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XX大學(xué)XX學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目： 樹枝粉碎機(jī)成型機(jī)的成型裝置設(shè)計
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號： XX63235
姓 名： XX
指導(dǎo)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(jī)簡介 3
1.2粉碎成型機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展情況 6
第二章 工作原理、主要指標(biāo)、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(biāo) 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(shè)計 18
4.1螺紋中徑的計算 18
4.2螺紋牙強(qiáng)度的計算 21
4.3螺旋軸螺距 21
4.4壓縮段螺桿的錐角設(shè)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(qiáng)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(shè)計 27
第六章 電機(jī)與加熱套的選擇 28
6.1電機(jī)的計算選擇 28
6.2拖鏈輪的結(jié)構(gòu) 30
第七章 設(shè)計小結(jié)與體會 32
參考文獻(xiàn) 34
26
樹枝粉碎成型機(jī)的成型機(jī)設(shè)計
摘要：成型機(jī)，是樹枝粉碎成型機(jī)的成型部分。粉碎機(jī)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(jī)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(jī)的最后一個部分。本文介紹了一種樹枝粉碎成型機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及組成，并對其做了結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)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(jī) 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(shè)計的內(nèi)容是樹枝粉碎成型機(jī)的成型機(jī)的設(shè)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(jī)是生產(chǎn)生物質(zhì)能源的粉碎成型機(jī)的一個重要組成部分，其正確的選型和設(shè)計有著重要意義。
1.1粉碎成型機(jī)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(jì)社會的發(fā)展，特別是中國經(jīng)濟(jì)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(jì)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(fèi)；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(jī)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，國產(chǎn)粉碎成型機(jī)的研制引起了研發(fā)人員和制造商的重視。
就成型機(jī)而言，按工作原理可分為三大類：活塞沖壓式成型機(jī)，螺旋擠壓式成型機(jī)，模錕擠壓式成型機(jī)。不同類型的成型機(jī)在適用范圍，成本，使用壽命上都有著各自的特點(diǎn)，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(fù)雜，還有著很大的發(fā)展空間，同時對成型機(jī)工藝和設(shè)備有較高的要求。因此低能耗、高效率、適應(yīng)性強(qiáng)的成型機(jī)研究有著重要意義。
圖1.1 模錕擠壓式成型機(jī)
圖1.2 螺桿式成型機(jī)
圖1.3 一種成型機(jī)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(jìn)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(jī)的分類
成型機(jī)主要分為三大類：
1） 沖壓式成型機(jī)。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(diǎn)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(yán)重，并且購買成本較高。
2） 模錕式成型機(jī)。模錕式成型機(jī)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(diǎn)。但存在噪音大、振動大等問題。
3）擠壓式成型機(jī)。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(yùn)行平穩(wěn)，生產(chǎn)連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)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(jī)，理由如下：
螺桿成型機(jī)是最早的生物質(zhì)成型機(jī)，技術(shù)相對成熟，市場占有率最高，制造、安裝以及維護(hù)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(shè)計得到符合要求的解決方案。
1.2粉碎成型機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展情況
1.2.1我國粉碎成型機(jī)的發(fā)展情況
早在上世紀(jì)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(jī)。五十年代日本也引進(jìn)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(yīng)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(diǎn)是物料在模具內(nèi)被擠壓的同時，需要對模具進(jìn)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(jì)八十年起開始引進(jìn)螺旋推進(jìn)式秸稈成型機(jī)，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(shè)立了關(guān)于生物質(zhì)壓縮成型機(jī)及生物質(zhì)成型理論的研究課題。湖南省衡陽市糧食機(jī)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(jī)試制了第一臺ZT-63型生物質(zhì)壓縮成型機(jī)。江蘇省連云港市東海糧食機(jī)械廠于1986年引進(jìn)了一臺OBM-88棒狀燃料成型機(jī)。1990年后，陜西省武功輕工機(jī)械廠、河南鞏義包裝設(shè)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(jī)。二十世紀(jì)九十年代期間河南農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國農(nóng)機(jī)能源動力研究所分別研制出PB-1型機(jī)械沖壓式成型機(jī)、HPB系列液壓驅(qū)動活塞式成型機(jī)、CYJ-35型機(jī)械沖壓式成型機(jī)。
經(jīng)過多年的研究與試驗(yàn)，國內(nèi)部分成型設(shè)備及配套產(chǎn)品發(fā)展成熟。但國產(chǎn)成型加工設(shè)備在引進(jìn)及設(shè)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(yàn)、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(jī)的發(fā)展情況
國外生物質(zhì)成型機(jī)的主要方式有四種：顆粒成型機(jī)、螺桿連續(xù)擠壓成型機(jī)、機(jī)械驅(qū)動活塞式成型機(jī)和液壓驅(qū)動活塞式成型機(jī)。螺桿擠壓式成型機(jī)是最早研制生產(chǎn)的生物質(zhì)熱壓成型機(jī)。這類成型機(jī)以其運(yùn)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(jī)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(dǎo)地位。但制約螺旋式成型機(jī)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(yán)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(jì)30年代就開始研究應(yīng)用機(jī)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(jī)及相關(guān)的燃燒設(shè)備，1983年又從美國引進(jìn)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(shè)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(yīng)用;西歐一些國家(荷蘭、瑞典、比利時、芬蘭、丹麥等)在20世紀(jì)70年代己有了活塞式成型機(jī)、顆粒成型機(jī)及配套的燃燒設(shè)備?；钊麤_壓式成型機(jī)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(jī)的問題。該種成型機(jī)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(biāo)與材料選擇
2.1工作原理
螺桿擠壓式成型機(jī)工作原理生物質(zhì)成型機(jī)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(yùn)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(diǎn),廣泛應(yīng)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(jī)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(dāng)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(shí)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(biāo)
根據(jù)螺旋擠出式生物質(zhì)成型機(jī)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(jī)的要求，參考目前市場上存在的各項指標(biāo)，制定螺桿成型機(jī)的工作指標(biāo)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(shí)踐和實(shí)驗(yàn)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(qiáng)。在工程實(shí)際當(dāng)中，梯形螺紋的螺桿，有較大的傾角，螺紋根部強(qiáng)度大，有利于物料的流動、混合與均化，這種螺紋常用高強(qiáng)度的傳動擠壓機(jī)械當(dāng)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(qiáng)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(jī)中運(yùn)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(yùn)動由于受旋轉(zhuǎn)螺旋的影響，物料的運(yùn)動并非是 單純的沿軸線作直線運(yùn)動，而是在一直復(fù)合運(yùn)動中沿螺旋軸運(yùn)動，是一個空間運(yùn)動。
當(dāng)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(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)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(yùn)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(dǎo)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(yùn)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(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)方便，在生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)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(jī)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(jī)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(diǎn)的導(dǎo)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(dǎo)角是不相同的。
螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)要強(qiáng)力擠壓成型物料，就相當(dāng)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(jìn)行分析，如圖3.1，假設(shè)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(dǎo)可知，螺旋輸送面上任一直徑上物料的軸向運(yùn)動速度是相等的。則我們可以這樣假設(shè)，單位長度單位面積輸送面的軸向負(fù)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(fù)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(jī)葉片的圈數(shù)及存料量?，F(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(fù)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(dǎo)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(fù)荷，則。
螺桿擠壓式成型機(jī)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(fù)雜，相互影響，用常規(guī)設(shè)計方法很 難達(dá)到最佳效果，因而對螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)螺旋體采用了優(yōu)化設(shè)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(qiáng)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(jī)主要零件的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出了使螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)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(biāo)條件下的螺桿的標(biāo)稱直徑、螺桿軸直徑、螺距S的最佳配合值。
第四章 螺桿設(shè)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(qiáng)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?yàn)閮烧吖餐瑳Q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(yīng)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(dāng)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(rèn)為φ≈ρ。
所以，F(xiàn)軸＝F合cos(α+ρ)。
因?yàn)槁菪铅猎谌~片根部最大，此處的成型方向（軸向）作用力最小。d與s應(yīng)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(yīng)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(diǎn)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(dāng)μ=0.3，S=（0.8-1）D時，d≥(0.47-0.59)D；當(dāng)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(dāng)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(jī)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(yīng)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(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊。由于這種場合使用的成型機(jī)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(qiáng)（Mpa），查表得[p]=7.5Mpa。為便于推導(dǎo)公式，令φ=H/d2，代入(1)式整理后得螺紋中徑的設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)尺寸為d2=58mm。
4.2 螺紋牙強(qiáng)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(yīng)力σb為71Mpa；許用剪應(yīng)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(qiáng)度校核
合格
(2) 剪切強(qiáng)度校核
合格
因?yàn)閷τ阱F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(yùn)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(yùn)動的滑移面隨著改變，這將導(dǎo)致物料運(yùn)動速度分布的變化。通常螺距應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(diǎn)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(yùn)動取向、運(yùn)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(yùn)輸機(jī)設(shè)計手冊。
通?？砂聪率接嬎懵菥啵簊=k*D。
對于標(biāo)準(zhǔn)螺桿擠壓式成型機(jī)，k值一般取0.8~1.當(dāng)成型物料流動性較差時，k≤0.8；當(dāng)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(shè)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(shè)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?yàn)槁菪沁^小，物料在機(jī)筒中停留時間變長，物 料的溫度升高，達(dá)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(jī)屬于小型的連續(xù)成型設(shè)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(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定的極限值時，物料會因?yàn)?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(shí)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(yīng)對計算出的螺旋軸徑Ｄ、ｄ、ｓ值適當(dāng)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(dǎo)程。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在保證 壓力的情況下，選取該成型機(jī)螺桿的旋轉(zhuǎn)速度為480r/min。
4.7 螺桿強(qiáng)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(yīng)力σ和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，螺桿危險截面的強(qiáng)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(yīng)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?yàn)槌尚蜋C(jī)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(qiáng)度即可。
第五章 成型套筒設(shè)計
5.1 成型套筒簡介
生物質(zhì)成型機(jī)在工作時，首先從入料斗將生物質(zhì)物料喂入成型機(jī)中,入料斗中的生物質(zhì)原料先進(jìn)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(jī)械變形和塑性變形.在垂直于最大應(yīng)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(qiáng)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(shè)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(qiáng)及成型棒的密度。秸稈種類不同，所需的成型壓強(qiáng)、成型套錐角和錐長也不相同。當(dāng)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(qiáng)也較高，消耗能量大。
生產(chǎn)指標(biāo)中成型棒的外徑為56mm，中孔直徑為10mm，考慮到成型誤差，可設(shè)保型筒內(nèi)徑為58mm；因?yàn)槁輻U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(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動時，被擠壓的物料進(jìn)入保型筒內(nèi)，需保型一段時間以便成型，然后被再次進(jìn)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(qiáng)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(dāng)保型時間一定時， 生產(chǎn)率越高，保型筒長度應(yīng)適當(dāng)加長。根據(jù)設(shè)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(jī)與加熱套的選擇
6.1 電機(jī)的計算選擇
6.1.1 選擇電動機(jī)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(jī)，電壓380V。
6.1.2 成型阻力分析
螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)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(yùn)物料提升高度H（水平或傾斜）所需的能量；
②被運(yùn)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(yùn)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(yùn)動消耗的功率。
這樣，螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)的電動機(jī)驅(qū)動功率，就由機(jī)構(gòu)運(yùn)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(jī)容量
電動機(jī)所需工作效率為；
工作機(jī)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(dāng)量角，ρv=arctanfv，fv為摩擦當(dāng)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(jī)功率為：
所以選電動機(jī)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(jìn)行補(bǔ)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(shí)驗(yàn)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?zhàn)拥募訜釡囟葹?00℃。環(huán)境溫度設(shè)定為常溫18℃。下面將通過傳熱學(xué)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(shè)輥?zhàn)拥纳嶂饕禽佔(zhàn)优c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(shí)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(dāng)然還有輥?zhàn)又g 及輥?zhàn)雍臀锪现g的傳熱。我們?yōu)榱撕喕?，計算后將進(jìn)行修正。
由機(jī)械設(shè)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(shè)定輥?zhàn)蛹訜岬臏囟葢?yīng)達(dá)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(xué)》的附表查，并利用插入法計算得：
輻射換熱所需達(dá)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?zhàn)蛹訜岬?00℃所需要的功率為2.398+0.638=3.04kW。
當(dāng)然這里我們是假設(shè)成型套筒是在空氣中，電熱圈在內(nèi)部發(fā)熱，但實(shí)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(jī)里面填入物料后，它的散熱會更多。實(shí)際設(shè)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(rèn)識更加清楚的，結(jié)合我們設(shè)計機(jī) 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(jìn)行加熱。
第七章 設(shè)計小結(jié)與體會
7.1 設(shè)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(shè)計和研究成型機(jī)械的。眾所周知，生物質(zhì) 成型有機(jī)械常溫成型、熱壓成型、預(yù)熱成型和成型炭化四種成型工藝。機(jī)械成型的原理也不 同，有螺旋式的、液壓式等不同的機(jī)械形式。通過我們的優(yōu)化設(shè)計和相關(guān)試驗(yàn)，針對螺旋預(yù) 熱擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)，我們得出了如下結(jié)論：
１）雖然螺桿式成型機(jī)應(yīng)用的最早，缺點(diǎn)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(jìn)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(yīng)用。
２） 通過對成型生物質(zhì)的受力及運(yùn)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(jī)主要零件的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得 出了使螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)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(biāo)條件下的螺桿的標(biāo)稱直徑、螺桿軸直徑、螺距ｓ的最佳配合值，對后面的機(jī)械設(shè) 計部分起到了指導(dǎo)的作
３） 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果和新的設(shè)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(shè)計了螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)的各生產(chǎn)參數(shù)（包括螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)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(shè)計中得到了指導(dǎo)老師XX教授以及曾雷、李品學(xué)長的細(xì)心幫助和支持，在此表示衷心的感謝。在設(shè)計中還存在不少錯誤和缺點(diǎn)，需要繼續(xù)學(xué)習(xí)和掌握有關(guān)機(jī)械設(shè)計的知識，繼續(xù)培養(yǎng)設(shè)計習(xí)慣和思維從而提高設(shè)計實(shí)踐操作能力。
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