固體物料顆粒造粒機的設(shè)計

逯 江，張 金，李 偉

(1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司安陽卷煙廠，河南安陽455000；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，鄭州450002）

引言

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(xué)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[1]。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[2]。

本文設(shè)計的固體顆粒造粒機是擠壓式平模造粒機。為了更好地處理有機固體廢棄物，減少對環(huán)境的污染，也為了有機復(fù)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。

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(yù)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。

2 擠壓式平模造粒機的總體設(shè)計

本文設(shè)計的是立式平模擠壓機，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

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[3]。

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上隨主軸轉(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[4]。

金-白云石階段：形成自然金-方鉛礦-黃銅礦、輝銀礦等礦物組合，為金的次要成礦階段，方鉛礦、黃銅礦、輝銀礦主要在這個階段富集。

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(dǎo)致動模式擠壓機的結(jié)構(gòu)復(fù)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(dǎo)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。

2.1 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2所示。

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。空心軸以滾動軸承承受載荷，其中上端的軸承主要承受周向載荷，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?？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(dān)空心軸過大的周向載荷，增加空心軸的彎曲剛度。

如圖3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。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。

2.2 擠壓式平模造粒機造粒和出粒組件的設(shè)計

2.2.1 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(fù)雜、構(gòu)造最精密的組件。造粒組件結(jié)構(gòu)圖如圖4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[5]。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[6]。

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(fù)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5所示。

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，可以很好地固定軸承，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6 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(dāng)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。

2.2.2 出粒組件的設(shè)計

出粒組件主要負責(zé)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7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(dāng)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[7]。

3 使用說明

本文選擇了減速電動機，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(dāng)?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(dāng)機器出現(xiàn)故障時，應(yīng)切斷電源拆機檢查。

4 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，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。

[1]李建平,李承政,王天勇，等.我國粉體造粒技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].化工機械,2001(5)：295-298.

[2]劉廣文.論染料噴霧造粒技術(shù)[C]//中國化工學(xué)會.第七屆全國干燥會議論文集,1999：93-97.

[3]杞衛(wèi)東.肥料的擠壓造粒[J].云南化工,1994(1)：58-60.

[4]馬夢蘭.復(fù)混肥擠壓造粒機理與設(shè)備分析[J].天津紡織工學(xué)院學(xué)報,1999(4)：42-46.

[5]王德忠,季玉茹.造粒機輥輪密封失效原因的分析[J].潤滑與密封,2009(5)：103-105.

[6]王德忠,季玉茹.擠壓造粒機輥輪迷宮密封的改造[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報,2009(2)：34-36.

[7]董彬.延長擠壓造粒機環(huán)模使用壽命的研究[J].磷肥與復(fù)肥,2001(1)：54-55.