一種家用小型飼料加工裝置的設(shè)計(jì)

喬 龍 巴吾東 李亞超

（新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047）

1 工藝分析

本文的設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)出滿足家用且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型飼料加工裝置。設(shè)定已知條件如下：①允許最大進(jìn)料粒度15mm；②允許最大物料硬度(莫氏)6.5；③允許物料最大含水量6%；④粉碎細(xì)度要達(dá)到20-325目；⑤產(chǎn)量最小達(dá)到70kg/h。根據(jù)已知的物料硬度及生產(chǎn)能力查設(shè)計(jì)手冊(cè)[1]可得，粉碎該級(jí)硬度的物料需要錘頭動(dòng)能E=1.47J，可脾性系數(shù)Kp=0.5，離心風(fēng)機(jī)需要風(fēng)量QA=1900m3∕h。

錘式粉碎機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需配備一定功力的電動(dòng)機(jī)就可以使用，剛好適合家庭使用，也符合經(jīng)濟(jì)型的原則?？蛇x用單轉(zhuǎn)子錘片粉碎機(jī)，單轉(zhuǎn)子錘式粉碎機(jī)又分為可逆式和不可逆式兩種類型。其中可逆式錘式粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)子首先向某一方向旋轉(zhuǎn)，對(duì)物料進(jìn)行破碎的同時(shí)該方向上的襯板、篩板和錘子端部受到磨損。當(dāng)其磨損到—定程度后，可使轉(zhuǎn)子反方向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)破碎機(jī)利用錘子的另一端及另一方向上的襯板和篩板工作，幾乎可提高一倍的連續(xù)工作壽命。而單轉(zhuǎn)子不可逆錘式粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)子只能向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子端部磨損到一定程度后，必須停車調(diào)換轉(zhuǎn)子的方向（轉(zhuǎn)180°）或更換新的轉(zhuǎn)子。綜上所述，經(jīng)過對(duì)比選擇可逆式錘式粉碎機(jī)。單轉(zhuǎn)子可逆式錘式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 可逆式錘式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 錘式粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

錘式粉碎機(jī)的主要工作部件為帶有錘子(又稱錘頭)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由主軸、圓盤、銷軸和錘子組成。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子在破碎腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，物料自上部給料口給入機(jī)內(nèi)，受高速運(yùn)動(dòng)的錘子的打擊、沖擊、剪切、研磨作用而粉碎。在轉(zhuǎn)子下部，設(shè)有篩板，粉碎物料中小于篩孔尺寸的粒級(jí)通過篩板排出，大于篩孔尺寸的粗粒級(jí)阻留在篩板上繼續(xù)受到錘子的打擊和研磨，最后通過篩板排出機(jī)外[2]。其工作原理見圖2，最終設(shè)計(jì)圖見圖3。

圖2 錘式粉碎機(jī)破碎示意圖

圖3 粉碎機(jī)最終設(shè)計(jì)圖

3 粉碎機(jī)的主要結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

3.1 錘擊轉(zhuǎn)子的錘片個(gè)數(shù)計(jì)算

粉碎能力主要與錘片的動(dòng)能、錘頭與襯板的間隙、物料的性質(zhì)(如物料的可碎密度及硬度等)、含水率及喂料的均勻程度等因素有關(guān)。粉碎機(jī)生產(chǎn)能力經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，Q為錘擊轉(zhuǎn)子粉碎能力，t／h；Kr為錘頭數(shù)量系數(shù)；E為錘頭動(dòng)能；Kp為可脾性系數(shù)。其中，E=1.47J，Kp=0.5（由參考文獻(xiàn)[3]查得），Q=0.07t/h。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），計(jì)算得Kr≈0.024，錘片個(gè)數(shù)應(yīng)在15-18之間[3]。考慮到回轉(zhuǎn)平衡的需要，取錘頭個(gè)數(shù)K=16。

3.2 離心風(fēng)機(jī)的葉輪直徑的計(jì)算

風(fēng)機(jī)計(jì)算風(fēng)量QA（m3/h）（m3/h）為：

式中，Dh為葉輪直徑，m；n1為葉輪轉(zhuǎn)速,r/min。代入數(shù)據(jù)QA=1900，n1=980，得Dh≈212.3mm，取整得Dh=210mm。

3.3 主軸工藝計(jì)算

本機(jī)械中的主軸選用材料45鋼，是只受扭矩的傳動(dòng)軸，故可用下式計(jì)算軸徑。

式中，τT為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T為軸承受的工作扭矩，N·mm；WT為軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；P0為軸傳遞的功率，kw；n2為軸的轉(zhuǎn)速，r/min；[τT]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。

式中，A0為修正許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，Mpa。因45鋼的[τT]可取25—45MPa，取A0=107，n2=980，可得d=43mm。由于軸上有3個(gè)鍵槽，故軸的直徑應(yīng)增加11%。最后得主軸直徑為：d0=d（1+11%）=48mm。

3.4 轉(zhuǎn)子速度的計(jì)算

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是錘式破碎機(jī)的重要參數(shù)，轉(zhuǎn)子速度越高，破碎比越大，錘頭磨損越快，功耗也大。在滿足力度要求的情況下，轉(zhuǎn)子的圓周速度應(yīng)偏低。通常，錘式粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)子圓周速度粗碎時(shí)取15～40m/s，細(xì)碎時(shí)取40～80m/s[4]，此設(shè)計(jì)取v=41m/s。

因簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的需要，由轉(zhuǎn)子的圓周速度來(lái)控制破碎機(jī)轉(zhuǎn)子的速度并按下式計(jì)算：

式中，n3為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min；D為轉(zhuǎn)子的直徑，m；v為轉(zhuǎn)子的圓周速度，m/s。

代入式（5）可得，n3=60×41/3.14×0.8=979.3r/min，取n3=980r/min。

3.5 殼體

綜合考慮裝置的生產(chǎn)率以及使用壽命，為提高生產(chǎn)率，需使物料進(jìn)入機(jī)體后能在錘頭和破碎板的作用下迅速破碎。采用分別用鋼板焊接而成再用螺栓聯(lián)結(jié)的上下機(jī)架結(jié)構(gòu)，上機(jī)架的上方留有給料口，給料口向破碎板一邊靠近[5]?？紤]到在旋轉(zhuǎn)下工作的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)物料易使機(jī)架磨損，采用螺栓聯(lián)結(jié)在機(jī)架內(nèi)壁上的襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，而磨損嚴(yán)重的襯板可以進(jìn)行更換。為避免處于工作區(qū)的襯板最先損壞而更換全部襯板，從而造成材料的浪費(fèi)，在設(shè)計(jì)中，工作區(qū)襯板采用相對(duì)于其它地方的小面積密集布置的方式。為便于檢修，調(diào)整和更換篦條在上下機(jī)架的兩側(cè)靠?jī)蓚€(gè)檢查門。

4 總功率的計(jì)算

在主軸的一端配置飛輪或者采用帶輪與電動(dòng)機(jī)相連，這樣使得錘式破碎機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中儲(chǔ)存一定的動(dòng)能，避免在破碎較大塊物料時(shí)，因電動(dòng)機(jī)尖峰負(fù)荷的減小而使錘頭的速度損失過大[6]。本次設(shè)計(jì)為中小型破碎機(jī)，其動(dòng)能的儲(chǔ)存不需很大，直接采用主軸的一端用V帶輪與電動(dòng)機(jī)相連的傳動(dòng)形式。

總功率由下式計(jì)算：

式中，P為錘式粉碎機(jī)功率，kw；P1為轉(zhuǎn)子功率，kw；P2為風(fēng)機(jī)功率，kw；P3為料棒功率，kw,該部分功率一般可忽略不計(jì)。

GA式中，為每個(gè)錘頭的重量，Kg；R為轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)半徑，m；η為錘式粉碎機(jī)的機(jī)械效率，—般取0.85-0.9，取η=0.89。錘頭的重量按經(jīng)驗(yàn)公式（8）估算。

式中，μ為修正系數(shù)，μ=0.21～0.28；t為錘頭打擊物料的時(shí)間，一般取t=0.001～0.0015s；A為物料垂直于外力方向的斷面積，m2。取μ=0.24，t=0.0012，設(shè)物料形狀為立方體，其邊長(zhǎng)=0.006m。

式中，QA為風(fēng)機(jī)計(jì)算風(fēng)量，m3/h；P全為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa。最終可得P=P1+P2+P3=5.82+4.53+0=10.35KW。查設(shè)計(jì)資料可知，Y160M-4電動(dòng)機(jī)可以選擇額定功率P=11kw，額定轉(zhuǎn)速n0=1460r/min。

綜上工藝計(jì)算，最后確定錘式粉碎機(jī)各項(xiàng)基本參數(shù)，如下表1所示。

表1 錘式粉碎機(jī)最終主要技術(shù)參數(shù)表

5 結(jié)論

錘式粉碎機(jī)是飼料加工機(jī)械的四大主機(jī)之一，是飼料生產(chǎn)必要的設(shè)備之一，其性能對(duì)飼料廠的節(jié)能降耗有重大意義。本文分析了錘式粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過對(duì)各個(gè)關(guān)鍵部件的計(jì)算分析，設(shè)計(jì)出滿足要求的錘片式粉碎機(jī)。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積比較小，操作方便，體積不大，質(zhì)量輕，功效高，清潔衛(wèi)生，是理想的制粉設(shè)備。此外該機(jī)器比較經(jīng)濟(jì)適用，非常適合小型作業(yè)的用戶使用。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（最新第五版）（第5卷）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］楊丙乾，任小忠.錘頭的打擊平衡計(jì)算［J］.礦山機(jī)械，2001（1）：61-62.

［3］郎桐.破碎設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)［J］.磚瓦，2010（8）:38-40.

［4］王與，王順喜.飼料粉碎機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀分析［J］.糧食與飼料工業(yè)，2007（10）：29-32.

［5］陳桂芳，田子欣，王鳳娟.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第2版）［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［6］哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2002.