叶片式双轴破碎机在膨化饲料加工中的设计应用

■邓方贞 罗细芽 舒 娟

（1.江西机电职业技术学院，江西南昌330000；2.江西省农业机械化技术推广监测站，江西南昌330000）

随着饲料工业的快速发展，膨化饲料技术已成为生产各类高品质饲料的重要技术，快速应用于各种饲料原料、畜禽饲料、水产饲料和宠物饲料的加工[1]。目前，畜牧养殖业中的高档饲料生产基本上都采用了膨化技术，膨化玉米就是高档猪饲料主要原料之一。利用膨化饲料技术，能提高玉米的能量水平，增强蛋白质的消化率，改善适口性，能够显著提高动物日增重，改善饲料转化率，能够使早期断奶仔猪日增重提高8%、日采食量提高6.93%，当膨化玉米添加量为60%时仔猪的生长性能和消化率最佳。同时，玉米经膨化后易膨胀粘结成块状，流动性差，容易堵塞后续设备，影响膨化饲料生产的正常进行。为此，本文将基于SolidWorks三维软件设计一台叶片式双轴破碎机，完成块状膨化玉米的破碎工作，保障玉米膨化生产的顺利进行。

1 膨化玉米生产技术

玉米经膨化后具有疏松多孔、结构均匀、质地柔软并且提高了淀粉糊化度等特点，不仅色、香、味俱佳，且提高了营养价值和消化率，尤其能很好的改善幼畜断奶应激问题。因此，膨化玉米作为原料，生产高档猪饲料[2]，是促进乳仔猪生长的有效途径。膨化玉米的生产工艺流程如图1所示：玉米经粉碎后存放在料仓1，玉米原料通过喂料器2进入调质器3调质预热，然后进入膨化机4，在膨化机中经过高温、高压、高剪切作用，玉米原料发生变化，由粉状变成糊状，淀粉糊化，再由几十个大气压的膨化腔挤压排出，压强骤然降低至一个大气压，水分迅速变成过热蒸汽而增大体积，使物料体积迅速膨胀，水蒸气进一步蒸发逸散使冷却的胶状物料中留下许多的微孔而定型。胶状多孔的膨化玉米进入冷却器5冷却后进入后续加工工艺继续加工成高档猪料。

胶状多孔的膨化玉米一般以块状形式存在，在实际生产中这些块状的膨化玉米由于流动性差，往往是缓慢通过冷却器溜管，导致大量块状膨化玉米摊铺在膨化机出口下方地面上（见图2），要通过人工铲撬方式辅助加快其物料的流动，这样不仅增大人工劳动强度，有时也会造成溜管堵塞而逼迫中断膨化生产。为了解决此类问题，在膨化机和冷却器之间设计放置一台叶片式双轴破碎机[3-4]，通过此破碎机的应用，很好地解决膨化玉米流动性差的问题。

图1 膨化料生产工艺流程

图2 膨化玉米现场

2 叶片式双轴破碎机SolidWorks三维设计

2.1 SolidWorks介绍

SolidWorks软件[5]是基于Windows开发的三维CAD系统，具有三维图建模设计、工程图设计、运动仿真等功能，能够为产品设计提供优良的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。通过运动仿真及运动分析等功能，可以实现产品在虚拟环境下[6]，模拟真实的工作环境，使得产品设计更可靠。同时，通过三维模型简单快速完成二维加工图纸设计，实现与数控机床加工的直接对接，不仅提高了加工质量，也大大减少了设计及加工成本。本文将借助Solid⁃Works的强大设计、仿真、分析等功能，完成叶片式双轴破碎机的设计。

2.2 SolidWorks三维建模设计

叶片式双轴破碎机（如图3）三维建模设计，主要应用SolidWorks软件完成叶片、双轴、叶片隔套、箱体、皮带轮等各个零部件的三维设计，以及完成电机、轴承及标准件在设计库选用。完成零部件设计后，对各零部件进行装备，从而完成叶片式双轴破碎机的三维建模。在三维模型中，其主要工作零部件是叶片，两排数量相同叶片通过叶片隔套固定间隔相向地安装在两根轴上，两个电机分别带动两根轴在箱体中进行相向（图4）转动。物料通过入口先进入叶片1-1'位置，叶片通过电机相向转动将物料传送到2-2'位置，同时叶片之间的间隙减小而对物料产生剪切力，从而使物料破碎，物料剪切破碎后继续传送到3-3'位置后排出。

叶片是主要受剪切力工作部件，属于易磨损件，为了增加其强度，生产加工中要对其进行热处理，以保证其在生产中强度要求。

图3 叶片式双轴破碎机三维装配图

图4 叶片式双轴破碎机侧面剖视图

2.3 SolidWorks运动仿真及运动分析

完成叶片式双轴破碎机三维建模设计后，为了分析三维模型的可靠性，通过应用SolidWorks运动仿真[7-8]，模拟叶片式双轴破碎机现实过程中的运动状态，对其三维模型结构干涉情况及运动情况进行分析，实现三维模型在运动过程中的合理可靠性，确保产品的工作性能。

叶片式双轴破碎机，在工作过程中，主要通过叶片的相向运动而破碎块状膨化玉米。为此，叶片以及带动叶片运动的双轴是主要工作部件，运动分析中，要对其应力进行分析，以便在对其热处理生产加工中提供依据。叶片及双轴的应力分析如下：

①叶片的应力分析

叶片在工作过程是主要的受力体，叶片旋转过程中受正面块状膨化玉米的撞击力和两侧面的挤压摩擦力。通过SolidWorks Simulation应力分析，按照叶片受力情况做好受力定义，并通过模拟运算，得到应力分析运算结果（见图5）。由受力应力分析图可以知道，叶片在外力作用下容易发生变形，为此，在破碎机设计过程中，为解决叶片受力变形问题要对叶片进行相应的热处理，以保证其在破碎工作中受力强度下不变形，顺利完成其破碎工作。

图5 叶片受力应力分析图

②轴的应力分析

轴在运动过程中受电机驱动扭矩和叶片工作的反向扭矩，通过SolidWorks Simulation应力分析，其应力分析结果（见图6）符合设计要求。

图6 轴的应力分析

③叶片式双轴破碎机运动仿真分析

叶片式双轴破碎机三维模型装配完后根据实际工作状态要进行SolidWorks Motion运动仿真，将双电机定义成驱动电机，并设定一定转速，定义好双电机、皮带、轴承、轴、叶片的运动关系。各运动关系定义好后进行运算仿真，通过运动仿真后可以得到叶片式双轴破碎机整体运动状态是否运动合理性进行检验并通过设计更正，整体运动没有问题后，通过运动仿真可以得到驱动电机的角力矩图（见图7），通过角力矩图可以看到，叶片式双轴破碎机在刚启动时，角力矩上下振动大，过几秒后趋于平稳，这也符合叶片式双轴破碎机实际启动时运动规律。

3 叶片式双轴破碎机在膨化玉米加工中的应用

图7 角力矩图

叶片式双轴破碎机设计完成并生产加工后，将其安装在膨化机和冷却器之间（见图8），破碎机出口可以直接和冷却器入口连接，破碎机入口通过溜板与膨化机下料位置楼面口连接。在应用中，块状的膨化玉米经过溜板进入叶片式双轴破碎机，在叶片作用下剪切破碎成均匀细小的颗粒。均匀细小的膨化玉米颗粒不仅完成了初步的破碎工作，减少了后续粉碎工作量，也增加其自身的流动性，避免冷却后后续输送设备容易堵塞现象。同时，由于破碎机工作，叶片式双轴向冷却器方向旋转，对膨化机下料位置楼面下料口到破碎机入口溜板产生一定的吸力作用，这样通过吸力很好地增加了块状膨化玉米流动性，避免大量块状膨化玉米堆积楼面的情况，促进膨化玉米生产工作顺利进行。

图8 增加破碎机后的膨化工艺流程

4 小结

本文通过应用SolidWorks三维建模设计及运动仿真，实现了叶片式双轴破碎机的3D动态模拟设计，使其结构优化，产品性能可靠。该破碎机通过在膨化玉米生产中的应用，对膨化生产出的块状膨化玉米进行破碎工作，很好地解决了由于块状膨化玉米所带来的流动性差、易产生设备输送堵塞等问题，为膨化玉米生产顺利进行提供很好的解决方案。