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XX大學XX學院 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目： 樹枝粉碎成型機的成型成型裝置設計 學號： XX63235 姓名： XX 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 指導教師： XX 系主任： XX 一、主要內(nèi)容及基本要求 主要內(nèi)容： 1、熟悉粉碎成型機的成型機工作裝置的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，并分析總結(jié) 成型機成型機工作裝置的性能要求以及設計原則。 2、根據(jù)成型機工作原理和結(jié)構(gòu)特點，計算并優(yōu)化各項參數(shù)設計。 3、對工作裝置進行運動學分析以及結(jié)構(gòu)設計。 4、用AUTOCAD畫出二維圖紙，并校核。 基本要求： 1、設計說明書一份，要8000字以上。 2、提交CAD圖紙（成型機工作裝置裝配圖、擠壓螺桿零件圖、輸料筒零 件圖）。 二、重點研究的問題 通過查找與整理大量擠壓螺桿成型機的資料，查閱相關(guān)文獻資料了解成型 機的成型過程和設計參數(shù)，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設計出一套成型機。進一步熟練使用 AUTOCAD等制圖軟件，繪出2D圖紙，得到成型機的完整的裝配圖和若干關(guān)鍵零件 的設計圖。合理確定螺桿結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，以保證成型機技能滿足使用需求， 又能提高經(jīng)濟效益。 三、進度安排 各階段完成的內(nèi)容 起止時間 1 查閱相關(guān)資料 第一周 2 整理出幾種方案 第二周 3 選定方案 第三周 4 螺桿的優(yōu)化設計 第四、五周 5 其他部件的設計 第六周 6 校核數(shù)據(jù) 第七周 7 繪制裝配圖 第八周 8 繪制零件圖 第九、十周 9 整理相關(guān)數(shù)據(jù)資料 第十一周 10 撰寫畢業(yè)設計說明書 第十二周 二、 應收集的資料及主要參考文獻 [1]高翔,曲靜霞,張大雷,等.大型螺旋固化成型機及其性能[J].農(nóng)業(yè)機械學 報,2009,27(2):83-84. [2]王森.桿擠壓式生物質(zhì)成型機的優(yōu)化與設計[D].河南:河南農(nóng)業(yè)大學,2008. [3]劉圣勇,楊國峰,楊群發(fā),等.擠壓式生物質(zhì)成型機優(yōu)化設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè) 機械學報.2010,41(7):96-100. [4]楊星釗,連萌,王威力,等.生物質(zhì)成型機成型套筒的改進設計[J].河南農(nóng)業(yè)大 學學報,2009,43(5):531-534. [5]鄭文緯,吳克堅,鄭星河.機械原理[M].第七版.北京:高等教育出版社,2006. [6]李境.機械設計基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011. [7]濮良貴,紀名剛.機械設計(第八版)[M].北京:高等教育出版社,2006. [8]馬連生,楊靜寧,宋曦.理論力學[M].北京:科學出版社,2009. [9]東北林學院.林業(yè)機械[M].北京:中國林業(yè)出版設,1982. [10]羅迎杜.材料力學[M].武漢:武漢理工出版社,2001. [11]戴立玲,楊世平.工程制圖[M].北京:北京大學出版社,2006 XX大學XX學院 畢業(yè)設計說明書 題 目： 樹枝粉碎機成型機的成型裝置設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： XX63235 姓 名： XX 指導教師： XX 完成日期： 2012年5月20日 目 錄 摘要 1 Abstrct 2 第一章 引言 3 1.1粉碎成型機簡介 3 1.2粉碎成型機的國內(nèi)外發(fā)展情況 6 第二章 工作原理、主要指標、材料選擇與物料受力分析 9 2.1工作原理 9 2.2主要指標 9 2.3材料選擇 10 2.3物料受力分析 10 第三章 螺桿的分析 14 3.1螺距的計算分析 14 3.2螺旋體的分析 17 第四章 螺桿設計 18 4.1螺紋中徑的計算 18 4.2螺紋牙強度的計算 21 4.3螺旋軸螺距 21 4.4壓縮段螺桿的錐角設計 23 4.5螺旋升角計算 23 4.6螺桿旋轉(zhuǎn)速度的選取 23 4.7螺桿強度校核 25 第五章 成型套筒部分 26 5.1成型套筒簡介 26 5.2成型套筒的設計 27 第六章 電機與加熱套的選擇 28 6.1電機的計算選擇 28 6.2拖鏈輪的結(jié)構(gòu) 30 第七章 設計小結(jié)與體會 32 參考文獻 34 26 樹枝粉碎成型機的成型機設計 摘要：成型機，是樹枝粉碎成型機的成型部分。粉碎機將樹枝粉碎，通過傳送裝置，將粉碎顆粒傳送到成型室，成型機螺桿將粉碎顆粒擠壓，經(jīng)過成型套筒成型，在經(jīng)過保型筒保型，最后由出料口出料，這是整個粉碎成型機的最后一個部分。本文介紹了一種樹枝粉碎成型機的結(jié)構(gòu)形式及組成，并對其做了結(jié)構(gòu)尺寸設計及性能參數(shù)的計算，給出了螺旋體、輸料筒、成型筒、保型筒等主要零件的零件圖。 關(guān)鍵詞：螺桿成型機 生物質(zhì)燃料 The design of the biomass briquetting Machine Abstract:Biomass briquetting Machine is the last part of the biomass pulverizer and briquetting machine,pulverizer can comminuted branches, through the transmission device, will smash particles delivered to a forming chamber, the molding machine screw will smash particles after extrusion, molding sleeve forming, after insurance type cylinder shape retention, finally by the blowdown, it is whole and crushed the last part forming machine.This paper introduces a branch crushing machine structure and composition, and do the structural design and calculation of performance parameters, gives the spiral body, a material conveying barrel, drum, and cylinder of main parts. Keyword: screw,biomass,briquetting machine 第一章 引言 本次設計的內(nèi)容是樹枝粉碎成型機的成型機的設計。隨著能源的日益緊張，生物質(zhì)能源的開發(fā)顯得更為重要。成型機是生產(chǎn)生物質(zhì)能源的粉碎成型機的一個重要組成部分，其正確的選型和設計有著重要意義。 1.1粉碎成型機簡介 生物質(zhì)能源已經(jīng)是世界第四大能源，并且隨著全球經(jīng)濟社會的發(fā)展，特別是中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對生物質(zhì)能源提出了更為緊迫的需求。我國林木資源豐富，發(fā)展?jié)摿涂臻g巨大。在農(nóng)村隨著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變和農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廢棄物在不斷增加，其中的很大一部分都任其腐爛變質(zhì)，造成了生態(tài)污染和生物質(zhì)資源的浪費；城鎮(zhèn)在園林的修整，綠化區(qū)域的清理中，也存在大量廢棄樹枝。在這些背景下，生物質(zhì)粉碎成型機獲得了越來越廣泛的應用，國產(chǎn)粉碎成型機的研制引起了研發(fā)人員和制造商的重視。 就成型機而言，按工作原理可分為三大類：活塞沖壓式成型機，螺旋擠壓式成型機，模錕擠壓式成型機。不同類型的成型機在適用范圍，成本，使用壽命上都有著各自的特點，需要按需選擇。我國生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)量約為20萬噸，由于我國幅員遼闊，生物質(zhì)原料種類繁多、特性復雜，還有著很大的發(fā)展空間，同時對成型機工藝和設備有較高的要求。因此低能耗、高效率、適應性強的成型機研究有著重要意義。 圖1.1 模錕擠壓式成型機 圖1.2 螺桿式成型機 圖1.3 一種成型機的結(jié)構(gòu)圖 1.1.1結(jié)構(gòu)組成 其結(jié)構(gòu)主要擠壓裝置、輸料部分、進料裝置、成型部分組成。其中擠壓裝置根據(jù)不同的方案有螺桿、液壓、模錕三種類型。成型部分包括成型筒、保型筒和出料口，成型筒與擠壓裝置共同工作使物料成型，保型筒通過加熱物料使物料能保持形狀，最后經(jīng)過出料口出料。 1.1.2成型機的分類 成型機主要分為三大類： 1） 沖壓式成型機。該方案工作時不需要另外加熱，使用壽命較長，單位產(chǎn)品能耗較低。缺點是成型密度低，容易松散，穩(wěn)定性差，噪音大且潤滑油污染嚴重，并且購買成本較高。 2） 模錕式成型機。模錕式成型機由壓錕和壓模組成。該方案有構(gòu)造簡單，結(jié)構(gòu)緊湊和使用方便等特點。但存在噪音大、振動大等問題。 3）擠壓式成型機。該方案通過螺桿的擠壓，靠外部將溫度維持在150°到300°，將物料壓塊成型。具有運行平穩(wěn)，生產(chǎn)連續(xù)等優(yōu)點，缺點是螺桿易磨損，單位產(chǎn)品能耗相對較高。 綜合考慮上述幾種方案后，決定選擇螺桿擠壓式成型機，理由如下： 螺桿成型機是最早的生物質(zhì)成型機，技術(shù)相對成熟，市場占有率最高，制造、安裝以及維護方面困難最小。對于螺桿易磨損，單位產(chǎn)品能耗較高等問題，可以通過對螺桿以及套筒的優(yōu)化設計得到符合要求的解決方案。 1.2粉碎成型機的國內(nèi)外發(fā)展情況 1.2.1我國粉碎成型機的發(fā)展情況 早在上世紀三十年代，美國開始研究壓縮燃料成型技術(shù)，并研制出了螺旋式擠壓成型機。五十年代日本也引進了成型技術(shù)，并形成了自己的壓縮燃料成型工業(yè)體系。目前，歐美工業(yè)化國家如丹麥、瑞典、荷蘭以及美國等國都在生物質(zhì)成型方面做了大量研究，北歐一些國家已經(jīng)將生物質(zhì)能源作為取暖的主要來源。 熱壓成型是國內(nèi)外普遍研究和應用的成型工藝，其工藝流程為： 原料粉碎—干燥—擠壓成型—冷卻包裝 熱壓成型的主要工藝參數(shù)是溫度、壓力和物料在成型模具中的滯留時間，該工藝的主要特點是物料在模具內(nèi)被擠壓的同時，需要對模具進行外部加熱，將熱量傳遞給物料，使物料受熱而提高溫度。 我國生物質(zhì)固化成型技術(shù)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，同時這項研究也得到政府的關(guān)注和支持，在國家科技部、經(jīng)貿(mào)委、計委共同編寫的“中國新能源和可再生能源發(fā)展綱要（1996~2010）”中提出要“發(fā)展高效的直接燃料技術(shù)、致密固化成型技術(shù)”，作為今后能源工作的一個主要方面來抓。 我國從上世紀八十年起開始引進螺旋推進式秸稈成型機，生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究開發(fā)已經(jīng)有二十多年的歷史。南京林業(yè)化工研究所在“七五”期間設立了關(guān)于生物質(zhì)壓縮成型機及生物質(zhì)成型理論的研究課題。湖南省衡陽市糧食機械廠為處理大量加工糧食剩余谷殼，于1985年根據(jù)國外樣機試制了第一臺ZT-63型生物質(zhì)壓縮成型機。江蘇省連云港市東海糧食機械廠于1986年引進了一臺OBM-88棒狀燃料成型機。1990年后，陜西省武功輕工機械廠、河南鞏義包裝設備廠、湖南農(nóng)村能源辦公室以及河北正定縣常宏木炭公司的單位先后研制和生產(chǎn)了幾種不同規(guī)格的生物質(zhì)成型機。二十世紀九十年代期間河南農(nóng)業(yè)大學和中國農(nóng)機能源動力研究所分別研制出PB-1型機械沖壓式成型機、HPB系列液壓驅(qū)動活塞式成型機、CYJ-35型機械沖壓式成型機。 經(jīng)過多年的研究與試驗，國內(nèi)部分成型設備及配套產(chǎn)品發(fā)展成熟。但國產(chǎn)成型加工設備在引進及設計制造過程中，都不同程度地存在技術(shù)及工藝方面的問題，有待于深入研究、探索、試驗、開發(fā)?？傊谖覈磥淼哪茉聪闹?，生物質(zhì)成型材料將占有越來越大的份額。 1.2.2國外粉碎成型機的發(fā)展情況 國外生物質(zhì)成型機的主要方式有四種：顆粒成型機、螺桿連續(xù)擠壓成型機、機械驅(qū)動活塞式成型機和液壓驅(qū)動活塞式成型機。螺桿擠壓式成型機是最早研制生產(chǎn)的生物質(zhì)熱壓成型機。這類成型機以其運行平穩(wěn)、生產(chǎn)連續(xù)、所產(chǎn)成型棒易燃(由于其空心結(jié)構(gòu)以及表面的炭化層)等特性，在成型機市場中尤其是在印度、泰國、馬來西亞等東南亞國家和我國一直占據(jù)著主導地位。但制約螺旋式成型機商業(yè)化利用的主要技術(shù)問題一個是成型部件，尤其是螺桿磨損嚴重，使用壽命短;另一個問題是單位產(chǎn)品能耗高。 日本從20世紀30年代就開始研究應用機械驅(qū)動活塞式成型技術(shù)處理木材廢棄物，并于1954年研制出棒狀燃料成型機及相關(guān)的燃燒設備，1983年又從美國引進顆粒成型燃料生產(chǎn)技術(shù)。日本、美國及歐洲一些國家生物質(zhì)成型燃料燃燒設備己經(jīng)定型，并且形成了產(chǎn)業(yè)化，在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領(lǐng)域己普遍推廣應用;西歐一些國家(荷蘭、瑞典、比利時、芬蘭、丹麥等)在20世紀70年代己有了活塞式成型機、顆粒成型機及配套的燃燒設備?；钊麤_壓式成型機改變了成型部件與原料的作用方式，很好地解決了螺旋擠壓式成型機的問題。該種成型機在大幅度提高成型部件使用壽命的同時，也顯著降低了單位產(chǎn)品能耗。 第二章 工作原理、主要指標與材料選擇 2.1工作原理 螺桿擠壓式成型機工作原理生物質(zhì)成型機是指把能源密度低的作物秸稈、農(nóng)林廢棄物壓縮制成能源密度高、質(zhì)地堅硬的棒狀或顆粒狀燃料,以便于儲存和運輸。成型燃料具有熱值高、著火容易、含灰分低、熱效率高、燃燒時清潔衛(wèi)生等特點,廣泛應用于工業(yè)、生活鍋爐及民用燃料。螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機的工作過程和工作原理是首先從喂料口將粉碎的物料喂入壓縮室,當物料填滿壓縮室后,通過螺桿的旋轉(zhuǎn)和擠壓,在螺桿的推動下,使物料體積減少,實現(xiàn)成型壓縮,成型燃料壓縮后外徑為56mm,中孔直徑為10mm。 2.2主要指標 根據(jù)螺旋擠出式生物質(zhì)成型機的工作過程和主要工作部件工作原理，依據(jù)市場對螺旋擠出式生物質(zhì)成型機的要求，參考目前市場上存在的各項指標，制定螺桿成型機的工作指標如下： （1） 生產(chǎn)率：200kg/h （2） 成型棒直徑：56mm （3） 成型棒中孔直徑：10mm （4） 成型棒密度：1g/cm3 （5） 保型時間：18s 根據(jù)生產(chǎn)實踐和實驗數(shù)據(jù)，要把碎料壓縮成密度為1g/cm3的成型棒，需要26.5MPa壓強。在工程實際當中，梯形螺紋的螺桿，有較大的傾角，螺紋根部強度大，有利于物料的流動、混合與均化，這種螺紋常用高強度的傳動擠壓機械當中，所以選取梯形螺紋為工作螺紋。 2.2材料選擇 根據(jù)使用的場合和承載能力，選取螺桿材料為耐磨硬質(zhì)合金鋼，查手冊可知它的屈服極限為355MPa。螺紋傳動時螺紋在低速旋轉(zhuǎn)時的許用壓強為7.5MPa；取單頭右旋梯螺紋。 2.3物料受力分析 物料在螺桿成型機中運動，不計螺旋體轉(zhuǎn)動，而只計在旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片推動下沿螺旋向前移動。物料顆粒在輸送過程中，物料的運動由于受旋轉(zhuǎn)螺旋的影響，物料的運動并非是 單純的沿軸線作直線運動，而是在一直復合運動中沿螺旋軸運動，是一個空間運動。 當螺旋面的升角α在展開的狀態(tài)時，螺旋線用一條斜直線來表示，則旋轉(zhuǎn)螺旋面作用于半徑為ｒ（離螺旋軸線的距離）處的物料顆粒A上的力為P合。由于磨擦的原因，P合的方向與螺旋線的法線方向偏離了φ角。此力可分解為切向分力P切和法向分力P法。如圖2.1所示。 圖2.1 物料受力分析圖 圖中φ角是由物料對螺旋面的摩擦角ρ及螺旋表面粗糙程度決定的。對于一般沖壓而成或經(jīng)過很好加工的螺旋面，可以不考慮螺旋表面粗糙程度對φ角的影響，此時可取φ≈ρ。 物料顆粒A在合力P合的作用下，在料槽中進行復雜的運動，即具有圓周速度V圓和軸向速度V軸，其合成速度為V合，圖2.2表示了其速度的分解。 圖2.2 物料顆粒速度分解圖 若螺旋的轉(zhuǎn)數(shù)為n，處于螺旋面上的被研究物料顆粒A的運動速度，由圖中△ABC可得： 因此，將上述各式代入并經(jīng)過換算，便可以求得物料顆粒的圓周速度計算公式： 式中：s-螺旋的螺距；n-螺旋的轉(zhuǎn)數(shù)；r-研究的物料顆粒離軸線的半徑距離(m)；μ物料與螺旋面的摩擦系數(shù)，μ=tanρ。 若使公式V圓對r求一次導數(shù)，并令其值，便可求出存在V圓最大值的半徑為, 同樣，根據(jù)圖示的速度分解關(guān)系，可得物料的軸向輸送速度的計算公式： 軸向速度為： 以摩擦系數(shù)μ=tanρ代入上式得： 因此，將上述各式代入并經(jīng)過換算，便可以求得物料顆粒的軸向速度計算公式： 從上式可以看出，在一定的轉(zhuǎn)速下，螺距s在某一范圍內(nèi)物料可得到較好的軸向運輸速度，螺距過大或過下，都會影響物料的軸向速度。 第3章 螺桿的分析 3.1螺距的計算分析 螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機由于其結(jié)構(gòu)簡單，操作維護方便，在生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)中得到廣泛應用，但是，由于摩擦的原因，其成型效率卻比較低。螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機的工作效率高低與螺旋葉片結(jié)構(gòu)尺寸和葉片與物料的摩擦系數(shù)有關(guān)，對輸送一定物料而言，其摩擦系數(shù)為一定值，因此，下面討論螺旋葉片結(jié)構(gòu)尺寸對成型效率的影響，使螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機獲得最佳工作效率。 3.1.1 螺桿齒任一直徑上物料的軸向移動速度 螺桿齒上任一點的導程是相等的。假定葉片外圓直徑為D，螺旋軸直徑為d，從d到D，用一系列的同心圓柱去切螺桿齒，就得到一組螺距相等的螺旋線。把這一系列螺旋線展開，各螺線的導角是不相同的。 螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機要強力擠壓成型物料，就相當于要推動物料在這一系列的螺旋線上移動。 現(xiàn)在對αi、α1這兩條螺旋線上物料的軸向速度進行分析，如圖3.1，假設螺旋輸送葉片軸的角速度為ω。 圖3.1 物料的軸向速度分析 由圖可知： 從上面推導可知，螺旋輸送面上任一直徑上物料的軸向運動速度是相等的。則我們可以這樣假設，單位長度單位面積輸送面的軸向負荷僅與單位長度單位面積上物料量成正比。 3.1.2 螺桿齒某一直徑微小圓環(huán)上軸向負載 螺旋式輸送可分為兩種類型：一類是殼體內(nèi)全腔存料；另一類是作輸送用的，其填充率一 般在0.25~0.4，可以近似的看成是半腔存料。用n，G分別表示螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機葉片的圈數(shù)及存料量。現(xiàn)在分別討論全腔存料和半腔存料情況下，葉片單位圈數(shù)某一直徑微圓環(huán)的負荷。 全腔存料時單圈葉片某一直徑微圓環(huán)上的物料量： 用Q表示單位圈數(shù)上的物料量，則Q＝G/n：用q表示單圈螺桿齒面積上的物料量，則；用只表示單圈葉片任一直徑微小圓環(huán)螺桿齒上物料量，則，。 x為微圓環(huán)的半徑；dx為微圓環(huán)的寬度。 半腔送料時單圈葉片某一直徑微圓環(huán)上的存料量： 符號Q，q，Px的含義均相同，則： 經(jīng)過推導可知，單圈葉片任一直徑微小圓環(huán)（2x+dx）物料量為：；葉片上單位面積載荷與斷面單位面積物料量成正比。用m1表示單位圈數(shù)內(nèi)任一直徑微小圓環(huán)葉片的負荷，則。 螺桿擠壓式成型機的物料填充率一般在1.2~1.3，這樣的填充率可以近似地看成全腔存料。 3.2螺旋體的分析 由于螺旋體的各性能參數(shù)和尺寸參數(shù)之間的關(guān)系錯綜復雜，相互影響，用常規(guī)設計方法很 難達到最佳效果，因而對螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機螺旋體采用了優(yōu)化設計。 該螺旋體的結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。其主要尺寸有：螺旋直徑D、螺旋軸直徑d、螺距S，長度L，葉片t。 圖3.2 螺旋體的PROE圖 螺旋體的結(jié)構(gòu)尺寸既要保證有足夠的強度、剛度，同時還要保證有足夠的輸送量和消耗較小的動力，故螺旋體葉片直徑D、葉片螺距S、螺旋軸直徑d、長度L、葉片厚度t就有一個最佳組合問題。 在一定的轉(zhuǎn)速下螺距S在某一范圍內(nèi)物料可以得到較好的軸向輸送速度；在此基礎(chǔ)上，對成型機主要零件的設計參數(shù)進行優(yōu)化，得出了使螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機獲得最佳的工作效率的螺距S的取值范圍，以及在螺桿質(zhì)量最小的目標條件下的螺桿的標稱直徑、螺桿軸直徑、螺距S的最佳配合值。 第四章 螺桿設計 4.1 螺紋中徑的計算 計算的思路是由螺紋耐磨性的校核公式推出螺紋中徑的計算公式。耐磨性計算尚無完善的計算方法，目前是通過限制螺紋受力面上的壓強P作為計算條件， 螺旋直徑可初步按下式計算：。 式中： D—螺旋外徑（m）； Q一生產(chǎn)能力（t/h）； KS—物料綜合特性系數(shù)； Kβ—輸送系數(shù)； φ—物料在成型槽體中的填充系數(shù)； P—輸送物料的單位容積質(zhì)量： 另外，螺旋軸徑的大小與螺距有關(guān)，因為兩者共同決定了螺旋葉片的升角，也就決定了物 料的滑移方向及速度分布，所以應從考慮螺旋面與物料的摩擦關(guān)系以及速度各分量的適當分 布來確定最合理的軸徑與螺距之間的關(guān)系。 圖4.1 螺旋面作用于物料顆粒上的力 從圖3.3可以看出，物料在螺旋面上軸向受力分量F軸為： F軸＝F合cos(α+ρ)（α為螺旋升角） 式中：α角是由物料對螺旋面的摩擦角ρ以及螺旋表面粗糙程度決定的。對于較光滑表面，可以忽略螺桿葉面粗糙程度對φ角的影響，此時可認為φ≈ρ。 所以，F(xiàn)軸＝F合cos(α+ρ)。 因為螺旋升角α在葉片根部最大，此處的成型方向（軸向）作用力最小。d與s應滿足關(guān)系之一是F軸≥0，即α≥0.5π-ρ。將tanρ=μ，tanα=s/(πd)代入上式并整理得出： 確定最小軸徑還應滿足的第二個條件是物料具有盡可能大的軸向速度，同時螺旋面上各點的軸向速度大于圓周速度。 圓周速度和軸向速度分別為： ； 。 要使得螺旋面在葉片根部的軸向速度大于圓周速度，得出： 根據(jù)上式計算，當μ=0.3，S=（0.8-1）D時，d≥(0.47-0.59)D；當μ值增加時，d/D增加，也就是說，根據(jù)上式計算得出的軸徑相當大，這勢必降低有效成型輸送截面。為了保證足夠的有效成型輸送截面從而保證生產(chǎn)能力，就得加大結(jié)構(gòu)，使得成型機結(jié)構(gòu)粗大笨重，成本提高。所以，螺旋軸徑與螺距的關(guān)系應是擠壓成型功能與結(jié)構(gòu)的綜合。在能夠滿足輸送要求的前提下，應盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊。由于這種場合使用的成型機填充系數(shù)較低，只要保證靠近葉片外側(cè)的物料具有較大的軸向速度，且軸向速度大于圓周速度即可。 螺旋軸徑的校核公式為： （1） 式中，F(xiàn)為軸向工作載荷(N)；A為螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積（mm2）；d2為螺紋中徑(mm)；P為螺距(mm)；h為螺紋的工作高度(mm)，梯形螺紋的工作高度為h＝0.5P，z=H/P為螺紋工作圈數(shù)，H為螺紋高度（mm），[p]為許用壓強（Mpa），查表得[p]=7.5Mpa。為便于推導公式，令φ=H/d2，代入(1)式整理后得螺紋中徑的設計公式為: (2) 對于梯形螺紋，h=0.5P，則 (3) 對于受力較大的螺桿，φ值在2~3.5之間，取φ＝2.5；我們已設定了成型棒直徑和中孔直徑，則F=P*A受力面=26.5*106P*π(3.8*10-2)2；已知[p]=7.5MPa，則將數(shù)值代入(3)式得： d2≥57.2mm d2接近57.2mm的標準尺寸為d2=58mm。 4.2 螺紋牙強度的校核計算 查表得，選用的特種耐磨合金鋼的許用彎曲應力σb為71Mpa；許用剪應力τ為42.6MPa；梯型螺紋牙根厚度b=0.65P=0.65*14=9.1mm；h=0.5P=0.5*14=7mm。旋合圈數(shù)。 (1) 彎曲強度校核 合格 (2) 剪切強度校核 合格 因為對于錐形螺桿的受力主要集中在螺桿頭部，則螺桿頭部的基本尺寸可以選取該系列尺寸。 該系列的螺紋基本參數(shù)如下： 公稱直徑d=65mm；中徑d2=57mm；小徑d3=47mm。 4.3 螺旋軸螺距 螺距不僅決定著螺旋的升角，還決定著在一定填充系數(shù)下物料運行的滑移面，所以螺距的大小直接影響著物料輸送過程。輸送量Q和直徑D一定時，螺距改變，物料運動的滑移面隨著改變，這將導致物料運動速度分布的變化。通常螺距應滿足下列兩個條件：即考慮螺旋面與物料的摩擦關(guān)系以及速度各分量間的適當分布關(guān)系兩個條件，來確定最合理的螺距尺寸。 物料顆粒在螺旋面軸向方向上的作用力為P軸=P合cos(α+ρ)，為了使P軸＞0，則必須滿足條件α＜0.5π-ρ。在最小半徑r=0.5d處的螺旋升角α是最大的，擠壓方向作用力P軸最小。根據(jù)這個條件，最大許用螺距值，由下式確定： 在確定最大的許用螺距時，必須滿足的第二個條件是建立在使物料顆粒具有最合理的速度各分量間的關(guān)系的基礎(chǔ)上，即應使物料顆粒具有盡可能大的軸向輸送速度，同時又使螺旋面上各點的軸向輸送速度大于圓周速度。即V2≤V1,由此可得： 所以，s需要滿足這兩個條件。 物料的摩擦系數(shù)同物料在料槽里的運動取向、運動速度、物料的尺寸、濕度以及螺旋葉片材料及表面狀態(tài)等有關(guān)。成型物料的摩擦系數(shù)可參考連續(xù)運輸機設計手冊。 通?？砂聪率接嬎懵菥啵簊=k*D。 對于標準螺桿擠壓式成型機，k值一般取0.8~1.當成型物料流動性較差時，k≤0.8；當水平布置時，可取k值等于0.8~1。 綜合以上數(shù)據(jù)，取螺距P=s=25mm。 4.4 壓縮段螺桿的錐角設計 根據(jù)以上計算，可知 公稱直徑d=65mm；螺距P=25mm；中徑d2=57mm；小徑d3=45mm。再設定螺桿錐形擠壓部分的水平長度為70mm。 社壓縮段螺桿的錐角為β，則有tanβ=（65-57）/2/70 Β=4.08°。 4.5 螺旋升角計算 λ是指在中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。螺桿的螺旋升角λ對物料流動性影響比較大，螺旋角越小，會提高加料段的成型輸送能力，螺桿的單耗減小，生產(chǎn)率增大。但螺旋角并不是越小越好，因為螺旋角過小，物料在機筒中停留時間變長，物 料的溫度升高，達到一定程度后就會出現(xiàn)焦料的現(xiàn)象，使物料的流道堵塞。所以，螺旋角在 保證產(chǎn)品質(zhì)量前提下越小越好。 螺旋升角與螺距及中徑有如下關(guān)系： 故λ=5.3° 4.6 螺桿旋轉(zhuǎn)速度的選取 由于螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機屬于小型的連續(xù)成型設備，結(jié)構(gòu)簡單。在輸送物料的時候，對于螺旋軸徑所占據(jù)的截面，對輸送能力有一定的影響。所以在輸送能力計算時不能忽略軸徑所占的截面： 由成型輸送量公式，可得出轉(zhuǎn)速n： 式中n為螺旋轉(zhuǎn)速(r/min)，s為螺旋螺距(m)，λ為螺旋葉片外徑與料槽內(nèi)壁最小間隙，一般λ為5~15mm。 一般說來，螺旋轉(zhuǎn)速加快，生產(chǎn)能力提高。但是當轉(zhuǎn)速超過一定的極限值時，物料會因為 離心力過大而向外拋，以致無法完成成型，所以轉(zhuǎn)速n還需要有一定的限定，不能超過某一極限值。 實際轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)速之間有一定的限定關(guān)系：， 即 式中，D為螺旋直徑；A為物料綜合特性系數(shù)。 如果計算得到的轉(zhuǎn)速太高，則應對計算出的螺旋軸徑Ｄ、ｄ、ｓ值適當調(diào)整。 在保證具有足夠成型壓力的前提下，為了減少螺桿的磨損，降低單位能耗，提高質(zhì)量流率 通常采用較低的轉(zhuǎn)速（360~500 r/min），較大的螺桿直徑和導程。根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在保證 壓力的情況下，選取該成型機螺桿的旋轉(zhuǎn)速度為480r/min。 4.7 螺桿強度校核 螺桿受軸向力F及轉(zhuǎn)矩T的作用，危險截面上受壓應力σ和扭轉(zhuǎn)切應力τ。根據(jù)第四強度理論，螺桿危險截面的強度校核公式為 式中，d1為螺桿螺紋小徑（mm）；［σ]為螺桿材料的許用應力（MPa）；T為螺桿所受轉(zhuǎn)矩(Nm)，。 查表可知［σ]min為71MPa，則T=35347N·mm。代入校核公式中可得σca=54.75,小于71Mpa，故合格。 因為成型機的螺桿受力最大的部分集中在螺桿頭部，所以只需校核螺桿頭部的螺紋和螺桿強度即可。 第五章 成型套筒設計 5.1 成型套筒簡介 生物質(zhì)成型機在工作時，首先從入料斗將生物質(zhì)物料喂入成型機中,入料斗中的生物質(zhì)原料先進入輸送筒中,在合適的成型溫度下,由螺桿擠壓成型套筒中的生物質(zhì),外力的作用使生物質(zhì)顆粒重新排列位置關(guān)系,并發(fā)生機械變形和塑性變形.在垂直于最大應力的方向上,粒子主要以相互靠近結(jié)合的形式結(jié)合.隨外力的增大,生物質(zhì)體積大幅度減小,容積密度顯著增大,生物質(zhì)內(nèi)部膠化和外部焦化，并具有一定的形狀和強度。物料隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)擠壓，成型套筒也受到了很大的作用力。 5.2 成型套筒的設計 成型套錐角與錐長的大小直接影響每次喂入秸稈前后的體積之比、成型壓強及成型棒的密度。秸稈種類不同，所需的成型壓強、成型套錐角和錐長也不相同。當成型套錐角一定時，增加成型套的錐長，或成型套錐長一定，增加成型套的錐角，成型后所得成型棒的密度都較大，所需的成型壓強也較高，消耗能量大。 生產(chǎn)指標中成型棒的外徑為56mm，中孔直徑為10mm，考慮到成型誤差，可設保型筒內(nèi)徑為58mm；因為螺桿頭部的錐度為14°，一般要保證螺桿頭部和錐形套筒的間隙為δ1=1.5mm，可計算錐形套筒錐度約為4.5°。螺桿擠壓物料的部分呈圓柱型，為防止轉(zhuǎn)動過程中物料被反送回來，螺紋和套筒的間隙不宜過大，一般取δ2=1mm，則物料輸送部分套筒內(nèi)徑 為65mm。前面已經(jīng)提到，成型套筒分成了兩個可以拆卸的部分，即錐形套筒部分和保形套筒部分，有上述數(shù)據(jù)可知，錐型套筒（活套）的內(nèi)大徑為58mm，小徑為53mm，圓臺高度為70mm。 當螺桿轉(zhuǎn)動時，被擠壓的物料進入保型筒內(nèi)，需保型一段時間以便成型，然后被再次進入保型筒前部的物料依次推出成為捧狀。保型時間或保型筒長度越長，保證成型所需的最低成型壓強越小，能耗也較小。保型時間與保型筒長度和生產(chǎn)率有關(guān)，當保型時間一定時， 生產(chǎn)率越高，保型筒長度應適當加長。根據(jù)設計的保型時間和擠出速度，可計算出該成型套筒的長度為150mm。 第6章 電機與加熱套的選擇 6.1 電機的計算選擇 6.1.1 選擇電動機類型 按工作要求選用Y系列全封閉自扇冷式籠型三相電動機，電壓380V。 6.1.2 成型阻力分析 螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機的驅(qū)動功率，是用于克服在成型過程中的各種阻力所消耗的能量，主要包括以下幾個部分： ①使被運物料提升高度H（水平或傾斜）所需的能量； ②被運物料對料槽壁和螺旋面的摩擦所引起的能量消耗； ③物料內(nèi)部顆粒間的相互摩擦引起的能量消耗； ④物料沿料槽運動造成在止推軸承處的摩擦引起的能量消耗； ⑤中間軸承和末端軸承處的摩擦引起的能量消耗。 從另外的角度，可以這樣分類：物料與料槽間摩擦消耗的功率；物料與螺旋葉片問摩擦消耗的功率；軸承處摩擦消耗的功率；提升物料及物料顆粒問相互運動消耗的功率。 這樣，螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機的電動機驅(qū)動功率，就由機構(gòu)運動過程中所產(chǎn)生的阻力來決定的。阻力主要由以下幾個部分組成： ①物料與料槽之間的摩擦力阻力； ②物料對螺旋的摩擦阻力； ③物料傾斜向上輸送時的阻力； ④物料懸掛軸承下的堆積阻力； ⑤物料被攪拌所產(chǎn)生的阻力； ⑥軸承的摩擦阻力。 6.1.2 選擇電動機容量 電動機所需工作效率為； 工作機所需功率為； 傳動裝置的總效率為： 螺桿傳動效率的計算公式為： ρv為摩擦當量角，ρv=arctanfv，fv為摩擦當量系數(shù)查表選fv=0.13，代入上式得：η=0.97； 查表確定其余各部分效率：三角帶傳動效率η2＝0.96；滾動軸承傳動效率（一對）η3＝0.99； 連軸器傳動效率η4=0.99，代入上式得： η=0.97*0.96*0.99.0.99=0.904 所需電動機功率為： 所以選電動機額定功率11kW，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，滿載轉(zhuǎn)速為1460r/min。因所需螺桿轉(zhuǎn)速為480r/min，所以小帶輪和大帶輪的傳動比為1:3。 6.2 加熱套的選擇 轉(zhuǎn)動的螺桿對物料做功所產(chǎn)生的內(nèi)熱有限。為了使物料中的木質(zhì)素軟化熔融，必須外加熱能進行補償。這一部分關(guān)鍵在于電加熱管的功率的選擇，以及加熱電壓的選擇。 6.2.1 估算電加熱管的功率 根據(jù)前面的實驗部分，同時綜合考慮生產(chǎn)成本等因素，我們選定加熱管對輥子的加熱溫度為200℃。環(huán)境溫度設定為常溫18℃。下面將通過傳熱學的計算來估算，所需要的大概的電加熱功率。 由于是估算，我們假設輥子的散熱主要是輥子與空氣之間的自然對流換熱和輻射換熱。而 自然對流換熱又分為大空間自然對流換熱和有限空間的自然對流換熱，根據(jù)實際情況，我們視成型輥的換熱方式為大空間的自然對流換熱和輻射換熱兩種主要形式。當然還有輥子之間 及輥子和物料之間的傳熱。我們?yōu)榱撕喕?，計算后將進行修正。 由機械設計部分可知成型輥的尺寸：直徑D=90mm，長度為l=150mm。 平均溫度： 式中為空氣的溫度；需要加熱的溫度； 我們?nèi)〉目諝鉁囟仁?8℃，設定輥子加熱的溫度應達到200℃，則可計算出平均溫度為：109℃。 成型套筒外表面面積為A=0.033m3，由《傳熱學》的附表查，并利用插入法計算得： 輻射換熱所需達到加熱溫度所需要的功率為：19.345*0.033=0.638kW。 由以上計算可得：一個輥子加熱到200℃所需要的功率為2.398+0.638=3.04kW。 當然這里我們是假設成型套筒是在空氣中，電熱圈在內(nèi)部發(fā)熱，但實際上成型套筒是在電熱圈內(nèi)，而且木屑的體積比熱比空氣大得多，在成型機里面填入物料后，它的散熱會更多。實際設計中我們選定加熱管的總功率為4.5kW。 6.2.2 電加熱管的類型及選用 電加熱管的類型及選用通過查《常用電工材料手冊》，對電熱圈的分類及用途認識更加清楚的，結(jié)合我們設計機 械需要采用的加熱方式，我們選擇了上海電熱電器廠生產(chǎn)的SRU系列電熱圈，具體型號為SRU3、4—8型的加熱管。也就是雙包殼電圈，最高加熱溫度為500℃，符合我們的需要。 電加熱管寬度為60mm，直徑為100mm。電壓為380V，采用星形接法，功率為1500W。我們采用３個電熱圈依次固定在加熱套筒上的方式進行加熱。 第七章 設計小結(jié)與體會 7.1 設計小結(jié) 本論文主要是從一種生物質(zhì)成型的新的方式來設計和研究成型機械的。眾所周知，生物質(zhì) 成型有機械常溫成型、熱壓成型、預熱成型和成型炭化四種成型工藝。機械成型的原理也不 同，有螺旋式的、液壓式等不同的機械形式。通過我們的優(yōu)化設計和相關(guān)試驗，針對螺旋預 熱擠壓式生物質(zhì)成型機，我們得出了如下結(jié)論： １）雖然螺桿式成型機應用的最早，缺點也是顯而易見的，但是其造價低的優(yōu)勢非常明顯， 在市場上的占有率是最高的。通過提高其螺桿和成型套筒的使用壽命，來提高生產(chǎn)率，進一 步降低其生產(chǎn)成本，將更加適合在原有生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)廠家的推廣應用。 ２） 通過對成型生物質(zhì)的受力及運動分析，得出了在一定的轉(zhuǎn)速下螺距ｓ在某一范圍內(nèi)物 料可以得到較好的軸向輸送速度；在此基礎(chǔ)上，對成型機主要零件的設計參數(shù)進行優(yōu)化，得 出了使螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機獲得最佳的工作效率的螺距Ｓ的取值范圍，以及在螺桿質(zhì)量 最小的目標條件下的螺桿的標稱直徑、螺桿軸直徑、螺距ｓ的最佳配合值，對后面的機械設 計部分起到了指導的作 ３） 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果和新的設計思路，在結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新：將原來整體式的螺桿拆分為可 以拆卸的螺桿和螺桿活頭兩部分；將原來一體的套筒拆分為可以拆卸的成型活套和保型套 筒兩部分，從而大大延長了螺桿和保型套筒的使用壽命，節(jié)約了生產(chǎn)成本。并重新設計了螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機的各生產(chǎn)參數(shù)（包括螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機的螺桿長度、螺距、齒高、螺桿長度、活頭長度、成型活套長度和保型套筒長度等一系列工藝參數(shù)）。 7.2 體會 在設計中得到了指導老師XX教授以及曾雷、李品學長的細心幫助和支持，在此表示衷心的感謝。在設計中還存在不少錯誤和缺點，需要繼續(xù)學習和掌握有關(guān)機械設計的知識，繼續(xù)培養(yǎng)設計習慣和思維從而提高設計實踐操作能力。 參考文獻 [1]高翔,曲靜霞,張大雷,等.大型螺旋固化成型機及其性能[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2009,27(2):83-84. 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