【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 因此發(fā)展?jié)摿艽蟆ｋS著飼料工業(yè)的發(fā)展及人民生活水平的提高，對(duì)飼料擠 壓膨化的需求會(huì)越來(lái)越大，擠壓膨化技術(shù)的研究將變的越來(lái)越好。 從 1988 年起，中國(guó)農(nóng)機(jī)研究院開(kāi)始對(duì)擠壓膨化設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，研制了 YJB100 型試驗(yàn)樣機(jī)，用于大豆、綿籽的擠壓膨化預(yù)處理。取得了良好的效果。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于大型螺桿擠壓膨化機(jī)的研制，已有不少報(bào)道。如美國(guó)的 Textured Engineering、 Wenger 等廠(chǎng)商研制的膨化機(jī)，膨化質(zhì)量好，生產(chǎn)率高，但價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作技術(shù)不易被掌握。國(guó)內(nèi)比較成功的膨化機(jī)有江蘇牧羊集團(tuán)的 MYPS 膨化機(jī)、武漢商業(yè)機(jī)械廠(chǎng)的YPHG1200、 PG135 和 PG90 型 干法膨化機(jī)、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院的 P1000S 型濕法擠壓膨化機(jī)、江蘇正昌集團(tuán)公司生產(chǎn)的正昌 SPHG132 型膨化機(jī)。其中武漢商業(yè)機(jī)械廠(chǎng)的 YPHG1200 型干法膨化機(jī)和正昌 SPHG132 型膨化機(jī)用在大豆膨化上效果較好。但這些膨化機(jī)都是大型設(shè)備，產(chǎn)量一般在 1000～ 3000kg/h，且普遍存在著價(jià)格高、占地面積 8 大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作程序繁瑣，安裝維修費(fèi)用高等缺陷，不易被中、小企業(yè)所接受。 關(guān)于小型膨化機(jī)加工大豆的研究，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)有報(bào)道。因此本課題擬研制一種具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、易于操作、便于維修適于小型企業(yè)和 個(gè)體戶(hù)、專(zhuān)業(yè)戶(hù)使用的單螺桿大豆擠壓膨化機(jī)，用來(lái)加工豆粕、全脂大豆，促進(jìn)大豆資源的開(kāi)發(fā)利用。這將具有現(xiàn)實(shí)意義。 9 2 方案分析 與其它農(nóng)作物相比，大豆中含有豐富的蛋白質(zhì)和油脂，必需的氨基酸、脂肪酸，是人類(lèi)的優(yōu)良食品和動(dòng)物的優(yōu)質(zhì)、高能、高蛋白飼料。但大豆中有多種抗?fàn)I養(yǎng)因子，其中的胰蛋白酶抑制因子、脲酶等，如果不進(jìn)行處理就加到飼料中去，將會(huì)影響動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。研究表明，大豆中一些影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收的有害成分，通過(guò)膨化加工的高溫高壓處理能夠消除。膨化大豆用作飼料，與傳統(tǒng)的 加油飼料相比，在營(yíng)養(yǎng)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，市場(chǎng)上所見(jiàn)大豆膨化機(jī)都是大型膨化機(jī)，關(guān)于小型膨化機(jī)的研究，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)有報(bào)道。本文設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、適于中小型企業(yè)和個(gè)體戶(hù)、專(zhuān)業(yè)戶(hù)使用的小型膨化機(jī)，這對(duì)于畜牧業(yè)的發(fā)展，具有重要的意義。 單螺桿大豆擠壓膨化機(jī)的工作原理是：利用擠壓螺桿在膨化腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)將含有適量水分的物料向前推動(dòng)，物料通過(guò)與膨化腔內(nèi)的構(gòu)件發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦，這種摩擦產(chǎn)生高溫高壓。 使物料得到蒸煮，變成熔融狀態(tài)。 然后物料在出料模板的?？滋?，壓力和溫度驟減，其中游離水分在此壓差下急劇汽化，從物料組織結(jié)構(gòu) 中蒸發(fā)出來(lái)， 使物料體積迅速增大，達(dá)到膨化的目的。 單螺桿大豆擠壓膨化機(jī)的加工原料是粉碎的大豆，因?yàn)榇蠖贡旧砗邢喈?dāng)多的油脂，所以在加工過(guò)程中不需要加水，完全依靠物料與膨化機(jī)螺桿、物料與套筒之間相互擠壓產(chǎn)生的熱量和壓力。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般用于試驗(yàn)的小型大豆膨化裝置的生產(chǎn)率大約為 50～ 80kg， 轉(zhuǎn)速一般在 450r/min范圍內(nèi)，動(dòng)力首先通過(guò)一對(duì)帶輪傳入膨化裝置，從而帶動(dòng)擠壓螺桿對(duì)物料進(jìn)行擠壓。工作時(shí)軸要承受一個(gè)相當(dāng)大的軸向力，所以選用兩個(gè)深溝球軸承來(lái)承受徑向力，再選一個(gè)推力球軸承來(lái)承受軸向力。 10 1— 料斗 2— 螺桿 3— 套筒 4— 模板 圖 21擠壓膨化機(jī)擠壓部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 擠壓膨化機(jī)包括以下主要組合部分：傳動(dòng)裝置、進(jìn)料裝置、膨化裝置及控制裝置。本文中將主要介紹傳動(dòng)裝置和膨化裝置的設(shè)計(jì)。其中的膨化裝置如圖 11所示，它由螺桿、套筒和成形模板組合而成。 螺桿是膨化裝置中重要的部件之一，它不僅決定膨化機(jī)熟化和糊化功能的強(qiáng)度，而且還決定最終成品的質(zhì)量，因此，螺桿是主要設(shè)計(jì)的部件。不同的螺桿有不同的擠壓膨化功能。而螺桿的功能決定于螺桿的設(shè)計(jì)參數(shù)，螺桿的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有長(zhǎng)度、直徑、螺棱的厚度和高度等。在膨化加工中，物料向前推進(jìn) 受到擠壓和剪切作用，要使膨化腔中產(chǎn)生高壓、高溫，要使物料更好的膨化，常采用變螺桿根徑、變螺桿螺距，有的也采用錐形套筒，這些方法都很有效，初步?jīng)Q定本膨化機(jī)采用變螺桿根徑的方法。 套筒包在螺桿外面，為易磨損件，可做成整體式結(jié)構(gòu)，也可做成組合式結(jié)構(gòu)，由于本設(shè)計(jì)為小型的 單螺桿大豆擠壓膨化機(jī) ，整體的尺寸較小，采用整體式結(jié)構(gòu)即可。為了增加對(duì)物料的剪切、摩擦作用，套筒的內(nèi)壁可開(kāi)有螺旋型溝槽或直線(xiàn)型溝槽。因?yàn)槁菪蜏喜奂庸ぽ^復(fù)雜，因此本膨化機(jī)采用平行于軸線(xiàn)的直線(xiàn)型溝槽。螺桿與套筒的間距應(yīng)保持在最小程度，以達(dá)到擠壓剪切的目的 ，并減小滲漏流。 成形模板在套筒的終端，是影響膨化的質(zhì)量和產(chǎn)量的重要部件，具有雙重功能。一是將物料擠壓成所需要的形狀：二是作為阻流器，以增大膨化機(jī)熟化作用以及熟化區(qū)段內(nèi)的壓力，因此模板的孔徑大小、數(shù)目及位置是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 11 1003 5 61 011001 07206 0 0 1 0 08 0 03 0 05504321 圖 22 大豆擠壓膨化機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1. 傳動(dòng)裝置 12 3 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 小型單螺桿粗蛋白飼料擠壓機(jī)的初定生產(chǎn)率為 50～ 80Kg/h， 初定轉(zhuǎn)速在 450r/min。在忽略化學(xué)變化能量和物料動(dòng)能增量的前提下，電機(jī)的功率可按下式計(jì)算： N= ? )1( ??? TECKkw 式中： N— 主電動(dòng)機(jī)功率， kW。 K— 電機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)，取 10%； C—— 飼料比熱，估算時(shí)取 ； T? — 飼料在機(jī)筒內(nèi)的溫升， C1 2 0C20C 1 4 0= T ????? ； E— 膨化機(jī)的生產(chǎn)率， kg/s， E=～ 。 ? — 機(jī)械傳動(dòng)效 率，在本膨化中從電機(jī)到主軸只有一級(jí) V帶傳動(dòng)， ?? 。 計(jì)算得： ( 1 1 0 % ) 1 . 6 7 1 2 0 0 . 0 1 3 8 0 . 2 5 ( 1 1 0 % ) 1 . 6 7 1 2 0 0 . 0 2 2 2 0 . 2 5~0 . 9 6 0 . 9 6N ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? =~ 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)單螺桿擠壓機(jī)為小型常用機(jī)械，綜合考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的尺寸，重量及價(jià)格等因素。為使傳動(dòng)裝置緊湊，決定選用同步轉(zhuǎn)速 1440 r/min 的電動(dòng)機(jī) 。 又根據(jù)電動(dòng)機(jī)類(lèi)型 、容量和轉(zhuǎn)速，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選定電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 Y132S4。主要技術(shù)參數(shù)如下： 額定功率： 額定轉(zhuǎn)速： 1440 r/min 效 率 ： % 長(zhǎng)寬高： 475 350 315mm 中心 高： 132mm 重 量： 68kg 要求擠壓機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速范圍在 min/4502 rn ? ，由此可以初步確定傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比： 139。2 1440 n? ? ? 在以下傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引用的公式、圖、表均來(lái)自高等教育出版社《機(jī)械設(shè)計(jì)》，以下不再說(shuō)明。 13 V 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 在電機(jī)與主軸之間采用帶輪傳動(dòng)，因?yàn)?帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，造價(jià)低廉等特點(diǎn)。 計(jì)算功率的確定 由載荷性質(zhì)和每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)短等因素的影響而確定計(jì)算功率 cap 。即 PkP Aca ? 式中： caP — 計(jì)算功率，單位為 kW P— 傳遞的額定功率，單位為 kW， P= AK — 工作情況系數(shù)，根據(jù)表 86，取 AK =。 計(jì)算得： KW? 帶型的選擇 根據(jù)計(jì)算功率 KW? 和小帶輪轉(zhuǎn)速 min1 1440rn ? ，由圖 88 初選帶型為 SPA型普通 V帶。 帶輪基準(zhǔn)直徑的確定 小帶輪基準(zhǔn)直徑的確定 根據(jù) V帶截型，由標(biāo)準(zhǔn)帶輪直徑的要求 1 m in 90ddd d m m??，取 1 100dd mm? 。 驗(yàn)算帶的速度 由式 100060?? dnv ? 來(lái)計(jì)算帶的速度，并應(yīng)使 smvv /30255 m a x ???? ，如 maxvv ? ，則離心力過(guò)大，即應(yīng)減小 1d ；如 v 過(guò)小，則表示所選 1d 過(guò)小，這將使所需的有效拉力過(guò)大，即所需帶的根數(shù)過(guò)多，于是帶輪的寬度、軸徑及軸承的尺寸都要隨之增大。 1 1 0 0 1 4 4 0 7 .5 4 /6 0 1 0 0 0v m s? ????? 可以看出小帶輪的速度 v 在要求的帶速范圍內(nèi)，所以此帶輪速度合適。 從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑的確定 12121440 1 0 0 3 2 0450ddnd d m mn? ? ? ? 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)直徑系列取從動(dòng)輪 2 315dd mm? ，所以標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比： 21315 3 .1 5100dddi d? ? ? 14 當(dāng) 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 為 1 1440 / minnr? 時(shí) ， 從 動(dòng) 輪 的 實(shí) 際 轉(zhuǎn) 速 為 ：12 1440 4 5 7 .1 / m in3 .1 5nnri? ? ?，符合要求轉(zhuǎn)速 450~650r/min。 帶輪中心距 a 和 V 帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 dL 的確定 中心距小則結(jié)構(gòu)緊湊，但帶繞轉(zhuǎn)次數(shù)多，會(huì)降低帶的使用壽命，同時(shí)降低傳動(dòng)能力，故一般由式 )(2)( 21021 dddd ddadd ???? 來(lái)初定中心距 0a ，代入數(shù)據(jù)得0290 .5 830a mm?? ， 按結(jié)構(gòu)要求選?。?0a =600mm 。 根據(jù)帶傳動(dòng)的幾何關(guān)系，按下式計(jì)算所需帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 dL39。 ? ? ? ?021212039。 422 a ddddaL ddddd ????? ? 計(jì)算的： 39。 1870dL mm? 根據(jù)皮帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度的要求選取 mmLd 1800? 由于 V帶傳動(dòng)的中心距一般是可以調(diào)整的，故可采用下式作近似計(jì)算，即 2 39。0 dd LLaa ??? 計(jì)算得： 565a mm? 考慮安裝調(diào)整和補(bǔ)償預(yù)緊力（如帶伸長(zhǎng)而松弛后的張緊）的需要，中心距的變動(dòng)范圍為： dLaa in ?? dLaa ax ?? 計(jì)算得： min 538a mm? max 619a mm? 所以中心距的范圍為： 53 8 61 9a mm?? 。 包角的驗(yàn)算 由于只需驗(yàn)算直徑較小的帶輪，所以主動(dòng)輪的包角： 211 3 1 5 1 0 01 8 0 5 7 . 5 1 8 0 5 7 . 5 1 5 8 . 1 1 2 0565dddd a? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 符合要求，所確定的各參數(shù)可用。 帶的根數(shù)的確定 帶的根數(shù)由下式確定： ? ?Lca KKPP Pz?00 ??? 式中： ?K — 考慮包角不同時(shí)的影響系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)包角系數(shù)，取 ? ? ； 15 LK — 考慮帶的長(zhǎng)度不同時(shí)的影響系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)度系數(shù)，取 ?LK ； 0P — 單根 V帶的基本額定功率，取 0 ? kW； 0P? — 計(jì)入傳動(dòng)比的影響時(shí)，單根 V帶 額定功率的增量，取 0 ?? ； 計(jì)算得： z= 所以，取 3根普通 V 帶即可滿(mǎn)足傳遞所需轉(zhuǎn)矩的要求。 帶的預(yù)緊力的確定 20 qvKvzPF ca ????????? ?? ? 式中： q— 傳動(dòng)帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量， kg/m， 取 q=； 計(jì)算得： 0 ? 圖 31 帶輪 壓軸力的確定 2sin2 10 ?zFFP ? 計(jì)算得 ： ? 傳動(dòng) 軸的 設(shè)計(jì) 膨化機(jī)中的傳動(dòng)軸做成階梯軸，階梯軸裝配方便，軸肩可用于軸上零件的定位和傳遞軸向力。各軸段徑向尺寸的變化和確定主要取決于軸上的零件的安裝、定位、受力狀況、軸的加工精度要求，而各軸段的長(zhǎng)度則根據(jù)零件的位置配合長(zhǎng)度，軸承組合結(jié)構(gòu)以及箱體的組合尺寸來(lái)確定。根據(jù)軸的工作情況，軸的材料選用 45 鋼， MPaB 600?? 。 16 當(dāng)電機(jī)為最大轉(zhuǎn)速 1 1440 / minnr? 時(shí)，螺桿的轉(zhuǎn)速為 2 450 / minnr? ，此時(shí)膨化機(jī)的輸入功率為： 1 5 .5 0 .9 6 5 .2 8P P k W?? ? ? ?。 軸徑的計(jì)算 根據(jù) 軸徑計(jì)算公式： ? ? 33 nPCT Pd n ??? ?mm 式中： P— 軸傳遞功率， kW， P=。 N— 軸的轉(zhuǎn)速， r/min， n=457r/min。 C— 與軸材料有關(guān)的系數(shù)， C=112