环模制粒机调质器设计与研究

陈义厚 （长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023）

环模式制粒机是众多制粒机中的一种，制粒机是一种利用物料之间的粘结作用力将物料压制成所需形状的机械。物料在压制前，必须经过调质处理，调质的好坏直接关系到制粒的过程。由于目前大部分的制粒机都应用在饲料生产行业上，在化肥生产上使用较少，因此大多数的调质都是针对饲料生产的，调质是对颗粒饲料制粒前的粉状物料进行水热处理的一道加工工序，国内外研究表明调质是影响颗粒饲料质量的重要因素之一。不同的调质工艺和设备，其调质的工艺参数 （调质器转速、调质时间等［1］）有所不同，为此调质熟化效果亦有较大的差别。本研究对加工绿色生态有机复合肥料的制粒机的调质器进行了详细的设计与计算。

1 主要结构及工作原理

调质器由电机1、减速器9、联轴器10、螺旋轴4、螺旋壳体3和轴承7组成。它的主要工作部件是螺旋输送器，又称绞龙，是制粒机的一个主要的喂料装置，它主要由螺旋体和机壳组成。调质器基本结构如图1所示。

图1 环模制粒机调质器的基本结构简图

调质器工作时，粉料颗粒在桨叶搅动下进行2个方向的运动，一是绕轴转动，二是沿轴向推移，运动轨迹近似于螺旋线。它主要由带有螺旋叶片的的转动轴在一封闭的料槽内旋转，使加入料槽的物料由于自身的重力及其对料槽的摩擦力作用，沿着料槽向前移动、混合，完成调质以及水平的、低倾角的输送任务。

2 设计与计算

2.1 螺旋叶片与螺旋轴材质的选择

通过查阅资料可知，螺旋叶片大部分都是由厚3～8mm的薄钢板或钢带冲压制成，然后焊或用螺钉固定在轴上，并在相互之间加以焊接或铆接。根据螺旋叶片的形状可分为全叶式 （即实体螺旋面螺旋）、带叶式、浆叶式和月牙式。全叶式是最常用的一种型式，结构简单，效率高，对于带有随动性的干燥小颗粒物品或粉状物品以及松散物料特别适宜，带叶式主要用于块状物料或粘滞性的物品，浆叶式和月牙式用于粘性较大的物料 （图2）。螺旋输送器的寿命取决于螺旋叶片的耐磨性，螺旋叶片磨损最严重的地方是它的顶部，磨损主要是磨粒磨损、氧化磨损和热磨损，提高螺旋叶片的耐磨性，可采取下列措施:进行表层强化处理；在靠螺旋叶片上部装上耐磨钢片或覆盖增强高分子耐磨片，磨损后可很快地更换新的钢片；刷涂耐磨涂层，如HNT耐磨涂料，这种涂料粘结力强，成型好，稳定性高，摩擦系数小，具有一定的机械强度，刷涂工艺简单，适合于温度小于100℃的场合，但抗冲击性差；以聚四氟乙烯为基材，填充高分子粉或合金粉和氧化物等材料，采用粉末冶金烧结成型的螺旋叶片，具有极强的耐磨性，年磨损量只有0.002～0.004mm［2］。在本研究中主要采用表面强化处理，表层强化并不仅仅提高表层硬度，还可使金属材料表面具有某种特殊的化学性能，表面强化处理可以采用电弧和火焰方法来提高金属材料表面的硬度，一般来说，硬度高，耐磨性好说，硬度高，耐磨性好。

图2 螺旋输送器的叶片形式

2.2 螺旋输送机的的力学原理分析

一般螺旋输送机的转速为150～450r／min，物料的推进速度与轴转速和浆叶的拾物角度有关，在转速一定的条件下，可以通过调整浆叶的拾物角度来控制物料的调质时间，如果将浆叶的角度减小到比较中间的位置，即与浆叶轴成为75～85°的夹角，这样就可以减弱每个浆叶对物料的推出作用从而延长物料在调质室内的滞留时间。

图3是物料在螺旋输送机内的速度和受力分析，由此可以确定螺旋输送机中螺旋的升角α。螺旋输送机各点的螺距是相同的，但因其半径不同，所以各点的螺旋升角不同。外径处的螺旋升角小，内径处的升角大。如图3所示，当螺旋输送机以角速度ω绕回转轴Z旋转时，则在O点处的物料一面与螺旋面发生相对滑动，一面沿Z轴移动。它的运动速度将由以下两速度合成:一个是螺旋叶片上的O点的牵引运动速度Vo，其方向为沿O点回转的切线方向；另一个是物料相对于螺旋面的滑行速度，其方向为平行于O点螺旋面的切线方向，用AB表示。但是由于物料与螺旋面之间有摩擦力的存在，故合成的速度应较原值偏转一摩擦角φ，而成为Vf，即物料在螺旋输送机中的绝对速度。若将Vf分解，可得到物料的轴向速度VZ，和在圆周方向上的切线速度Vt，轴向速度即VZ为使物料沿轴向输送，切线速度Vt则是使物料在输送过程中搅拌和翻转。

图3 螺旋升角受力分析

式中，s—螺旋叶片的螺距；n—螺旋轴转速；α—螺旋升角；f—物料与螺旋叶片的摩擦系数；φ—物料与螺旋叶片的摩擦角。

由 （2）式可知，当1－ftgα≤0时，Vz≤0物料将不能沿轴向移动，因此，螺旋升角α应满足以下条件:

因螺旋叶片内径处的升角最大，故内径处升角α应小于或等于900－φ。

当螺旋的半径和转速一定时，轴向速度Vz是螺旋升角α的函数。令函数，则有 （令 （2）式中s＝πdtga，d为螺旋内径）

由 （4）式可得:α＝π／4－φ／2

联立 （3）、（4）式可得:当α＝π／4－φ／2时，物料的轴向速度最大。

取f＝0.4，则φ＝arctg0.4＝21.8°

可知当螺旋内径处的螺旋升角为35°时，物料的轴向速度Vz最大，故选取螺旋升角α＝35°。则

3 生产能力的分析与计算

调质器的生产能力是由螺旋输送机的输送能力来确定的，关于螺旋输送机的生产能力一般有如下的计算公式［3］

电力系统是一项比较系统的工程，要想降低电力供电安全事故的发生，应该完善工作制度。我国电力系统中的管理制度存在很大问题，没有对工作细节进行具体化，工作人员不明确工作职责，在发生电力事故时，不能有效地解决，这样不仅会降低电力供应的效率和质量，同时还会影响国家和社会的经济发展。

式中，Q—螺旋输送机生产率，t／h；F—机壳内物料的横截面积，m2；V—物料在机壳内的轴向移动速度，m／s；r—物料的容重，t／m2。

机壳内物料的横截面积f （m2）为:

式中，D—螺旋直径，m；C—螺旋输送机倾斜装置时的校正系数，随倾角β的增大，C值逐渐减小［4］；φ—物料的填充系数，与物料的粒度有关一般取φ＝0.2～0.3。

物料沿料槽轴向移动的速度V，可以按下式计算:

式中，ξ—滑动系数，一般取0.85～0.95；s—螺旋叶片的螺距，m，在普通机械中一般取s＝ （0.8～1.0）D，在特殊情况下才选用s＝ （0.5～2.0）D；n—螺旋输送机的螺旋轴转速，r／min。

将上述 （6）和 （7）的公式带入 （5）式后，便得出计算螺旋输送机生产率的公式:

由于生产率是已知的，只要螺旋直径D确定了，螺旋输送机的转速可用以下公式求得

应该指出，螺旋输送机的转速n不能超过临界转速n临，临界转速n临的确定是螺旋轴的转速根据其输送量、螺旋直径和被输送物料的特征来确定的，其目的是输送时物料不被抛起而影响输送量否则物料便会在螺旋料槽内翻滚，只起搅拌作用而不起向前推动的作用。临界转速根据实验公式求得:

式中，K—物料综合特性系数，可由表1查得；D—螺旋直径，m。

表1 物料综合特性系数K

螺旋转速 （n）应根据所输送物料的性质和螺旋直径等因素来确定。对于非磨琢性的物料转速可取得大些，即n＝97～200（r／min），对于重磨琢性材料则应将转速减少50%左右，即47.5～100（r／min）。在保证输送量不变的情况下，螺旋直径增大，螺旋轴上的转速相应的应减低，延长其使用寿命。

由于螺旋直径还可以采用以下经验公式估算:

式中C值由表2查得，由公式计算与经验估算的螺旋轴直径D，应调整到标准直径数值。其螺旋直径值均已标准化，其系列值为100、120、150、160、200、250、320、400、500、600。所以选择螺旋输送机直径为D＝120mm。

表2 倾角β所对应的修正系数C值表

无论是螺旋输送机的螺旋直径还是螺旋轴转速，都应调整到与它相近的标准数值。调整以后螺旋机的填充系数φ可能不同于原来从表中所选取的数值，故应按公式再校验其填充系数。按下式计算系数φ:

计算可得，调质器的生产能力大小为Q＝150～350kg。

［1］庞声海.饲料加工设备与技术［M］.北京:科学技术文献出版社，2001.

［2］饶应昌.饲料加工工艺与设备［M］.北京:中国农业出版社，1996.

［3］李令芳，陈震.SLTZ型系列高效调质器及其使用［J］.饲料广角，2004，（3）:72－74.

［4］陈艳.畜禽及饲料机械与设备［M］.北京:中国农业出版社，2000.