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硕上论文环模制粒机挤压成形机理分析与结构参数优化 摘要 ：l掣iii1 1 i19i1 1 1 1 1 8 li t 6 1 1 6 ii 粤 环模制粒机在饲料机械行业和生物能源技术研究领域都是举足轻重的机械之一，其 品质很大程度上决定了颗粒的加工质量、产量和制粒机能耗。目前，国内的制粒机制粒 成本较高，存在生产率偏低，能耗偏高和使用寿命偏短等问题。本文以提高制粒机的生 产率、降低制粒能耗和延长制粒机使用寿命为目标进行了相关的理论研究与实验研究。 ( 1 ) 针对挤压过程物料在三个区的受力情况建立了数学模型，且进行了有限元仿真， 计算结果显示了每个区的环模受力、磨损情况，得出环模的主要失效形式是疲劳磨损， 物料在环模的轴向方向不是均匀分布等重要结论。 ( 2 ) 推导了环模抗弯强度和接触疲劳强度的计算公式。 ( 3 ) 对不同特性( 正交各向异性、各向同性) 的物料在模孔( 直孔) 内的挤压过程 进行研究，建立了不同物料在环模孔内的力学模型。 ( 4 ) 对正交各向异性材料在不同进料孔口( 锥形孔、弧面孔) 的模孔中挤压过程进 行了有限元仿真，得出弧面进料孔口较之锥形孔优。 ( 5 ) 对正交各向异性材料在不同锥度锥形进料孔口模孔中的挤压过程进行了有限元 仿真，结果显示模孔锥形入口角越小，能耗越小。 ( 6 ) 建立了制粒机的能耗模型，结合不同环模转速、不同环模宽度和不同物料对制 粒机的能耗进行了实验研究，实验证明了理论模型的正确性。 本文针对环模制粒机的生产效率、使用寿命、能耗等方面进行了较全面的分析，研 究成果对优化制粒机的环模、压辊结构具有指导意义。 关键词：环模，压辊，制粒机，制粒机理，挤压 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t p e l l e tm i l lh o l d st h eb a l a n c ei nf e e di n d u s t r ya n db i o e n e r g y a n dt h eq u a l i t yo fp e l l e t m i l lp l a y sa l li m p o r t a n tr o l eo nt h ep a r t i c l e sy i e l d ，q u a l i t ya n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n i n c h i n a , t h ec o s to ft h ep e l l e tm i l li sh i g h i nt h i sp a p e r , s o m er e s e a r c h e sh a v eb e e nd o w nf o c u s o nl o we f f i c i e n c y , h i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o na n ds h o r ts e r v i c el i f e ( 1 ) b a s e do nt h em o d e lo ft h ef o r c e sa c t i n go nt h er i n gt y p ed i e ，f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n sh a v eb e e nd o n e a n dt h er e s u l to ft 1 1 ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ss h o w st h ef o r c e s a n da b r a s i o n sw h i c ha c t i n go nt h er i n gt y p ed i e t h ef a i l u r ef o r mo fr i n gt y p ed i ei sf a t i g u e f a i l u r e m a t e r i a li sn o n u n i f o r md i s t r i b u t i o ni na x i a ld i r e c t i o no ft h er i n gt y p ed i e ( 2 ) t h eb e n d i n gs t r e n g t ha n dc o n t a c tf a t i g u es t r e n g t he x p r e s s i o n sh a v e b e e nb u i l t ( 3 ) b a s e do nd i f f e r e n tp r o p e r t i e so fm a t e r i a l ，t h a ti so r t h o t r o p i ca n di s o t r o p i cm a t e r i a l ， r e s e a r c ho ne x t r u s i o np r o c e s st h r o u g ht h e d i eo r i f i c eh a sb e e nd o n e a n dt h em e c h a n i c a l m o d e l sw h i c hd e s c r i b ef o r c e sa c t i n go nt h em a t e r i a lt h r o u g ht h ed i eo r i f i c eh a v eb e e nb u i l t ( 4 ) f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n s t h a td e s c r i b et h eo r t h o t r o p i cm a t e r i a l e x t r u d i n gi n d i f f e r e n td i eh o l e ( t h ec a m b e ra n dc o n i c a li n l e t st ot h eh o l e s ) h a v eb e e nd o n e c o n c l u s i o n s i n d i c a t et h a tt h ec o m b e ri n l e t st ot h eh o l e sa r eb e t t e rt h a nt h ec o n i c a li n l e t st ot h eh o l e si s o b t a i n e d ( 5 ) f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n st h a to r t h o t r o p i cm a t e r i a le x t r u d i n gi nd i f f e r e n tc o n i c i t i e s o ft h ei n l e t st ot h eh o l e sa r eb e e nd o n e f r o mt h i s ，w ef i n dt h a tt h es m a l l e rt a p e r , t h el e s s e n e r g yc o n s u m p t i o n ( 6 ) t h e o r e t i c a lm o d e lh a sb e e nb u i l tt od e s c r i b et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ep e l l e t m i l l t h ec o n s u m p t i o no ft h ep e l l e tm i l lh a sb e e ns t u d i e du n d e rd i f f e r e n tr e v o l v i n gs p e e do f t h er i n gd i e ，d i f f e r e n tw i d t ho ft h er i n gd i ea n dd i f f e r e n tm a t e r i a l a tl a s t , e x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n et ot e s t i f yt h et h e o r e t i c a lm o d e l r e s e a r c h e r so nt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , t h es e r v i c el i f ea n de n e r g yc o n s u m p t i o no ft h e p e l l e tm i l lh a v eb e e nd o n e a n dt h ea c h i e v e m e n t so f f e ra l li m p o r t a n tg u i d e l i n et os t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n so f t h er i n gd i ea n dr o l l e ra s s e m b l y k e yw o r d s ：r i n gd i e ，r o l l e ra s s e m b l y , p e l l e tm i l l ，p e l l e t i n gm e c h a n i s m ，e x t r u d e 硕士论文 环模制粒机挤压成形机理分析与结构参数优化 1 绪论 1 1 课题背景和研究意义 环模制粒机在生物质固体颗粒燃料和饲料加工领域有着广泛的应用。 随着社会经济的发展，化石能源越来越紧缺，况且燃烧化石燃料对环境所产生的污 染也越来越严重，因此寻找可再生、清洁的新型能源迫在眉睫。生物质能源是理想的新 型能源之一。生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质体内的一种能量形式，它以 生物质为载体直接或间接地来源于植物的光合作用，以其可再生、资源丰富、对生态环 境友好而逐渐成为一种重要的新能源。我国的生物质能源丰富【l j ，农业是我国第一产业， 每年产生的农业废弃物多达7 1 5 亿吨，其中农作物的秸秆就占了7 0 t 2 1 。而我国大多数 农民直接燃烧农作物秸秆以利用其热能，但是这样容易造成燃料燃烧不充分，污染环境， 浪费燃料。 生物质能的一种有效开发方法是采用物理或者化学方法使之成为高品位的清洁燃 料，提高使用热效率，减少环境污染。生物质固体颗粒燃料是在一定的温度和压力下将 农作物秸秆通过粘合剂，加工成一定尺寸的颗粒状燃料。直接燃烧农作物秸秆的热效率 仅为1 0 一3 0 ，而生物质固体颗粒燃料燃烧热效率达8 7 8 9 。此外生物质颗粒燃料 燃烧的c 0 2 基本为0 ，n o x 的排放量仅为燃煤的1 5 ，s 0 2 的排放量仅为燃煤的i 1 0 ， 因此生物质固体颗粒燃料是一种高效、清洁燃料【3 】。国内外研制的加工生物质固体颗粒 燃料的设备主要有螺旋挤压式成型机、柱塞挤压式成型机和辊模式成型机t 4 1 。辊模式成 型机一般不需要外部加热，而是依靠物料挤压时摩擦产生的热量，对物料适应性最好。 环模制粒机是辊模式成型机中最常用的一种，被广泛应用于生物质固体颗粒燃料加工领 域。 在畜禽业中，饲料是支撑畜禽生长的最基本元素。颗粒饲料具有体积小、不易受潮、 便于散装储存和运输等特点，而且用颗粒饲料喂养畜禽，营养较为均衡，饲料浪费少、 喂养方便、节省劳动力。由于颗粒饲料较之普通饲料的种种优势，颗粒饲料在配合饲料 中的比例逐年上升，因此，为了确保颗粒饲料的质量、高产，研发能生产高品质颗粒饲 料的设备势在必行。饲料制粒机械包含的设备较多，主要有制粒机、冷却器、粉碎机、 分离机和喷涂设备等，其中饲料制粒机是加工颗粒饲料的核心机械设备，根据其模板的 形状可分为环模制粒机和平模制粒机。 可见，环模制粒机在加工生物质颗粒燃料和颗粒饲料领域均有广泛的应用，但国内 的制粒机与国外的制粒机相比，存在生产效率低，使用寿命短，能耗高等问题，研究环 模制粒机的挤压成形机理和对环模的结构参数进行优化，对于提高环模制粒机的生产效 率、降低能耗和延长使用寿命有着特殊意义。只有制粒机械率先加强技术革新，降低能 l l 绪论硕士论文 耗，才能带动整个制粒行业走向低碳低排放，节约能源，环保高效的可持续发展道路。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 环模制粒机发展历史 1 9 0 0 年，铸模式颗粒机开始使用。这台设备由一对形状相同的压辊组成，两个压辊 作相对旋转运动，每个压辊上都有半球形凹坑。此设备压辊的安装精度要求较高，用以 确保压辊运转时两个压辊上的半球能很好的配合，从而使物料自上而下被压制成圆球形 颗划5 j ( 如图1 1 所示) 。 。 图1 1 铸模式颗粒机示意图 一般由此设备加工出来的颗粒，密度低、强度小。若两个压辊上的半球未配合好将 使得加工出来的颗粒形状存在缺陷。在此加工过程中，物料基本未发生化学变化，这种 设备的生产率小、功耗大，所以这种加工工艺在饲料加工行业未被人们接受，但是，现 今在其他产业仍可见相似的机械。 约1 9 1 0 年，挤压式颗粒机诞生了。第一台商品挤压式颗粒机是1 9 1 0 年由英国的 s i z e r 公司研制出来的。所谓商品挤压式颗粒机就是在饲料加工行业被人们所接受，并 投入了生产使用的颗粒机。较之现代的挤压式颗粒机，1 9 1 0 年研制的挤压式颗粒机的制 粒原理与现代的相同，物料都是被一个螺旋型物料输送器强制往前推进，最终被挤压出 模孔形成柱状颗粒，然后被旋转切刀切成颗粒饲料【5 】( 如图1 2 所示) 。 s c h u e l e r 型颗粒机是按斯凯勒1 9 2 0 年提出的压缩法构思制造的，这种颗粒机是由两 个类似齿轮的轧辊挤压物料，使物料从齿轮的齿根处的排出孔挤出，最后被齿轮内部的 切刀切成理想的长度t 5 j ( 如图1 3 所示) 。 图1 2 挤压式颗粒机示意图 硕士论文环模制粒机挤压成形机理分析与结构参数优化 图1 3s c h u e l e r 型颗粒机示意图 与铸模式颗粒机和挤压式颗粒机比较，s c h u e l e r 型颗粒机较容易磨损、使用成本较 高。 1 9 2 0 年第一台平模颗粒机问世了。这种机器主要由围绕中心轴回转的滚轮和水平固 定模板组成，模板上有挤压孔。随着滚轮的回转，物料被挤压且强制通过挤压孔形成物 料条，然后旋转切具将其切割成一定长度的颗粒【5 】( 如图1 4 所示) 。 图1 4 平模颗粒机示惫图 平模制粒机有效地提高了制粒机的生产率、减小了机械磨损，但由于平模与直辊接 触点的线速度沿径向不同，影响成品的质量均匀和模辊的均匀磨损。因此，有人将目光 投向了环模颗粒机。几乎在同一时期，第一台环模颗粒机也研制成功y t 5 1 ( 如图1 5 所 示) 。环模制粒机主要是由一个带有模孔的环模和多个压辊组成。起初环模制粒机采用 的主动滚轮( 压辊) 模式，经过多年的不断改进，逐渐采用主动环模模式。随着环模的 旋转，物料被挤压入模孔，进而被挤压出模孔，然后被环模外面的切刀切成一定长度的 颗粒。 图1 5 环模颗粒机示意图 国外研究制粒机起步比较早，立式环模颗粒机于1 9 3 1 年被美国c p m 公司研制成功。 1 9 3 4 年该公司又生产了第一台卧式环模制粒机，江苏正昌集团就是沿用的美国c p m 公 3 1 绪论 硕士论文 司的技术。与此同时，英国u m t 公司也研制出了颗粒机，江苏牧羊集团沿用的就是英 国u m t 公司的技术。江苏牧羊和江苏正昌是目前国内生产颗粒机的两个主要厂家。七 十年代之后，欧洲很多国家也相继研究、生产了环模颗粒机。当今，美国、加拿大等畜 牧业发达的国家，仍在继续研究饲料制粒机。 对于制粒机的研究，中国起步比较晚。七十年代江苏牧羊集团研制出我国第一台颗 粒机，这台制粒机是在逐步吸收英国u m t 公司颗粒机的基础上研发的。与此同时，国 内很多高校及科研院所也对环模制粒机进行了研制。 环模制粒机出现以后，制粒机的基本形式就没发生多大变化，而制造水平和技术性 能大有改进。 1 2 2 制粒机生产率影响因素的研究现状 生产效率是评价环模制粒机性能优劣的一个重要指标，因此，从制粒机出现至今， 国内外的专家学者一直孜孜不倦地研究、探讨如何提高制粒机的生产效率。 学者研究表明，对物料进行适当的前处理和对加工设备进行改善优化，可以有效地 提高制粒机的生产率【6 】。环模表面开孔率的大小，直接影响到制粒机的生产效率 7 1 。理 论上，环模表面的开孔率越大，制粒机的生产率越高，但是开孔率的大小也直接影响到 机加工的难易程度及环模的强度。因此在保证环模有足够的强度及加工容易的情况下， 尽可能地提高环模开孔率。环模的模孔深度与孔径的比值对制粒的质量和效率有很大的 影响，当深径比增大时，生产率降低【8 】。制粒机环模的整体淬火不会使环模孔的光洁度 降低，对保证制粒机的生产效率至关重要1 9 1 。文献【1 0 】指出环模制粒机的生产率与环模 的转速没有严格的正反比关系，环模存在最佳转速范围对应最高的生产率。国内外研究 表明，制粒机选用大直径环模和压辊可以提高生产率，这是因为压辊直径的大小直接影 响压粒时物料摄取角。环模和压辊的结构参数对环模制粒机的生产效率影响较大，压辊 数目与模辊直径比有相互制约的关系，因此压辊个数的增加不一定都能有效地提高环模 制粒机的生产效率【1 1 】。辊模间隙也影响到环模制粒机的生产效率，辊模间隙过大时，物 料打滑，生产率降低，而当间隙过小时，粉料经挤压温升加剧，水分蒸发较快，使物料 干结堵塞模孔，生产率也降低【1 2 1 。k c i t h p s 】对制粒的原理、工艺、质量、效率进行了全面 的阐述。b l a n k t l 4 j 对制粒过程进行了优化分析，研究如何在保证加工质量的前提下提高 加工效率。 1 2 3 制粒机使用寿命影响因素的研究现状 环模制粒机的使用寿命主要由环模的使用寿命决定，环模是环模制粒机的核心部 件，较易磨损和发生疲劳断裂，因此对环模制粒机使用寿命的研究主要针对环模的使用 寿命进行研究。 文献 1 5 】运用u g 对环模进行建模，接着运用有限元分析软件a n s y s 对环模进行 4 ： 硕士论文环模制粒机挤压成形机理分析与结构参数优化 均匀载荷和非均匀载荷分析，得出物料沿环模轴向不均匀分布是导致环模沿轴向不均匀 磨损的主要原因，也是影响环模使用寿命的重要因素，为延长环模使用寿命提供了重要 参考依据。文献1 1 6 1 应用p r 0 e 和a n s y s 软件分别对3 0 。倒角环模型孔、4 5 。倒角环 模型孔和6 0 。倒角环模型孔进行建模和静态应力分析，分别得到了三种不同角度环模型 孔沿环模轴向的应力与变形分布曲线图，总结了环模孔沿轴向路径的应力与环模孔倒角 的关系及环模孔沿轴向路径的变形与环模孔倒角的关系，最终得出6 0 。倒角环模孔型较 好，有效地延长了环模的使用寿命。环模模孔的深径比对环模磨损的影响至今尚未有人 涉足【1 7 1 。j e n s 对挤压过程模孔中的物料的受力进行建模，并进行了相应的试验验证【1 8 d 9 】。 提高环模的开孔率可以很大程度上提高制粒机的生产率，但是孔的数量多，势必使孔之 间的间距减小，那么环模的强度和耐磨性不但差，而且易断裂，环模的使用寿命大大缩 短【2 0 1 。吴劲锋的博士论文指出环模磨损主要是由塑性变形和显微切削两种磨损机制造成 的，建立了环模结构优化设计的数理模型，对延长环模的使用寿命起到了重要的作用t 2 1 】。 通过对环模的强度进行分析，环模在使用过程中受到接触应力和弯曲应力的影响，同时， 环模长期处于交变应力作用和湿热环境下，环模的使用寿命受到影响。为了克服环模所 处的不利条件，朱滨峰等人研究了一种新型预应力环模，使环模的淬硬部分受到一种预 应力，以抵消环模工作时压辊对它施加的部分或全部应力，降低环模工作时的总应力， 提高环模的使用寿命瞄】。学者对环模模孔的堵塞进行了研究，发现要及时对模孔的堵塞 进行清理，否则不仅影响制粒机的生产率、颗粒质量，还会影响制粒机的使用寿命 9 3 。2 4 】。 学者王敏从新环模的安装、新环模的使用方法、环模的堵机和环模的修复等方面对于如 何延长环模的使用寿命进行了详细的阐述【z 川。 1 2 4 制粒机能耗影响因素的研究现状 环模制粒机的能耗问题是专家学者一直关注的问题，降低环模制粒机的使用能耗为 建设节约型社会做出努力，建设节约型社会是科学发展观的内在要求，是构建社会主义 和谐社会的重要组成部分，也是全面建设小康社会的基本保证，只有通过建设节约型社 会，才有国家的长足发展。 文献 2 6 】指出增大压力可以改善颗粒的物理特性，增大物料与环模的摩擦系数可以 增加压力。增大辊模间距，增加物料层厚度可以提高压模之间的摩擦系数，从而增大压 力，但是同时也增加了能耗，降低了生产能力，不能一味地为了提高颗粒物理特性，而 不顾能耗问题。可以添加适量的蒸汽，对粉料进行适当的水热处理，使粉料的颗粒表面 形成薄水层，提高物料通过模孔的速率，从而降低能耗0 2 j 。环模转速的提高使物料高度 减小，进而挤压物料的力减小，但是颗粒的温度提高了，制粒过程消耗的机械能增加， 综合这些结果，制粒的能耗表现为增大【2 7 】。g i l p i n t 2 8 1 、t a b i 【2 9 1 针对能耗、效率之间的关 系进行了理论分析与试验研究。对于生物质颗粒( 木屑颗粒) ，木屑中的提取物，诸如 5 l 绪论硕士论文 树脂、脂肪族化合物、固醇等，可以减小物料被挤压入模孔中的力，降低制粒机的能耗。 同时木屑的储存时间对挤压力的影响不明显，与制粒机的能耗关系尚不明了【3 0 1 。 1 3 研究内容和方法 1 3 1 研究内容 本文首先结合环模制粒机的主要结构，深入浅出地研究制粒机理，通过对攫取条件、 压入物料高度的探讨，分析各种因素对生产率的影响规律。根据材料力学、弹塑性力学 理论，推导环模抗弯强度及接触强度的计算公式，结合这两个公式对环模的使用寿命进 行分析。 其次，针对制粒机的不同应用领域，推导正交各向异性及各向同性材料在模孔中的 受力模型。建立环模内表面的受力模型，确定力的作用区域，为后续的有限元分析奠定 基础。 然后，结合力学模型运用a n s y s 软件对环模进行有限元仿真。把仿真结果与理论 推导结果及实际情况分别进行对比。分析物料在模孔中的挤压过程，对这个过程选择正 确的模型及合适的单元，针对不同孔型的模孔物料挤压过程进行仿真，比较不同孔型模 孔的受力及磨损，为模孔的优化提供依据。 最后，建立制粒机的能耗模型，结合不同环模转速、不同环模宽度和不同物料对制 粒机的能耗进行实验研究，且对理论能耗模型进行验证。 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 参考国内外文献，总结制粒机理，并利用现有的理论力学、材料力学、弹塑性 力学等理论对制粒机的机理进行深入研究，力求有所新发现。 ( 2 ) 通过掌握的力学知识对环模的受力进行理论上的推导，利用通用型有限元分析 软件a n s y s 对制粒过程中的挤压进行仿真，分析环模的受力及环模模孔的受力、磨损。 查看分析结果得出环模、压辊结构的优化。 ( 3 ) 进行必要的实验，对能耗理论进行验证，找出影响能耗的关键因素。 6 硕士论文环模制粒机挤压成形机理分析与结构参数优化 2 环模制粒机制粒机理 制粒机理的研究对提高制粒机的性能很关键，文献 3 1 3 4 对环模制粒机的制粒机理 进行了分析。下面将从制粒机的生产率、使用寿命和能耗入手，对制粒机理进行研究， 做到“知其然，知其所以然”。 2 1 环模制粒机主要结构及制粒原理 环模制粒机主要由颗粒制造器、调质器、喂料器、调节机构及润滑系统组成，如图 2 1 所示。 1 喂料器2 调制器3 颗粒制造器4 切刀 图2 1 环模制粒机基本结构 环模制粒机的工作过程是：物料从喂料器喂入，在调制器中调质之后进入颗粒制造 器中，通过环模和压辊的相互运动，将物料从模孔中挤压出来，并由切刀将柱状颗粒切 成理想长度。环模在主电机的驱动下以一定的速度旋转，物料由导料机构送入环模与压 辊之间的空间，由于环模与物料之间的摩擦力和物料与压辊之间的摩擦力使得压辊旋 转。随着环模和压辊的旋转( 经过受力分析，可知环模和压辊的旋转方向相同) ，物料 被挤压入环模上的模孔中，当挤压力大于模孔对物料的摩擦力时，物料从模孔中挤出， 形成条状物料，最后被切刀切断形成颗粒状物料，如图2 2 所示。 根据物料在挤压过程中的不同状态，很多书籍中将压制室中的物料分为三个区：供 料区、变形压紧区和挤压成形区【3 4 。 供料区：基本上没有外力作用在物料上，随着环模的旋转，物料紧贴在环模的内圈 上，受到离心力，物料密度比较小。 变形压紧区：随着环模、压辊的旋转，物料进入变形压紧区，由于受到模辊的挤压 作用，物料之间的空隙逐步减小，物料之间的接触表面积增大，物料逐步被压实，产生 不可逆变形，密度增大。 挤压成形区：模辊间隙在挤压成形区最小，因此物料在这个区受到的挤压力最大。 一7 2 环模制粒机制粒机理 硕士论文 物料进入挤压成形区之后，接触表面积进一步增大，产生了较好的粘接，密度进一步增 大。当物料受到的挤压力超过了模孔对其的摩擦阻力时，物料被压入模孔并从模孔中挤 出，形成物料柱。如图2 2 所示。 卫- 压辊、厂 心 f 环模i 鬻迅 2 2 环模制粒机生产率 图2 2 压制室物料层分布 供料区 区 生产率是用来表示产出与投入比率的术语，生产率越高，产出也就越高。文献 3 5 3 7 】 中阐述了一些制粒机生产率的影响因素，本小节将从攫取条件、被压入物料高度等方面 入手，对环模制粒机生产率进行系统的研究。 2 2 1 制粒攫取条件 物料从供料区被压辊带入变形压紧区主要依靠物料与压辊、环模表面的摩擦力。被 带入变形压紧区的物料越多，产量也就越高，因此有必要探讨一下物料被带入变形压紧 区的条件。取变形压紧区靠近供料区的- - d , 段物料进行受力分析。如图2 3 所示，引压 辊表面将物料攫入变形压紧区的临界点a 点的切线和压模内表面b 点的切线，两切线 相交于c 点。以c 点为原点，c b 为x 轴，图中l a c b = p ，定义为攫取角。对物料三 角柱a b c 作受力分析，三角柱a b c 受到压辊对其的压力，摩擦力乃，环模对其的压 力q 压，摩擦力局。 8 y y 、 外一f 2- oc f b l n 一 图2 3 计算原理图 x 硕士论文 环模制粒机挤压成形机理分析与结构参数优化 阻碍物料进入变形区的力为： = n s i n f l( 2 1 ) 将物料攫入变形压紧区的力为： f 推= 互c o s ，+ e( 2 2 ) 取物料与压辊、环模之间的摩擦系数分别为五、办，则： k = f l n e o s f l + 厶q 压( 2 3 ) 物料从供料区被攫入变形压紧区的条件是矗f 阻，即： f l n c o s f l + q 压n s i n f l( 2 4 ) 由图2 3 可知： q 压= n e o s f l + f i n s i n p( 2 5 ) 联立式( 2 4 ) 、( 2 5 ) ，由0 。卢9 0 。得： 咖卢糍 ( 2 6 ) 由式( 2 6 ) 0 - i 见，鼻与摩擦系数石、五成正比关系，因此，影响摩擦系数石、五的因素， 如物料成分，环模材料等，都是影响攫取角口的因素。满足攫取条件，即满足式( 2 6 ) ， 就可制粒。 2 2 2 被压入物料高度 设压辊的外表面半径为，环模的内表面半径为r ，o a 的长度为x ，在环模与压辊 圆心连线的方向上，环模与压辊之间的距离相对于环模与压辊的尺寸是很小的，因此， 根据三角形0 0 1 a ( 如图2 3 ) 可得： c o s 卢= 暑 ， 由于实际情况的限制： f x 0 。 ( 2 8 ) lr ， 叫 由数学知识可知，l c o s f lj 1 ，即 生兰：玉墨二二讯1 i 2 xr x l 由式( 2 7 ) 可以得到： x 2 2 r c o s f l x + ，2 一( r 一，) 2 = 0 式( 2 1 0 ) 有实数解的条件是0 ，即： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 9 2 环模制粒机制粒机理 硕士论文 a = ( - 2 c o s f l ) 2 4 p2 一( 只一，) 2 】 = 4 r 2 ( 亭一) 2 一s 洫2 卢 = 4 r 2 ( 吾一+ s 洫卢) ( 吾- i - s h a f t ) 。， 因此， 一r 一1 一s i l l p 0 ( 2 1 1 ) 厂 解式( 2 1 0 ) ，根据实际条件可知： x = r e o s f l + ，2c o s 2 卢一( 2 船一r 2 )( 2 1 2 ) 则被压入物料的高度h 即a b 的长为： h = r x = r - ，c o s # 一，2c o s 2 卢一( 2 船一r 2 )( 2 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) 及式( 2 6 ) 可见，允许被压入的物料高度与环模、压辊的结构参数以及物 料特性有关。 当模、辊尺寸一定，即r 、，一定，式( 2 2 1 3 ) 对卢求导，得： h ：，s i l l 卢+ 下垒些丝坚 0( 2 “) r 2c o s 2p 一( 2 r r r 2 ) 由式( 2 1 4 ) 可知，被压入物料的高度h 随着攫取角p 的增大而增大。式( 2 6 ) 显示， 卢与摩擦系数力、正成正比关系。当模、辊的材料一定，尺寸一定，被加工物料一定时， 则被压入物料的高度h 就一定，加入过多的物料，也不会增加产量。 取p = 6 0 0 ，压辊外表面直径与环模内表面直径的比值从0 至0 6 变化，分别计算被 压入物料高度h ，绘制曲线图2 4 。 1 0 1 2 0 1 0 0 g 曼8 0 摧6 0 * 雾4 0 墨2 0 0 辊径模径比 图2 4 辊径模径比厂r 与物料高度h 之间的关系 硕士论文 环模制粒机挤压成形机理分析与结构参数优化 从图2 4 中可以看出，随着辊径模径比的增大，被压入物料高度h 也增大，但两者 之间不是线性关系，所以，在一定的范围内增大辊径与模径的比值，能够增大被压入物 料的高度h 。当辊径模径比超过一定值后，增加辊径与模径的比值，被压入物料的高度 h 不会增大，正如图2 4 中辊径模径比达到0 5 3 时被压入物料高度h 达到最大值。 2 2 3 环模制粒机生产率的影响因素 环模旋转一周，被一个压辊挤入模孔中的物料的体积y 为( 如图2 5 所示) ： v = 柏s k2 - ( r - h ) 2j f 2 1 5 ) 其中b 为环模的宽度，为环模开孔率，尺为环模内表面半径，h 为被压入物料高 度。 图2 5 颗粒压制原理图 若压辊数目为z ，环模的转动角速度为w ，供料区物料的密度为p ，环模制粒机单 位时间内的产量q 为： q ：p z b s r 2 - ( r - h ) ： w ( 2 1 6 ) 一 2 衡量环模制粒机工作性能的指标之一就是生产量【3 8 】。 式( 2 1 6 ) 显示，环模、压辊的结构参数、环模的转速及压辊的数目对环模制粒机的 单位时间内的产量q ( 生产率) 有影响。 下面针对这三个影响因素分别加以分析。 ( 1 ) 环模、压辊的结构参数对生产率的影响 从式( 2 1 6 ) 可以看出，环模的内半径r 与宽度b 越大，生产率就越高。被压入物料 高度h 越大，生产率也就越高。在上一节的分析中，已经得出被压入物料的高度h 随着 攫取角p 的增大而增大且随着辊径模径比的增大而增大的结论，因此，适当的增大攫取 角卢、增大辊径模径比r r 可以提高生产率。在环模内径固定的情况下，适当的增大环 1 1 2 环模制粒机制粒机理 硕士论文 模的宽度b 、增大攫取角口和增大辊径模径比艘是提高生产率的有效手段。 环模开孔率是指环模模孔总面积与环模有效总面积之比。式( 2 1 6 ) 显示，增大环模 开孔率p 可以提高生产率，但是环模表面的开孔率直接影响环模的强度以及环模的加工 工艺。大量实验研究试图建立开孔率与相关结构参数之间的关系，从而来确定最佳的开 孔率，但是目前为止，都没成功。因此在实际操作中，均是依赖“逐次逼近法”或经验 来确定开孔率。 ( 2 ) 环模的转速w 对生产率的影响 从式( 2 1 6 ) 可知，理论上，环模的转速w 与单位时间内的产量q 成正比关系，但是 环模的转速受能耗、振动等因素的限制。一方面电机的转速不可能无上限，另一方面环 模的转速提高会增大制粒机的能耗。r o l f e 2 7 】指出，随着环模转速的增大，由于挤压物 料高度的降低，挤压物料所需的力减小，但是物料颗粒温度却会升高，比机械能也会增 加，综合各种结果，制粒能耗总体增加。 ( 3 ) 压辊的数目z 对生产率的影响 式( 2 1 6 ) 显示，当环模内径一定时，制粒机的生产率与压辊数目z 成正比关系。但 是在环模内径一定的情况下，压辊数目z 的增大，必然会导致压辊直径的减小，因此， 压辊的数目z 的增大不是在任何情况下都能提高生产率。下面通过计算来说明压辊数目 z 与生产率之间的关系。通常情况下，对于二辊式制粒机的辊径模径比为0 4 3 - - 0 5 5 ，三 辊式为0 3 9 , - - 0 4 6 【2 5 】。设二辊式制粒机和三辊式制粒机的环模内径均为3 5 0 m m ，攫取角 口取3 5 。，计算结果如图2 6 。 辊径模径比 图2 6 二辊式、三辊式不同压辊内径制粒机单位时间内的产量 从图2 6 中可以明显看出无论是二辊式还是三辊式制粒机，其单位时间的产量随着 压辊直径的增大而增大，但不是线性关系，且三辊式制粒机的生产率较二辊式高。下面 再比较一下不同攫取角p ，二辊式和三辊式制粒机单位时间内的产量。 分别取攫取角卢为3 0 。、3 5 。、4 0 。、4 5 。、5 0 。、5 5 。、6 0 。、6 5 。和7 0 。， 二辊式制粒机的环模内径为3 5 0 r a m ，压辊直径为1 6 0 m m ，三辊式制粒机的环模内径为 硕士论文 环模制粒机挤压成形机理分析与结构参数优化 3 5 0 m m ，压辊直径为1 5 4 r a m 。 从计算结果图2 7 可以看出，如果按照最大物料高度进行生产率计算，三辊制粒机 的生产率优势比较明显，且当物料的攫取角大时优势会更加明显。实际工作中，由于受 到电机功率限制，有可能实际最大物料高度远低于最大物料被挤压高度h ，这时，三辊 制粒机因为压辊直径小而能耗较高【3 9 1 ，其最大挤压高度将受到限制，其生产率大的优势 将得不到发挥。 2 53 54 55 56 57 5 攫取角b ( 。) 图2 7 不同攫取角j 9 时三辊式与二辊式制粒机单位时间产量对比曲线 2 3 环模制粒机使用寿命 环模和压辊是环模制粒机的核心部件，其中环模又是易损部件，因此环模制粒机的 使用寿命在很大程度上是由环模的使用寿命决定的，研究、分析环模的使用寿命有实用 价值，很多学者对延长环模的使用寿命做出了相应地研究1 4 0 郴】。 2 3 1 环模、压辊的主要失效形式 实践中环模的主要失效形式被总结为以下四种：环模工作一段时间之后，模孔内 壁磨损，孔径变大，生产出来的颗粒直径增大，超过规定的直径要求，环模失效；环 模工作一段时间后，环模内壁磨损，环模内表面凹凸不平，阻碍物料的流动，出料量减 少，直至停止使用；环模孔的进料斜面被磨掉，物料不易进入模孔，挤压力减少，逐 渐模孔堵塞，导致环模失效：环模疲劳破坏，虽然每次循环应力中的最大应力远小于 材料的屈服极限，但是循环应力的每次应力循环都对环模造成轻微损伤，随着应力循环 次数的增加，当损伤积累到一定程度时，在环模表面或者内部出现裂纹扩展直至断裂。 图2 8 是压辊的磨损照片。 1 3 5 2 5 l 5 倒 心 乱 l l l 1 l 趔芏g删址垦誓晕褂驿埽懈馨 2 环模制粒机制粒机理硕士论文 图2 8 压辊磨损的照片 环模、压辊在接触应力的反复作用下，首先在压辊表层产生初始疲劳裂痕，然后在 滚动接触过程中，裂纹扩展，最后使环模、压辊表层金属呈小片状剥落下来，在压辊外 表面形成一个个小坑，压辊出现疲劳点蚀。发生疲劳点蚀之后，减小了压辊与环模之间 的接触面积，因此降低了承载能力，并引起振动和噪音。 2 3 2 环模、压辊的材料选择和模辊安装间隙 环模的使用寿命与环模材质的选择息息相关，环模的材质一般选用优质合金钢、铬 和渗碳不锈钢。 影响环模使用寿命的因素主要有环模材料的耐磨性、耐腐蚀性和抗断性。 耐磨性：在2 3 1 节中，讲述了环模的主要失效形式，磨损是其主要失效形式之一。 大部分环模在反复使用中因内表面磨损、模孔磨损而失效。环模材料的耐磨性是直接影 响环模寿命的关键因素，它与材料的金相组织、表面硬度和化学成分有着密不可分的关 系。要提高环模的耐磨性，就要选择合适的环模材料及热处理方法。 耐腐蚀性：许多被加工物料配方中含有化学成分，在高温、高压下，化学成分发生 化学反应游离出酸性物质，造成压辊点蚀、环模腐蚀。因此，选择材料时要尽量选择高 铬、高碳等耐腐蚀性材料。 抗断性：在制粒过程中环模受到很大的压力，这种压力可能引起环模的瞬时断裂， 也可能因为环模使用的时间增长而导致损伤积累，最终造成环模疲劳损坏。环模材料的 选择，材料的热处理及模孔的大小、分布都是决定环模抗断性的关键因素。 提高环模的硬度可以提高环模的耐磨性，但是却降低了环模的抗断性，所以环模硬 度必须限制在所需硬度的最低水平。耐腐蚀性强的材料，抗断能力低，耐磨性也低。因 此，在选择环模的材料时应综合考虑多种影响环模使用寿命的因素【刀。 压辊材料的选择对环模制粒机的使用寿命也有重要的影响，制粒机工作时，模、辊 线速度基本相同，但是压辊的直径较小，所以压辊的磨损率比环模大。为了尽量做到模、 辊同时更换，压辊的硬度应高于环模5 - 6 h r c ，故在实际应用中一般选用高碳合金钢制 造的压辊。要尽量避免新压辊和旧环模搭配使用，由于环模的不规则磨损，当新压辊配 旧环模使用时，压辊的使用寿命更短，且难以修整。所以一般选择新环模配新压辊，旧： 1 4 硕士论文 环模制粒机挤压成形机理分析与结构参数优化 环模配旧压辊，使环模和压辊的表面形状近似仿形，环模和压辊之间的间隙大致相等， 使环模和压辊受力均匀，出料均匀1 4 6 1 。 模辊之间的间隙过小，会造成环模、压辊磨损加剧，特别是在制粒机启动和停止时 的空运转期间，这种磨损作用更加强烈。间隙过大，会造成打滑，影响制粒机的生产率 和颗粒质量。经过经验积累，模辊间隙一般为o 1 一o 4 ，对环模制粒机一般间隙为0 1 0 3 ， 压制小直径颗粒或者使用新环模时取小值【4 7 j 。 2 3 3 环模抗弯强度 在制粒过程中，压辊通过物料对环模产生作用力，使环模产生弯曲应力和接触压应 力。 对二辊式制粒机环模进行分析，如图2 9 所示，环模受到压辊通过物料对其作用的 压力n ，物料对其的摩擦力f 和电机对其的驱动力矩m 。 c 乒 一。 、厂。 支 f ，笊 na 乡 b 一m 图2 9 环模的受力 根据作用力与反作用力原理，可同时分析出压辊的受力，如图2 1 0 所示，压辊受 到环模通过物料作用其上的压力厢和物料对其的摩擦力f ，方向在图中已标出。 图2 1 0 压辊的受力 对于环模有： f m = 2 f r 【f = 以目 其中正是物料与环模之间的摩擦系数。 ： t ( 2 1 7 ) 1 5 2 环模制粒机制粒机理 硕士论文 由功相等，可列出方程： 胁= 叼2 ( 2 1 8 ) 其中w 是环模的转动角速度，尸是主电机功率，j ! j 和i 2 分别是电机效率和传动效 率。 由式( 2 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 可以求得： 目= 丽p q l q 2 ( 2 1 9 ) 环模受到的压辊通过物料对其的压力f n 使环模产生弯曲应力和剪应力，物料对其 的摩擦力f 使环模产生压应力，因此下面讨论环模的弯曲强度时，物料对其的摩擦力f 不考虑。为了讨论方便，忽略环模上加强圈、模孔等的作用，而将其看成一个等截面薄 壁圆环【4 2 1 。由于圆环和圆环所受的力关于直线a c 、b d 对称( 图2 9 ) ，因此只取圆环 的1 4 ，a b 段圆弧进行研究。进行简单的力的计算可知，在b 截面上，圆环受到力r 2 和弯矩m 。作用。由于对称截面a 、b 的转角都等于0 ，所以，将截面a 等效为固定端， 其等效受力模型如图2 1 1 。 l 图2 1 l 弧a b 等效受力 截面b 的转角是0 ，利用力的作用效果叠加原理列变形协调方程： 0 1 m o + p h = 0 ( 2 2 0 ) 其中p ，是单位弯矩单独作用时，截面b 的转角；9 知是力华单独作用时，截面b 2 的转角。 根据刘鸿文主编的材料力学中的计算公式，分别计算岛、0 ，h 引。 ”睁由+ c l = 等+ c l ( 2 2 ，) 当巾= 0 时，0 。为0 ，代入式( 2 2 1 ) 可得c l = 0 ，则： 硕士论文 环模制粒机挤压成形机理分析与结构参数优化 唾= 睁一：= - 型鲁姚巾+ c 2 = 一等 + e o s q b ) + c 2 当由=o时，日盈为。，代入式(224)可得c2=等，则：2 8 皂= 一等 s ) 截面b 处，巾= 詈，则： 0：坠：堕1 f ，f ， p 譬= 一筹) = _ 筹( 刊 将式( 2 2 6 ) 和式( 2 2 7 ) 代入方程( 2 2 0 ) ，得： 耻凡r ( 三一昙) 弧a b 上任意截面上的弯矩为： m = 瓦r ( 昙一警) ( 2