SKJ500型平模颗粒机的设计

SKJ500型平模颗粒机的设计高亮;齐自成;韩梦龙【摘要】Through innovative design of core components, such as flat-die, pressure roller, transmission mechanism and lubrication system, and using SolidWorks software for aided design, a dynamic die straight roller flat-die type granulator was designed. The SKJ500 machine has advantages of long service life, low maintenance cost, effective lubrication and cooling effect of the transmission mechanism, high efficiency and energy saving. This machine is suitable for small and medium-sized feed processing factories,farms and organic fertilizer factory.%设计了一台动模直辊式平模颗粒机，对颗粒机平模、压辊、传动机构和润滑系统等核心零部件进行创新设计，并利用Solidworks软件进行辅助设计。

SKJ500型平模颗粒机具有使用寿命长、维护成本低、传动机构润滑降温效果好、高效节能等优点，适合中小型饲料加工厂、养殖场及有机肥厂使用。

【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2015(000)009【总页数】4页(P57-60)【关键词】动模直辊;平模;压辊;传动机构;润滑系统;SolidWorks【作者】高亮;齐自成;韩梦龙【作者单位】250100 山东省济南市山东省农业机械科学研究院;250100 山东省济南市山东省农业机械科学研究院;250100 山东省济南市山东省农业机械科学研究院【正文语种】中文【中图分类】TH1220 引言平模颗粒机主要适用于粗纤维造粒，在利用农作物秸秆制作生物质成型燃料和畜禽颗粒饲料以及有机肥、复混肥造粒等领域具有非常广泛的应用[1]。

目前，国外颗粒设备制造已经比较规范，如德国SALMATEC公司的MAXIMA颗粒机，奥地利ANDRITZ公司的Feed﹠Biofuel系列颗粒机，都已实现了模块化设计、自动化控制，可以适应多种原料，生产率高达30 t/h，压辊可以快速、简单、准确地滚动调整[2]，但成本较高，同等生产能力的设备是国内的5～10倍[3]。

磨辊式成型机分为环模和平模成型机[4]，国内发展成熟的成型机产品主要是环模颗粒机，如牧羊、正昌等国内知名品牌的系列环模颗粒机，国内平模颗粒机产量普遍偏低，一般不超过0.5 t/h[5]，且压力小，压辊和平模磨损较快，配件拆装繁琐，维护成本高，适合农村居民小规模应用。

目前国内平模颗粒机发展趋势是大产量、低能耗、提高颗粒料外观质量、提高压辊和平模使用寿命。

SKJ500型颗粒机是在研究国内外平模颗粒机基础上，结合国内平模颗粒机缺点和发展趋势进行研发设计的，属于动模直辊式平模颗粒机[3]，该机生产率高、高效节能、压辊和平模使用寿命长，对原料水分适应性强，原料含水率可在15%～25%之间，适合中小型饲料加工厂、养殖场及有机肥厂使用。

1 结构及工作原理结构：SKJ500型平模颗粒机主要由制粒机构、传动机构和润滑系统等组成，见图1。

制粒机构主要由压辊、平模、切刀、出料盘、锁紧螺母、压盖、大螺母等组成,其中锁紧螺母、压盖和大螺母用来调整平模和压辊之间的间隙。

传动机构主要由电机、联轴器、小锥齿轮、大锥齿轮、轴套、主轴、固定底座等组成。

润滑系统主要由电泵、减速箱箱体等组成。

工作原理：SKJ500型颗粒机的压辊位置固定，压辊随辊轴自转；平模随轴套转动。

在摩擦力的作用下，压辊自转。

在平模和压辊的强烈挤压作用下，物料被逐渐压实，被挤入平模模孔中，并在模孔中不断受到后挤入物料的压力，进而穿出模孔，挤出成型。

被挤出模孔的成型物料由切刀切割成一定长度的颗粒，最后从出料盘甩出。

图1 SKJ500平模颗粒机结构示意图Fig.1 Structure diagram of flat-die granulator更换不同孔径的平模，可压制不同直径的成型物料。

针对不同物料，可以通过调节压辊与平模之间的间隙，从而调整挤压力的大小。

平模颗粒机无需配备加热装置，靠工作过程中挤压、摩擦产生的热能使物料温度升高，软化，进而形成符合要求的成型物料。

SKJ500平模颗粒机设计生产颗粒长度 20～60 mm，颗粒直径φ2～φ10，生产率 1.5～2 t/h，配套动力37 kW，整机质量1.6 t。

实验发现，当原料含水率为16%，出料颗粒φ6 mm，长50 mm时，该机与同类型代表性产品比较（如山东宇龙SKJ3-350A型平模颗粒机、章丘华翔SKJ420型平模颗粒机），其吨料电耗分别是55 kW·h/t、62 kW·h/t、65 kW·h/t，明显提高了能量转化和利用效率，具有节能高效的优点。

2 关键零部件的设计平模颗粒机的关键零部件有平模、压辊、传动机构以及润滑系统。

2.1 平模的设计平模直径500 mm，厚度25 mm。

常见的模孔主要有直形孔、阶梯形孔、外锥形孔和内锥形孔等，SKJ500型平模颗粒机选用直形孔结构，见图2。

模孔压缩比是指模孔的有效长度和模孔的最小直径的比值，它是反映颗粒挤压强度的一个指标。

压缩比越大，挤出的颗粒越结实[6]。

该机型设计的颗粒直径为5 mm，选用压缩比为5。

图2 常见模孔形式Fig.2 Common die orifice type平模开孔率是指平模模孔总面积和平模有效总面积的比值，在考虑平模有足够强度的条件下，尽量提高开孔率，平模表面上的开孔率为20%～30%，一般按等边三角形布孔[7]，见图3。

图3 等边三角形布孔Fig.3 Equilateral triangle arrangement of holes在设计时，将平模设计成对称结构，一面磨损，反装后另一面也可以工作，可有效降低平模的维护成本。

作为颗粒机的核心原件，市场上销售的平模，最常见的问题就是破裂、颗粒产量低、出粉率高、寿命短。

国内常用材料多为普通碳钢与合金钢，普通碳钢质量较差，合金钢中以40Cr较为常见。

但是，40Cr作为优质合金钢，无论从机械性能还是热处理后的硬度层上，都无法保证平模在高温挤压的过程中的耐磨度，因此，本机的平模材料选用42CrMo超高强度钢，该材料强度和韧性都很好，热处理后硬度层深度可以达到2 mm，硬度为HRC54～HRC56，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。

该平模盘生产木屑颗粒时，单面使用寿命介于500～600 h之间，生产动物饲料时，单面使用寿命可以达到700 h，比一般材料平模使用寿命提高一倍。

极大地提高了生产效率，同时降低了使用和维护成本。

2.2 压辊的总体设计压辊是主要易损件，其寿命长短直接影响到颗粒物料的质量和生产成本[8]，因此，合理设计并提高压辊的使用寿命有重要意义。

颗粒机在造粒过程中，要求压辊与平模之间保持一定的间隙，一方面使物料进入模孔，一方面避免压辊与平模直接接触[9]。

该间隙随物料类型不同而变化，一般在0.15 mm左右。

本设计选择直辊压辊，材料为20CrMnTi，表面渗碳，硬度HRC52～HRC54；辊轴材料 40Cr，调质处理，表面硬度为HB320。

目前市场上常用压辊材料是20Cr，还有27SiMn或Cr12MoV等。

与以上材料相比，20CrMnTi渗透性好，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的冲击韧性，可承受中或重载荷及冲击摩擦，可提高压辊使用寿命一倍以上。

为使机器产能达到设计要求，通过理论计算确定压辊直径为210 mm，压辊数量为4个。

平模旋转一周，物料受到4次挤压作用，提高了对物料的挤压力，同时增加成品压实度和生产效率。

压辊和辊轴装配见图4。

图4 辊轴和压辊装配图Fig.4 Assembly diagram of press roller and roll shaft 2.3 传动机构的设计SKJ500平模颗粒机是动模式造粒，平模转动。

压辊位置不变，只围绕辊轴自转。

动力通过电机和联轴器传递给锥齿轮换向减速器，减速后的动力传递给套在主轴外面的轴套，轴套带动平模转动。

主轴不转，主轴一端通过固定底座固定，另一端和辊轴连接，从而实现压辊的位置固定，压辊只随辊轴自转。

传动结构见图5。

图5 传动机构简图Fig.5 Structure diagram of transmission mechanism传动机构中，电机选用西门子37 kW的6级电机，转速982 r/min，锥齿轮减速比6.5，轴套转速140 r/min。

2.4 润滑系统的设计SKJ500平模颗粒机各转动部件和轴承处都加注了润滑油或润滑脂，并安装油嘴。

此外，锥齿轮减速箱安装了一套齿轮油体外循环装置，在电泵的作用下，齿轮油被从减速箱底部抽出，经过电泵循环后回流进入减速箱，回流的齿轮油被喷射在大锥齿轮工作端面上。

通过减速箱齿轮油的体外循环，一方面可降低齿轮油温升，另一方面提高了传动锥齿轮的润滑效果。

3 SKJ500平模颗粒机的三维建模和装配利用SolidWorks软件创建颗粒机各零部件模型，并装配成整机。

利用软件模块检验各零部件的尺寸、强度等设计参数，并进行运动算例以检验整机装配情况。

根据得到的参数，修改完善相对应零部件的设计参数。

整机装配见图6。

图6 SKJ500平模颗粒机装配图Fig.6 Assembly diagram of flat-die granulator 4 结论平模颗粒机非常适用于粗纤维、大压力的干法造粒，对物料水分要求不高。

（1）SKJ500型平模颗粒机采用动模式挤压造粒原理并选用西门子电机，与市场上代表性平模颗粒机相比，降低了吨料电耗，提高了生产效率；（2）压辊和平模是易损件，二者材料和热处理工艺的合理选择及平模两个端面的对称设计，有效提高了压辊和平模的使用寿命。

（3）减速箱润滑油体外循环的设计，既减少了润滑油使用量，提高了润滑效果，还有效降低了润滑油温升。

（4）利用SolidWorks软件进行辅助设计，建立三维模型并装配整机进行分析，降低了设计成本，提高了设计的可靠性。

参考文献【相关文献】[1] 陈义厚，周思柱.三锥辊式平模颗粒机的设计与研究[J].机械设计与制造，2007（11）：126-128.[2] 刘胜勇，陈开碇，张百良.国内外生物质成型燃料及燃烧设备研究与开发现状[J].可再生能源，2008(4):14-16.[3] 庞利沙，田宜水，侯书林，等.生物质颗粒成型设备发展现状与展望[J].农机化研究，2012（9）：237-240.[4] 姚宗路，田宜水，孟海波，等.生物质固体成型燃料加工生产线及配套设备[J].农业工程学报，2010,26(9)：280-285.[5] 霍丽丽，赵立欣，侯书林，等.生物质固体成型燃料技术及设备研究进展[J].安全与环境学报，2009,9(6):27-30.[6] 朱海涛.生物质燃料颗粒成型机的研究与试验[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.[7] 景果仙.生物质燃料平模成型机设计理论及仿真研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2010.[8] 黎粤华，王述样.生物质燃料平模固化成型机压辊特性分析[J].机电产品开发与创新，2009，22（6）：47-49.[9] Lee G，Kwak D，Kim S.Analysis and design of flat-die hot extrusion process-1:three-dimensional finite element analysis[J].International Journal of MechanicalSciences,2002,44(5):915-934.。