陳義厚 （長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

環(huán)模式制粒機(jī)是眾多制粒機(jī)中的一種，制粒機(jī)是一種利用物料之間的粘結(jié)作用力將物料壓制成所需形狀的機(jī)械。物料在壓制前，必須經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)的好壞直接關(guān)系到制粒的過程。由于目前大部分的制粒機(jī)都應(yīng)用在飼料生產(chǎn)行業(yè)上，在化肥生產(chǎn)上使用較少，因此大多數(shù)的調(diào)質(zhì)都是針對飼料生產(chǎn)的，調(diào)質(zhì)是對顆粒飼料制粒前的粉狀物料進(jìn)行水熱處理的一道加工工序，國內(nèi)外研究表明調(diào)質(zhì)是影響顆粒飼料質(zhì)量的重要因素之一。不同的調(diào)質(zhì)工藝和設(shè)備，其調(diào)質(zhì)的工藝參數(shù) （調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速、調(diào)質(zhì)時(shí)間等［1］）有所不同，為此調(diào)質(zhì)熟化效果亦有較大的差別。本研究對加工綠色生態(tài)有機(jī)復(fù)合肥料的制粒機(jī)的調(diào)質(zhì)器進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。

1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

調(diào)質(zhì)器由電機(jī)1、減速器9、聯(lián)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(jī)的一個(gè)主要的喂料裝置，它主要由螺旋體和機(jī)殼組成。調(diào)質(zhì)器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)模制粒機(jī)調(diào)質(zhì)器的基本結(jié)構(gòu)簡圖

調(diào)質(zhì)器工作時(shí)，粉料顆粒在槳葉攪動下進(jìn)行2個(gè)方向的運(yùn)動，一是繞軸轉(zhuǎn)動，二是沿軸向推移，運(yùn)動軌跡近似于螺旋線。它主要由帶有螺旋葉片的的轉(zhuǎn)動軸在一封閉的料槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)，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(diào)質(zhì)以及水平的、低傾角的輸送任務(wù)。

2 設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 螺旋葉片與螺旋軸材質(zhì)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(jù)螺旋葉片的形狀可分為全葉式 （即實(shí)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(jié)構(gòu)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(yán)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(jìn)行表層強(qiáng)化處理；在靠螺旋葉片上部裝上耐磨鋼片或覆蓋增強(qiáng)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(jié)力強(qiáng)，成型好，穩(wěn)定性高，摩擦系數(shù)小，具有一定的機(jī)械強(qiáng)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(jié)成型的螺旋葉片，具有極強(qiáng)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(qiáng)化處理，表層強(qiáng)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(xué)性能，表面強(qiáng)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(jī)的的力學(xué)原理分析

一般螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速為150～450r／min，物料的推進(jìn)速度與軸轉(zhuǎn)速和漿葉的拾物角度有關(guān)，在轉(zhuǎn)速一定的條件下，可以通過調(diào)整漿葉的拾物角度來控制物料的調(diào)質(zhì)時(shí)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(gè)漿葉對物料的推出作用從而延長物料在調(diào)質(zhì)室內(nèi)的滯留時(shí)間。

圖3是物料在螺旋輸送機(jī)內(nèi)的速度和受力分析，由此可以確定螺旋輸送機(jī)中螺旋的升角α。螺旋輸送機(jī)各點(diǎn)的螺距是相同的，但因其半徑不同，所以各點(diǎn)的螺旋升角不同。外徑處的螺旋升角小，內(nèi)徑處的升角大。如圖3所示，當(dāng)螺旋輸送機(jī)以角速度ω繞回轉(zhuǎn)軸Z旋轉(zhuǎn)時(shí)，則在O點(diǎn)處的物料一面與螺旋面發(fā)生相對滑動，一面沿Z軸移動。它的運(yùn)動速度將由以下兩速度合成:一個(gè)是螺旋葉片上的O點(diǎn)的牽引運(yùn)動速度Vo，其方向?yàn)檠豋點(diǎn)回轉(zhuǎn)的切線方向；另一個(gè)是物料相對于螺旋面的滑行速度，其方向?yàn)槠叫杏贠點(diǎn)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(yīng)較原值偏轉(zhuǎn)一摩擦角φ，而成為Vf，即物料在螺旋輸送機(jī)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(zhuǎn)。

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(zhuǎn)速；α—螺旋升角；f—物料與螺旋葉片的摩擦系數(shù)；φ—物料與螺旋葉片的摩擦角。

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

因螺旋葉片內(nèi)徑處的升角最大，故內(nèi)徑處升角α應(yīng)小于或等于900－φ。

當(dāng)螺旋的半徑和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，軸向速度Vz是螺旋升角α的函數(shù)。令函數(shù)，則有 （令 （2）式中s＝πdtga，d為螺旋內(nèi)徑）

由 （4）式可得:α＝π／4－φ／2

聯(lián)立 （3）、（4）式可得:當(dāng)α＝π／4－φ／2時(shí)，物料的軸向速度最大。

取f＝0.4，則φ＝arctg0.4＝21.8°

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

3 生產(chǎn)能力的分析與計(jì)算

調(diào)質(zhì)器的生產(chǎn)能力是由螺旋輸送機(jī)的輸送能力來確定的，關(guān)于螺旋輸送機(jī)的生產(chǎn)能力一般有如下的計(jì)算公式［3］

電力系統(tǒng)是一項(xiàng)比較系統(tǒng)的工程，要想降低電力供電安全事故的發(fā)生，應(yīng)該完善工作制度。我國電力系統(tǒng)中的管理制度存在很大問題，沒有對工作細(xì)節(jié)進(jìn)行具體化，工作人員不明確工作職責(zé)，在發(fā)生電力事故時(shí)，不能有效地解決，這樣不僅會降低電力供應(yīng)的效率和質(zhì)量，同時(shí)還會影響國家和社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

式中，Q—螺旋輸送機(jī)生產(chǎn)率，t／h；F—機(jī)殼內(nèi)物料的橫截面積，m2；V—物料在機(jī)殼內(nèi)的軸向移動速度，m／s；r—物料的容重，t／m2。

機(jī)殼內(nèi)物料的橫截面積f （m2）為:

式中，D—螺旋直徑，m；C—螺旋輸送機(jī)傾斜裝置時(shí)的校正系數(shù)，隨傾角β的增大，C值逐漸減小［4］；φ—物料的填充系數(shù)，與物料的粒度有關(guān)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(jì)算:

式中，ξ—滑動系數(shù)，一般取0.85～0.95；s—螺旋葉片的螺距，m，在普通機(jī)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(jī)的螺旋軸轉(zhuǎn)速，r／min。

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

由于生產(chǎn)率是已知的，只要螺旋直徑D確定了，螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速可用以下公式求得

應(yīng)該指出，螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速n不能超過臨界轉(zhuǎn)速n臨，臨界轉(zhuǎn)速n臨的確定是螺旋軸的轉(zhuǎn)速根據(jù)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(shí)物料不被拋起而影響輸送量否則物料便會在螺旋料槽內(nèi)翻滾，只起攪拌作用而不起向前推動的作用。臨界轉(zhuǎn)速根據(jù)實(shí)驗(yàn)公式求得:

式中，K—物料綜合特性系數(shù)，可由表1查得；D—螺旋直徑，m。

表1 物料綜合特性系數(shù)K

螺旋轉(zhuǎn)速 （n）應(yīng)根據(jù)所輸送物料的性質(zhì)和螺旋直徑等因素來確定。對于非磨琢性的物料轉(zhuǎn)速可取得大些，即n＝97～200（r／min），對于重磨琢性材料則應(yīng)將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速相應(yīng)的應(yīng)減低，延長其使用壽命。

由于螺旋直徑還可以采用以下經(jīng)驗(yàn)公式估算:

式中C值由表2查得，由公式計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)估算的螺旋軸直徑D，應(yīng)調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)直徑數(shù)值。其螺旋直徑值均已標(biāo)準(zhǔn)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(jī)直徑為D＝120mm。

表2 傾角β所對應(yīng)的修正系數(shù)C值表

無論是螺旋輸送機(jī)的螺旋直徑還是螺旋軸轉(zhuǎn)速，都應(yīng)調(diào)整到與它相近的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。調(diào)整以后螺旋機(jī)的填充系數(shù)φ可能不同于原來從表中所選取的數(shù)值，故應(yīng)按公式再校驗(yàn)其填充系數(shù)。按下式計(jì)算系數(shù)φ:

計(jì)算可得，調(diào)質(zhì)器的生產(chǎn)能力大小為Q＝150～350kg。

［1］龐聲海.飼料加工設(shè)備與技術(shù)［M］.北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2001.

［2］饒應(yīng)昌.飼料加工工藝與設(shè)備［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，1996.

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

［4］陳艷.畜禽及飼料機(jī)械與設(shè)備［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.