固体物料颗粒造粒机的设计

逯 江，张 金，李 伟

(1.河南中烟工业有限责任公司安阳卷烟厂，河南安阳455000；2.郑州轻工业学院机电工程学院，郑州450002）

引言

国内外造粒技术经过发展，日渐成熟并形成了专门的学科和独立的技术。目前世界上大型造粒机生产企业有日本两家和德国一家，日本神户制钢公司产品在中国市场的占有率非常高。造粒技术主要有搅拌造粒法、沸腾造粒法、压力成型造粒法、热熔融成型法、喷雾干燥造粒法等[1]。国外造粒技术较为先进，大多采用大型造粒设备，具备完善的检测监控系统，自动化程度高。国内造粒技术多为模仿国外技术起步，同时针对国内情况加以完善和改进[2]。

本文设计的固体颗粒造粒机是挤压式平模造粒机。为了更好地处理有机固体废弃物，减少对环境的污染，也为了有机复合肥设备节能高效的生产有机肥成品颗粒，本文从以下几个方面进行了设计计算：

根据实际的工作需求和功能要求，确定挤压式平模造粒机的总体设计方案。对挤压式平模造粒机各组成部分进行分析比较，选择最优零件配件，同时解决主要技术关键点。

1 挤压式平模造粒机的工作原理

造粒机动力由减速电机提供，电机通过联轴器与造粒机传动组件连接，经传动组件再次减速后转速达到预定标准的144r/min，同时将动力传递给造粒机主轴，造粒机主轴带动模板和甩料盘转动。有机肥物料倒入造粒室，经刮料脚布料成约1mm 厚度，随着模板的转动，由于摩擦力的作用，物料被辊轮挤压，从模板上密布的小孔中挤压成条状。甩料盘上的两把切刀把条状物料切割成颗粒状成品有机肥，然后甩料盘把颗粒有机肥从盛粒筒上的排料口甩出。

2 挤压式平模造粒机的总体设计

本文设计的是立式平模挤压机，其结构简图如图1所示。

立式平模挤压机分为动辊式挤压机和动模式挤压机，两种挤压机各有优缺点[3]。

动辊式挤压机的模板固定不动，通过电动机提供动力将动力传给主轴，主轴带动辊轮组件转动，同时由于滚轮和模板之间布有固体物料进而产生摩擦力带动辊轮转动，所以形成了辊轮架公转，辊轮自转，模板上的物料随着辊轮的自转而被碾压入模板的小孔中，实现物料的挤压成型。

相对于动辊式挤压机，动模式挤压机的模板随着空心轴转动，而辊轮架固定在心轴上不动，所以辊轮不会随着辊轮架转动，既辊轮和模板都自转实现造粒。

动辊式挤压机辊轮和辊轮架固定在主轴上随主轴转动，其结构相对简单，检查维修方便，但由于辊轮的转动惯量大，所需电动机功率偏大。动辊式挤压适合于大型、高产量的挤压造粒机[4]。

金-白云石阶段：形成自然金-方铅矿-黄铜矿、辉银矿等矿物组合，为金的次要成矿阶段，方铅矿、黄铜矿、辉银矿主要在这个阶段富集。

动模式挤压机效率高，所需电动机功率较小。由于模板固定在空心轴上而辊轮和辊轮架固定在心轴上不动，导致动模式挤压机的结构复杂，所以造粒机的检修不方便。同时由于模板的结构决定了动模式挤压机整机尺寸不能过大，太大的话模板所受的压力过大会导致其强度不够，模板容易失效。

本次设计中固体物料处理规模较小，产量不是很大，所需造粒机尺寸较小，所以优先选择效率高、造粒成本较低的造粒机，即动模式挤压机。

2.1 传动组件的设计

传动组件主要由联轴器、轴承套、锥齿轮轴、从动锥齿轮、空心轴、心轴和轴承等构成。传动组件剖视图如图2所示。

电动机动力由联轴器传递给锥齿轮轴。与电动机输出轴相连的是凸缘半联轴器，而与锥齿轮轴相连的是花键半联轴器，两个半联轴器靠凸缘绞合定位和六个普通螺栓固定。锥齿轮轴与花键半联轴器以花键定位连接，同时选用两个单列滚子轴承，用以承载锥齿轮轴的轴向作用力。两个单列滚子轴承外径固定在轴承套上，轴承套以六个螺栓固定在箱体上。锥齿轮轴将动力传递给从动锥齿轮，同时由于锥齿轮组的传动比，使传递的转速大大降低，达到设计要求。从动锥齿轮周向以平键固定在空心轴上，轴向两边以套筒定位。空心轴以滚动轴承承受载荷，其中上端的轴承主要承受周向载荷，选用深沟球轴承，而下端既承受周向载荷也承受轴向载荷，选用单列滚子轴承。空心轴中有一心轴，两轴采用间隙配合，心轴主要用来固定造粒模块中十字轴及滚轮，同时也分担空心轴过大的周向载荷，增加空心轴的弯曲刚度。

如图3所示，心轴的定位在轴向靠一个锁紧圆螺母固定，锁紧圆螺母上有两个小螺钉，可以调节小螺钉使圆螺母的旋合螺纹间始终受到附加的压力和摩擦力的作用，从而达到自锁的目的，保证心轴轴向定位的可靠性。心轴周向上依靠平键与心轴套固定，其中心轴套以六个螺钉与箱体固定。

2.2 挤压式平模造粒机造粒和出粒组件的设计

2.2.1 造粒组件的设计

造粒组件是平模挤压造粒机的重要组成部分，同时也是整个造粒机组成最复杂、构造最精密的组件。造粒组件结构图如图4所示。

造粒机组件主要由盛粒筒迷宫、模板、内圆桶、心轴、布料器和辊轮机构等组成[5]。模板通过平键定位与空心轴相连，随着空心轴的转动而带着物料一起转动。内圆桶用六颗螺钉固定在模板上，内圆桶主要是限制物料的分布范围。辊轮机构的径向由平键定位，轴向由心轴轴肩和布料器定位，其中辊轮与模板间存在0.02mm 间隙。盛粒筒迷宫以三颗螺钉固定在空心轴上[6]。

1）造粒组件的造粒流程

有机肥物料由内圆桶顶部倒入，在模板上形成1mm 厚的物料层，这个过程称为布料。物料随着模板的转动而转动，与此同时，辊轮挤压物料，由于摩擦力的作用，物料被挤入模板上密布的通孔成型。然后重新布料，辊轮再次挤压，同时刮料脚搅拌物料，让其分布均匀，这样一直重复循环，完成不断的造粒。

2）辊轮机构结构及工作原理

辊轮机构主要由辊轮、十字轴、刮料脚、深沟球轴承、迷宫密封、轴承端盖、紧锁圆螺母和螺钉等构成其机构图如图5所示。

十字轴固定在心轴上不动，以平键定位。四个刮料脚分别用两个螺钉固定在十字轴上，用来使物料分布均匀。四个辊轮分别用两个深沟球轴承支撑在十字轴上，辊轮由于摩擦力作用，会随着模板的转动而转动，同时挤压物料，使其通过模板成型。同时，辊轮的圆柱面上均匀分布着条纹，增加对物料的摩擦力。紧锁圆螺母用来轴向定位深沟球轴承，由于紧锁圆螺母良好的自锁性能，可以很好地固定轴承，从而固定辊轮。滚轮外端用轴承端盖密封，防止物料的进入，从而降低轴承的失效率，增加轴承使用寿命。

3）模板的构造

模板是造粒机上最重要的零件之一，模板的结构直接影响成型有机肥颗粒形状。本次设计的造粒机模板如图6 所示，模板上均布着通孔，通孔直径为5mm，相邻两个通孔的圆心距为6mm，通孔成放射性排列，每两排通孔的夹角为4°。有机肥物料被辊轮挤压压入模板通孔，直至被压实后从模板通孔中挤出。模板通孔的形状直接影响有机肥颗粒形状，如果需要多种形状的有机肥颗粒，可以选择设计多块模板，在需要的时候更换模板，就可以生产出所希望的有机肥颗粒形状。模板通孔容易被物料堵死，对于一些腐蚀性强的有机肥物料，模板也很容易被腐蚀直至失效。所以，当结束造粒工作时，需要对模板仔细清理并保养，以增加模板的使用寿命。

2.2.2 出粒组件的设计

出粒组件主要负责剪切颗粒并将有机肥颗粒排出造粒机。出粒组件由盛粒筒、甩料盘、手轮轴、切刀、手轮、紧定螺钉和内六角螺栓等组成，如图7所示。其中切刀左右各有一个，分别通过两颗螺栓固定在手轮轴上不动，从模板挤出的条状物料随着模板转动的同时被切刀切断成粒状。手轮轴和手轮径向通过平键定位，而轴向通过一颗螺栓固定两者，当需要调节切刀的角度时，拧松螺栓，通过调节手轮而调节切刀角度，调整完毕后重新拧紧固定螺栓。甩料盘通过两颗紧定螺钉固定在空心轴上，随着空心轴的转动而转动，利用离心力把有机肥颗粒甩出盛粒筒[7]。

3 使用说明

本文选择了减速电动机，该减速电动机的输出转速为500r/min，输出转矩为5.39×105N·mm，额定功率Pm=30kW。插上电源打开开关，产品正常启动，使用前选择适当的润滑油，保证其润滑性、相容性，定期更换润滑油。先使其空转一会保证造粒机能够正常运转再投入使用。当机器出现故障时，应切断电源拆机检查。

4 结论

在发展生态农业，走可持续发展道路的今天，现代农业领域越来越重视生态种植，讲究绿色有机无污染，所以单纯的无机化肥式种植将被逐步淘汰，而绿色有机肥会越来越受欢迎，所以固体颗粒造粒机的研究将具有重要的意义和市场前景。

[1]李建平,李承政,王天勇，等.我国粉体造粒技术的现状与展望[J].化工机械,2001(5)：295-298.

[2]刘广文.论染料喷雾造粒技术[C]//中国化工学会.第七届全国干燥会议论文集,1999：93-97.

[3]杞卫东.肥料的挤压造粒[J].云南化工,1994(1)：58-60.

[4]马梦兰.复混肥挤压造粒机理与设备分析[J].天津纺织工学院学报,1999(4)：42-46.

[5]王德忠,季玉茹.造粒机辊轮密封失效原因的分析[J].润滑与密封,2009(5)：103-105.

[6]王德忠,季玉茹.挤压造粒机辊轮迷宫密封的改造[J].吉林化工学院学报,2009(2)：34-36.

[7]董彬.延长挤压造粒机环模使用寿命的研究[J].磷肥与复肥,2001(1)：54-55.