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1、安徽科技学院 工学院 毕业设计（论文综述）圆锥形滚刀式切碎机设计摘要：本课题设计的是一种农业生产用的具有很实用的切割机械，着重设计了切碎机的主要部件，比如带轮、滚刀轴，轴承座等的设计，通过对原始参数的分析、方案的论证比较和有关数据的分析计算，完成了切碎机的整体设计，在此基础上进行了滚刀轴、轴承座、V带等相关部件的设计和选择。后面还包括切碎机的电气控制部分，同时介绍了本切碎机使用和维护方法等。关键词：切碎机，滚刀，圆锥形滚刀1、引言切碎机是将大尺寸的固体原料切碎至要求尺寸或形状的加工机械。它在农产品加工、中草药加工、饲料加工等行业领域都又广泛的应用。切碎机按所切物料的形态不同可分为：茎杆类物料切
2、碎机，块状类物料切碎机。茎秆类物料切碎机主要有两种类型，一种是盘刀式，一种就是滚刀式。盘刀式切碎机的主要特点是动刀片刃口线的运动轨迹是一个垂直于回转轴的圆形平面，这类切碎机的通用性广，可用来切割蔬菜、瓜果、和草料，也可以用来切割冻肉等。切割质量好，生产效率高，刀片的拆卸和安装方便，自动化程度高，它是目前农产品、食品和饲料加工中应用最为广泛的一种切碎机。滚刀式切碎机的主要特点是动刀刃口线的运动轨迹呈圆柱形，它的构造和工作过程与盘刀式基本相同，但是切碎器是滚筒式。块状类物料切碎机按盘刀的方式不同可分为立式盘刀式切碎机、水平盘刀式切碎机和滚刀式切碎机。当前的滚刀式切碎机其最主要的形式就是圆锥形滚刀式
3、切碎机，其主要用来切碎青绿物料和块状茎，其动刀片一般安装在圆锥形滚筒上。当滚筒旋转时，料斗内的物料就被切碎，成品通过动刀和滚筒之间的空隙进入圆锥滚筒内，并沿着圆锥斜面从滚筒的大端排出。由于圆锥仅部分表面和喂料斗接触，所以生产效率较低，但工作较可靠1。2、国内、外研究状况和应用前景：目前，国内切碎机(MicroJetMil1)生产厂家主要有上海化机三厂(生产Qs型)、南京理工大学江苏省超细粉体工程技术研究中心试验基地(生产sTJ型和GQF型)等。长沙矿山研究院的李关昌等通过在MicroJet-Mill型气流切碎机的中心区设分级叶轮来降低产品粒度并取得一定成功，生产的超细锆英粉平均粒径可达0430
4、。JOM循环式气流切碎机(JetOMizer)的生产厂家主要有上海化机三厂(生产QSB型，QON系列)等。上海化机三厂在传统Jet-OMizer型气流切碎机的出料口处增设了一个曲率半径更小的二次分级腔和回料通道。对产品粒径要求比较高时，小颗粒料可以进入二次分级腔继续切碎、分级，从而进一步降低产品粒度；对产品粒径要求不高时，则可以关闭二次分级腔前的阀门。据报道，JetOMizer型气流磨可获得粒径为0230的细粉2。靶式气流切碎机由于对靶板的冲蚀非常严重，易对产品造成污染，一般只用来处理较粗的粒子，已经趋于淘汰。虽国内外很多公司对其进行改进，但都没有从根本上解决靶板的磨损问题。对冲式气流切碎机主
5、要有国产的QLM型，这种机型生产能力大，冲击强度大，可以切碎莫氏硬度95以下的各种硬质、脆性、韧性的物料。叶菁发明的“中药材冲击摩擦超细气流切碎装置”是一种适用性强、切碎效率高的新型气流切碎机3。其工作原理为物料由螺旋给料机送人离心布料盘，通过物料分配器及多个喷嘴与混合加速管，分别高速、对心冲击旋转靶，并在不同的旋转靶表面摩擦纹理的剪切作用下，使药材得以冲击、摩擦切碎后，随上升气流进入设备上部的涡轮分级机构，分离出合格产品，不合格者回落分配器再切碎。切碎后的结果表明，对植物类的粉质硬脆性中药材和纤维类的坚韧药材及矿物质的珍珠母有很好的效果，对热敏性树脂药也有较好的效果。此切碎机打开了在中药材切
6、碎方面使用气流切碎机的思路，是一种全新概念的气流切碎机。流化床式气流切碎机(Fluidized Bed OpposedJet Mil1)是1981年由德国Alpine公司首先研制成功的，AFG型是目前的主导机型，应用广泛。其工作原理是：物料利用二维或三维设置的数个喷嘴(3 7个)喷汇的气流冲击能，及其气流膨胀呈流化床悬浮翻腾而产生的碰撞、磨擦进行切碎；细粉在负压气流带动下通过顶部设置的涡轮式分级装置，排出机外由旋风分离器及袋式收集器捕集，粗粉受重力沉降返回切碎区继续切碎4。流化床式气流切碎机的突出优点是：噪声低、占地小，产品细度高(d可达310 txm)、粒度分布窄、能耗低，与扁平式气流切碎机
7、相比约可节能30 40 ，切碎效率高，采用A1 O 、SiC等材料做易磨损件，因而可生产莫氏硬度大于1O的产品和高纯度产品5。然而这种机型虽然涵盖了多喷管、流场多元化、料层流态化、卧式分级化等技术，但并非没有缺点，主要表现在： 为卸料方便，切碎室底部多设计成圆锥形状，但是对于二维流场的机型来说，由进料装置输送的物料一旦进入这个盲区，则无法切碎；切碎腔内的流场只能部分实现流态化，喷嘴上部及切碎腔边缘则不能形成流态化； 由于物料在切碎腔内流态化后才能被气流束缚撞击切碎，因此对于进料粒度上限有一定要求，对于密度大、纤维状、片状的物料则难于切碎6。江苏昆山市超微切碎机厂首次在引进德国630AFG机型的
8、基础上开发成功了QYF一720型流化床气流切碎机，提高了国产流化床气流切碎机的单机处理能力，2000年昆山超微切碎机厂又开发了QYF800型流化床式气流切碎机7。1999年，中国在Alpine流化床式气流切碎机基础上，开发出一款改进型对撞式流化床气流切碎机(CN2302850Y)，其特点是：增大了对撞式流化床气流切碎机传输区的长度，使其长径比达到310；在分级区和切碎区之间增加足够高的磨体，使传输区气流平稳，分级轮负荷减少，能获得更高产量和理想的粒径；机器运转平稳可靠，试机工作量减少8。冲击式超细切碎机是国内超细切碎机械开发研制成效最显著的领域之一。国内冲击式超细切碎机的主要机型有咸阳非金属矿
9、研究院和西安飞机制造公司联合研制的CM型超细粉磨机，清华大学和沈阳重型机械厂共同开发的CZM多段冲击式切碎机、ACM型冲击式切碎机，湖北沙市津江超细粉公司生产的DJM900型超细切碎机等。其中ACM 型切碎机结构简单、加工造价低、适应物料范围广，加上大风量输送物料，传热效果好、切碎区域温度较低，可用于某些热敏性物料的切碎，这是其他设备所难以比拟的 。近几年来，冲击式超细切碎机在国内的发明专利大量涌现，如多功能超微粉机(专利号CN2230184Y)、湍流超细粉磨机(专利号CN2247561Y)、多级高效旋磨分选超细切碎机(专利号CN2250807Y)、离心超细粉磨机(专利号CN2274985Y)
10、、立式高速离心超细切碎机(专利号CN2290402Y)、立式风选超细度涡轮切碎机(专利号CN2295530Y)、双吸双磨超细磨(专利号CN2310621Y)、中高产窄分布超细粉磨机(专利号CN2313663Y)、旋风式无介质超细磨(专利号CN2321522Y) 9。由于切碎机在各行各业的普遍使用，因此国内外对切碎机的研究与发展均很重视。日本细川公司研制的ACM型切碎机，是典型的立轴内分级式微切碎机，西班牙克拉维约机械制造公司和埃格斯曼特种饲料公司联合设计制造的立式切碎机系统也大受欧洲各国普遍欢迎。上海市药材有限公司中药机械厂新近研制的FCZ300和FCZK450切碎机组不仅畅销上海和外地药厂及
11、其他行业，解决了中药浸膏不易切碎的难题，并得到了泰国等东南亚各国的青睐，江苏昆山密友实业有限公司的QYF系列流化床气流切碎机也已问世，它填补了我国中草药材超微切碎设备的空白，郑州金属涂塑料研究所设计制造的专门用于切碎热塑性粉末涂料的二级闭路循环控温切碎机，它攻克了切碎过程中的升温难题，还有日本设计制造的气流切碎机、德国研制的低温切碎机均闻名于世。据笔者调研，目前我国切碎机的市场还有很大潜力，但真正有生命力的拳头产品还不多，还有待广大科研人员和制造商们的发明创造，研制出既能解决实际难题，又具有高效率的切碎机，来添补我国乃至世界的技术空白10。3、设计的目的圆锥形滚刀式切碎机的应用领域相当广泛，其
12、中涉及到医疗、食品加工、饲料加工等相关领域。我所设计的主要方向是马铃薯的食品加工。使用切碎机的目的是为了使物料在切碎机中产生应力以及它们被切碎。在切碎机中应力只是存在于特定区域,切碎机的基本特征是既要将物料给入切碎机的应力区,又要使物料在被切碎后很快离开应力区11。选择切碎机之前对物料特性的深刻了解,有助于理解和判断使用切碎机产生的切碎结果和改善切碎过程。我们应该了解物料在不同应力条件下的行为、压应力或者是冲击应力对物料引起的作用、物料切碎应具备的条件以及颗粒的强度与粒度大小之间的关系等等。众所周知,切碎的基本过程表现出来就是颗粒的断裂,而颗粒断裂又是因颗粒在机械中与机械产生接触力使颗粒变形而
13、产生应力,当此应力足够大时便引起颗粒的断裂。从材料力学的角度看,要涉及到形变和应力,最关键问题材料是弹性的还是非弹性的。非弹性变形会减少应力和消耗能量,因此,随着非弹性的增加,需要有较大的载荷。而颗粒越细则非弹性变形越严重12。材料力学规律是把形变和应力联系在一起,要深入研究切碎过程,一定要把待切碎物料从材料力学的角度进行一定的研究并掌握其规律,才会得出好的结果,本文不准备详细阐述,颗粒对应力的反应取决于颗粒的粒度、形状和应力条件,而这些都是变素。4、圆锥形滚刀式切碎机设计概述4.1.圆锥形滚刀式切碎机初步设计的主要组成部分1）电动机；2）V带；3）带轮；4）传动轴；5）滚筒；6）支架；7）料
14、斗。4.2.初步设计根据对该切碎机进行初设计分析，拟出下面一条总体设计路线：原始参数分析计算功率选择电动机选择传动方式设计带轮轴的设计轴的校核相关紧固件的计算和选择外形的设计绘制装配图和零件图假设切除的产品块度均为60mm，厚度为3mm，切碎机中物料每小时与刀片刃口接触的有效面积为S0，。切碎机中料斗与滚筒锥面相交的面可以简化成梯形来进行计算，该梯形的底边设为200mm，顶边设为100mm，高设为300mm，则面积为，所以由于物料（马铃薯）之间存在很多的空隙，刀片旋转一周切出的物料实际面积远小于理论计算所得的面积，所以必须设置一个面积的校正系数KS，即转速：。由于物料与滚筒接触产生摩擦力f,取
15、摩擦系数，假设满载时物料重量为0.2吨，所以设置切割阻力：，利用动力学功率公式：（为工作机的效率）假设轴承的传动效率，带传动的传动效率为计算出所需功率：4.3电动机的选择查表，根据所需功率和转速，选得电机型号：Y160L-8，该电机相关参数：1）额定功率：7.5kw；2）转速：720r/min；3）质量：145kg；4）效率：86%；5）额定电流：5.5A；6）额定转矩：2.0；7）外形尺寸：4.4.轴的设计一般轴的长度与直径之比均较大，属于相对细长类零件。一般轴所受的力有扭转力矩和径向力，有时也会受到轴向力。这些力使轴产生切应力和弯曲正应力（以及轴向压应力）。设计时应考虑这些应力，使轴有足够
16、的承载能力。有些精密的轴要求控制其在受力以后的弹性变形量，则还应着重考虑其刚度。但在实际使用过程中，往往会发现某些静强度和刚度足够的轴会发生非预料的失效（例如断裂、过量塑性变形和摩擦表面剥落等现象），致使机器报废、或发生重大事故。造成失效的原因很多，主要是由于轴的疲劳强度不足等。因此设计轴时除了有足够的短时承载能力外，还应考虑有长期的使用寿命13。 4.5轴承的选择由于滚动轴承的静摩擦系数仅为滑动轴承的百分之一，并且使用维护方便，支承结构简单，因而滚动轴承使用极其广泛，并在许多领域逐步取代了滑动轴承。在此选用滚动轴承。查阅机械设计手册的滚动轴承尺寸与性能参数表中选择；轴的两端均选用深沟球轴承G
17、B/T 276-1994，型号为6210。4.6轴承盒的结构及其装配在选择好了轴承以后，就要为安装轴承选择轴承座了。在安装轴承时，有“预调”和“预紧”两种程序可操作，它们主要是通过在配合面上调整轴承的某个套圈，使支承达到理想的游隙或所要求的预过盈。4.7润滑的选择本设计选择润滑脂润滑。一般一个月加注一次,注入量约占轴承箱内空间的1/3为宜。5、结论本次设计的圆满结束，让我对圆锥形滚刀式切碎机有了更深刻的了解，切碎机的传动形式也比较简单，只需V带传动的减速就可以满足传动要求，从而降低整机造价，因而实用性好。本文分析了该切碎机的结构及其切割的工作原理，同时分析了影响切碎机切割质量的因素，掌握了其设
18、计和计算的基本方法，由于能力和时间等有限，课题还有不足之处，还有待于进一步的研究与改进，而且本论文着重于理论上的设计、分析，故在今后的研究中，应该进行以下工作:(1)得出试验数据，进行参数优化设计；(2)目前我国的切碎机的切割技术还不成熟，应大力研究组合机具。参 考 文 献1 竺锡雅, 冯安. 浙江省收获机械的发展与趋势浅析J.中国农机化, 1999,(06)2 胡伟 , 张宝苓 , 刘玉乐. 收获机械发展热点透视J.农机市场, 2002,(10)3 徐成林. 农村企盼小型收获机械J.农机使用与维修, 2005,(02)4 朱先录. 小型青饲料切碎机简介J.科学种养, 2008,(05)5 农
19、业机械学南京农业大学主编，中国农业出版社，1996年。6 韩永生, 杨春华. 青饲料切碎机的正确使用J.畜牧兽医科技信息, 2006,(05)7 9Q-60饲料切碎机J.农家之友,2006,(05)8 白旭元. 9QY-70型青干饲料切碎机J.农机推广与安全,2000,(03).9 高金贵,周定国,张洋,梅长彤,周晓燕.秸秆人造板切碎机性能的试验研究J.林业机械与木工设备, 2005,(08).10 鹿东民,张新,王西岭.小型秸秆切碎机的设计研究J.山东农机,2004,(08).11 张英. 饲草切碎机的使用与维护J. 养殖技术顾问,2004,(08)12 郭伟强. 饲草切碎机的使用方法J. 农村养殖技术,2004,(02)13 李家军. 油菜脱粒及秸秆切碎机的开发与研究J.南方农机,2005,(01)7