含能粉末造粒系統設計

謝曙釗，王寧，區漢東，白旭晶，焦侃，胥會祥，胡志新

（1.長安大學工程機械學院，西安 710065；2.西安近代化學研究所，西安 710065）

0 引言

隨著人類對太空探索、衛星發射等任務增多，含能材料的需求量逐年增大。在軍工行業，隨著精確制導武器對推進劑的含能量提出更高要求，團聚造粒成為一大研究方向。我國在造粒成球設備方面存在產能較低、類型覆蓋不足等問題，需要在塑料造粒和擠出成型設備方面加強自主創新。現如今國際安全形勢嚴峻，國防建設的步伐逐步加快，這使得含能材料制造工業要尋求更高效、安全的生產方式。然而，國內含能材料雙螺桿擠出工藝安全技術和安全控制技術與國外存在較大的差距。本課題基于國內含能材料顆粒制造的技術需求，對含能材料造粒系統進行研究設計。

1 設計內容

本設計主要針對粒度為200～2000 μm的顆粒，從造粒方法的選擇、造粒系統的雙螺桿系統和造粒系統的拋圓系統三方面進行設計，通過應用機電一體化技術、機械設計、擠壓造粒方法及轉盤造粒方法等技術來研制具備高效及安全可靠的造粒系統。

2 粉末造粒方法的選擇

團聚造粒是在造粒過程中，在物料的表面按一定規律噴射霧化的黏結劑，粉末微粒在毛細管力和液橋的共同作用下團聚在一起形成微核，團聚的微核在容器低速轉動所產生的滾動和摩擦沖擊力的作用下，不斷地在粉料層中回轉、長大，最后形成具有一定大小的球形顆粒[1]。其造粒過程如圖1所示。

圖1 團聚造粒過程

目前，常用的造粒方法，根據其造粒機理可以分為團聚造粒法、流化造粒法、擠壓造粒法、擠出造粒法、破碎造粒法、熔融造粒法和噴霧造粒法等。

上述方法中，擠出造粒法所制造的顆粒具有密度高、顆粒粒度合適、成球率高等優點，性能最接近本設計任務的要求，但是顆粒的球形度較差，因而流動性差，不能完全符合成品顆粒的技術要求，如果可以解決球形度的問題，則此方案應為首選的設計方案。通過網上調研、討論和設計參考，認為采用拋圓方式擠出造粒法是一種較為妥善的處理方式，此方法制造顆粒的球形度可以完全滿足設計要求。

針對雙螺桿擠出造粒球形度差和需要干燥的缺點，運用連續造粒的方法，在后續的造粒工序中加入轉盤造粒方法，由顆粒碰撞機理，轉盤造粒能夠改變顆粒的物理性能，進而產出球形度好的顆粒。運用雙螺桿擠出的微粒具備密度大、強度大、耐壓性好、粒度分布集中、成本低等優點，最終實現200～2000 μm的顆粒預制[2]。

3 雙螺桿造粒系統的設計

如圖2所示，雙螺桿造粒系統主要由螺桿單元、螺桿機筒、傳動系統及輔助元件構成。

圖2 雙螺桿擠出造粒機

造粒的整個過程為人工添加原料粉末，系統可以自動進行輸送和捏合加工。首先通過料倉向雙螺桿造粒機中加入粉末原料，在雙螺桿造粒機中，系統自動地根據設置的參數進行轉速和加水量的匹配，成品顆粒落入收集袋中，用以進行下一步拋圓整形工作。

1）雙螺桿整體設計。從雙螺桿的主要結構組成可以看出，雙螺桿造粒機最主要的部件是螺桿機構，其作用是將粉末原料制造成為所需的顆粒。螺桿組合是雙螺桿擠出工藝制定的關鍵，本螺桿設置為強剪切組合，具有兩個捏合區域。螺桿的元件配置如圖3所示。

圖3 螺桿配置

區域1為喂料段，該段采用導程為30 mm的螺紋元件，能夠增大喂料的速度、避免物料阻塞。區域2為增壓段，由于后續區域3中捏合元件的存在，增加了機筒內部物料流向的阻力，在此段中應用導程為15 mm的螺紋元件，能夠壓縮物料并防止物料阻塞在捏合塊。區域3為捏合段，使用捏合塊為60°/5/32。區域4為降壓段，該段采用導程為30 mm的螺紋元件，該段壓力隨著空間充滿度的降低而降低，與前段形成壓力降，保證物料順利通過捏合區，實現正向輸送。區域5、區域6同理。區域7的小導程段中物料充滿度上升，用于增加出粒阻力以實現增加物料在機筒內的時間，達到充分造粒的目的。

螺桿的整體設計首先是確定長徑比，長徑比L/Db指的是螺桿的有效長度L和螺桿直徑D之比，長徑比是螺桿造粒性能的一個主要參數。長徑比的值一般為14～22之間。對于以剪切、輸送為主要作用的螺紋元件，長徑比選擇為中等的值，本系統選擇長徑比的值為17。

螺桿軸芯材料使用42CrMo，并進行調質處理，處理后表面硬度為255～286 HB。螺紋輸送元件和捏合元件材料為6542鋼材，該鋼材為鎢鉬系通用型高速鋼，適用于制造承受沖擊力較大的刀具或高負荷下的磨損零件等。

2）螺桿軸芯設計。軸芯設計如圖4所示。

圖4 軸芯尺寸

軸芯采用齒形花鍵傳遞系統轉矩，與其他形式的軸芯相比，在相同螺桿直徑的條件下，花鍵軸芯的橫截面積和抗扭模量較大，因此可以承受更大的轉矩。輸送元件和捏合元件的內孔也是花鍵式的，元件之間的錯列角能夠調整并定位，以及能夠保證各元件之間的同軸度。

雙螺桿造粒過程中軸芯主要受到扭轉作用和彎矩作用，根據材料力學的強度理論校核的相關知識可得，彎扭組合條件下，應用第四強度理論公式對螺桿進行強度校核。螺桿強度滿足：

式中：Fz為單根螺桿的推力；D0為螺桿軸芯的內徑；Mz為單根螺桿所受到的轉矩；σs為螺桿軸芯材料的屈服應力。

雙螺桿造粒機中的螺桿所受到的軸向力及轉矩的計算較為困難，其軸向力和轉矩一般通過實驗來測定，并沒有使用確定的理論計算公式進行計算[3]。趙秀英[4]對螺桿元件不同參數條件下的螺桿元件的受力和變形狀態進行了研究。王平等[5]對物料和料塞等條件作了一定假設，建立雙螺桿的擠壓模型，最終給出修正后的軸向力和轉矩計算公式。

軸向力計算公式為2

式中：g為形成料塞反向螺旋的有效導程數；p為機筒內的壓力；KF、KM分別為考慮進料大螺距段、物料充滿度和捏合區作用單根螺桿實際軸向推力和轉矩的修正系數，采用手工加料的方式得到的修正系數KF=0.65，KM=0.5；W為螺槽平均寬度；Db為螺桿外徑；T為螺桿導程；fb為物料與機筒的摩擦因數；D為螺桿的平均直徑；H為螺槽深度；α為平均螺紋升角（螺旋角）；n為螺桿轉速。

將相關參數代入式（2）、式（3）、式（4）中，取fb=0.63，計算出螺桿的軸向推力Fz=1230 N，螺桿的轉矩Mz=35 N·m，功耗Pc=1.1 kW。

將螺桿軸芯模型導入Workbench軟件中，通過設定單元屬性、網格劃分、載荷及邊界條件的施加與求解，完成軸芯的強度校核，結果如圖5所示。

從圖5（a）可知，螺桿軸芯最大應變出現在軸芯的動力輸入端，大小為0.122 79 mm。主要由于軸芯的輸入端為懸臂梁結構，受到同步帶的拉力和傳動機構的轉矩作用。相對于軸芯來說，最大位移量在其可承受的范圍之內，軸芯滿足設計要求。從圖5（b）可知，螺桿軸芯的最大應力出現在軸肩靠近動力輸入段處，大小為173.43 MPa。出現最大應力的單元體受到彎矩和軸向推力引起的拉和壓應力及轉矩引起的剪切應力。主要由于靠近軸芯的階梯位置，形狀變化量大。軸芯的材料為42CrMo，并進行調質處理，許用應力為310 MPa軸芯所受的最大應力，故軸芯的強度滿足設計要求。

圖5 軸芯等效位移和應力云圖

4 拋圓整形系統的機械機構設計及分析

拋圓整形系統由拋圓整形機、計量加料裝置、超聲波旋振篩和抽風除塵裝置組成，如圖6所示。整個拋圓整形過程為在人工加料后，系統可實現拋圓、篩分過程的連續化、自動化生產。首先通過計量加料裝置向拋圓整形機中完成定量加料，預制顆粒拋圓后再通過出料口至自動篩分機以實現合格品與不合格品的分離，合格品裝袋后待進入后續工序，而不合格品以及所收集的粉塵重新進行雙螺桿擠出造粒，在整個過程中粉塵除塵裝置一直處于工作狀態，保證工作區的無塵狀態。

圖6 拋圓整形系統

1）拋圓整形機。拋圓整形系統運用圓盤造粒方法進行顆粒制造，如圖7所示，拋圓整形機主要由蓋板、殼體、轉盤、刮片、電動機及顆粒收集器等組成。人工將預制顆粒通過計量加料裝置加入到拋圓整形機，首先風機啟動，再啟動拋圓防爆變頻電動機，驅動底部轉盤做旋轉運動，預制顆粒在離心力、重力和風力的共同作用下，在拋圓腔內旋轉相互摩擦、碰撞，產生塑性變形或屈服損傷變形，以提高顆粒球形度。當運行指定時間后拋圓完成，調節除塵器風機轉速，降低風速，啟動出料口開合氣缸，打開出料口，顆粒通過出料口進入超聲波旋振篩，出料完成后，關閉出料口。通過電動機帶動刮片轉動對殼體內壁進行自動清理，殘余顆粒亦經過出料口進入篩分機。此外，由于轉盤與殼體內壁之間存在縫隙（用于進風），部分細小顆粒掉入轉盤下部，可以利用轉盤底部凸起塊直接將其撥至收集器。

圖7 拋圓整形機結構

2）計量加料裝置。如圖8所示，計量加料裝置與拋圓整形機通過柔性伸縮管連接并組為一體（整機尺寸為1440 mm ×1395 mm ×1600 mm），且可通過萬向輪實現移動。該裝置由料倉蓋、料倉、螺旋輸送機構、柔性伸縮管、稱重傳感器組成。

圖8 計量加料裝置

工作原理：人工將預制顆粒放入料倉，同時稱重傳感器測量倉內顆粒的質量，螺旋輸送機將顆粒通過柔性伸縮管至拋圓整形機，當輸送的顆粒質量達到設定值時，螺旋輸送機停止輸送。

3）超聲波旋振篩。普通旋振篩工作原理：由直立式電動機作激振源，電動機上、下兩端安裝有偏心重錘，將電動機的旋轉運動轉變為水平、垂直、傾斜的三次元運動，再把這個運動傳遞給篩面，達到篩分物料的效果。

本設備為超聲波旋振篩，其結構如圖9所示，主要由振動電動機、配重塊、超聲波發生器、換能器、振動體及其它輔件等組成。

圖9 超聲波旋振篩

工作原理：在傳統的振動篩基礎上在篩網上引入一個低振幅、高頻率的超聲振動波（機械波），以改善篩分性能，降低噪聲至45～50 dB。該振動是由220 V、50 Hz電能轉化為18 kHz的高頻電能，輸入超聲換能器，將其變成18 kHz機械振動，產生的功率超聲波使篩網做高頻運動，從而達到高效篩分和清網的目的。同時由于增加了超聲波，還能使強吸附性、易抱團、黏性強、高靜電、高密度、超細粉等特性物料更容易篩分。

4）抽風除塵裝置。如圖10所示，抽風除塵裝置由粉塵除塵器、空氣壓縮機和布袋除塵器組成。在整個工作過程中，粉塵除塵器一直處于開啟狀態，保證工作區的無塵狀態。提高整個造粒系統的安全性。在拋圓整形系統中，布袋除塵器有兩種作用，一是對拋圓機進行抽風，使拋圓機殼體內部產生負壓，產生使預制顆粒向上的力；二是對拋圓整形系統進行除塵操作，布袋除塵器由粉塵斗、上箱體、中箱體、下箱體等部分組成，上、中、下箱體為分室結構[6]。

圖10 拋圓整形系統

5 結論

本文以含能材料造粒及拋圓整形系統為主要設計對象，在綜合市場需求和常規造粒系統的結構組成及工作原理的基礎上，完成了雙螺桿擠壓造粒及拋圓整形系統的設計，針對造粒密度小、強度低、粒度不均勻的問題，采用雙螺桿造粒方法進行預制顆粒的制備。針對預制顆粒球形度差、表面粗糙、需要干燥的問題，采用轉盤造粒方法對顆粒進行拋圓處理。該拋圓整形系統最終可得到強度、密度和圓度都符合技術指標的顆粒，提高產品質量及生產效率。