第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

我国是一个农业大国，有着丰富的生物质资源，如：秸秆、粮食等。由于大部分生物质原料在开发利用前都需要进行碾碎加工处理，以便作进一步加工利用。

碾碎技术在食品、药品方面得到广泛应用。食品超微碾碎技术的应用是食品加工业的一种新尝试，美国、日本市售的果味凉茶、冻干水果碾、超低温速冻龟鳖碾等都是应用超微碾碎技术加工而成的"超微碾碎食品可作为食品原料添加到糕点、糖果、果冻、果酱、冰淇淋、酸奶等多种食品中，增加食品的营养，增进食品的色香味，改善食品的品质，丰富食品的品种。鉴于超微碾食品的溶解性、吸附性、分散性好，容易消化吸收，故可作为减肥食品、糖尿病人专用食品、中老年食品、保健食品、强化食品和特殊营养食品。各行各业的碾碎工艺研究促进碾碎机械机构学的发展。

当前大多数是使用传统的碾碎机对其进行加工；而国外的加工机械也只是处于初级阶段。虽然，目前市场上已经生产出几种立式和卧式无筛碾碎机，其中立式无筛碾碎机有：AMC型无筛碾碎机、ZPS型微碾碎机和国产立式碾碎机；而卧式无筛碾碎机有：日本生产的卧式多级微碾碎机、美国生产的卧式单级微碾碎机和卧式无筛双转子锤片碾碎机。这些碾碎机虽有生产率高、能耗低、调节操作方便等优点，但由于各类型的碾碎机结构较为复杂，且采用多级电动机带动工作，使得成本较高且为微碾碎，

中国工业化的超细碾碎与精细分级技术的发展及设备的制造始于20世纪70年代末和80年代初。迄今为止,中国超细碾碎技术与设备的发展大体上经历了3个阶段:从80年代初至80年代中期以引进国外技术和设备为主,期间国内的超细碾碎技术、设备制造和工艺刚刚起步,许多方面还基本上是空白;80年代中期至90年代中期是引进国外技术、设备与国内仿制、开发同步进行的时期,我国的主要超细碾碎和分级设备研发机构和制造厂商基本上是在这一阶段发展和形成的;90年代中期以后,进入了自主开发和制造为主、引进为辅的阶段,期间建立的超细碾体加工厂大多采用国产技术和设备。从1995年至今,我国超细碾碎与精细分级技术及设备取得了明显的进展,具有自主知识产权或发明专利的超细碾碎技术和设备的数量较前10年显著增加。这一进展主要体现在设备的处理能力、耐磨性、工艺配套和自动控制等综合性能以及超细碾体的生产能力、产品质量、单位产品能耗等方面。

食品、饲料、纸张工业上常用碾碎机有锤片式和盘片式。这两种碾碎机都是靠锤片或盘片与物料冲击或碰撞来实现碾碎，存在锤片和盘片磨损问题，适合用来处理硬度不太大的物料。这类碾碎机具有碾碎功率大，应用范围广，占地小，易实现连续闭路碾碎。因此在市场上具有较高的占有率。

本课题根据目前市面上使用的碾碎机传统结构，利用机电、机械设计知识，创新设计一种可根据碾碎需要和不同材料碾碎程度、大范围自行调节碾碎精度的碾碎机，实现纸张、秸秆、粮食等材料不同规格碎粒的碾碎。

由于这两种碾碎机适合于不同类型的物料，又具有各自的优点。对此，本设计设计出一种适用范围广、价格便宜、性能优良、能被普通小型用户适用的多功能碾碎机具有重要意义。

1.2我国粉碎机碾碎机技术现状

中国工业化的超细粉碎与精细分级技术的发展及设备的制造始于20世纪70年代末和80年代初。迄今为止,中国超细粉碎技术与设备的发展大体上经历了3个阶段:从80年代初至80年代中期以引进国外技术和设备为主,期间国内的超细粉碎技术、设备制造和工艺刚刚起步,许多方面还基本上是空白;80年代中期至90年代中期是引进国外技术、设备与国内仿制、开发同步进行的时期,我国的主要超细粉碎和分级设备研发机构和制造厂商基本上是在这一阶段发展和形成的;90年代中期以后,进入了自主开发和制造为主、引进为辅的阶段,期间建立的超细粉体加工厂大多采用国产技术和设备。从1995年至今,我国超细粉碎与精细分级技术及设备取得了明显的进展,具有自主知识产权或发明专利的超细粉碎技术和设备的数量较前10年显著增加。这一进展主要体现在设备的处理能力、耐磨性、工艺配套和自动控制等综合性能以及超细粉体的生产能力、产品质量、单位产品能耗等方面。

国内外对粉碎技术、碾碎技术展开的研究，主要集中在粉碎理论、物料环流层、粉碎机设计理论和粉碎机性能影响因素几个方面。

1.在粉碎理论方面：

传统上学者一直认为物料进入粉碎室后受到锤片的正面冲击，受冲击的物料撞向齿板或筛片，然后反弹到锤片上，多次重复此过程。同时物料被旋转的锤片和固定的筛片摩擦粉碎。前西德的Friedrich教授利用高速摄影首次证实了物料进入粉碎室后受到的是偏心冲击而不是传统上认为的正面冲击。

中国农机院通过实验得出了粉碎机比功率及粉碎物料的几何平均值之间的关系；此外还得出粉碎机度电产量与筛孔直径的关系。

2. 物料环流层：

为了破坏环流层，近年来出现了水滴形粉碎机。水滴型粉碎机是将普通锤片粉碎机的粉碎室从圆形变为了水滴形，这样既增大了粉碎室筛板的有效筛理面积，又能破坏物料在粉碎室形成环流，有利于粉碎后物料排出粉碎室，粉碎效率有所提高。另外水滴型粉碎机有主粉碎室和再粉碎室，物料在粉碎室内可形成二次打击，同一台粉碎机就能实现粗、细、微细3种粉碎形式。但这种粉碎机体积较大、制造复杂、成本较高，适合于综合性饲料厂使用。

粉碎室有圆形和水滴形之分，粉碎室为圆形时，容易形成环流层，不利于出料，而粉碎室为水滴形时较易破坏环流层。内蒙古农业大学的刘文广、刘伟峰研究使用异型筛（非圆形）破坏环流层、提高效率，原理与使用水滴形或椭圆形粉碎室一样，但仍存在筛片磨损的问题。

3.粉碎机设计理论

孙红彬等研究了立式粉碎机的工作原理及结构，对立式粉碎机的结构设计做了阐述，包括喂料装置、下料叉管等。张乾能、宗力利用UG NX的三维建模功能，建立粉碎机的三维模型。同时，用UGNX的模型分析和运动仿真模块，对粉碎机进行分析，提高了设计的可靠性，并对锤片进行了有限元分析，找出了锤片的危险截面。黄石市饲料公司的徐新武对饲料粉碎机的吸风系统进行设计与研究，通过生产实践证明产量比原来提高73%，粉碎机无灰尘外溢现象，排料口吸风罩运转正常，粉碎机温度低，电机负荷小。

4.粉碎机性能影响因素

天津理工学院的董坚挺等建立了锤片式粉碎机转子组振动的力学模型及数学模型,分析了其固有频率及在额定转速下的振幅与其它参数的关系,为锤片式粉碎机在设计、制造、安装3个环节减少设备振动提供理论依据。

1.3课题研究要求

该粉碎机主要是用于对纸张、秸秆、粮食等材料不同规格碎粒的碾碎加工，对其具有以下要求:

（1）对加工纸张、秸秆、粮食等的适应性广，对含水量较大、纤维较长的粗塑料也应具有较好的适应性。

（2）粉碎程度应能够根据要求进行大范围调整，粉碎粒度应尽量均匀。

（3）配套动力合理能耗低。

（4）结构简单、操作方便、不需要较大的技术要求。

（5）工作部件耐磨性好，减少更换次数，以降低生产成本，提高经济效益。

（6）噪音低、粉尘少、以减少环境污染。

（7）机型结构简单、尺寸紧凑、体积小、占地少、成本低、以适合广大工业的生产。

第二章 传动方案拟定

2.1设计要求及参数

该粉碎机主要是用于对纸张、秸秆、粮食等材料不同规格碎粒的碾碎加工，对其具有以下要求:

转子转速要求为3200r/min（粉碎机一般n在3000转以上）

所设计的碾碎机机应满足以下几个方面产品要求：

     1、具有预定功能的要求  所设计制造的碾碎机必须实现预定的解决生产问题的功能，这是机器设计的最基本出发点。为使所设计的机器具有预定功能，合理选择机器的工作原理是最重要的。显然，预定实现的功能不同，设计的要求也不同。

本碾碎机具有如下预设功能：

（1）对加工纸张、秸秆、粮食等的适应性广，对含水量较大、纤维较长的粗塑料也应具有较好的适应性。

（2）粉碎程度应能够根据要求进行大范围调整，粉碎粒度应尽量均匀。

（3）配套动力合理能耗低。

（4）结构简单、操作方便、不需要较大的技术要求。

（5）工作部件耐磨性好，减少更换次数，以降低生产成本，提高经济效益。

（6）噪音低、粉尘少、以减少环境污染。

（7）机型结构简单、尺寸紧凑、体积小、占地少、成本低、以适合广大工业的生产。

    2、经济性要求，机器的经济性是一个综合指标，在切片机的设计、制造、使用、销售、维修、管理等各个环节均有所体现。总之，经济性要求就是在满足功能要求的前提下使解救人质机的总费用最低。

    3、安全性要求，在碾碎机的设计阶段就必须对机器的使用安全予以足够的重视。特别是生产使用者的安全。因此，要采用各种各样的防护措施，使运行时刀具不会与人体直接接触

     4、可靠性要求，可靠性就是碾碎机在使用中性能的稳定性，它是碾碎机的一个重要质量指标。可靠性水平越高，说明机器在使用过程中发生故障的概率越小，能正常工作的时间就越长。

     5、操作使用方便的要求，在设计碾碎机时必须注意操作时要轻便省力；操作机构要适应人的生理条件；切片机的噪声要小；防止污染等，提高机器的使用性能和保证机器的工作质量。

2.2 多功能碾碎方案拟定

传动方案一如图2-1，传动方案原动件为电机，传动件为带轮和圆柱齿轮，齿轮带动固定带齿旋转辊子转动，固定辊子上的锥形齿与可滑动档板上的锥形齿交互咬合，从而实现纸张，秸杆，粮食的碾碎。通过如图所示的手柄旋转丝杠，可以调节滑动档板与辊子的距离，从而实现调节咬合齿之间的间隙，达到碾碎机的可调节要求。

图2-1 传动方案一

传动方案二如图2-2，传动方案原动件为电机，传动件为带轮和圆柱齿轮，齿轮带动固定带齿旋转辊子转动，固定辊子上的锥形齿与可调辊子的锥形齿交互咬合，可调辊子与固定辊子相向转动，由带轮带动，从而实现纸张，秸杆，粮食的碾碎。通过如图所示的手柄旋转丝杠，可以调节可调辊子与固定辊子的距离，从而实现调节咬合齿之间的间隙，达到粉碎机的可调节要求。

图2-1 传动方案二

比较方案一与方案二，传动系统中都采用了带轮传动，能够在碾碎过程中具有过载保护功能。方案一结构简单，生产制造方便，使用操作方便简单，生产成本更低。方案二比方案一结构要复杂，调节间距的时候，方案二要调整张紧轮和手柄，使用操作比方案一复杂，生产成本也更高。因此，本课题选用方案一更为合理。