■孔騰華 鞏桂芬

(陜西科技大學(xué)，陜西西安710021)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國每年都用數(shù)百萬斤糧食和農(nóng)作物秸稈被粉碎加工成飼料，飼料工業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為國民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。錘片粉碎機(jī)是目前飼料行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的一種粉碎機(jī)類型，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性好，效率高的特點(diǎn)，目前國內(nèi)外對(duì)錘片式粉碎機(jī)的研究主要集中在對(duì)原有結(jié)構(gòu)的改進(jìn)上。從創(chuàng)新的方面出發(fā)，運(yùn)用創(chuàng)新的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)改善粉碎機(jī)性能，粉碎機(jī)效率對(duì)我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有重要影響。因此有必要進(jìn)一步研究錘片式粉碎機(jī)創(chuàng)新方案的可實(shí)用性。

1 氣壓噴吹的錘片式粉碎機(jī)整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

為了滿足不斷擴(kuò)大的市場(chǎng)需求，對(duì)粉碎機(jī)粉碎效率進(jìn)行不斷提高，使其在滿足高效率的同時(shí)，粉碎機(jī)各零件保持穩(wěn)定，消除粉碎室內(nèi)的空氣物料環(huán)流層，篩網(wǎng)的堵塞，以及由于篩網(wǎng)的堵塞引起的大量動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，減少能源浪費(fèi)，和機(jī)器熱產(chǎn)量，提高機(jī)器使用壽命，提高生產(chǎn)效率。

1.2 粉碎原理

物料從入料口在自身重力和進(jìn)料導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用下進(jìn)入粉碎室，低速的物料在首次與高速旋轉(zhuǎn)的錘片接觸，發(fā)生劇烈撞擊后粉碎，被撞擊到篩網(wǎng)上，與篩網(wǎng)摩擦，滿足出篩條件的物料從篩網(wǎng)漏出，進(jìn)入出料口；不滿足條件的物料被撞擊反彈，再次與錘片碰撞接觸，如此反復(fù)多次，直至滿足出篩條件，從出料口出來，得到被粉碎的物料。

物料粉碎是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，影響其粉碎效果的因素很多，其中最關(guān)鍵的是容易形成物料環(huán)流層。即粉碎室在工作時(shí)，錘片轉(zhuǎn)動(dòng)粉碎物料，在離心力的作用下，物料由于錘片的旋轉(zhuǎn)與錘片同方向運(yùn)動(dòng)，形成物料環(huán)流層，造成大顆粒在外層運(yùn)動(dòng)無法通過篩網(wǎng)，小顆粒在內(nèi)層運(yùn)動(dòng)無法通過篩網(wǎng)，與錘片多次碰撞，過度粉碎，造成篩網(wǎng)損壞率較高，粉碎不均勻，粉碎效率低等影響。

1.3 方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種氣壓噴吹的錘片式粉碎機(jī)，如圖1、圖2所示，所述粉碎機(jī)包括機(jī)座、機(jī)殼、錘架板、篩網(wǎng)、錘片、噴管、噴嘴、轉(zhuǎn)子等。其特點(diǎn)在于在原轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與主軸之間連接多道噴管，在其上添加多個(gè)噴嘴，通過噴吹部件引入高壓氣體，與主軸采用旋轉(zhuǎn)接頭的方式連接配以電磁閥控制，由噴嘴向粉碎室內(nèi)噴入高壓氣體。采用向粉碎室內(nèi)噴入高壓氣體，打破物料環(huán)流層；清潔篩網(wǎng)上附著的物料，提高篩網(wǎng)使用壽命，增大出料效率。

圖1 創(chuàng)新方案主視示意圖

一種氣壓噴吹的錘片式粉碎機(jī)，包括有機(jī)座上設(shè)有機(jī)殼，機(jī)殼頂部設(shè)有進(jìn)料導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，機(jī)殼的粉碎室中設(shè)有與電動(dòng)機(jī)相連的主軸；主軸上設(shè)有至少兩塊錘架板，錘架板四周設(shè)有錘片；機(jī)殼的粉碎室壁內(nèi)設(shè)有篩網(wǎng)；其特征在于，在兩塊錘架板之間設(shè)有與主軸平行的噴管；噴管的管壁上設(shè)有數(shù)個(gè)噴嘴；噴管通過噴吹部件引入高壓氣體；噴管與主軸采用旋轉(zhuǎn)接頭連接，噴管通過電磁閥控制，旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)在軸承中。

圖2 創(chuàng)新方案俯視示意圖

如圖3所示，所述的噴管穿過旋轉(zhuǎn)接頭與儲(chǔ)氣罐相連，氣體噴吹部件采用帶壓力表的儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐至少設(shè)有一個(gè)總出氣孔，與該氣孔連接一過渡分氣管，該過渡分氣管上至少有一個(gè)分出氣孔，各分出氣孔上設(shè)有一電磁閥，每個(gè)電磁閥控制至少一條噴管，噴管通過法蘭與錘架板相連，錘架板與錘片組成轉(zhuǎn)子。噴吹部件通過旋轉(zhuǎn)接頭與主軸相連，再通過連接在錘架板的噴管將高壓氣體引入噴管上的多個(gè)噴嘴中，由電磁閥控制高壓氣體向粉碎室內(nèi)噴入。高壓氣體通過空氣壓縮機(jī)經(jīng)由濾油器除油過濾后，再經(jīng)冷凍室干燥機(jī)對(duì)壓縮空氣中的水蒸氣析出，降低壓縮空氣溫度，保證粉碎過程中由于物料溫度過高引起的事故。

儲(chǔ)氣罐的出氣孔所接的過渡分氣管通過旋轉(zhuǎn)接頭與主軸連接，并通過電磁閥控制分出多道帶有噴嘴的噴管，由法蘭與錘架板相連向粉碎室內(nèi)噴氣，噴吹孔在噴管上，通過電磁閥控制。

圖3 噴管示意圖

2 主要部件設(shè)計(jì)

選用型號(hào)為SFSP112×30型號(hào)的錘片式粉碎機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，查看說明書可知轉(zhuǎn)子直徑為1 080 mm，主軸轉(zhuǎn)速為：1 480 r/min，錘片數(shù)量16片，配用動(dòng)力55∶75，產(chǎn)量為9 t/12 h。

根據(jù)確定的主軸轉(zhuǎn)速，查找電動(dòng)機(jī)選型表可知，選用Y280S型三相異步電動(dòng)機(jī)，查表知，同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定功率75 kW，額定功率時(shí)的效率為92.7%。

2.1 主軸的設(shè)計(jì)

軸是機(jī)械傳動(dòng)中的重要零件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足合理的結(jié)構(gòu)和足夠的強(qiáng)度等，根據(jù)傳動(dòng)參數(shù)選擇主軸材料為45號(hào)中碳鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，得到具有良好綜合力學(xué)性能。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12-5可得，C為126～103，[τT]為25～45 MPa。

式中：V——轉(zhuǎn)子的圓周速度（m/s）；

D——轉(zhuǎn)子直徑（m）。

由材料力學(xué)可知，實(shí)心軸的抗扭強(qiáng)度條件為：

由此得到軸的基本直徑為

該軸上有一鍵槽，軸徑加大5%～7%，dmin=(1+6%)×44=47 mm

考慮到軸所受沖擊與載荷變化，取dmin=d1=55 mm

式中：dmin——軸截面處的直徑（mm）；

τT——扭應(yīng)力（MPa）；

WT——軸的抗扭截面系數(shù)（mm3）；

n——軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；

P——軸傳遞的功率（kW）；

T——軸所受的轉(zhuǎn)矩（N·mm）；

τT——許用扭剪應(yīng)力（MPa）；

C——計(jì)算常數(shù)，取決于軸的材料及受載情況。

由此估算

因轉(zhuǎn)子主軸的轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，負(fù)荷很大，綜合考慮，選用深溝球軸承，軸承代號(hào)為6313，外圈D=140，內(nèi)圈d=65，寬度B=33。

d4=65 mm；

d5=60 mm考慮軸承的影響，d5

已知l1=B=(z-1)e+2f=82 mm

式中：z——輪槽數(shù)為4；

e——槽間距為19 mm；

f——槽邊寬為12.5 mm。

由此選擇C型鍵，鍵長(zhǎng)度選為80，寬度為16，高度為10。

因?yàn)檩S承的寬度為33，取軸承蓋的寬度為20，軸承蓋外端面與帶輪的下端面的間距為27，所以軸2段長(zhǎng)度l2=33+20+27=80 mm，軸3段長(zhǎng)度l3為轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度，l3=700 mm，根據(jù)軸承寬度，l4=33 mm，l5=34 mm。設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

2.2 錘片的設(shè)計(jì)

錘片是錘片式粉碎機(jī)最主要的部件，亦是最易損耗的部件。錘片借助銷軸連接在錘架板上，其尺寸、形狀、材料屬性等，都對(duì)粉碎效率有重大影響。基于對(duì)SFSP112×30型錘片式粉碎機(jī)的研究，選取材質(zhì)為45號(hào)經(jīng)淬火處理的中碳鋼，形狀為矩形板條狀錘片。設(shè)計(jì)圖如5所示。

錘片安裝在轉(zhuǎn)子銷軸上，與錘架板相固定的位置，它的排列方式關(guān)系到轉(zhuǎn)子的平衡、物料在粉碎室內(nèi)的分布、錘片的磨損程度與粉碎機(jī)的效率等。對(duì)錘片的排列要求為運(yùn)動(dòng)軌跡不重復(fù)，物料在粉碎室內(nèi)保持均勻，有利于轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。綜上所述，本設(shè)計(jì)選用對(duì)稱交錯(cuò)排列。排列方式如圖6所示。

圖4 主軸設(shè)計(jì)示意圖

圖5 錘片設(shè)計(jì)圖

圖6 錘片排列示意圖

2.3 篩網(wǎng)的設(shè)計(jì)

篩網(wǎng)是錘片式粉碎機(jī)又一主要的工作部件和易損原件，對(duì)粉碎效率和粉碎質(zhì)量有較大的影響。本設(shè)計(jì)選用中孔圓柱形孔篩，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，應(yīng)用范圍廣。設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

圖7 篩片分布示意圖

篩網(wǎng)的開孔率（開孔率反映物料過篩能力）為：

式中：D——篩孔直徑（mm）；

T——篩孔中心距（mm）。

3 建模與校核

3.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建模

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)以二維平面圖為主，抽象性強(qiáng)，不直觀，也不便于修改，本設(shè)計(jì)引用三維模型，以SolidWorks軟件為模型，基于主要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算，對(duì)錘片式粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行首先進(jìn)行主要零部件的三維建模，再統(tǒng)一裝配，形成三維設(shè)計(jì)建模。各零部件建模如圖8～圖15所示。組合各零件，得到裝配圖如圖16、圖17所示。

圖8 主軸三維圖

圖9 軸套三維圖

圖10 鍵的三維圖

圖11 錘架板三維圖

圖12 錘片三維圖

圖13 錘片隔套三維圖

圖14 銷軸三維圖

圖15 篩網(wǎng)三維圖

圖16 裝配圖一

圖17 裝配圖二

3.2 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)強(qiáng)度校核[19]

根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖18所示。

圖18 軸的結(jié)構(gòu)圖

由于粉碎機(jī)在工作中承受沖擊載荷，而這種沖擊載荷主要集中在打擊物料的錘頭處，為了計(jì)算方便，現(xiàn)將載荷簡(jiǎn)化為作用于轉(zhuǎn)子上的均布載荷。假設(shè)物料以某一角度與錘頭碰撞（α＜10°）。則有

取應(yīng)力的余裕系數(shù)e=1.5則：

那么，作用與轉(zhuǎn)子上的合力則為：

Ft合==4×1 344.45=5 377.8 N

Fγ合=4Fγ=4×212.94=851.76 N

Fa合==4×1 361.2=5 444.8 N

將此合力簡(jiǎn)化為一作用于轉(zhuǎn)子上的均布載荷其集度分別為：

則作用于軸上的支反力分別為：

水平面內(nèi)支反力為：

垂直面內(nèi)支反力：

水平面和垂直面內(nèi)各力產(chǎn)生的彎矩為：

已知軸的計(jì)算彎矩后，即可針對(duì)某些危險(xiǎn)截面作強(qiáng)度校核計(jì)算。通常只校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面（即危險(xiǎn)截面轉(zhuǎn)子中間截面）的強(qiáng)度。

由式：

可得

故安全。此處由于主軸有過載保護(hù)裝置，當(dāng)有過大的瞬時(shí)過載及嚴(yán)重的應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱時(shí)，安全裝置可保護(hù)主軸不產(chǎn)生塑性變形，故可略去靜強(qiáng)度校核。

平鍵連接最易發(fā)生的失效形式是壓潰和磨損，此處針對(duì)擠壓強(qiáng)度和耐磨性條件進(jìn)行校核。

抗壓強(qiáng)度計(jì)算為：

鍵連接的擠壓強(qiáng)度滿足要求。

抗剪強(qiáng)度計(jì)算為：

鍵的抗剪強(qiáng)度滿足要求。

軸承選用深溝球軸承，則其當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算為：

式中：fp——載荷系數(shù)，取2；

X——徑向動(dòng)載荷系數(shù)，取0.56；

Y——軸向動(dòng)載荷系數(shù)，取1。

深溝球軸承的壽命計(jì)算為：

C——額定動(dòng)載荷，查得取93.8。

4 小結(jié)

本文針對(duì)錘片式粉碎機(jī)的效率為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種由氣壓噴吹的錘片式粉碎機(jī)，在原有粉碎機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)粉碎室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行了改進(jìn)，并完成了氣壓噴吹的錘片式粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，對(duì)主要部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，為后續(xù)的理論研究奠定了基礎(chǔ)。