环模制粒机机理研究毕业论文.doc

中文题目:环模制粒机机理研究专业班级 农业机械化及其自动化专业目 录1引言32环膜制粒机发展史及国内外发展现状33环模制粒机高效制粒机理研究43.1环模制粒机主要结构43.2制粒机工作原理及制粒成形过程63.2.1被压入物料受力分析73.2.2被压入物料高度分析83.3环模孔的挤压力和摩擦力变化分析94环模强度分析104.1环模受力分析104.2 环模接触抗压强度分析114.3环模抗弯强度分析125环模失效分析135.1磨粒磨损145.2疲劳破坏失效146 总结14摘 要环模制粒机是饲料机械四大主机之一，很大程度上决定了饲料加工产量，在饲料加工过程中占有非常重要的地位。本文介绍了环模制粒机的发展概况及环模制粒机的基本组成和工作的原理。通过分析被压入物料的受力状况，研究被压入物料高度的影响因素，为环模制粒机生产率的优化提供理论基础。对环模孔中挤压力和摩擦力进行了分析，探讨影响挤压压强和摩擦力大小的因素，以及对制粒过程的影响。 运用用力学的计算对环模强度分析。结合生产中的实践情况对环模失效的原因进行了总结。关键词：环模，压辊，制粒机，制粒机理abstractring die granulating machine is one of the four hosts feed machinery, largely determines the feed processing production, in feed processing process occupied a very important position. this paper introduces ring die granulating machine in the domestic and foreign research shape ring die granulating machine and the basic components and working principle. through the analysis of material are crushed into force situation and research forced into the material of the influencing factors, and to highly ring die granulating machine productivity provides the theoretical foundation of optimization. to ring die hole axial extrusion pressure is analyzed, and the friction force of friction pressure and explore the size of extrusion for element, and the influence of granulating process. use of the calculation with mechanics ring die strength analysis. in combination with the production to practice of the failure reasons of ring die are summarized. keywords: ring die, pressure roller, granulating machine, granulation mechanism1引言环模制粒机是生产颗粒饲料的主要饲料机械设备，其性能在很大程度上决定了饲料加工产量，在饲料加工过程中占有非常重要的地位。从制粒机的发展史来看，环模制粒机的发展经历四个阶段，即铸模式制粒机，挤压式制粒机，schueler型制粒机，挤压式制粒机，最终发展到现在的环模制粒机。环模制粒机性能主要从制粒质量、生产效率、环模使用寿命和制粒机能耗四个方面来评价。目前国内的环模制粒机性能仍然存在制粒质量差，生产效率偏低、使用寿命很短以及能耗偏高等缺陷，这极大地限制了国内环模制粒机技术的发展。2环膜制粒机发展史及国内外发展现状 世界上第一台与制粒机有相似功能的机器是一台铸模式设备示。由一对形状相同、等速相对旋转的压辊(压辊表面铸有凹穴)组成，物料进入压辊表面的凹穴，自上而下受到压缩，压制成形的颗粒具有两个凹穴的合成形状。用该设备可以压制成各种形状的颗粒，如三角形、菱形、椭圆形、纽扣形、圆形等等。这种形式的铸模式设备，由于其压缩时间非常短，饲料颗粒的密度低、强度较小，生产效率低下，能耗高，所以，并没有被广泛采用。 1910年左右，世界上第一台挤压式制粒机该制粒机的工作原理与现在的挤压式制粒机基本相同，靠旋转的螺旋输送器强制将物料向前推进、挤压并通过环模孔形成柱状颗粒，并在出料口切刀的作用下，切断成粒状颗粒。这种制粒机的生产效率不高，而且需要使用蒸煮膨化机，生产成本大大提高。 到1920年，斯凯勒(schmeler)提出了压缩法制粒，这种设备安装有两个带有排出孔的齿轮成形模具的轧辊。在牙状形齿轮根部有圆柱形的小孔，齿轮等速相对旋转，物料进入齿轮的啮合空间，受到挤压力的作用，经根部小孔挤出，被装在齿轮内腔的切刀切断成颗粒，并排出孔外。与铸模法和挤压法相比，这种制粒方法，机械磨损程度大，费用也高1920年期间，在总结了许多制粒机工作原理的基础上，研制成功了第一台平模制粒机。这种机器装有围绕中心轴回转的滚轮，迫使物料挤压向下，通过水平固定模板的模孔，旋转切刀把饲料切割成一定长度的颗粒饲料。平模制粒机的平模和滚轮上各处的圆周速度不等，平模上的物料受到的离心力大小也不相同，因而在平模工作平面上的负荷是不均匀的。到了1920年，制粒机已发展成使用环模结构，迫使物料通过环模孔的机器设备，其利用压辊的挤压力将粉状物料经由环模的环模孔中挤出。环模制粒机是环模靠主轴传动而回转，其内有两个或者三个压辊，工作时压辊将粉状物料压入环模孔中，挤出成形后呈圆柱形，并被固定切刀切断成颗粒饲料。其主要特点是环模与压辊接触线上各处线速度相等，所以无额外的摩擦力，全部的挤压力都被用来制粒。这种环模式制粒机制粒质量较好，生产效率高，能耗比其他几种要少，在饲料加工厂中应用最为广泛。环模制粒机性能不断被改善，而于其后的60年，支配了整个饲料业。环模式颗粒机的进一步发展，提高了其机械性能和强度在我国，高性能制粒机研究虽然和欧美等发达国家有一些差距，近几年，国内的科研院校对环模制粒机机理有一定的研究，如:中国农业科学院饲料研究所的钟启新和齐广海从物料特性和粉状物料之间的作用力之间的关系分析了制粒机理，并结合试验，分析了影响制粒过程的物料特性因素和环模、压辊的结构参数。南京农业大学的李忠平教授对制粒过程中饲料发生的物理和化学变化进行了探讨，指出正确认识这些变化，对合理选择制粒参数，提高饲料产品质量，免除不必要的损失，增强产品在市场上竞争能力有重要的现实意义。3环模制粒机高效制粒机理研究3.1环模制粒机主要结构环模制粒机的组成主要包括:喂料器、调质器、颗粒制造器、调节机构及润滑系统组成。 1.机座2.磁铁3.下料斜槽4.压粒室5.门盖6.主传动箱7.调速电机8.减速器9.料斗10.下料插门11.给料器12.调质器13.调质器减速器14.调质器电机15、端盖16.联轴器17.主电机18.行程开关19加油系统图1环模制粒机基本结构喂料器由电磁调速电动机、减速器、联轴器、绞龙轴及绞龙壳体等组成。调速电动机是由变频电动机和减速器组成，它与变频器配合使用，通过变频器控制调速电动机，可改变其输出转速。喂料绞龙由绞龙壳体、绞龙轴和带座轴承等组成，由可调速电动机通过联轴带动绞龙轴。调质器由电动机、传动机构、调质转子和壳体、加蒸汽口等部分组成。其功能是注入蒸汽，将配合粉料调质到一定的温度和湿度后送入制粒室制粒。调质器壳体由不锈钢制成。 颗粒制粒室主要由主电机、传动机构、转子、环模、压辊、刮刀、切刀组件及机身和门等组成。环模是颗粒机的关键零件，是颗粒机的最主要易损件，环模材料主要有碳素结构钢，合金结构钢和不锈钢3类。环模质量的好坏和质量是否稳定，直接影响环模的使用寿命和颗粒机的产量、饲料的质量，从而影响饲料加工的生产成本。3.2制粒机工作原理及制粒成形过程模辊在工作过程中，环模在电机主动力的驱动下以一定的转速顺时针旋转;随着调质好的物料进入制粒室，物料开始被摄入工作区，压辊借助工作区内摩擦力的作用也开始顺时针旋转。随着模辊的旋转，摄入的物料向前移动加快，挤压力和物料的密度逐渐增加。当挤压力增大到足以克服模孔内物料与内壁的摩擦力时，具有一定密度和粘结力的物料就被挤压进环模孔内。由于模辊的不断旋转，物料不断被挤压进环模孔，因此，环模孔内的物料经成形后被连续挤压出环模孔，并由切刀切断，形成颗粒状饲料根据粉状饲料在被挤压过程中不同的状态，可将其分为3个区域，即供料区、变形压紧区和挤压成形区(l)供料区:物料基本不受机械外力的影响，但它受离心力的影响(环模旋转)，使粉料紧贴在环模的内圈上。(2)变形压紧区:随着模、辊的旋转，物料进入压紧区，受到模辊的挤压作用，粉料之间产生相对位移。随着挤压力的逐渐增大，粉粒体间空隙逐步减小，物料产生不可逆的变形。(3)挤压成形区:在挤压区内，模辊间隙较小，挤压力急剧增大，粉粒体之间接触表面积增大，产生较好的粘接，并被压入模孔。物料由于产生弹性变形和塑性变形等组合变形。物料被挤压出模孔之后有一定的回弹率(即颗粒直径略大于压模孔径)。一般回弹率为2%5%。物料的物理性质、环模的长径比都会影响回弹率。3.2.1被压入物料受力分析 供料区待制粒物料依靠物料与压辊和环模表面的摩擦，被压辊带入变形压紧区。为了探讨该带入条件，需要研究变形压紧区靠近供料区的一小段物料的受力状况。为了研究环模制粒机物料受力情况，以平模制粒机为例，如图(a)aa1c为被压入物料三角柱，对其进行受力分析如图（b）aca，受到压辊的挤压力n，物料与压辊之间的摩擦力f，受到环模的压力q，物料与环模之间的摩擦力t，f为物料与环模、压辊之间的摩擦系数。则将粉料攫入变形压紧区的力: （31）另外，保证物料能被压辊带入的条件为:由于q为物料对环模的挤压力所以： （33）即: (34) （a）平模制粒机原理图 ( b)被压入物料受力分析图 由此可见，摄入角p与摩擦系数f成正比关系，当物料的成分不同，其摩擦系数也不同。因此摄取角也不同，一般，即。不同的物料之间，角的差异较显著，满足攫取条件即可制粒。当摄入角一定，环模和压辊的尺寸也一定，那么变形压紧区和挤压成形区的长度就一定，最佳物料层厚度h也就确定了，此时加入过多的物料，不会增加产量，也不会增加能耗。但是，如果不能及时减小物料的供给，物料将会堆积在供料区，堵塞环模孔，导致制粒机不能正常工作。3.2.2被压入物料高度分析 平模制粒机和环模制粒机的模辊受力状况基本相同。环模制粒机在制粒过程中，由于环模表面形状不一样，所以物料与环模、压辊之间的摩擦系数也应该不一样。如下图力的平衡方程可以改写为: （35）另外，保证物料被压入的条件为: （36）由于q为物料对环模的压力所以： （37）把q代入上式得： （38）整理可得： （39）设压辊的直径为，环模的内径为，oa的长度为，根据可得 （310）由实际可知： ，（311）解得不等式得： （312）由此又可得： （313）又方程式： （314）有实解的条件解得 （315）由方程式解 （316）被压入物料的高度 （317） 被压入物料的高度h就是环模制粒机制粒室供料区物料层的厚度，从计算等式中可以看出环模制粒机的环模和压辊的结构参数与供料区物料层厚度之间的关系非常复杂。当环模和压辊结构参数一定时，根据压制不同的物料，应该选用不同的喂料量，因为物料摄取角也是影响供料区物料层厚度的因素。 3.3环模孔的挤压力和摩擦力变化分析在制粒过程中，物料在环模孔中受到轴向的挤压力，物料与环模孔内壁之间存在摩擦力，环模孔中的轴向挤压力克服物料与环模孔壁的摩擦力，最后将饲料颗粒挤压出环模孔。在此对物料在环模孔受力过程进行分析。 取环模的一个模孔作为研究对象，当物料被压辊压入环模孔内时，其受力如图其中：f为挤出力（n）; 为倒角锥面的摩擦力（n）; 为倒角锥面的正压力（n）；为模孔内表面的摩擦力（n）；为模孔内表面正压力。受力分析可知，物料从模孔内挤压成型必须满足条件： （318） 即： (319)取临界状态：，其为倒角锥面和模孔的摩擦系数。为了便于有限元分析，首先做两个假设：（1）阅相关资料，取摩擦系数的值为0.16。（2）孔内表面各处压强相等。可得： 代入 （320）导出 (321)由图可知满足关系式： (322)代入，则 （323）由上述分析可知当改变时，从将发生改变。由摩擦力的大小等于正压力与摩擦系数的乘积的关系可知，摩擦力也将发生变化。实际上改变值就是改变环模的开孔率，可见，以上分析实际上可以反映环模开孔率对环模孔受力的影响。环模孔中的轴向挤压压强是呈指数形式增长的，即随着环模孔深度的增加，挤压压强越大。4环模强度分析4.1环模受力分析环模在制粒过程中受到压辊的挤压力，物料对环模的摩擦力和电机的驱动力矩，压辊在环模通过物料传递的驱动力的作用下做碾压滚动，环模受力分析如图。 环模受到的转矩： (41)环模通过物料传递的驱动力： (42) 压辊的挤压力： (43) 式中：为电机传递给环模的功率； 为环模内径； 为环模转速； 为物料与环模的摩擦系数。4.2 环模接触抗压强度分析环模在运转过程中，不考虑物料的作用，环模与压辊在挤压物料时在接触表面会产生很大的接触应力和局部的弹性变形，环模的承载能力取决于其接触表面的接触抗压强度，则环模的接触应力为： (44)环模和为压辊的当量弹性系数；为环模和压辊的挤压长度；为环模的半径；为压辊的半径。设，则 (45) 由上式分析可知：（1）增加环模内径和宽度可降低环模的接触压应力；（2）为了保证弹性模量较小，环模和压辊应选择不同的材料；（3）在不影响其它性能的前提下，降低功率，提高转速会增加振动和噪音，也会使物料的成型率受到影响。（4）根据实际情况，尽量增加压辊的直径，能降低环模的接触应力。4.3环模抗弯强度分析为了分析环模上的抗弯强度，将环模看成一个等截面薄壁圆环，如图环模任意截面上的弯矩为： (46) 由此可知：（1）当时，在a,b点处出现最大弯矩： (47)表明危险截面在压辊作用处。（2）当时，在c,d两点出现最小弯矩：。 （48） 环模上的最大，最小弯曲应力应是：; （49）式中，w为环模轴截面的截面模量，其值，其中，b为环模宽度，h为环模厚度。环模制粒过程受交变应力的作用，其大小是环模上最大，最小弯曲应力的比值，所以 由此可知当环模时，环模通常发生疲劳破坏，所以体积的弯曲强度不是影响环模使用寿命的主要因素。环模的最大弯曲应力： （410）由上式可看出，环模的最大弯曲应力与环模的内径无关，与的值成反比，增加和的值，可以提高环模的抗弯能力，又提高其生产效率。5环模失效分析环模在制粒过程中其关键作用，其作为制粒机的心脏部件，是制粒机最易磨损的零件。环模的损坏称之为失效，如果在制粒过程中，颗粒的成型率下降到百分之七十五时，说明此时环模损坏。研究环模失效的原因，对提高产品生产质量和产量，降低能耗，节省成本有着重要意义。通过对饲料生产厂家使用失效后的环模进行分析的资料，常见的环模失效形式如下：（1）环模制粒机工作一段时间后，环模孔内壁会出现磨损严重且环模孔径增大的现象，此时缩生产的颗粒饲料直径远超过规定值。(2)由于环模内壁的严重磨损，使内表面凹凸不平，导致饲料在孔内制粒流动受到阻碍，降低了饲料生产量。（3）环模内壁磨损后，内径增大，环模厚度减小，同时环模孔内壁也随之磨损，出料小孔间的壁厚也在不断变薄，导致环模的结构强度下降，在出料小孔的直径增大到允许的规定值之前，在最危险的截面上首先出现裂纹并不断扩大，直到延伸到较大范围而导致环模失效。产生上述现象的原因，首先是磨粒磨损，其次是疲劳破坏。5.1磨粒磨损磨损原因很多，分为正常磨损、不正常磨损。正常磨损原因主要有物料的配方、粉碎粒度、物料的调质质量等。正常磨损情况下环模出现轴向均匀磨损，导致环模模孔内径增大，壁厚变薄。不正常磨损主要原因:压辊调得过紧，与环模间隙太小，互相磨损严重;匀料器角度不好，导致分配物料不均匀而环模内壁局部磨损严重;环模内掉进金属而磨损等。由于以上的原因，环模多出现不规则磨损，多为腰鼓形。5.2疲劳破坏失效在分析环模抗弯强度时，可知环模制粒过程中受到交变应力的作用，根据上面求得的交变应力： （51）表明交变应力是非对称循环的，在这种情况下，环模通常发生疲劳破坏，这与环模在实际使用中所产生失效结果相吻合。在此基础上，适当增大环模宽度、厚度和内径，可提高环模的抗弯能力和生产效率;增大内径和有效挤压长度，可明显降低环模的接触压应力。6 总结环模制粒机作为饲料机械四大主机之一，在饲料加工过程中占有非常重要的地位。目前，国内环模制粒机存在结构不合理，生产效率偏低、能耗偏高等缺陷，极大地制约了产品的国际竞争力。本文主要针对环模制粒机的制粒机理进行研究，得出了一些结论。（1）介绍了环模制粒机的发展史及国内外的发展现状，环模制粒机的是在不断地实践与理论分析的基础上发展起来的。（2）分析了制粒机的工作原理和制粒过程中物料层在制粒室的分布情况，指出供料区上的物料层厚度的变化会直接影响到环模制粒机的生产效率、制粒能耗和环模的使用寿命。并推导出了供料区内物料厚度最佳值的理论公式。供料区物料厚度与环模，压辊的结构参数和物料的摄取角有关。（3）分析了环模孔在物料挤压过程中的受力情况，环模孔受力情况受开孔率的影响，环模孔内受到的轴向挤压压强随着环模孔深度的增大而增大。（4）在环模制粒机制粒过程中，环模受到的压辊对它产生的接触应力和弯曲应力，利用公式计算出环模的内径和宽度及压辊的内径对接触压应力的影响，环模的弯曲应力与环模内径无关，与环模宽度和厚度有关。（5）环模的失效原因主要有磨粒磨损和交变应力的作用两种，非对称循环的交变应力会使环模产生疲劳破坏。环模在制粒过程中会产生正常的磨粒磨损。参 考 文 献1张诚彬.关于饲料制粒.粮食与饲料工业j，2007(3):33一352严宏祥.影响颗粒饲料制粒质量的诸因素分析j.湖南饲料，2oo5(l):23一253陈宪春.卧式环模制粒机模孔堵塞的防治与疏通j.中国饲料，1996(22):26一274卢宗永，林东康.环模