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双轴桨叶式混合机的设计

  双轴桨叶式混合机的设计_能源/化工_工程科技_专业资料。双轴桨叶式混合机的设计

  双轴浆叶式混合机设计 双轴桨叶式混合机设计 - I- 双轴浆叶式混合机设计 双轴桨叶式混合机设计 摘 要 随着现代化饲料工业的发展,饲料厂规模的不断扩大,对混合机的均匀度的要求不 断提高。随着液体添加量增加,传统的卧式双螺带混合机已不能满足上述要求,于是新 一代高性能双轴桨叶式混合机便应运而生。该混合机适应粉状、颗粒状,片状及粘稠状 物料的混合;其混合周期短,混合均匀度高,提高了饲料厂生产效率。 本文设计了可满足饲料生产需要的双轴桨叶式混合机,该机主要由两根相反旋转的 转子组成, 转子上焊有多个特殊角度的桨叶, 该机在电机的驱动下 ,桨叶带动物料一方面 沿着机槽内壁作逆时针旋转;一方面带动物料左右翻动。在两转子的交叉重叠处形成一 个失重区,在此区域内,不论物料的形状、大小和密度如何,都能使物料上浮,处于瞬 间失重状态,以此使物料在机槽内形成全方位连续循环翻动,相互交错剪切,从而达到 快速柔和和混合均匀的效果。这样,两侧的物料便相互落人两轴间的腔内。本文详细的 介绍了主要部件的设计和计算过程, 本文设计的双轴桨叶式混合机可促进饲料业的发展, 提高饲料的利用率,降低生产成本,可以为饲料的混合提供参考。 关键词:饲料;混合机; 桨叶式; 设计 -II- 双轴浆叶式混合机设计 Design of Biaxial blades mixer Abstract A l o n g w i t h t h e d e v e l o p me n t o f m o d e r n i n d u s t r y, a n i m a l f e e d f a c t o r y c o n t i n u e s t o e x p a n d t h e s c a l e o f m i x e r, m i x i n g w i t h r e q u i r e m e n t o f i mp r o v i n g forage additive quantity of liquid, traditio nal horizontal double screw with mixer already cannot satisfy the requirement of new generation of high performance. Then biaxial blades mixer produce and biaxial blades mixer a r i s e s a t t h e h i s t o r i c mo m e n t . T h i s m a c h i n e i s w i d e l y u s e d i n t h e f o o d , f e e d , c h e mi c a l , p h a r m a c e u t i c a l , p e s t i c i d e , a n d o t h e r i n d u s t r i e s p o w d e r, g r a n u l e , flake, miscellaneous and mixed sticky materials, Mixed cycle is short, mixed u n i f o r m i t y : D e s i g n e d t o me e t t h e n e e d s o f f e e d p r o d u c t i o n t w i n - s h a f t p a d d l e m i x e r, w h i c h ma i n l y c o n s i s t s o f t w o c o n t r a r y r o t a t i o n a x i s t o b e p h a s e a l i g n e d a n d m o u n t e d o n a s h a f t a b o v e t h e b l a d e c o mp o n e n t s . We l d h a s mu l t i p l e s p e c i a l a n g l e o f t h e b l a d e s o n t h e r o t o r, t h i s m a c h i n e i s d r i v e n b y t h e mo t o r and blades carry material along the inner wall of the tank c o u n t e r c l o c k w i s e o n t h e o n e h a n d ; a b o u t o n e h a n d c a r r y m a t e r i a l t u r n e d o v e r. In a w e i g h t l e s s z o n e i s f o r m e d b y t h e o v e r l a p o f t h e t w o r o t o r s D e p a r t m e n t , w i t h i n t h i s a r e a , n o m a t t e r h o w t h e s h a p e , s i z e a n d d e n s i t y o f t h e ma t e r i a l , c a n ma k e t h e m a t e r i a l u p , a t t h e mo m e n t o f w e i g h t l e s s n e s s , t o ma k e t h e O mn i - f l i p i n a c o n t i n u o u s l o o p i n ma t e r i a l s i n t h e ma c h i n e e a c h c u t , m i x a n d s o f t s o a s t o a c h i e v e r a p i d r e s u l t s . In t h i s w a y, o n b o t h s i d e s o f t h e ma t e r i a l w i l l f a l l i n t o t h e c a v i t y b e t w e e n t h e t w o s h a f t s w i t h e a c h o t h e r. T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e s i g n a n d c a l c u l a t i o n o f ma i n p a r t s , d e s i g n o f t h e t w i n -s h a f t p a d d l e m i x e r c a n p r o m o t e t h e d e v e l o p m e n t o f t h e f e e d i n d u s t r y, i m p r o v e f e e d e ff i c i e n c y, r e d u c e p r o d u c t i o n c o s t s , yo u c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r f e e d mi x . Key words: Feed mixers, paddle, design -III- 双轴浆叶式混合机设计 目 摘 录 要 ........................................................................................................................................ II Abstract .................................................................................................................................... III 1 前言 ....................................................................................................................................... 1 2 混合机的发展现状 .............................................................................................................. 2 2.1 国外的发展现状 ....................................................................................................... 2 2.2 国内的研发现状 ....................................................................................................... 3 3 混合机的种类 ....................................................................................................................... 4 3.1 立式混合机 ............................................................................................................... 4 3.2 卧式混合机 ............................................................................................................... 4 3.2.1 单轴螺带混合机 ........................................................................................... 5 3.2.2 双轴桨叶混合机 ........................................................................................... 5 3.3 转鼓式混合机 ........................................................................................................... 5 4 双轴桨叶混合机设计 ........................................................................................................... 6 4.1 工作原理 ................................................................................................................... 6 4.2 总体结构设计 ........................................................................................................... 6 4.3 混合机壳体设计 ....................................................................................................... 7 4.4 转子设计 .................................................................................................................. 8 4.4.1 两转子的总体设计 ....................................................................................... 8 4.4.2 桨叶设计 ....................................................................................................... 9 4.4.3 主轴设计 ................................................................................................... 13 4.4.4 链传动方式的设计 ................................................................................... 15 5 总结 .................................................................................................................................. 17 参 考 文 献 ........................................................................................................................ 18 致 谢 .....................................................................................................错误!未定义书签。 -IV- 双轴浆叶式混合机设计 1 前言 在饲料工厂中,混合机的生产效率决定工厂的规模,混合机的工作性能又决定配成 饲料成品的质量。因此,混合机是饲料工业的最关键设备之一。 饲料混合机的类型有很多。按其结构可分为回转筒式和壳体固定式两大类;按混合 过程分为连续式混合机和分批次混合机;目前在配合饲料工厂中应用最广的是壳体固定 式分批次混合机,其中最常用的形式为立螺旋式混合机、卧式螺带混合机、卧式桨叶连 续混合机和卧式双轴桨叶混合机四种。还有其他类型包括圆锥形行星混合机、 V 形混合 机、腰鼓形添加剂混合机等。每种混合机各有优缺点, 1)立螺旋式混合机的特点是配套 动力小,占地面积小,一次装料量多,每批混合时间长,生产效率低,腔内物料残留量 较多,卸料速度慢; 2) 卧式螺带混合机达到混合均匀所需的时间通常在 2~ 6min,混合速 度快,效果好,但所占地面积大,所需配套动力较大。适用于小型混合机; 3)卧式桨叶 连续混合机结构简单,造价低廉,可以连续工作;但混合机长度较长,且残留量大,不 易生产多种产品,混合质量较差; 4) 卧式双轴桨叶混合机混合时间短,均匀度好,适用 面广等但结构相对复杂,所需动力大。 双轴桨叶混合机广泛用于饲料、粮食、化工、医药、农药等行业中粉状、颗粒状、 片状、及粘稠状物料的混合;混合周期短、混合均匀度高:一般物料在 50~ 90S 时间内 混合均匀度 CV≤5%,减少了混合时间,提高了饲料厂生产效率;装填量可变范围大:装 填系数可变范围为 0.3~ 0.8,适用于多行业中不同比重、粒度等物料的混合;混合不产 生偏析:该机在一分钟内混合均匀后,继续混合物料不发生分级现象,且不会因为比重、 粒度等物性差别大而产生偏析;出料快、残留量小:底部采用四开门结构,排料迅速、 残留少;液体添加量大:添加 30%的液体仍能将物料混合均匀,即能混合粘稠物料;采 用独特的链条张紧机构,装拆、调节快捷而方便;排料门密封可靠:排料门采用气囊密 封,密封可靠、使用寿命长,更换方便;采用 W 形混合室,内置风道,整体式机座,侧 置检修门,造型美观,装拆检修方便。 目前国内卧式混合机,均向着混合精度高、速度快、残留量小、低耗高效、系列化 和适用范围广等方向研制和发展,其中以双轴桨叶卧式混合机的发展尤为迅速。国外的 双轴桨叶式混合机在上世纪 80 年代末已经开始研制,挪威 FORBERG 公司在上 20 世纪 90 年代初推出了双轴桨叶式系列混合机,其有效容积 25 ~ 5000L,结构特点、混合机理、 传动方式与国内双轴桨叶式混合机基本相同。目前国外流行的翻转双轴桨叶混合喷涂机 是在普通双轴桨叶式混合机基础之上研制而成的。但需要增加一系列的液体喷涂和真空 管道以及一套机体翻转及传动机构,结构略显复杂。通过对国内外双轴桨叶式混合机系 列产品的性能进行测试,有如下结论:双轴桨叶式混合机混合能力强,速度快(一般配 -1- 双轴浆叶式混合机设计 合饲料,其批量混合周期为 30~ 120S),混合均匀度高,残留量小(只有 0.5%左右), 能耗较低、适用范围广等特点。据资料介绍:双轴桨叶式混合机在混合作业时,不受物 料密度、粒度、形状等的影响,不产生离析和分级,粉料配比小到 1:10000 时,或液体 添加量达 20% 以上时,也可保证均匀混合。而且混合过程柔和,不破坏物料原始物理特 性, 每吨料能耗比螺带式混合机低 64%左右, 其混合均匀度变异系数 CV5%,最佳可达 3% 以下。 通过对上述混合机的研究可以开发研制一种混合均匀度高,出料快残留量少,均质 物的颗粒微小,设备结构简单,操作方便,便于检视、取样和清理,工作部件能拆卸清 洗的一种混合机。 2 混合机的发展现状 2.1 国外的发展现状 混合作为构成工业化生产的一种工艺作业己经有了 100 多年的历史,首先出现的设 备是滚筒式混合机,随后出现的是螺带式混合机,饲料工厂中最常用的混合设备是一种 是立式螺旋混合机,另一种是卧式螺带混合机。随着收入的提高和城市化的发展,工业 部门对混合精度的要求越来越高,混合物的构成越来越复杂,新型混合机的类型随之产 生 .挪威 Forberg 公司于 80 年代中首先推出的卧式双轴桨叶式混合机, 该机型具有混合能 力强、速度快、混合精度高、残留量小、能耗较低、适用范围广等特点。据称,该机混 合时不受物料比重、粒度、形状等影响,不产生离析;对粉料间配比小到 1:10000 时, 或液体添加量达 20%以上时,也可保证得到均匀混合;混合过程柔和,不破坏物料原始 物理特性;每吨料能耗比螺带式混合机低 64%左右,其混合均匀度变异系数 CV5%, 最佳可达 3%以下,每批混合时间为 30~ 60s,显著缩短了混合周期,提高了生产率。 美国南通罗斯混合设备有限公司 (ROSS)生产的 RDS 系螺带式混合机。该搅拌器由 搅拌主轴和两根与筒体内部表面吻合的螺带及螺旋叶片组成。旋转时,螺带和螺旋叶片 将物料由下向上沿筒体内壁盘旋提升,同时又由于螺带带面上各点线速度不同,物料在 其作用下产生不规则对流、剪切、掺混、扩散,形成全方位的三维运动。搅拌轴中心是 螺旋叶片,运转时将靠中心的物料提升、抛出,被抛出的物料一部分进入螺带,而被螺 带抛出的物料又被吸收到螺旋叶片的螺旋包络体内而被提升。如此反复循环,使物料在 短时间内达到均匀混合。该机筒体内无任何传动机构,从根本上杜绝因润滑油泄露而导 致物料污染,运行稳定可靠。适合卫生要求高的粉料、颗粒混合;同时也适合于粘性流 体或稠状、湿状、膏状为主物料的搅拌混合。 -2- 双轴浆叶式混合机设计 弗鲁克公司 (FLUKO)生产的固 /液分散混合系统, 专为将较难溶的粉末混合分散于液 体流中而设计的,且同时将混入的空气减至最小。特点是独特的转子 /定子设计可让粉末 产生强烈的剪切作用,全部预先水合,无 “ 鱼眼 ”状分散副作用,分散混合的过程仅需较 少时间,对剪切敏感的产品不会产生过度作用,并能进行循环处理。该设备原理是用特 殊转子的高速旋转产生真空,把粉末均匀的吸入料斗或工作腔,并使其均匀的分布在快 速流动的液流中,在液流中粉末被瞬间完全湿润,不产生团聚块状物。由于粉末在一开 始就被液流均匀湿润,因此不存在未完全湿润的粉末,也不会在液流的表面、搅拌轴和 容器壁上形成结皮现象。而传统工艺易形成硬的结皮。由此可见,使用 PLM 系统能使 产品的质量得到很大的提高。粉尘减少的主要原因是真空由液流产生,所有的粉末都毫 无遗留地被导入液流中,传统处理工艺中所必须的环保辅助设施在这里都将不再需要。 2.2 国内的研发现状 我国饲料混合机的研究开始于七十年代末, 到 90 年代初国内的混合机己经初步形成 了系列。在九十年代初期,代表的机型有带式螺旋锥形混合机、行星双螺旋锥形混合机、 犁刀式混合机,主要是以单轴混合机为代表。受用户欢迎的产品是犁刀式混合机,犁刀 式为卧式混合机,但存在的问题是出料不太干净,混合容器不易清扫,易引起各批次间 交叉污染,影响饲料质量,不适合混合预混料。后来人们对混合机进一步的研究,较其 以往设备的性质有很大改进,主要的机型有双轴浆叶式、螺带式、螺带和浆叶组合式混 合机,双螺带混合机,立式悬臂非栓螺旋混合机,特别是以双轴混合机为主。新型产品 是双轴浆叶混合机。但还有一些缺陷,例如当同时混合物料和液体,混合时混合不均匀。 但随着饲料工业的发展,生产规模不断扩大,以及科学的不断进步,使得混合工序对混 合精度和混合时间的要求越来越高,也就是对饲料加工成套设备中混合机的性能的要求 越来越高,混合机也不断在发展,代表的类型有以下几种 :江西农业大学刘定炜等团队研 制的 SHS200 三维运动混合机是利用独特的三度摆动,装料的筒体在主轴的带动下作周 而复始的平移、翻滚等复合运动,促使物料沿着筒体作环向、径向、轴向的三向复合运 动,使物料相互流动扩散、积聚、掺杂,以达到均匀混合的目的。三维混合机是一种新 颖结构的容器旋转型混合机,是全封闭式、无菌、无尘的高效节能混和机。用于粉状、 颗粒状物料的高均匀度混合。 哈尔滨市龙江软业机械有限公司的王中开研制的 W 型无重力双轴浆叶式混合机。 其 混合机搅拌器为双轴桨叶,轴上特殊角度布置的桨叶等速反向旋转,确保物料径向、环 向、轴向三向抛洒运动,形成交叉循环、剪切掺混等多重效果,在极短的时间内达到均 匀混合。根据不同的物料性能可以选择不同的搅拌叶片。加入时混合均匀度达到 98%, 能够 500mm 细粉与 5mm 的颗粒料均匀的混合。青岛理工大学的戴长虹、李绍纯团队研 -3- 双轴浆叶式混合机设计 制的三维运动连续进料式混合搅拌机,该机械将旋转容器型混合机与搅拌轴型搅拌机完 美地结合在一起,在旋转容器内安装了搅拌器,并通过中空的旋转轴进、出料,既集中 了两者的优点,又克服了两者的不足,因而成为一款全新概念的物料混合搅拌设备。与 旋转容器型混合机相比,可以空载启动、边进料边混合,并增加了对物料的粉碎功能、 防止了物料的团聚和分层;与搅拌轴型混合机相比,消除了混料死角,降低了搅拌桨叶 与物料之间的磨损、减小了动力配置、能够出料完全。国外混合机系列已经实现了一机 多用、高密封性能、无残留、无交叉污染。国内的混合机目前依然存在一些问题需要改 进设计,提高性能,这样才能与国际接轨,以满足饲料市场的需要。 3 混合机的种类 在生产工艺过程中,多采用机械混合。以下所述均为按机械混合的方法来实现物料 混合的混合机。混合机可根据其布置形式 ,用途,结构,工作原理及配合器配合工作的方 式来分类。 按混合机的布置形式,可分为立式混合机和卧式混合机;根据其适应的饲料种类可 分为干粉料,湿粉料和稀饲料混合机;按结构和工作原理,可分为回转筒内和固定腔式 两种,根据被混合物的物态不同,采用不同工作部件。用于粉料混合的有螺旋,叶片和 螺带式;用于稀饲料搅拌的有螺旋,桨叶和叶片式;对于潮湿料则用螺旋和叶片式。 3.1 立式混合机 立式混合机又称垂直螺旋式混合机,适用于粉状配合饲料的混合,目前市场上都使 用的是单搅龙式 ,立式混合机的工作原理是混合机筒内两只非对称螺旋自转将物料向上 提升,转臂慢速公转运动;使螺旋外的物料,不同程度进入螺柱,从而达到全圆周方位 物料的不断更新扩散,被提到上部的两股物料再向中心凹穴汇合,形成一股向下的物形 成一股向下的物料流,补充了底部的空缺,从而形成对流循环的三重混合效果。 立式混合机的特点是:配用动力小,占地面积小;结构简中紧凑,操作维修方便, 噪音小,对物料的适应性广,不需要特殊的生产基地;一次装料量多,调批次数少;每 批料混合时间长;混合精度不高腔内物料残留量较多。 3.2 卧式混合机 卧式混合机由 U 形容器、螺带搅拌叶片和传动部件组成;U 形的长体筒体结构,保 证了被混合物料 (粉体、半流体 ) 在筒体内的小阻力运动。正反旋转螺条安装于同一水平 轴上,形成一个低动力高效的混合环境,螺带状叶片一般做成双层或三层,外层螺旋将 物料从两侧向中央汇集,内层螺旋将物料从中央向两侧输送,可使物料在流动中形成更 -4- 双轴浆叶式混合机设计 多的涡流,加快了混合速度,提高混合均匀度;采用皮带轮带动摆线减速机驱动,相对 于齿轮减速机的大扭矩,皮带传动的弹性连接有在超载时保护传动部件的优势。 3.2.1 单轴螺带混合机 单轴双螺带混合机结构式由 U 形容器、螺带搅拌叶片和传动部件组成;U 形的长筒 体结构,保证了被混合物料(粉体、半流体)在筒体内的小阻力运动。正反旋转螺条安 装于同一水平轴上, 形成一个低动力高效的混合环境, 螺带状叶片一般做成双层或三层, 外层螺旋将物料从两侧向中央汇集,内层螺旋将物料从中央向两侧运输,可使物料在流 动中形成更多的涡流。加快了混合速度,提高混合均匀度;应用于农药、兽药、食品、 化学品、生物、养殖业、陶瓷、耐火材料、塑胶、复合肥等固 -固(即粉体与粉体)固浆 (即粉体与胶浆体)的混合,还特别适应粘稠的物料混合。 3.2.2 双轴桨叶混合机 双轴混合机主要由两根相反旋转的轴以一定的相位排列及由安装在轴上面的桨叶 构成。转子上焊有多个特殊角度的桨叶,该机在电机的驱动下 ,桨叶带动物料一方面沿着 机槽内壁作逆时针旋转;一方面带动物料左右翻动。在两转子的交叉重叠处形成一个失 重区,在此区域内,不论物料的形状、大小和密度如何,都能使物料上浮,处于瞬间失 重状态,以此使物料在机槽内形成全方位连续循环翻动,相互交错剪切,从而达到快速 柔和和混合均匀的效果。这样,两侧的物料便相互落人两轴间的腔内。混合时间极短, 可在 25 到 60 秒内完成一次混合。混合均匀度达百分之九十五以上,即变异系数小于百 分之五,在轻载 (大约额定容量的 4000)和过载百分之两百的情况下,只要混合 60 秒钟, 就能达到混合均匀度要求。混合柔和,非常适用于对脆性物料进液体添加。如充分发挥 其优点,与传统的混合初比较,可少占空间,节省投资,吨产品能料减少百分之六十以 上。 3.3 转鼓式混合机 主要特点: (1)混合均匀度高,变异系数 cv≤2-3%,混合时间 3-8min 无残留,密封性 好; (2)广泛适用于饲料、化工农药染料、医药、食品等行业的粉体添加剂及微量元素、 维生素的混合;(3)独特的鼓型不锈钢大机体设计,转动轻缓,对原料的缩减影响降至最 低,适用脆性原料;(4)可调的高速不锈钢桨叶轴,转体与转轴相对运转混合,起到强搅 拌作用,可进行液体稀释混合;(5)设计结构新颖,操作方便,占地很小,移动位置方便 灵活; (6)自主设计的卸料机构,降低了劳动强度,操作方便; (7)专门设计的传动机构, 运转平稳,准确。 -5- 双轴浆叶式混合机设计 4 双轴桨叶混合机设计 4.1 工作原理 该双轴混合机主要由两根相反旋转的轴以一定的相位排列及由安装在轴上面的桨 叶构成。转子上焊有多个特殊角度的桨叶,该机在电机的驱动下 ,桨叶带动物料一方面沿 着机槽内壁作逆时针旋转;一方面带动物料左右翻动。这样,两侧的物料便相互落人两 轴间的腔内。从而物料在混合机的中央部位形成了一个流态化的失重区 ( 见图 4-1) ,且 以低圆周速旋转。物料被提升后形成了旋转涡流,这种处于失重状态下的涡流产生混合 作用。使运动着的物料被快速、充分均匀地混合。虽然是固体,但其表现却像处流体一 样。由于桨叶以一定的角安装,且以低圆周速转,使物料快速、充分、均匀地混合。 图 4-1 物料混合运动示意图 4.2 总体结构设计 本文设计的双轴桨叶混合机主要由机架,壳体,左右转子,桨叶,进出料口等组成, 如图 4-2所示。该机的壳体设计成 W型,本文主要对壳体,转子,桨叶和传动机构来研究 分析。 -6- 双轴浆叶式混合机设计 图 4-2 双轴桨混合机结构示意图 1.左转子 2 桨叶 3 进料口 4 右转子 5 出料口 6 机架 7 壳体 4.3 混合机壳体设计 根据混合机的理论,混合机的最佳混合批量应以物料刚好达到转子中心线为佳、而 对于新型独特的双轴机,要求其能在满负荷下工作 ( 即其生产能力超过其设计能力 ) ,则 其充满系数应在 0.2~ 1.4范围内,依据公式: V1 ? 式中: G · · · · · · · · · · · ( 1) r? V 1 -混合机有效容积 ( m 3 ) G -批次混合量 (500公斤/批 ) r -物料容重 (饲料r=500kg/ m 3 ) ? -充满系数 (取 ? =0. 6) 依据该混合机两根轴的特点,设计壳体为独特的 w 型结构, 外型框如图 4-3所示 -7- 双轴浆叶式混合机设计 图 4-3 合,依据近似几何关系得: 混合机壳体示意图 混合机的混合室有效容积结构如图 4-3所示。 将混合室容积分成圆柱体与长方体的组 V? ? 2 ? 1 ? D12 L ? ( D12 L ? D12 L) 4 2 4 3 式中: V ? —混合室有效容积( V ? = V1 =1.67 m ) D1—半边 “W”型壳体内径 (mm) L —壳体长度 (m) 为了造型美观,将壳体的长宽比定为黄金分割比,即: D1: L=0.6l8,得: D2 3 1 V ? = V1 =1.67= ( ? ? )D12 1 8 2 0.618 2 得出的数据如下:混合机有效容积 V =1.67 m W型壳体内径 D1 =802.88mm,壳体的长度 L=1235.2mm。 4.4 转子设计 4.4.1 两转子的总体设计 根据两转子的受力分析及叶片的受力特性。 采用两转子叶片间相切及相位为 180° 的安 装方式。如图 4-4所示 -8- 双轴浆叶式混合机设计 图 4-4 两转子安装示意图 4.4.2 桨叶设计 根据物料特性及工艺要求定,对于有液体添加的混合物料,桨叶应选用结构简单的 形状,以减少卸料及清理困难。此外,为减小物料阻力,还应尽量缩短桨叶切割边长度, 由于在面积相同的情况下,正方形的周长较短,所以桨叶的形状应设计成正方形或接近 正方形为宜。为保证桨叶与机体内壁的间隙均匀一致,桨叶顶端边线应设计成椭圆弧线 桨叶的安装方式是保证双轴混合机性能的关键,安装不恰当,就不能达到期望的优越性 能;又根据物料流态化区的形成轴的受力均衡情况及轴的受力均衡情况,初定每螺距上 安装四个叶片。安装角为 (待定 )。如图 4-4所示 -9- 双轴浆叶式混合机设计 图 4-5 叶片安装示意图 如图 4-5所示,设叶片长为 L,宽为 c,轴向投影长度为 b,径向投影为 a,叶片安装角 为 α 考虑叶片转子的平衡稳定性,叶片在轴上的安装数目应取偶数,又因为每螺距上有 四个叶片,故: a ? L / 4k (v =4、6…)…………(5) 上式中: a-叶片径向投影长度 (mm) L -混合机壳体长度 ( L =1235.2mm) k -偶数因子 (取 k=4) 则式 (5): a=1235.2/16=77.2(mm) 根据图 4-5的几何关系: C = a /sinα…………( 6) 1)叶片安装角的确定 混合室内的物料颗粒除了受电机驱动轴叶片上力的作用外,还受物料粒子问的摩擦 力及物料粒子与壳体的摩擦作用而产生复杂的复合运动,设其合成运动速度为 V 、在 -10- 双轴浆叶式混合机设计 图 4-6 物料颗粒运动示意图 轴线上的速度为 V轴 ,圆周上的速度为 V周 如图 4-6 所示,V AB=2π Rn /60 合 =AB× sin α÷ cos ρ sin α÷ cos ρ V 合 =2π Rn /60· V 轴 =V 式中: 合 cos (α+ρ)= n? D1 sin α÷ρ cos (α+ρ) · 60 n —叶片轴转速(r/ min) D 1 —半边壳体的内径 (mm) α—叶片安装角 ρ—物料颗粒的摩擦角( ρ=23°∽ 28° ) 对于双轴混合机,要达到其最最佳的混合效果,最大限度地降低动力消耗,使物料 能形成流态化的失重区,应使物料的离心力 (m W R)小于重力 (mg), m W Rmg. 2 2 W =2π n /60……(8) 由上式 (8) n 42.298 (D1=802.88mm) D1 -11- 双轴浆叶式混合机设计 n 47.21(r/min) 即混合机转子的临界转速 n临届值小于 47.21(r/min) .那么由转速 n导致的物料颗粒轴 向速度V 也应有一个极大值。 显然, 要求得 式 (6)的V 阶导数。然后令 dv 轴 / d ? =0即可。 只需对安装角 (α) 求 轴 的极大值, 一 n? D1 *1/ cos ρ[ cos α* cos ( α﹢ ρ)- sin α* sin ( α﹢ ρ﹚ ] 60 n? D1 得出: *1/ cos ρ* cos ﹙ 2α﹢ ρ﹚ =0 60 n? D1 因为 ≠0, 1/ cos ρ≠0, ﹙ ρ=23?- 28? ﹚ 60 dv 轴 / d ? = 所以 cos (2α +ρ)=0 得: 2α+ρ=π/2 或 2α +ρ= -π/2(舍去 ) 取 ρ=24° , 则 有 α=33° , 即 叶 片 的 安 装 角 α=33° , 则 上 式 (6) 中 , C = a / sin α=77.2/ sin 33° =141.65 ( mm) 2)转子转速 n的确定 根据有关资料介绍. 混合机叶片末端线速度范围国内为 v =0.8~ 1.62(m/ s) ; 日本 RM 公司为 v =1~ 1.2(m/ s) ;美国 SW 公司为 v =0.9 ~ 1.25(m/ s) ;挪威 Forberg 公司为 0.85 ~ 1.28(m/s) 由于挪威 Forberg公司生产的双轴混合机最早取得成成功,这里试取 v =0.85 ~ 1.28进行计算。 由上面计算可知 V 轴? 因为V n? D1 = sin α/ cos ρ 60 n? D1 sin a · 1.28 (D1=2R) 60 cos ? 合 即为叶片末端的线 解上式得: 34.31(r/min) n 47.68(r/min) 又因为: n 临 47.21(r/min) 所以, 34.31(r/min) n 47.21(r/min) 即该 (500公斤/批 ) 混合机转子的转速应在 34.31(r/min) n 47.21(r/min) 范围内。 具体 -12- 双轴浆叶式混合机设计 转速要根据电动机及传动比而定。 3)桨叶的安装 机体内并排装有两个转子,转子由轴和多组桨叶组成,每组桨叶有两片叶片,桨叶 一般呈 45° 角安装在轴上, 只有一根轴最左端的桨叶和另一根轴最右端的桨叶与轴线的夹 角小于其它桨叶,目的是让物料在此处获得更大的抛洒而较快地进入另一转子作用区。 桨叶通过支撑杆固定在轴上,轴一般在中段采用空心轴,两端为实心轴端,以减轻自重, 改善受力状况。桨叶与轴的配合如图 4-7所示。 图 4-7 桨叶与轴的安装示意图 4)桨叶与轴的材料选择和连接方式 桨叶与支撑杆间采用焊接方式连接。焊接件加工简单,受力也较明确,同时焊接的 刚度大,整体性好。在此桨叶与支撑杆选用 30号钢,该材料有较高的强度和较好的韧性, 焊接性中等,热处理方式为正火。轴采用 45号钢,该材料具有良好的综合力学性能,热 处理方式为调质。支撑杆与轴间采用过渡配合,使支撑杆固定在轴上。 4.4.3 主轴设计 1)电动机的确定 由于该混合机适合于添加高液态糖脂,相对电机功率要大些.笔者建议选用电机功 率不应低于 7.5kw ,设主从链轮传动比为 1:1 ,初步选择电动机为 JXJ5 的减速电动机,电 机功率为 l1kw输出转速 n =41.7r/ min,则叶片轴的转速 n =41.7r/ min 。而此转速与我在 计算转子 34.31(r/min) n 47.21(r/min) 的范围内。 2)轴的直径设计 已知 p =11kw, n = 41.7r/ min,得 T =9.55*103 p / n =9.55*103*11/ 41.7=2.5*10 3N.m -13- 双轴浆叶式混合机设计 轴的角速度 w =2π n /60=2π*41.7 /60=4.37 rad /s f = w / 2π=0.70s -1 为了减轻旋转轴的重量,减少不必要的浪费,故旋转轴选用空心轴作材料,空心轴 计算公式如下面所示: d ? A0 3 n1? ? ? p 4 ? A0 ? 3 9550000 0.2 * ? T ? T 为轴的扭转强度,在这里选用 45号钢( ? T =25-45Mpa 良好的综合力学性能,热处理方式为调质。这里取用 40Mpa。 A0 =126-103)该材料具有 P --轴传递的功率,单位为 KW N --轴的转速,单位为 r/ min d ? A0 3 2p n d≧76.6mm 在《机械设计手册》可得轴截面开槽时,轴直径应该增大 5 %左右从而减小键槽对 轴强度的削弱,这个设计的内容中主驱动轴开有一个键槽,故直径 D 要大于 d ,圆整的 轴的直径可以取 80mm, β 为空心轴内径到 D 与外径 d 的比值,通常情况下它的取值为 0.5 左右,这里取值为 0.5,取整数 D=80mm, d=40mm 3)轴的校核 按弯扭合成应力进行校核时,通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(即危险 截面 E)的强度,根据公式则有: ? ca ? M 2 ? ?aT ? W 2 式子: ? ca -轴的计算应力, Mpa; M -轴所受到的弯矩, N.m T -轴所受到的扭矩,单位为 N.m W-轴的抗弯截面系数,单位为 mm3, 对轴上有一个键槽的,由下面公式可得: ?? ?是许用弯曲应力,对选定的材料为 45 号钢 ?? ?=75Mpa,T 上面已经算出, M ?1 ?1 可以根据上式算出,最后得出 -14- 双轴浆叶式混合机设计 ? ca ? M 2 ? ?aT ? W 2 ? ?? ?1 ? 则此轴是安全的。 4.4.4 链传动方式的设计 由于该双轴混合机有两根传动轴,故传动方式有两种情况:其一是采用两台相同的 减速电机,每台电机驱动一根轴。同步转动,转向相反,该方案的特点是:传动平稳, 工作可靠,但功耗大,成本高,占地面积多;其二是采用一台减速电机驱动。传动方式 如图 4-8所示,该方案的特点是:工作性能稳定,功耗低。成本低,但链条有轻微冲击跳 动,对链条及链轮有一定的磨损。综合这两种传动方式,本文设计时采用后者。 图 4-8 链传动示意图 4.4.4.1链轮的设计 由于混合机配套的减速机功率为 11KW,转速 n1=41.7/min ,所需传动比为 1:1,根据机 械设计可得以下数据: 由于链节数通常为偶数,为使链条和链轮磨损均匀,常使链齿数为奇数,并尽可能与 链节数互质,优先选择为: 17、 19、 21、 23、 25、 38、 57、 76、 95、 114.这里取 Z=38, 由于传动比为 1:1,故大小链轮齿数相同。 4.4.4.2功率的计算 Pca ? f 1 f 2 K m P 根 据 手 册 可 得 KA=1.4 , KZ=1 , Km=1 , 单 排 链 , 可 得 Pca ? 15kw , 根 据 Pca ? 15kw,n1=41.7r/min, 选用 ISO链号28B,节距为 p=44.45mm。 -15- 双轴浆叶式混合机设计 4.4.4.3.链节数和中心距 中 心 距 a0=(30-50)p=(30-50)*44.45=1333-2222 , 取 a0=1600mm , 可 得 链 长 节 数 L p ? 2a p ? z1 ? z 2 c ? 1 ? 360.58 , 取 LP=360 节 。 根 据 以 上 链 条 的 选 择 可 得 链 节 数 2 a0 p LP=360 , 中 心 距 a0=1600mm , 节 距 p=44.45mm , 滚 子 直 径 d1=27.94mm, 内 链 节 内 宽 b1=30.99mm, 内链板高度 h2=37.08mm, 可得分度圆直径 d ? p ? 404.35mm, 齿顶圆 ? 180 sin z 直径 da=419.13mm, 取 420mm ,齿根圆直径 d f=399.74mm, 齿高 ha=9.525-16.02,dk=50 ,齿宽 bf1=24。 所设计的链轮如图 4-9所示。 图 4-9 链轮示意图 -16- 双轴浆叶式混合机设计 5 总结 本文设计的双轴桨叶混合机在加工方面起着至关重要的作用,它有着极好的性能特 点:产品系列化通用化水平高,有多种规格的混合机械;混合均匀度高,每批各种不同 的物料在 15-60 S 时间范围内即可混合均匀;每批混合量可变范围大;生产率高、较短 的混合时间和快速的卸料结构,大大提高了双轴桨叶式混合机的生产效率。基于以上双 轴桨叶混合机的优越的性能特点,我们有必要加深对该机的研究和改进,让它能更好的 服务于生产行业。 本文主要介绍了双轴桨叶式混合机的国内外发展现状,不同混合机的性能特点,并 进行了双轴桨叶混合机的总体设计、壳体设计、桨叶设计、主轴设计和传动部分设计。 壳体的计算主要依据批次混合量,容重和混合系数;桨叶的设计主要包括叶片安装角的 确定,转子转速确定以及桨叶的安装和轴的连接方式的选择;主轴的设计主要包括电机 的选定,轴径的确定和轴的校核;传动部分主要用链传动的方式,一个减速电机带动转 向相反的两根轴的转动。本文设计的双轴桨叶式混合机可以为饲料加工行业的混合机的 研究提供参考。 -17- 双轴浆叶式混合机设计 参 考 文 献 [1]吴宗泽 .机械零件设计手册 [M], 2003. 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