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目錄
1引言 1
1.1 課題的背景及意義 1
1.1.1 生物有機肥的作用 1
1.1.2 固體廢棄物的處理 1
1.2 課題相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展概況 2
1.3 課題的研究內(nèi)容 3
2 設(shè)計任務(wù)書 3
3設(shè)計計算說明書 4
3.1擠壓式平模造粒機的工作原理 4
3.2 擠壓式平模造粒機的總體設(shè)計 4
3.2.1擠壓式平模造粒機具體機型的選擇 5
3.2.2輥輪個數(shù)的確定 5
3.2.3切刀安裝方式和切刀數(shù)目的確定 6
3.2.4電動機的安裝方式及傳動減速方式的確定 6
3.3擠壓式平模造粒機的動力設(shè)計 7
3.3.1 電動機功率計算 7
3.3.2電動機的選擇 10
3.4擠壓式平模造粒機傳動組件的設(shè)計 10
3.4.1 傳動組件的設(shè)計 10
3.4.2 傳動組件運動參數(shù)的計算 11
3.4.3 錐齒輪組的設(shè)計計算 12
3.4.4 空心軸的校核計算 16
3.4.5 軸承的校核計算 26
3.4.6 鍵的選擇及強度計算 27
3.5擠壓式平模造粒機造粒和出粒組件的設(shè)計 28
3.5.1 造粒組件的設(shè)計 28
3.5.2 出粒組件的設(shè)計 31
4使用說明書 32
5標準化審查報告 32
結(jié)論 32
參考文獻 34
致 謝 35
1引言
1.1 課題的背景及意義
1.1.1 生物有機肥的作用
生態(tài)有機肥營養(yǎng)元素齊全，能夠改良土壤，改善使用化肥造成的土壤板結(jié)。改善土壤理化性狀，增強土壤保水、保肥、供肥的能力。生物有機肥中的有益微生物進入土壤后與土壤中微生物形成相互間的共生增殖關(guān)系，抑制有害菌生長并轉(zhuǎn)化為有益菌，相互作用，相互促進，起到群體的協(xié)同作用，有益菌在生長繁殖過程中產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物，促使有機物的分解轉(zhuǎn)化，能直接或間接為作物提供多種營養(yǎng)和刺激性物質(zhì)，促進和調(diào)控作物生長。有機肥在適宜的溫度、濕度、空氣等條件下，被微生物持續(xù)分解，釋放出各種養(yǎng)分和二氧化碳供給作物吸收利用，比化肥的肥效長。
有機肥在作物根系形成的優(yōu)勢有益菌群能抑制有害病原菌繁衍，增強作物抗逆抗病能力降低重茬作物的病情指數(shù)，連年施用可大大緩解連作障礙。減少環(huán)境污染，對人、畜、環(huán)境安全、無毒，是一種環(huán)保型肥料。
有機肥中的腐殖質(zhì)能吸收某些農(nóng)藥，從而消除農(nóng)藥殘毒及減輕重金屬污染土壤，減輕土壤環(huán)境污染，改善周邊生態(tài)環(huán)境[1]。
1.1.2 固體廢棄物的處理
生產(chǎn)有機肥的原料很多，有農(nóng)業(yè)廢棄物,畜禽糞便，工業(yè)廢棄物，生活垃圾等。近年來固體廢棄物的排放量與日俱增，而以固廢減量化、資源化、無害化為目的的固體廢棄物處理與處置技術(shù)也在多元化的發(fā)展之中。我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在著過量施用化肥、有機肥施用不足而導致的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量不高的問題。在發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、走可持續(xù)發(fā)展道路的今天，充分地利用已有的固體廢棄物，特別是富含有機質(zhì)和一定量氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的有機廢物來發(fā)展生物有機肥技術(shù)具有相當重要的意義。
有機復合肥設(shè)備是用于對固體廢棄物的無害化處理和資源化利用的專業(yè)設(shè)備。設(shè)備采用的主要原料為禽畜糞便、菌類下腳料等有機廢棄物，經(jīng)過預處理、槽式發(fā)酵、混合、造粒成型、冷卻包裝等工序，完成連續(xù)式的有機肥工廠化生產(chǎn)，實現(xiàn)有機廢棄物的無害化處理、資源化利用。有機復合肥設(shè)備的主要組成機器有發(fā)酵激活機、發(fā)酵槽、混合機、造粒機、冷卻包裝機等。本課題研究的是有機復合肥的成型造粒機[2]。
1.2 課題相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展概況
國內(nèi)外造粒技術(shù)經(jīng)過發(fā)展，日漸成熟并形成了專門的學科和獨立的技術(shù)。目前世界上大型造粒機生產(chǎn)企業(yè)有日本兩家和德國一家，日本神戶制鋼公司產(chǎn)品在中國市場的占有率非常高。造粒技術(shù)主要有攪拌造粒法、沸騰造粒法、壓力成型造粒法、熱熔融成型法、噴霧干燥造粒法等[3]。國外造粒技術(shù)較為先進，大多采用大型造粒設(shè)備，具備完善的檢測監(jiān)控系統(tǒng)，自動化程度高。國內(nèi)造粒技術(shù)多為模仿國外技術(shù)起步，同時針對國內(nèi)情況加以完善和改進[4]。
攪拌法造粒是將某種液體或粘結(jié)劑滲人固態(tài)細粉末并適當?shù)財嚢瑁挂后w和固態(tài)細粉末相互密切接觸，產(chǎn)生粘結(jié)力而形成團粒。其優(yōu)點是成型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、單機產(chǎn)量大、所形成的顆粒易快速溶解、濕透性強，缺點是顆粒均勻性不好，所形成的顆粒強度較低。
沸騰制粒法是噴霧技術(shù)和流化技術(shù)綜合運用的結(jié)果，傳統(tǒng)的混合-制粒-干燥在同-封閉容器內(nèi)一次完成，實現(xiàn)一步法制粒，原料粉末在床內(nèi)建立流態(tài)化，同時將粘合劑霧滴噴至流化界面成粒，經(jīng)干燥揮發(fā)水份隨排風帶出機外[5]。
壓力成型法是將粉體物料限定在特定的空間中，通過施加外力而壓緊為密實狀態(tài)。壓力成型的成功與否，一方面取決于施加外力的有效利用和傳遞，另一方面取決于顆粒物料的物理性質(zhì)。具有適應能力強、產(chǎn)量大、造粒品粒度均勻、顆粒強度好、成粒率高等優(yōu)點。李海麗研究用擠壓造粒工藝生產(chǎn)糖泥有機無機復混肥。擠壓造粒成型機理是通過容積變化，在外力作用下使原來松散的物料由液向橋粘結(jié)力作用而捏聚成一定形狀顆粒。由于碾輪轉(zhuǎn)動與摩擦產(chǎn)生的熱量，使物料升溫至45～55℃，可蒸發(fā)掉產(chǎn)品中多余的水分。采用擠壓造粒工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品不易碎，無返料[6]。
擠壓造粒機可分為如圖1-1中的幾種。
擠壓造粒機
對輥式擠壓機
粒面對輥擠壓機
光面對輥擠壓機
“華夫”面對輥擠壓機
推壓式擠壓機
螺桿式擠壓機
臥式環(huán)模擠壓機
立式平模擠壓機
單螺桿擠壓機
雙螺桿擠壓機
動輥式擠壓機
動模式擠壓機
圖1-1 擠壓造粒機分類
熱熔融成型法是利用產(chǎn)品的低熔點特性(一般低于300℃)，將熔融的物料通過特殊的冷凝方式，使其冷凝結(jié)晶成所要求的片狀、條狀、塊狀及半球狀等形狀[7]。熱熔融成型法具有工藝流程短、熱量消耗低、產(chǎn)品產(chǎn)量高和環(huán)保效益好等優(yōu)點，但是其產(chǎn)品規(guī)格有限，產(chǎn)品范圍窄，對參數(shù)要求高，設(shè)備昂貴。李闖研究用尿素熔融噴漿造粒法制造復合肥[8]。其以尿素熔融液為主要氮源，通過造粒過程中產(chǎn)生涂布作用與其它固體基礎(chǔ)原料混和，使產(chǎn)品外觀圓滑，顆粒具有較高的強度，在造粒過程中既是原料又充當液相參與過程，并能提供一定的熱量，便于成球，且減少了烘干過程所需的熱能。
1.3 課題的研究內(nèi)容
本課題設(shè)計的固體顆粒造粒機是擠壓式平模造粒機。為了更好的處理有機固體廢棄物，減少對環(huán)境的污染，也為了有機復合肥設(shè)備節(jié)能高效的生產(chǎn)有機肥成品顆粒，本文從以下幾個方面進行了設(shè)計計算：
根據(jù)實際的工作需求和功能要求，確定擠壓式平模造粒機的總體設(shè)計方案。對擠壓式平模造粒機各組成部分進行分析比較，選擇最優(yōu)零件配件，同時解決主要技術(shù)關(guān)鍵點。
最后對關(guān)鍵零件如主軸、錐齒輪、空心軸和心軸等進行設(shè)計計算及校核，保證其功能要求和性能要求，并繪制造粒機總裝配圖和輥輪機構(gòu)組件的裝配圖及部分零件圖。
2 設(shè)計任務(wù)書
本課題的主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)如表2-1所示。
表2-1 主要技術(shù)參數(shù)
生產(chǎn)率
整機功率
主軸轉(zhuǎn)速
1.5～2 T/h
22～35 kw
144 r/min
3設(shè)計計算說明書
3.1擠壓式平模造粒機的工作原理
造粒機動力由減速電機提供，電機通過聯(lián)軸器與造粒機傳動組件連接，經(jīng)傳動組件再次減速后轉(zhuǎn)速達到預定標準的144r/min，同時將動力傳遞給造粒機主軸，造粒機主軸帶動模板和甩料盤轉(zhuǎn)動。有機肥物料倒入造粒室，經(jīng)刮料腳布料成約1mm厚度，隨著模板的轉(zhuǎn)動，由于摩擦力的作用，物料被輥輪擠壓，從模板上密布的小孔中擠壓成條狀。甩料盤上的兩把切刀把條狀物料切割成顆粒狀成品有機肥，然后甩料盤把顆粒有機肥從盛粒筒上的排料口甩出。
3.2 擠壓式平模造粒機的總體設(shè)計
本次畢業(yè)設(shè)計的是立式平模擠壓機，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-1所示。
圖3-1 立式平模擠壓機結(jié)構(gòu)簡圖
我們需要確定擠壓式平模造粒機具體機型，輥輪的個數(shù)，切刀安裝方式和切刀數(shù)目，傳動減速方式，電動機的安裝方式等。
3.2.1擠壓式平模造粒機具體機型的選擇
立式平模擠壓機分為動輥式擠壓機和動模式擠壓機，兩種擠壓機各有優(yōu)缺點[9]。
動輥式擠壓機的模板固定不動，通過電動機提供動力將動力傳給主軸，主軸帶動輥輪組件轉(zhuǎn)動，同時由于滾輪和模板之間布有固體物料進而產(chǎn)生摩擦力帶動輥輪轉(zhuǎn)動，所以形成了輥輪架公轉(zhuǎn)，輥輪自轉(zhuǎn)，模板上的物料隨著輥輪的自轉(zhuǎn)而被碾壓入模板的小孔中，實現(xiàn)物料的擠壓成型。
相對于動輥式擠壓機，動模式擠壓機的模板隨著空心軸轉(zhuǎn)動，而輥輪架固定在心軸上不動，所以輥輪不會隨著輥輪架轉(zhuǎn)動，既輥輪和模板都自轉(zhuǎn)實現(xiàn)造粒。
動輥式擠壓機輥輪和輥輪架固定在主軸隨主軸轉(zhuǎn)動，其結(jié)構(gòu)相對簡單，檢查維修方便，但由于輥輪的轉(zhuǎn)動慣量大，所需電動機功率偏大。動輥式擠壓適合于大型、高產(chǎn)量的擠壓造粒機[10]。
動模式擠壓機效率高，所需電動機功率較小。由于模板固定在空心軸上而輥輪和輥輪架固定在心軸上不動，導致動模式擠壓機的結(jié)構(gòu)復雜，所以造粒機的檢修不方便。同時由于模板的結(jié)構(gòu)決定了動模式擠壓機整機尺寸不能過大，太大的話模板所受的壓力過大會導致其強度不夠，模板容易失效。
本次設(shè)計中固體物料處理規(guī)模較小，產(chǎn)量不是很大，所需造粒機尺寸較小，所以優(yōu)先選擇效率高、造粒成本較低的造粒機，即動模式擠壓機。
3.2.2輥輪個數(shù)的確定
擠壓造粒機的輥輪數(shù)目一般為2-5個。輥輪個數(shù)直接影響造粒機單位小時的產(chǎn)量，輥輪個數(shù)越多，造粒機生產(chǎn)率越高，且造粒機的生產(chǎn)率與輥輪個數(shù)成正比[11]。
同時，輥輪個數(shù)的增多直接導致輥輪與物料面的摩擦力增大，從而使模板所需扭矩增大，這就需要選擇輸出功率和扭矩較大的電動機。
本次設(shè)計要求造粒機的生產(chǎn)率達到1.5～2 T/h，整機功率約為22～35 kw。滾輪個數(shù)的多少將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)的效率和整機規(guī)模的大小，因此考慮到生產(chǎn)率和整機功率都比較大，優(yōu)先選用多個輥輪，即4個或者是5個輥輪。
輥輪架有互相垂直的4根小軸（4軸輥輪架稱為十字軸）或圓周均布的5根小軸兩種，在其它條件相同時，后者比前者造粒能力大，但5根小軸制造困難、精度難以保證。設(shè)計中各小軸軸線在垂直方向的相對高度應有精度要求，高度差引起各小軸上輥輪與模板間的隙差，不利于物料擠入模板孔中。同樣各小軸的水平度影響輥輪寬度方向與模板間隙的均勻度，也不利于物料進入模板孔中。所以輥輪架上的小軸越多，其制造越困難，精度越低，故選擇4軸輥輪架，即十字軸。
所以本次設(shè)計的立式平模造粒機的輥輪個數(shù)為4個。
3.2.3切刀安裝方式和切刀數(shù)目的確定
切刀通常有兩種安裝方式，一種是安裝在甩料盤上，切刀隨著甩料盤的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，依靠轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的動能實現(xiàn)切粒；一種是安裝在箱體上固定不動，由模板轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的動能實現(xiàn)切粒。動輥式擠壓機模板固定不動，適合前一種的切刀安裝方式，而動模式擠壓機模板隨主軸轉(zhuǎn)動，適合后一種安裝方式，同時，安裝在箱體上的切刀容易調(diào)整切刀的角度，以此控制有機肥顆粒成品的形狀[12]。
切刀通常有兩種工作模式：一種是“間隙式”切粒，切刀與模板之間有固定的間隙，這種切粒方式操作簡單，切刀與模板磨損小，使用壽命長，但切出的顆粒形狀不規(guī)則、碎屑多；一種是“接觸式”切粒，切刀始終與模板保持接觸，這種切粒方式切出的顆粒外觀整齊、碎屑少，產(chǎn)品質(zhì)量高，但切刀與模板磨損快，使用壽命短[13]。
由于有機肥顆粒對外觀形狀及產(chǎn)品質(zhì)量要求不高，所以選擇“間隙式”切粒方式，減少模板的磨損，增加模板使用壽命。
模板轉(zhuǎn)速和切刀的數(shù)量共同決定了有機肥顆粒的長度，模板轉(zhuǎn)速越快，切刀數(shù)量越多，則有機肥顆粒越短。同時切刀數(shù)目越多，切刀的磨損也會減少。本次設(shè)計要求造粒機主軸轉(zhuǎn)速為144r/min，故使用兩把切刀為宜。
3.2.4電動機的安裝方式及傳動減速方式的確定
電動機有兩種安裝方式，臥式安裝和立式安裝。
電動機采用臥式安裝時，雖然占用空間較大，但是輸出軸一般沒有軸向載荷，不需要安裝軸承，同時臥式安裝的電動機振動較小，運行平穩(wěn)性好。由于是臥式安裝，需要把電動機輸出軸的水平旋轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毙D(zhuǎn)，同時電動機需要再次減速，綜合考慮采用錐齒輪傳遞轉(zhuǎn)速及扭矩。
電動機立式安裝占用空間少，散熱快，但電動機輸出軸軸向載荷大，需要安裝滾子軸承承受載荷，立式安裝主軸和電動機軸都是垂直旋轉(zhuǎn)，所以可以用圓柱齒輪或者是皮帶輪減速。立式安裝主要適合小型電動機的安裝，電動機較大時采用立式安裝容易導致電動機振動過大，穩(wěn)定性不好。
本次設(shè)計所需的電動機功率較大，尺寸較大，為了電動機運行的平穩(wěn)性，采用臥式安裝電動機為宜，同時使用一對錐齒輪減速傳動。
3.3擠壓式平模造粒機的動力設(shè)計
3.3.1 電動機功率計算
電動機功率由主軸所需轉(zhuǎn)矩確定，主軸轉(zhuǎn)矩是由造粒機輥輪和固體物料的摩擦力確定的。輥輪的工作示意圖如圖3-2所示。
圖3-2 輥輪工作示意圖
圖3-2中，------輥輪與物料接觸面弧長圓心角；
------物料厚度，??；
-------模板與滾輪的間隙，，??；
------輥輪半徑，實際滾輪半徑；
------輥輪寬度，實際滾輪寬度；
--------------輥輪與有機物料之間的摩擦系數(shù)，，?。?
-------------輥輪對物料的擠壓壓強，單位為。對于有機物料，一般，?。?
----------------輥輪力臂，實際輥輪力臂；
--------------輥輪個數(shù)，實際輥輪個數(shù)；
--------------主軸轉(zhuǎn)速，實際主軸要求轉(zhuǎn)速。
（1）計算角度。
由公式得
（3-1）
即。
（2）計算對主軸產(chǎn)生扭矩的力以及輥輪對物料的總擠壓力。
（3-2）
式中：------輥輪與物料總摩擦力的水平分力，對主軸產(chǎn)生扭矩。
（3-3）
式中：------輥輪對物料的總擠壓力。
（3）主軸扭矩計算。
公式：
（3-4）
式中：------主軸扭矩。
（4）電動機功率計算。
公式：
（3-5）
式中：------工作裝置所需功率，近似認為。
電動機所需的輸出功率為：
（3-6）
式中：為由電動機至工作裝置的傳動裝置的總效率，其中聯(lián)軸器傳動效率，錐齒輪傳動效率。
電動機的額定功率一般略大于電動機所需的輸出功率，故選擇。
3.3.2電動機的選擇
電動機的選擇首先是確定轉(zhuǎn)速。額定功率相同的同類型電動機由若干種轉(zhuǎn)速可供設(shè)計選用。電動機轉(zhuǎn)速越高，則磁極越少，尺寸及重量越小，一般來說價格也越低；但是由于造粒機主軸轉(zhuǎn)速較低，所選用的電動機轉(zhuǎn)速越高，減速傳動所需傳動裝置的總傳動比必然增大，傳動級數(shù)增多，尺寸及重量增大，從而使傳動裝置的成本增加。兼顧電動機及傳動裝置，對兩者加以綜合分析，選擇同步轉(zhuǎn)速為1500r/min的電動機[14]。
電動機同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，實際額定轉(zhuǎn)速約為1440r/min，主軸轉(zhuǎn)速為，所以總傳動比。由于傳動模塊中有一對錐齒輪傳動，錐齒輪傳動的最佳傳動比為u=1~4，所以優(yōu)先選擇減速電動機，且減速電動機的傳動比范圍為2~5。電動機與主動錐齒輪軸通過聯(lián)軸器連接，所以電動機輸出軸端不需要法蘭盤。因此選擇的該減速電動機的輸出轉(zhuǎn)速為500r/min，輸出轉(zhuǎn)矩為，傳動比。
3.4擠壓式平模造粒機傳動組件的設(shè)計
3.4.1 傳動組件的設(shè)計
傳動組件主要由聯(lián)軸器、軸承套、錐齒輪軸、從動錐齒輪、空心軸、心軸和軸承等構(gòu)成。傳動組件剖視圖如圖3-3所示
圖3-3 傳動組件剖視圖
電動機動力由聯(lián)軸器傳遞給錐齒輪軸。與電動機輸出軸相連的是凸緣半聯(lián)軸器，而與錐齒輪軸相連的是花鍵半聯(lián)軸器，兩個半聯(lián)軸器靠凸緣絞合定位和六個普通螺栓固定。錐齒輪軸與花鍵半聯(lián)軸器以花鍵定位連接，同時選用兩個單列滾子軸承，用以承載錐齒輪軸的軸向作用力。兩個單列滾子軸承外徑固定在軸承套上，軸承套以六個螺栓固定在箱體上。錐齒輪軸將動力傳遞給從動錐齒輪，同時由于錐齒輪組的傳動比，使傳遞的轉(zhuǎn)速大大降低，達到設(shè)計要求。從動錐齒輪周向以平鍵固定在空心軸上，軸向兩邊以套筒定位?？招妮S以滾動軸承承受載荷，其中上端的軸承主要承受周向載荷所以選用深溝球軸承，而下端既承受周向載荷也承受軸向載荷，選用單列滾子軸承[15]?？招妮S中有一心軸，兩軸采用間隙配合，心軸主要用來固定造粒模塊中十字軸及滾輪，同時也分擔空心軸過大的周向載荷，增加空心軸的彎曲剛度。
如圖3-4所示，心軸的定位在軸向靠一個鎖緊圓螺母固定，鎖緊圓螺母上有兩個小螺釘，可以調(diào)節(jié)小螺釘使圓螺母的旋合螺紋間始終受到附加的壓力和摩擦力的作用，從而達到自鎖的目的，保證心軸軸向定位的可靠性[16]。心軸周向上依靠平鍵與心軸套固定，其中心軸套以六個螺釘與箱體固定。
圖3-4 心軸定位圖
3.4.2 傳動組件運動參數(shù)的計算
（1）空心軸和錐齒輪軸的傳動比
減速電動機的輸出轉(zhuǎn)速為500 r/min，空心軸轉(zhuǎn)速為，所以錐齒輪組的傳動比為： 。
既空心軸和錐齒輪軸的傳動比為3.47。
（2）計算傳動組件各軸的運動和動力參數(shù)
各軸轉(zhuǎn)速：
電動機軸，錐齒輪軸，空心軸。
各軸輸入功率：
電動機軸輸出功率
錐齒輪軸
空心軸
各軸輸入轉(zhuǎn)矩：
電動機輸出轉(zhuǎn)矩
錐齒輪軸
空心軸
將以上算的運動和動力參數(shù)列表，如表3-1
表3-1 傳動組件運動和動力參數(shù)表
軸名
電動機軸
錐齒輪軸
空心軸
參數(shù)
轉(zhuǎn)速n(r/min)
500
500
144
功率P(kW)
29
28.7
25.8
轉(zhuǎn)矩T(N·mm)
5.54×105
5.46×105
1.71×106
傳動比i
1.00
3.47
效率
0.99
0.90
3.4.3 錐齒輪組的設(shè)計計算
錐齒輪組負責傳遞扭矩和轉(zhuǎn)速，本節(jié)根據(jù)已定的傳動比和需要傳遞的扭矩，對錐齒輪的齒數(shù)及主要尺寸進行設(shè)計計算[17]。圖3-5為錐齒輪組的結(jié)構(gòu)圖。
圖3-5 錐齒輪結(jié)構(gòu)圖
查表，取載荷系數(shù)。令，稱為錐齒輪傳動的齒寬系數(shù)，通常取，這里去最常用的值。取錐齒輪壓力角。由表3-1得。
⑴ 錐齒輪的材料及熱處理方法
小齒輪材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度為280HBS（布氏硬度），大齒輪材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理度硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
選小齒輪齒數(shù)為，則大齒輪齒數(shù)為，取。此時，與要求相差不大，可用。
⑵ 按齒根彎曲疲勞強度計算
①小齒輪分度圓錐角 （3-7）
所以大齒輪分度圓錐角。
②按公式 （3-8）
計算錐齒輪的當量齒數(shù)，則小齒輪的當量齒數(shù)為，大齒輪的當量齒數(shù)為。
③小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限。
取彎曲疲勞壽命系數(shù)，。取彎曲疲勞安全系數(shù)，由公式 （3-9）
計算彎曲疲勞許用應力，得 ；
。
④計算大、小齒輪的并加以比較。
查取齒形系數(shù)得；；查取應力校正系數(shù)得；。
所以：
結(jié)果為，故將用計算模數(shù)。
⑤計算錐齒輪大端模數(shù)。
由公式： （3-10）
查表得大端模數(shù)為。
⑥計算錐齒輪參數(shù)
計算分度圓直徑：
計算外錐距：
計算齒寬： ，圓整為
計算平均分度圓直徑：
計算錐齒輪圓周速率：，選用9級精度。
⑶按齒面接觸疲勞強度校核
對于壓力角的錐齒輪，齒面接觸疲勞強度的校核公式為：
（3-11）
式中：-----------齒面接觸應力 ；
--------許用接觸應力 ；
-----------材料的彈性影響系數(shù)，查得40Cr的彈性影響系數(shù)。
①計算許用接觸應力。
按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限。取接觸疲勞壽命系數(shù)；。取安全系數(shù)，計算接觸疲勞許用應力的公式為：
（3-12）
所以
接觸疲勞許用應力取較小的值。
②接觸疲勞強度校核。
按公式，得：
計算結(jié)果，錐齒輪齒面接觸疲勞強度符合設(shè)計要求。
3.4.4 空心軸的校核計算
空心軸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-6所示。軸左端由滾動軸承支撐，由于輥輪擠壓物料對空心軸產(chǎn)生的部分軸向作用力以及從動錐齒輪產(chǎn)生的軸向作用力，滾動軸承應選擇滾子軸承，本造粒機選擇的是單列圓錐滾子軸承，型號為滾動軸承33121 GB/T297。為了定位圓錐滾子軸承，軸承右側(cè)的空心軸有一軸肩。單列圓錐滾子軸承右側(cè)是從動錐齒輪，從動錐齒輪通過平鍵與空心軸連接。
空心軸右側(cè)用一個深溝球軸承支撐，型號為滾動軸承6324 GB/T296。在從動錐齒輪與兩個軸承之間分別用一個隔套用來軸向定位。從動錐齒輪右側(cè)空心軸有一軸肩，定位錐齒輪的軸向右側(cè)。
圖3-6 空心軸的結(jié)構(gòu)圖
1 按彎扭合成應力校核空心軸的強度
空心軸的載荷分布圖如圖3-7所示。
空心軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。從空心軸的結(jié)構(gòu)圖（圖3-6）和載荷分布圖（圖3-7）可以看出截面A是軸的危險截面。由前文已知空心軸右端的扭矩。
Y1
Y2
T2
Ft
M1
Fa
X2
X1
T2
Fr
Ft
受力簡圖
水平受力圖
水平彎矩圖
垂直受力圖
垂直彎矩圖
合成彎矩圖
轉(zhuǎn) 矩 圖
M2
M3
圖3-7 空心軸的載荷分布
①空心軸受力分析
由于空心軸受到的水平分力與垂直分力就是主動錐齒輪所受周向力與軸向分力的反作用力，所以空心軸水平分力為：
（3-13）
空心軸的垂直分力為:
（3-14）
圖3-7為空心軸載荷分布圖。由公式：
（3-15）
所以
水平最大彎矩為：
（3-16）
由公式：
（3-17）
所以
垂直最大彎矩為：
（3-18）
計算最大總彎矩。
由公式： （3-19）
得
將危險截面A的彎矩值列表，如表3-2。
表3-2 空心軸受力分析表
載荷
水平面
垂直面
支反力
，
，
彎矩M
總彎矩
扭矩T
②按彎扭合成應力校核軸的硬度
進行校核時，通常只需要校核危險截面的強度。由于空心軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應力，取折合系數(shù)。
彎扭合成應力的校核公式為：
（3-20）
式中：------軸的計算應力 ；
-------軸的抗彎截面系數(shù) ；
--------折合系數(shù)；
----對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力。
空心軸危險截面A的內(nèi)徑為，外徑為，軸的危險截面面積為：
（3-21）
式中 。
所以 。
軸的彎曲應力：
查得空心軸的許用彎曲應力，因此，故安全。
⑵精確校核軸的疲勞強度
①判斷危險截面
兩個軸承與空心軸過盈配合引起應力集中，將會削弱軸的疲勞強度，但由于受載荷很小，不必做強度校核。
從動錐齒輪與軸過盈配合引起應力集中，同時在錐齒輪右側(cè)空心軸存在軸肩，所以截面B為危險截面，并且由于截面B受載荷較大，故而需要進行強度校核。因此空心軸只需校核截面B左右兩側(cè)即可。
②截面B左側(cè)
抗彎截面系數(shù)
抗扭截面系數(shù)
截面B左側(cè)的彎矩
截面B上的扭矩
截面上的彎曲應力 （3-22）
截面上的扭轉(zhuǎn)切應力 （3-23）
空心軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查得，，。
查得截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)為
，
又查得軸的材料的敏性系數(shù)為
，
故有效應力集中系數(shù)為
（3-22）
（3-23）
取尺寸系數(shù)
扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)
軸按磨削加工，查得表面系數(shù)為
軸未經(jīng)表面強化處理，即，則軸疲勞極限綜合系數(shù)為
（3-24）
（3-25）
查得碳鋼的特性系數(shù)
， 取
，取
于是，彎矩安全系數(shù)為
（3-26）
扭矩安全系數(shù)為
（3-27）
安全系數(shù)的值為
（3-28）
由于 ，可知軸安全。
③截面B右側(cè)
抗彎截面系數(shù)
抗扭截面系數(shù)
截面B右側(cè)的彎矩
截面B上的扭矩
截面上的彎曲應力
截面上的扭轉(zhuǎn)切應力
由于 ，；，
故彎矩安全系數(shù)為
（3-29）
扭矩安全系數(shù)為
（3-30）
安全系數(shù)的值為
（3-31）
由于 ，可知軸安全。
空心軸無大的瞬間過載及嚴重的應力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。至此，軸的校核即告結(jié)束。
3.4.5 軸承的校核計算
空心軸下端用滾動軸承支撐，由于空心軸軸向載荷較大，選擇單列圓錐滾子軸承，現(xiàn)對其進行壽命校核計算。
選擇的軸承型號為滾動軸承33121 GB/T297，軸承的額定動載荷為，對應的值為。
假設(shè)軸承的壽命為15年，一年工作300天，每天工作16個小時，則軸承的預計工作壽命為
軸承同時承受軸向載荷和徑向載荷。其中軸向載荷為錐齒輪對空心軸的軸向作用力和滾輪擠壓物料時產(chǎn)生的對空心軸的軸向壓力，徑向載荷為錐齒輪對空心軸徑向壓力的支撐反力。
徑向載荷的計算
（3-32）
軸向載荷的計算，滾輪對物料的總擠壓力為，取系數(shù)，則滾輪對空心軸的軸向壓力為
同時錐齒輪對空心軸的軸向作用力為
（3-33）
故軸向載荷為
由于
所以選擇徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)為
，
求當量動載荷，由公式
（3-34）
滾子軸承指數(shù)，則軸承壽命為
（3-35）
求得，故所選軸承可以滿足壽命要求。
3.4.6 鍵的選擇及強度計算
⑴ 選擇鍵連接的類型和尺寸
由于從動錐齒輪不在軸端，故選用圓頭普通平鍵（A型）?？招妮S直徑外徑，查得鍵的截面尺寸為：寬度，高度。由于輪轂寬度為60mm，取鍵長，略小于輪轂寬度[18]。
⑵校核鍵連接的強度
鍵、軸和從動錐齒輪的材料都是鋼，載荷有輕微沖擊，查得許用擠壓應力，取其平均值，。鍵的工作長度
鍵與輪轂鍵槽的接觸高度
又有鍵傳遞的扭矩為
故鍵的擠壓應力為
（3-36）
由于
所以連接的擠壓強度不夠。考慮到相差較大，因此改用雙鍵，相隔180°布置，雙鍵的工作長度。由式得
故
可見雙鍵強度足夠，符合設(shè)計要求。
3.5擠壓式平模造粒機造粒和出粒組件的設(shè)計
3.5.1 造粒組件的設(shè)計
造粒組件是平模擠壓造粒機的重要組成部分，同時也是整個造粒機組成最復雜、構(gòu)造最精密的組件。造粒組件結(jié)構(gòu)圖如圖3-8所示。
造粒機組件主要由盛粒筒迷宮、模板、內(nèi)圓桶、心軸、布料器和輥輪機構(gòu)等組成[19]。模板通過平鍵定位與空心軸相連，隨著空心軸的轉(zhuǎn)動而帶著物料一起轉(zhuǎn)動。內(nèi)圓桶用六顆螺釘固定在模板上，內(nèi)圓桶主要是限制物料的分布范圍。輥輪機構(gòu)的徑向由平鍵定位，軸向由心軸軸肩和布料器定位，其中輥輪與模板間存在0.02mm間隙。盛粒筒迷宮以三顆螺釘固定在空心軸上[20]。
圖3-8 造粒組件結(jié)構(gòu)圖
1 造粒組件的造粒流程
有機肥物料由內(nèi)圓桶頂部倒入，在模板上形成1mm厚的物料層，這個過程稱為布料。物料隨著模板的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，與此同時，輥輪擠壓物料，由于摩擦力的作用，物料被擠入模板上密布的通孔成型。然后重新布料，輥輪再次擠壓，同時刮料腳攪拌物料，讓其分布均勻，這樣一直重復循環(huán)，完成不斷的造粒。
2 輥輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理
輥輪機構(gòu)主要由輥輪、十字軸、刮料腳、深溝球軸承、迷宮密封、軸承端蓋、緊鎖圓螺母和螺釘?shù)葮?gòu)成其機構(gòu)圖如圖3-9所示。
圖3-9 輥輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
十字軸固定在心軸上不動，以平鍵定位。四個刮料腳分別用兩個螺釘固定在十字軸上，用來使物料分布均勻。四個輥輪分別用兩個深溝球軸承支撐在十字軸上，輥輪由于摩擦力作用，會隨著模板的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，同時擠壓物料，使其通過模板成型。同時，輥輪的圓柱面上均勻分布著條紋，增加對物料的摩擦力。緊鎖圓螺母用來軸向定位深溝球軸承，由于緊鎖圓螺母良好的自鎖性能，可以很好的固定軸承，從而固定輥輪。滾輪外端用軸承端蓋密封，防止物料的進入，從而降低軸承的失效率，增加軸承使用壽命。
3 模板的構(gòu)造
模板是造粒機上最重要的零件之一，模板的結(jié)構(gòu)直接影響成型有機肥顆粒形狀。本次設(shè)計的造粒機模板如圖3-10所示，模板上均布著通孔，通孔直徑為5mm，相鄰兩個通孔的圓心距為6mm，通孔成放射性排列，每兩排通孔的夾角為4°。有機肥物料被輥輪擠壓壓入模板通孔，直至被壓實后從模板通孔中擠出。模板通孔的形狀直接影響有機肥顆粒形狀，如果需要多種形狀的有機肥顆粒，可以選擇設(shè)計多塊模板，在需要的時候更換模板，就可以生產(chǎn)出所希望的有機肥顆粒形狀。模板通孔容易被物料堵死，對于一些腐蝕性強的有機肥物料，模板也很容易被腐蝕直至失效。所以，當結(jié)束造粒工作時，需要對模板仔細清理并保養(yǎng)，以增加模板的使用壽命。
圖3-10 模板剖視圖
3.5.2 出粒組件的設(shè)計
出粒組件主要負責剪切顆粒并將有機肥顆粒排出造粒機。出粒組件由盛粒筒、甩料盤、手輪軸、切刀、手輪、緊定螺釘和內(nèi)六角螺栓等組成，如圖3-11所示。其中切刀左右各有一個，分別通過兩顆螺栓固定在手輪軸上不動，從模板擠出的條狀物料隨著模板轉(zhuǎn)動的同時被切刀切斷成粒狀。手輪軸和手輪徑向通過平鍵定位，而軸向通過一顆螺栓固定兩者，當需要調(diào)節(jié)切刀的角度時，擰松螺栓，通過調(diào)節(jié)手輪而調(diào)節(jié)切刀角度，調(diào)整完畢后重新擰緊固定螺栓。甩料盤通過兩顆緊定螺釘固定在空心軸上，隨著空心軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，利用離心力把有機肥顆粒甩出盛粒筒[21]。
圖3-11 出粒組件剖視圖
4使用說明書
本課題選擇了減速電動機，該減速電動機的輸出轉(zhuǎn)速為500r/min，輸出轉(zhuǎn)矩為5.39×105N·mm，額定功率Pm=30kw。插上電源打開開關(guān)，產(chǎn)品正常啟動，使用前選擇適當?shù)臐櫥?，，保證其潤滑性、相容性，定期更換潤滑油。先使其空轉(zhuǎn)一會保證造粒機能夠正常運轉(zhuǎn)再投入使用。當機器出現(xiàn)故障時，應切斷電源拆機檢查。
5標準化審查報告
該設(shè)計圖樣共計7張，其中總裝圖1張，輥輪組件裝配圖1張，零件圖5張，設(shè)計文件有：設(shè)計計算說明書、產(chǎn)品使用說明書、產(chǎn)品標準化審查報告等等。經(jīng)審查：產(chǎn)品圖樣完整、清晰，并按經(jīng)過規(guī)定程序批準的圖樣和技術(shù)文件制造。圖紙文件及技術(shù)資料符合GB/T4458.5-2003、GB/T1184-1996、GB/T1182、GB/T1031、GB/T4485.1-2002、GB/T17825.3-1999等有關(guān)制圖標準的要求。
綜上所述，產(chǎn)品技術(shù)文件齊全、正確，反映了該產(chǎn)品研制的實際情況。使其完全自動化生產(chǎn)，提高效率。固體物料顆粒造粒機在標準化方面已基本具備批量生產(chǎn)的條件,經(jīng)審查予以通過。
結(jié)論
在發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，走可持續(xù)發(fā)展道路的今天，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域越來越重視生態(tài)種植，講究綠色有機無污染，所以單純的無機化肥式種植將被逐步淘汰，而綠色有機肥會越來越受歡迎，特別是一些富含有機質(zhì)還有用含有有機元素的有機肥來發(fā)展生物有機肥技術(shù)具有相當重要的意義，所以固體顆粒造粒機的研究將具有重要的意義和市場前景。
此次設(shè)計主要在研究國內(nèi)外主流造粒成型方法的基礎(chǔ)上，利用擠壓式平模造粒機原理來生產(chǎn)有機肥顆粒。本次設(shè)計從總體出發(fā)主要對其總體、各個部件及其零件進行了設(shè)計。總體流程和結(jié)論如下：
（1）根據(jù)設(shè)計要求和閱讀國內(nèi)外資料確定了總體設(shè)計方案
（2）針對不同性能和功能要求，對擠壓式平模造粒機各個功能組件進行研究設(shè)計。有動力部分、傳動部分、造粒和出粒部分分別進行設(shè)計。
（3）對擠壓式平模造粒機中的部分零部件如主軸、錐齒輪和軸承等關(guān)鍵部位的零件進行設(shè)計計算并校核，保證其功能要求和性能要求，同時繪制造粒機總裝配圖和零件圖。
（4）通過本次畢業(yè)設(shè)計，我相信，只要我繼續(xù)保持在這次設(shè)計中的刻苦創(chuàng)新精神，努力學習，不斷的要求自我，改造自我，進入社會后，遇到再大的困難，我也能冷靜的面對，找到解決問題的方法，不斷鍛煉自己，成為一個有所作為的機械人，為社會和國家服務(wù)！
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致 謝
四年的大學時光轉(zhuǎn)瞬即逝，十六年的學子生涯亦將揮手告別。至此論文完成之際，向所有關(guān)心我、支持我的老師、親人還有同學們說一聲“謝謝”！
論文研究過程中，從準備階段到撰寫階段，都得到導師老師悉心指導。張老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的知識、求實的工作作風和正直的人品，令我無論在學習還是做人方面都受益匪淺，將使我終身受益。張老師事無巨細的修改論文的精神令我深深的敬佩和感激。為此，首先請允許我向張老師表示最衷心的感謝和最崇高的敬意。
值此即將畢業(yè)之際，向張老師表示摯誠的感謝和由衷的敬意。同時，向山西農(nóng)業(yè)大學工程技術(shù)學院為學生付出辛勤勞動的其他各位老師表示衷心的謝意！
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