情况下，物料会经过该口进入到套筒内部，而套筒中的螺杆会旋转，给物料增加动力，使其源源不断的进入设备内部。在该过程中，物料、螺杆及套筒之间会产生摩擦及剪切力，随着时间的推移，其温度会变得很高，而周围得的高温环境会使物料内部水分流失，全部变成水蒸气，该过程时间很短，同时，随着水分蒸发，加上温度的升高，其腔内会形成高压，而高温高压的环境则会改变物料形态，使其发生糊化作用，最后由喷嘴喷出，喷出的物质是原料高温后形成的膨化物。整个流程主要分为三大部分，第一部分则是输送过程，在该过程中，物料较为松散，比较自由，而套筒与螺杆之间的间隙很大，对于物料来说，基本上不会受到剪切力，仅仅起到了搅拌物料的作用，其内部的温度上升幅度较小，物料不会发生较大的变化，特性不改变。第二个部分则是真正起到作用的部分，称之为挤压过程。当物料进入了挤压阶段，原本宽敞的空间会瞬间变得狭小，且都位于螺旋槽内，此时的物料受到了较大的剪切力，被压缩的很厉害，同时摩擦力等作用下，内部压力及温度改变的很大，使物料开发进入糊化阶段。而最后一阶段则是物料彻底糊化阶段，称之为增压过程，物料进一步移动，进入到压力室，该地方的温度及压力剧烈变化，使物料快速糊化，借着压力由喷嘴向外喷出，喷出后物料的压力变小，水分在该阶段汽化，使其膨大，变为膨化物。本次设计的膨化机的主要参数为长×宽×高mm560mm×550mm×1008mm生产率kg/h150-180KG/h螺杆转速r/min450r/min~550r/min膨化压力Mpa1.12Mpa膨化温度oC110oC第3章传动系统的设计及校核3.1传动部电机的选择玉米膨化机的工作需要使用电机来提供动力，本文设计的双螺杆膨化机，为了降低制造成本，使用一台主电动机来带动两组挤压系统的工作。电动机的动力通过两组带传动的大小带轮来传递。电动机通过螺栓安装在设备底座上（见装配图零件3），通过条形螺栓孔来微调电动机的安装位置，以实现皮带轮的传动的张紧功能。调整时，松开安装螺栓，主传动电机就可以沿着设备底座平移一定距离，直到传动皮带张紧；调整到位后把螺栓紧固。本次设计的玉米膨化机，该机器每小时生产膨化物的质量最大可达到180KG，因此为了满足该需求，螺杆的转速应当保持在一定的范围内，当螺杆的转速超出该范围，那么物料的膨化时间就变得很短，熟化的不彻底，使其膨化物不符合使用标准。而当螺杆的速度低于该范围，那么玉米在该设备内部停留的时间过长，使其熟化程度过高，会使膨化物变焦，影响产品品质。经过详细的考证，最终确定了转速为时，该设备生产的产品质量优秀。另外，在不考虑其它能量变化的情况下，功率的计算如下：（3-1）式中N表示电机功率；K表通常为常数，值为0.1，代表电机储备系数；而C也为常数，其值为1.67，代表物料比热；ΔT通常表示温度差值；E代表生产率；而η则是传动效率，通常取值为0.96。经计算可知N为3.19~4.93kw根据主电机功率,选用Y132S-4型Y系列三相交流异步电动机,主要参数如下表3-1电动机的主要参数额定功率5.5kw转速1440r∕min中心高132mm轴伸尺寸80mm键槽尺寸10mm×5mm3.2V带传动的设计在电机与第一组挤压系统之间采用带传动，第一组挤压系统即距离主传动电机较近的挤压装置，另一组距离电机较远的挤压系统的传动，采用大小相等的两个带轮进行传动，因此工作载荷情况比电机和第一组挤压系统的工况更好。所以，文章仅考虑了前部分的挤压系统，即第一组挤压系统带传动，该装置成本低且结构简单，使用时较为平稳。3.2.1确定计算功率PcaPca与传递功率P相关，且荷载即运转时间对其具有显著的影响：（3-2）式中Pca——计算功率kwP——传递的额定功率kwKα——数值是1，为固定系数计算得=1.0×5.5=5.5kw3.2.2选择带型本文参照了Pca及转速n2等参数，最终确定了其带型，为SPZ型窄V带。3.2.3确定带轮的基准直径dd1和dd2（1）初选小带轮的基准直径dd1通过文献[1]可知dd1≥dmin，通常为了保障设备稳定，取最大直径dd1=90mm（2）验算带的速度v根据公式 （3-3）来计算带的速度，此时应当符合v≤vmax的要求，而vmax的数值在35~40m/s之间。当带速大于最大速度，则会使设备产生较大的离心力，皮带打滑，同理，带速过小，则产生的拉力便很大，造成了带根数目变多，而为了保障稳定运行，其带宽、轴径等参数都要相应的变大。计算得6.79带的速度合适。3.2.4计算从动轮的基准直径dd2通过查阅资料可知，螺杆转速为450r/min，电机转速为1440r/min，而传动比i（3-4）式中n1——电机转速r/minn2——螺杆转速r/min计算得于是并按V带轮的基准直径系列圆整后选取所以标准传动比故主轴实际转数3.2.5确定中心距a和带的基准长度Ld根据传动结构需要初定中心距a0，取（+）<<(+)（3-5）a0＝500mm根据带传动的几何关系，按下式计算所需带的基准长度L'd（3-6）计算得根据L'd由参考文献[1]选取和L'd相近的Ld为1600mm，V带中心距：（3-7）计算得3.2.6验算小带轮上的包角由式（3-8）计算得所以主动轮上的包角合适。3.2.7计算V带的根数z（3-9）其中kα为固定值，数值为.95，代表包角系数kl为固定常数，其值为1，代表长度系数P0为固定值，其值为1.98，代表额定功率ΔP0表示功率增量，通常取值为0.22因此：=2.63取3.2.8计算预紧力F0（3-10）由参考文献[1]得=0.07故=3.2.9计算作用在轴上的压轴力Fp（3-11）计算得3.3带轮的设计3.3.1带轮材料的选择带轮材料通常与带速具有相关性，当带速较小，小于30m/s时，可选择铸铁材料制作，而带速较大，大于该值时，需要采用铸钢件，而本次的带速为6.79m/s，远远小于标准值，因此，铸铁件可满足需求，选择HT200。3.3.2带轮的结构尺寸主动轮采用实心式（因为相应电机轴=38mm，dd1≤2.5d）从动轮采用孔板式（dd2－dd1≥10mm）由参考文献[1]可知，轮槽大小与带的截型相关，其它结构可经过相关的公式计算，具体的结构图3-1标注出来。图3-1电机轮3.4轴的设计在机械设计中，轴是一种重要的零件，起到了较为重要的作用，通常来说，它可以制支撑设备进行回转，传递动力。本文中的传动轴连接带带轮和螺杆，电动机的动力通过小，大带轮传递到传动主轴上，最终传送给螺杆，实现挤压工作。下文所校核的传动主轴是第一组挤压系统中连接大带轮和螺杆的传动轴。另外一组挤压装置中的主轴相同，不需另外校核。该膨化机采用阶梯轴的方式设计传动轴，设计成该模式的优势是便于装卸，同时零件的位置都是由轴肩确定，而零件的安装、定位等都可以决定该轴的径向尺寸，而轴的长度则是根据轴承组合及箱体来确定。3.4.1求主轴上的功率P2及转矩T2（3-12）计算得kw（3-13）计算得3.4.2初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45号钢，调质处理，由参考文献[1]取A0于是（3-14）计算得取轴的最小直径为26mm。3.4.3轴的结构设计（1）轴上零件的装配方案此设备采用了六段阶梯轴，具体的装置可以通过图3-2看到。在该方案中，一段轴与螺杆相连，三段轴上含有密封圈及滚子轴承，五段轴则含有轴承及后盖，最后一段则是与大带轮相连。（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度其中各段轴承的长度与直径分别为135mm、77mm、50mm、82mm、70mm、40mm，而轴承的直径为26mm、32mm、35mm、40mm、35mm、30mm等，各轴长度的设计通常都与设备结构相关。图3-2传动轴结构图3.5轴的受力分析3.5.1确定轴的轴向力除了皮带轮对轴的压力=外，还有两处轴承对轴产生分别为和的径向力。（3-15）（3-16）计算得NN画出轴的受力简图，见图3-3(a)3.5.2确定轴的弯矩（3-17）计算得画出轴的弯矩图，见图3-3(b)所示3.5.3确定轴的扭矩（3-18）计算得画出轴的扭矩图，见图3-3(c)3.5.4确定当量弯矩（3-19）式中通常为固定值，取0.3，代表校正系数。计算得图3-3轴的受力分析3.6轴的强度校核从上图的受力分析我们可知，图A截面不符合预期，需要进行校核：（3-20）式中——轴的抗弯剖面系数；——轴的许用弯曲应力，；满足条件，所设计的轴合乎要求。3.7轴的疲劳强度校核按照疲劳强度安全系数校核计算A剖面的安全系数为（3-21）式中——疲劳强度计算的许用安全系数；——仅受弯矩作用时的安全系数；（3-22）——仅受转矩作用时的安全系数：（3-23）由于取材为调质45钢，查参考文献[1]可知：、——轴的弯曲和扭转疲劳极限、——弯曲应力的应力幅和平均应力、——扭应力的应力幅和平均应力、——轴的危险截面上的弯矩和扭矩、——轴在危险截面的抗弯、抗扭截面模量对于膨化机的传动轴计算得、——弯、扭时有效应力集中系数——表面质量系数、——尺寸影响系数、——弯曲和扭转时平均应力折算为应力幅的等效系数由以上的数据可得所以合乎要求。第4章挤压系统的设计4.1膨化机的挤压系统该膨化机的结构较为简单，其中关键核心为挤压系统，该系统零件构成较少，通常由机筒、喷嘴及螺杆等三大部件组成，该结构也可称为机膛，主要履行挤压膨化物料的功能，而产品质量的好坏与该系统有关，通过它可评判膨化机性能。在加工物料的过程中，物料会受到外界压力及环境的影响，发生状态变化，而处在机膛内部的物料最终会经过机头被挤压出去，而该过程中，压力及温度等外界条件发生剧烈变化，熔融状态下的物料则会被膨化，完成加工标准。从上面的加工过程中来看，必须保障物料能够持续稳定的输出，因此，该结构设计的是否合理将决定该设备的性能是否满足物料持续输出的要求。而在该挤压系统中，使物料能够膨化的装置主要是螺杆及套筒，两者直接影响膨化形状，因此，良好的挤压系统，其螺杆及套筒的设计一定是合理的。4.2螺杆的设计从物料膨化过程可知，螺杆是整个膨化系统中最重要的元件，因此设计螺杆时，需要充分考虑各项标准。一般来说，螺杆的结构简单，主要分为三大部分，分别是主轴、键及压螺。该结构在鹏华设备中扮演者重要的角色，其主要是输送原料，并对其进行挤压剪切，输出膨化物料，是整个系统的传输装置。该装置的动力则是由电机提供，在运动过程中，会产生热能及势能，是机腔内部的压力变大，原料产生糊化反应，其内部的蛋白质会变性，组织膨大，最终实现了膨化产品。因此，膨化机的膨化效果与各种因素相关，其中包括工作的温度、原料的质量、停留的时间及螺杆的设计性能等。因此，设计人员对于上述的因素研究的比较深入，是他们一直关注的重点领域。从上面的阐述可知，螺杆的长度及直径对其产品质量有着较为严重的影响，决定了挤压料熟化比，也决定了其产品膨化程度。螺杆的形状合理，可使物料能够轻松的被送入螺槽，并继续向前推进。同时在物料向前推进，进入到螺纹槽中，内部的环境较为恶劣，不仅温度高，压力也大，而螺杆也同样会受到这些环境因素的影响，因此在设计时，需要考虑其使用强度，避免出现因强度不够而产生断裂的情况，但是通过合理的设计可避免产生该种状况，另外，膨化性能不仅仅受到螺杆的影响，还与多种因素有关，而参数之间互为矛盾，因此对螺杆的设计理论,采用传统的设计方法，也就是根据经验或采用类比法确定螺杆的参数4.2.1螺杆的结构设计螺杆的分类方式有很多种，其中按照根茎可分为等根茎及变根茎螺杆；而按照螺距则可分为两部分，分别为等螺距及变螺距；同理，螺杆还可以通过其螺纹形状进行分类，分为矩形及锯齿形。根据相关的标准，可知本系统采用的是等螺距的变根茎方式，其具有较大的优势，成本低加工简单，满足经济需求，见图4-1。图4-1螺杆的结构4.2.2螺杆的基本参数确定螺杆的参数有很多，其中最主要的参数之一则是螺杆直径，可用Ds来表示。通常情况下，在设计螺杆时，都需要确定该设备的生产能力，根据这个指标来确定相应的螺杆直径。除此之外，转速及压力也会影响其生产能力，需要综合进行考虑，因此，没有公式能够精确计算出具体的螺杆长度，但是，螺杆长度的选择也是有迹可循，可通过以下方式进行估计：在确定该设备的生产能力之后，可根据以下公式，确定螺杆直径：（4-1）式中——生产能力——螺杆直径——螺杆转速——经验出料系数计算得选取螺杆外直径为65mm螺杆的长度按公式（4-2）其他条件不变的情况下，螺杆长度增大，则会增加物料在设备内部的停留时间，使物料可以进行充分反应。同时，螺杆的长度也不能过度变长，否则会使物料停留时间过长，充分反应而导致变形。玉米膨化机的长径比通常为3~12，根据经验，选取螺杆长径比为k＝4.25所以螺杆长度螺杆前端设计成锥形结构，长度取。螺杆的前端设计为圆柱形，可与喷嘴充分配套。物料在螺杆中会受到挤压，反应过程主要经历了三个阶段，分别为输送、熔融及均化，为了配合这三个阶段，通常将螺杆也分为三部分一一对应，分别为输送段、熔融段及加料段。加料段主要进行输送任务，因此保障输送量其槽深较大。另外，螺杆的机械强度与压缩比具有相关性，因此综合考虑后，本设计在加料段的槽深为15mm，长度为L的20%，而玉米膨化机，加料段要求长一些，因此长度为40mm；同样，熔融段的主要作用是压缩固态物料，因此槽深要比6mm大，熔融段螺杆长度一般根据经验为L2＝(50%~60%)L，取L2＝120mm；均化段的主要参数是螺杆的槽深H3和长度L3，在设计时要考虑这两个参数与一些因素的关系，槽深越小，其产生的剪切力越大，塑化及均化反应明显，但是，这也会导致物料产生热分解，因此，权衡该因素具有一定的难度，通常其值的选定靠经验来完成，因此槽H3的深度为12mm。同时，螺杆长度对设备的生产能力及产出质量有较大的影响，其长度增加，而倒流的流量就会相应的减小，在其它条件不变时，该设备的产出质量得到提升，生产能力变大，同时，增大L3的长度，可使物料在设备内停留的时间变长，均化反应时间也变长，使其能够充分的被剪切，使物料能够充分的混合，但是停留时间过程会导致产生热分解现象，因此，根据相关的经验，其长度取值为40mm。为了满足膨化要求，螺杆的有效根径应当在50-58mm之间。和螺杆的长度类似，目前还未有公式能够精确计算螺纹宽度，因此设计螺纹宽度也是根据相关的经验进行设计，同样，螺纹宽度与物料输送能力具有相关性，宽度小，其螺棱的体积也小，输送能力变大，但是螺纹小，则会使接触面积变小，套筒内部空间变大，使其漏流增加。相反，螺纹大，则会使接触面积变大，套筒内部空间变小，使其漏流减小。因此，两者需要进行均衡设计，通常情况下，直径为80mm的螺杆，其宽度为0.1Ds。螺纹宽度不能取太大，太大的化会使螺槽溶剂变小，仅为增加了功率消耗，产生的热量增加，同样，螺纹宽度不能取太小，否则的话会使强度不高，漏流增大，生产力降低，根据经验取e＝6.4mm，螺距为35mm牙形采用矩形断面的螺纹，螺旋角取。4.2.3螺杆材料的选择螺杆在工作时长期受到物料的磨擦作用，磨损较大，为了提高膨化机的膨化质量和延长螺杆的使用寿命，应选用具有耐磨性能的材料来制造螺杆。本设计方案中，螺杆选择铸铁，满足要求，保障了经济性。4.3螺杆的受力分析及确定进行挤压力计算时，其机头压力及轴向力是不可缺少的参数，在设备运行过程中，机构压力是由螺杆旋转推动物料前进产生的。而轴向力的大小则受到了多个因素的制约，其中最主要的因素为压力、螺杆结构及转速和温度等。该轴向力主要由两部分组成，一部分是轴向压力，该力位于机头处，作用在螺杆上。另一部分则是附加压力，该压力由动载荷产生，表现形式为挤压。其典型的代表则是剪切阻力、摩擦阻力等。而影响该轴向力的原因较多，因此计算其精确值较为困难，但是可通过下列算式进行估算：（4-3）式中Pz表示轴向推力，而P1表示轴向总压力；P2表示附加压力（4-4）式中Ds——螺杆外直径m；P——物料压力经过查询相关资料可知，物料糊化的压力要大于。因此本设计中压力取。计算得根据实验测定（4-5）计算得为了使螺杆更安全取于是4.4螺杆强度校核螺杆的受力状态见图4.2所示，从下图可知，该螺杆受到的力主要为物料压力、扭矩力及自重，分别用字母P、Mt和G来表示。另外，螺杆受到的径向压力相互抵消，因此估算压力仅需要考虑其轴向压力，在计算当中，我们假设螺杆不存在弯曲现象，因此，在计算螺杆的强度时，一般是复合计算，其中受到了挤压、重力等影响，且螺杆受力不均匀，在其根径处承载能力小，因此，可以忽略这部分，总而言之，计算该强度，总结为复合力作用下的根径强度。图4.2螺杆的受力分析压缩应力可由下式求出（4-6）式中——螺杆轴向最大压力取——螺杆最小断面根径计算得扭矩产生的剪应力由下式求出（4-7）式中——抗扭断面模量——膨化机主轴功率——螺杆转速——膨化机传动效率取计算得螺杆自重产生的弯应力由下式求出（4-8）式中——螺杆自重产生的弯矩——抗弯断面模量——螺杆有效螺纹长度——螺杆自重螺杆自重按下式计算（4-9）式中——螺杆材料密度钢材取计算得所以螺杆的合成应力根据材料力学可知，对塑性材料合成应力用第三强度理论计算，其强度条件为（4-10）式中计算得由此可见，所设计的螺杆在满足生产率的同时也满足强度要求。4.5机筒的设计在该膨化设备的机膛中，机筒是构成该设备的主要组成部件，可根据长度进行分类，可分为整体式和分段式。同理，机筒的分类方式也较多，根据其径向结构，可分为单一及组合机筒，通常情况下，前者是由一种材料构成，而后者是由多种材料组成，差异性较大。而组合机筒外部会有一层结构，该结构通常是由铸钢工艺制造，在其内部镶嵌一个较为耐磨的合金内衬，便组成了套筒。同时，在设计机筒时，可以在进料段使用纵向直槽设计来加大其物料运输能力，同时，设计还需要考虑可替代性，各个衬套之间可相互替换，因此，直槽的标准要一直，方便替换，同时直槽的数量则与螺杆的直径相关。图4-3整体式套筒4.5.1机筒最大压力的确定在设计机筒过程中，还需要确定其壁厚，该参数会对机筒造成影响，需要重视。通常情况下，壁厚也无法通过理论进行计算出来，因此，在设计时，需要凭借其经验进行确定，而确定其壁厚时，需要确定其最大压力值。物料经过机筒时，在挤出过程时，机膛内部环境并不稳定，其压力及温度是不断变化的，其变化的趋势可从图4-4看出，机膛内压力的最大值出现在均化阶段，该阶段的末尾时，压力最大，一直持续到机头。而温度则与压力不同，他的最大值出现在加料段中间，且持续过程较为平坦，一直持续到机头。通过流体力学的相关知识可知均化段流率：（4-11）图4.4挤出过程温度和压力变化图式中——膨化机生产率——螺杆外径cm——螺杆转速——均化段螺槽深度cm——螺杆的螺旋升角——螺杆的轴向螺棱宽度cm——螺杆均化段长度cm——螺杆与机筒之间径向间隙cm——螺杆偏心校正系数通常取1.2——均化段末端压力MPa——落槽中熔融物料的粘度——螺杆与机筒间隙中物料粘度上式右端三项，自左至右分别为正流、压力流及漏流流率。当物料被挤出时，机头被堵塞，而螺杆责被熔融状态的物料固定住，因此，机头会出现断流现象，产生该现象时，其流速为0，那机头的压力为：（4-12）式中——机筒内的最大压力——螺槽中熔融物料的粘度——螺杆均化段长度——螺杆外径——螺杆转速——螺杆均化段螺槽深度——计算得4.5.2确定机筒理论厚度机筒的理论厚度按下式计算（4-13）式中——机筒理论厚度——机筒内圆半径——机筒内的最大压力——考虑到高温因数材料的许用应力计算得取4.5.3计算机筒内温度在膨化机中，螺杆做功产生热量，按照能量守恒可知：（4-14）式中——主电机功率ww——机械传动效率——主轴阻力矩——主轴转速——物料比热——物料温升——机筒内物料的质量流率kg/skg/s——机筒外表面传热膜系数——机筒外表面面积——机筒表面温度与空气温度差——机筒内物料压力PaPa——机筒内某一点物料体积微元——单位质量物料化学变化所消耗的能量在忽略单位质量物料化学变化所消耗的能量的前提下，为（4-15）计算得4.6喷嘴设计为了与锥形螺杆相配套，喷嘴的设计形状为锥体，该装置较为重要，其作用主要分为两部分，第一部分则是产生一定的阻力，进而形成压力，而另一部分则是使膨化后的物料成型。通常情况下，膨化压力与螺杆和喷头间的距离有关，当两者距离很近，产生的压缩比较大，进而提高了膨化压力，造成喷头堵塞现象，使其无法稳定的输出膨化成品。相反的，当两者距离很远，产生的压缩比较小，进而减小了膨化压力，虽然会产生稳定持续的喷射，但是喷头的力度较低，无法满足需求。同样喷嘴使用螺纹与套筒连接，该螺纹可根据需求进行调节，进而形成不同的压力及间隙，达到稳定且有力的喷射。喷嘴也能影响膨化效果，其具体如图4.5，力P可以分解为沿喷嘴壁的力和垂直于喷嘴壁的力，使物料向前运动，为正压力，产生摩擦力，欲使物料沿喷嘴向前运动，必须大于摩擦力。即>（4-19）（4-20）（4-21）（4-22）为正压力，为滞留系数，可用表示，以上，为滞留角，将各参数带入，则得>即由此可推断，也就是说，可得根据经验得知一般φ角取值均在以上所以角必小于，而在玉米膨化过程中角选左右，因此在本设计中选为。如果过大，则物料不能前进，无法使物料膨化，另一方面，若角过大，会使机械效率降低，影响产量。图4.5喷嘴受力分析图4.6加料口断面形状4.7加料口的设计加工不同形态的物料应采用相应结构的喂料口，以利于物料连续喂入旋转。加料口的设计方案有多种，所有的设计方案如上图所示。从上图可知，(a)口加工带状料具有一定的优势，但是不适用较小规模的粒料及粉料。(c)和(e)的制造工艺简单，加工也较为方便，擅长颗粒物，因此用在检疫式挤压机中。(b)、(d)、(f)在工业生产中运用的较多，三者之间具有一定的区别，其倾斜角度不同，(b)类右口壁为。(d)和(f)类左壁垂直，沿中心线偏移。这两类进料口具有通用性，可加工任何种类的物料，因此本方案的加料口采用(d)类，该加料口为矩形，长度为，宽度为。4.8滚动轴承选型设计本文设计机械设备承受较轻的载荷作用，但其连接螺杆和传动主轴。因此需要承受轴向力的作用。下文所校核的轴承是安装在第一组挤压系统中，安装在螺杆上的一组轴承。综合各项因素，本设计选择角接触球轴承装置，既要满足其经济性，又需要满足使用需求，经过综合考虑，选择轴承的类型为7000C。该类轴承的动载荷系数是，该轴承装置的静载荷系数大小是,查表知该轴承部件的预期寿命长度是。图4-1用7000C系列的角接触球轴承装置受力分析示意图1.角接触球轴承装置径向载荷,.设计计算取,，,，计算可得2.角接触球轴承装置轴向力,设计计算该轴承的派生轴向力为经计算：由，，计算可得由，，，由,设计计算轴承装置的寿命周期长度L10Lh

CP

n

ε，3.轴承装置当量动载荷、设计计算由利用插值计算，可求得该轴承的径向及轴向的荷载系数：，，同时，经过查阅相关资料，结合本方案的设计，我们可得到该轴承在继续运转时会产生冲击载荷：已知，结合本文设计的实际情况，综合各项因素，最终选取，计算可得：轴承装置寿命周期长度验算由于，故对轴承A进行受力分析，进行轴承使用寿命的估算，而本装置的轴承转速为。由可知，本设计的轴承使用寿命满足需求，本方案的轴承寿命设计的是五年，而该设备的时间，由于，与使用年限的差距较大，因此需要每年更换轴承，才能保障该设置正常运行。结论本方案设计的玉米膨化机是结合了小型膨化机的基础上进行的设计，该设备可完成物料的膨化功能，本设计充分结合了当前机械设计理论及经验，具有一定的实用性，因此可推广到中小企业中，提高其生产的效率，适应我国畜牧业的发展，加速我国膨化饲料工业的前进步伐，对我国的工业发展具有一定的积极意义。同时，该设备的挤压系统进行了充分考虑，使其选型及设计满足一定的标准，体现出了经济性、稳定性，具有广泛的应用场景。本文还详细阐述了膨化机的工作原理，并对该设备传动系统、挤压系统进行了详细分析，通过一定的经验，确定了设计的参数，实现了该膨化机方案的整体设计。本文设计的膨化机结构简单、价格便宜，对我国的饲料工业的发展是非常有意义的。致谢经过半年的努力我的毕业设计已经接近尾声，通过半年的学习我感悟很多，作为一个本科毕业生，我们将要学习的东西还很多，这次毕业设计增加了我