■鄧方貞 羅細芽 舒 娟

（1.江西機電職業(yè)技術學院，江西南昌330000；2.江西省農(nóng)業(yè)機械化技術推廣監(jiān)測站，江西南昌330000）

隨著飼料工業(yè)的快速發(fā)展，膨化飼料技術已成為生產(chǎn)各類高品質(zhì)飼料的重要技術，快速應用于各種飼料原料、畜禽飼料、水產(chǎn)飼料和寵物飼料的加工[1]。目前，畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的高檔飼料生產(chǎn)基本上都采用了膨化技術，膨化玉米就是高檔豬飼料主要原料之一。利用膨化飼料技術，能提高玉米的能量水平，增強蛋白質(zhì)的消化率，改善適口性，能夠顯著提高動物日增重，改善飼料轉化率，能夠使早期斷奶仔豬日增重提高8%、日采食量提高6.93%，當膨化玉米添加量為60%時仔豬的生長性能和消化率最佳。同時，玉米經(jīng)膨化后易膨脹粘結成塊狀，流動性差，容易堵塞后續(xù)設備，影響膨化飼料生產(chǎn)的正常進行。為此，本文將基于SolidWorks三維軟件設計一臺葉片式雙軸破碎機，完成塊狀膨化玉米的破碎工作，保障玉米膨化生產(chǎn)的順利進行。

1 膨化玉米生產(chǎn)技術

玉米經(jīng)膨化后具有疏松多孔、結構均勻、質(zhì)地柔軟并且提高了淀粉糊化度等特點，不僅色、香、味俱佳，且提高了營養(yǎng)價值和消化率，尤其能很好的改善幼畜斷奶應激問題。因此，膨化玉米作為原料，生產(chǎn)高檔豬飼料[2]，是促進乳仔豬生長的有效途徑。膨化玉米的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示：玉米經(jīng)粉碎后存放在料倉1，玉米原料通過喂料器2進入調(diào)質(zhì)器3調(diào)質(zhì)預熱，然后進入膨化機4，在膨化機中經(jīng)過高溫、高壓、高剪切作用，玉米原料發(fā)生變化，由粉狀變成糊狀，淀粉糊化，再由幾十個大氣壓的膨化腔擠壓排出，壓強驟然降低至一個大氣壓，水分迅速變成過熱蒸汽而增大體積，使物料體積迅速膨脹，水蒸氣進一步蒸發(fā)逸散使冷卻的膠狀物料中留下許多的微孔而定型。膠狀多孔的膨化玉米進入冷卻器5冷卻后進入后續(xù)加工工藝繼續(xù)加工成高檔豬料。

膠狀多孔的膨化玉米一般以塊狀形式存在，在實際生產(chǎn)中這些塊狀的膨化玉米由于流動性差，往往是緩慢通過冷卻器溜管，導致大量塊狀膨化玉米攤鋪在膨化機出口下方地面上（見圖2），要通過人工鏟撬方式輔助加快其物料的流動，這樣不僅增大人工勞動強度，有時也會造成溜管堵塞而逼迫中斷膨化生產(chǎn)。為了解決此類問題，在膨化機和冷卻器之間設計放置一臺葉片式雙軸破碎機[3-4]，通過此破碎機的應用，很好地解決膨化玉米流動性差的問題。

圖1 膨化料生產(chǎn)工藝流程

圖2 膨化玉米現(xiàn)場

2 葉片式雙軸破碎機SolidWorks三維設計

2.1 SolidWorks介紹

SolidWorks軟件[5]是基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，具有三維圖建模設計、工程圖設計、運動仿真等功能，能夠為產(chǎn)品設計提供優(yōu)良的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過運動仿真及運動分析等功能，可以實現(xiàn)產(chǎn)品在虛擬環(huán)境下[6]，模擬真實的工作環(huán)境，使得產(chǎn)品設計更可靠。同時，通過三維模型簡單快速完成二維加工圖紙設計，實現(xiàn)與數(shù)控機床加工的直接對接，不僅提高了加工質(zhì)量，也大大減少了設計及加工成本。本文將借助Solid?Works的強大設計、仿真、分析等功能，完成葉片式雙軸破碎機的設計。

2.2 SolidWorks三維建模設計

葉片式雙軸破碎機（如圖3）三維建模設計，主要應用SolidWorks軟件完成葉片、雙軸、葉片隔套、箱體、皮帶輪等各個零部件的三維設計，以及完成電機、軸承及標準件在設計庫選用。完成零部件設計后，對各零部件進行裝備，從而完成葉片式雙軸破碎機的三維建模。在三維模型中，其主要工作零部件是葉片，兩排數(shù)量相同葉片通過葉片隔套固定間隔相向地安裝在兩根軸上，兩個電機分別帶動兩根軸在箱體中進行相向（圖4）轉動。物料通過入口先進入葉片1-1'位置，葉片通過電機相向轉動將物料傳送到2-2'位置，同時葉片之間的間隙減小而對物料產(chǎn)生剪切力，從而使物料破碎，物料剪切破碎后繼續(xù)傳送到3-3'位置后排出。

葉片是主要受剪切力工作部件，屬于易磨損件，為了增加其強度，生產(chǎn)加工中要對其進行熱處理，以保證其在生產(chǎn)中強度要求。

圖3 葉片式雙軸破碎機三維裝配圖

圖4 葉片式雙軸破碎機側面剖視圖

2.3 SolidWorks運動仿真及運動分析

完成葉片式雙軸破碎機三維建模設計后，為了分析三維模型的可靠性，通過應用SolidWorks運動仿真[7-8]，模擬葉片式雙軸破碎機現(xiàn)實過程中的運動狀態(tài)，對其三維模型結構干涉情況及運動情況進行分析，實現(xiàn)三維模型在運動過程中的合理可靠性，確保產(chǎn)品的工作性能。

葉片式雙軸破碎機，在工作過程中，主要通過葉片的相向運動而破碎塊狀膨化玉米。為此，葉片以及帶動葉片運動的雙軸是主要工作部件，運動分析中，要對其應力進行分析，以便在對其熱處理生產(chǎn)加工中提供依據(jù)。葉片及雙軸的應力分析如下：

①葉片的應力分析

葉片在工作過程是主要的受力體，葉片旋轉過程中受正面塊狀膨化玉米的撞擊力和兩側面的擠壓摩擦力。通過SolidWorks Simulation應力分析，按照葉片受力情況做好受力定義，并通過模擬運算，得到應力分析運算結果（見圖5）。由受力應力分析圖可以知道，葉片在外力作用下容易發(fā)生變形，為此，在破碎機設計過程中，為解決葉片受力變形問題要對葉片進行相應的熱處理，以保證其在破碎工作中受力強度下不變形，順利完成其破碎工作。

圖5 葉片受力應力分析圖

②軸的應力分析

軸在運動過程中受電機驅動扭矩和葉片工作的反向扭矩，通過SolidWorks Simulation應力分析，其應力分析結果（見圖6）符合設計要求。

圖6 軸的應力分析

③葉片式雙軸破碎機運動仿真分析

葉片式雙軸破碎機三維模型裝配完后根據(jù)實際工作狀態(tài)要進行SolidWorks Motion運動仿真，將雙電機定義成驅動電機，并設定一定轉速，定義好雙電機、皮帶、軸承、軸、葉片的運動關系。各運動關系定義好后進行運算仿真，通過運動仿真后可以得到葉片式雙軸破碎機整體運動狀態(tài)是否運動合理性進行檢驗并通過設計更正，整體運動沒有問題后，通過運動仿真可以得到驅動電機的角力矩圖（見圖7），通過角力矩圖可以看到，葉片式雙軸破碎機在剛啟動時，角力矩上下振動大，過幾秒后趨于平穩(wěn)，這也符合葉片式雙軸破碎機實際啟動時運動規(guī)律。

3 葉片式雙軸破碎機在膨化玉米加工中的應用

圖7 角力矩圖

葉片式雙軸破碎機設計完成并生產(chǎn)加工后，將其安裝在膨化機和冷卻器之間（見圖8），破碎機出口可以直接和冷卻器入口連接，破碎機入口通過溜板與膨化機下料位置樓面口連接。在應用中，塊狀的膨化玉米經(jīng)過溜板進入葉片式雙軸破碎機，在葉片作用下剪切破碎成均勻細小的顆粒。均勻細小的膨化玉米顆粒不僅完成了初步的破碎工作，減少了后續(xù)粉碎工作量，也增加其自身的流動性，避免冷卻后后續(xù)輸送設備容易堵塞現(xiàn)象。同時，由于破碎機工作，葉片式雙軸向冷卻器方向旋轉，對膨化機下料位置樓面下料口到破碎機入口溜板產(chǎn)生一定的吸力作用，這樣通過吸力很好地增加了塊狀膨化玉米流動性，避免大量塊狀膨化玉米堆積樓面的情況，促進膨化玉米生產(chǎn)工作順利進行。

圖8 增加破碎機后的膨化工藝流程

4 小結

本文通過應用SolidWorks三維建模設計及運動仿真，實現(xiàn)了葉片式雙軸破碎機的3D動態(tài)模擬設計，使其結構優(yōu)化，產(chǎn)品性能可靠。該破碎機通過在膨化玉米生產(chǎn)中的應用，對膨化生產(chǎn)出的塊狀膨化玉米進行破碎工作，很好地解決了由于塊狀膨化玉米所帶來的流動性差、易產(chǎn)生設備輸送堵塞等問題，為膨化玉米生產(chǎn)順利進行提供很好的解決方案。