環模制粒機調質器設計與研究

陳義厚 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023）

環模式制粒機是眾多制粒機中的一種，制粒機是一種利用物料之間的粘結作用力將物料壓制成所需形狀的機械。物料在壓制前，必須經過調質處理，調質的好壞直接關系到制粒的過程。由于目前大部分的制粒機都應用在飼料生產行業上，在化肥生產上使用較少，因此大多數的調質都是針對飼料生產的，調質是對顆粒飼料制粒前的粉狀物料進行水熱處理的一道加工工序，國內外研究表明調質是影響顆粒飼料質量的重要因素之一。不同的調質工藝和設備，其調質的工藝參數 （調質器轉速、調質時間等［1］）有所不同，為此調質熟化效果亦有較大的差別。本研究對加工綠色生態有機復合肥料的制粒機的調質器進行了詳細的設計與計算。

1 主要結構及工作原理

調質器由電機1、減速器9、聯軸器10、螺旋軸4、螺旋殼體3和軸承7組成。它的主要工作部件是螺旋輸送器，又稱絞龍，是制粒機的一個主要的喂料裝置，它主要由螺旋體和機殼組成。調質器基本結構如圖1所示。

圖1 環模制粒機調質器的基本結構簡圖

調質器工作時，粉料顆粒在槳葉攪動下進行2個方向的運動，一是繞軸轉動，二是沿軸向推移，運動軌跡近似于螺旋線。它主要由帶有螺旋葉片的的轉動軸在一封閉的料槽內旋轉，使加入料槽的物料由于自身的重力及其對料槽的摩擦力作用，沿著料槽向前移動、混合，完成調質以及水平的、低傾角的輸送任務。

2 設計與計算

2.1 螺旋葉片與螺旋軸材質的選擇

通過查閱資料可知，螺旋葉片大部分都是由厚3～8mm的薄鋼板或鋼帶沖壓制成，然后焊或用螺釘固定在軸上，并在相互之間加以焊接或鉚接。根據螺旋葉片的形狀可分為全葉式 （即實體螺旋面螺旋）、帶葉式、漿葉式和月牙式。全葉式是最常用的一種型式，結構簡單，效率高，對于帶有隨動性的干燥小顆粒物品或粉狀物品以及松散物料特別適宜，帶葉式主要用于塊狀物料或粘滯性的物品，漿葉式和月牙式用于粘性較大的物料 （圖2）。螺旋輸送器的壽命取決于螺旋葉片的耐磨性，螺旋葉片磨損最嚴重的地方是它的頂部，磨損主要是磨粒磨損、氧化磨損和熱磨損，提高螺旋葉片的耐磨性，可采取下列措施:進行表層強化處理；在靠螺旋葉片上部裝上耐磨鋼片或覆蓋增強高分子耐磨片，磨損后可很快地更換新的鋼片；刷涂耐磨涂層，如HNT耐磨涂料，這種涂料粘結力強，成型好，穩定性高，摩擦系數小，具有一定的機械強度，刷涂工藝簡單，適合于溫度小于100℃的場合，但抗沖擊性差；以聚四氟乙烯為基材，填充高分子粉或合金粉和氧化物等材料，采用粉末冶金燒結成型的螺旋葉片，具有極強的耐磨性，年磨損量只有0.002～0.004mm［2］。在本研究中主要采用表面強化處理，表層強化并不僅僅提高表層硬度，還可使金屬材料表面具有某種特殊的化學性能，表面強化處理可以采用電弧和火焰方法來提高金屬材料表面的硬度，一般來說，硬度高，耐磨性好說，硬度高，耐磨性好。

圖2 螺旋輸送器的葉片形式

2.2 螺旋輸送機的的力學原理分析

一般螺旋輸送機的轉速為150～450r／min，物料的推進速度與軸轉速和漿葉的拾物角度有關，在轉速一定的條件下，可以通過調整漿葉的拾物角度來控制物料的調質時間，如果將漿葉的角度減小到比較中間的位置，即與漿葉軸成為75～85°的夾角，這樣就可以減弱每個漿葉對物料的推出作用從而延長物料在調質室內的滯留時間。

圖3是物料在螺旋輸送機內的速度和受力分析，由此可以確定螺旋輸送機中螺旋的升角α。螺旋輸送機各點的螺距是相同的，但因其半徑不同，所以各點的螺旋升角不同。外徑處的螺旋升角小，內徑處的升角大。如圖3所示，當螺旋輸送機以角速度ω繞回轉軸Z旋轉時，則在O點處的物料一面與螺旋面發生相對滑動，一面沿Z軸移動。它的運動速度將由以下兩速度合成:一個是螺旋葉片上的O點的牽引運動速度Vo，其方向為沿O點回轉的切線方向；另一個是物料相對于螺旋面的滑行速度，其方向為平行于O點螺旋面的切線方向，用AB表示。但是由于物料與螺旋面之間有摩擦力的存在，故合成的速度應較原值偏轉一摩擦角φ，而成為Vf，即物料在螺旋輸送機中的絕對速度。若將Vf分解，可得到物料的軸向速度VZ，和在圓周方向上的切線速度Vt，軸向速度即VZ為使物料沿軸向輸送，切線速度Vt則是使物料在輸送過程中攪拌和翻轉。

圖3 螺旋升角受力分析

式中，s—螺旋葉片的螺距；n—螺旋軸轉速；α—螺旋升角；f—物料與螺旋葉片的摩擦系數；φ—物料與螺旋葉片的摩擦角。

由 （2）式可知，當1－ftgα≤0時，Vz≤0物料將不能沿軸向移動，因此，螺旋升角α應滿足以下條件:

因螺旋葉片內徑處的升角最大，故內徑處升角α應小于或等于900－φ。

當螺旋的半徑和轉速一定時，軸向速度Vz是螺旋升角α的函數。令函數，則有 （令 （2）式中s＝πdtga，d為螺旋內徑）

由 （4）式可得:α＝π／4－φ／2

聯立 （3）、（4）式可得:當α＝π／4－φ／2時，物料的軸向速度最大。

取f＝0.4，則φ＝arctg0.4＝21.8°

可知當螺旋內徑處的螺旋升角為35°時，物料的軸向速度Vz最大，故選取螺旋升角α＝35°。則

3 生產能力的分析與計算

調質器的生產能力是由螺旋輸送機的輸送能力來確定的，關于螺旋輸送機的生產能力一般有如下的計算公式［3］

電力系統是一項比較系統的工程，要想降低電力供電安全事故的發生，應該完善工作制度。我國電力系統中的管理制度存在很大問題，沒有對工作細節進行具體化，工作人員不明確工作職責，在發生電力事故時，不能有效地解決，這樣不僅會降低電力供應的效率和質量，同時還會影響國家和社會的經濟發展。

式中，Q—螺旋輸送機生產率，t／h；F—機殼內物料的橫截面積，m2；V—物料在機殼內的軸向移動速度，m／s；r—物料的容重，t／m2。

機殼內物料的橫截面積f （m2）為:

式中，D—螺旋直徑，m；C—螺旋輸送機傾斜裝置時的校正系數，隨傾角β的增大，C值逐漸減小［4］；φ—物料的填充系數，與物料的粒度有關一般取φ＝0.2～0.3。

物料沿料槽軸向移動的速度V，可以按下式計算:

式中，ξ—滑動系數，一般取0.85～0.95；s—螺旋葉片的螺距，m，在普通機械中一般取s＝ （0.8～1.0）D，在特殊情況下才選用s＝ （0.5～2.0）D；n—螺旋輸送機的螺旋軸轉速，r／min。

將上述 （6）和 （7）的公式帶入 （5）式后，便得出計算螺旋輸送機生產率的公式:

由于生產率是已知的，只要螺旋直徑D確定了，螺旋輸送機的轉速可用以下公式求得

應該指出，螺旋輸送機的轉速n不能超過臨界轉速n臨，臨界轉速n臨的確定是螺旋軸的轉速根據其輸送量、螺旋直徑和被輸送物料的特征來確定的，其目的是輸送時物料不被拋起而影響輸送量否則物料便會在螺旋料槽內翻滾，只起攪拌作用而不起向前推動的作用。臨界轉速根據實驗公式求得:

式中，K—物料綜合特性系數，可由表1查得；D—螺旋直徑，m。

表1 物料綜合特性系數K

螺旋轉速 （n）應根據所輸送物料的性質和螺旋直徑等因素來確定。對于非磨琢性的物料轉速可取得大些，即n＝97～200（r／min），對于重磨琢性材料則應將轉速減少50%左右，即47.5～100（r／min）。在保證輸送量不變的情況下，螺旋直徑增大，螺旋軸上的轉速相應的應減低，延長其使用壽命。

由于螺旋直徑還可以采用以下經驗公式估算:

式中C值由表2查得，由公式計算與經驗估算的螺旋軸直徑D，應調整到標準直徑數值。其螺旋直徑值均已標準化，其系列值為100、120、150、160、200、250、320、400、500、600。所以選擇螺旋輸送機直徑為D＝120mm。

表2 傾角β所對應的修正系數C值表

無論是螺旋輸送機的螺旋直徑還是螺旋軸轉速，都應調整到與它相近的標準數值。調整以后螺旋機的填充系數φ可能不同于原來從表中所選取的數值，故應按公式再校驗其填充系數。按下式計算系數φ:

計算可得，調質器的生產能力大小為Q＝150～350kg。

［1］龐聲海.飼料加工設備與技術［M］.北京:科學技術文獻出版社，2001.

［2］饒應昌.飼料加工工藝與設備［M］.北京:中國農業出版社，1996.

［3］李令芳，陳震.SLTZ型系列高效調質器及其使用［J］.飼料廣角，2004，（3）:72－74.

［4］陳艷.畜禽及飼料機械與設備［M］.北京:中國農業出版社，2000.