颗粒机设计说明.doc

摘要颗粒机是饲料机械的四大主机之一，在饲料工业中占有很重要的地位。目前，国内饲料机械企业虽然在颗粒机的设计、制造领域取得了很大进步，产品的外观、性能指标不断提高，但是与国外同类型设备相比较，仍然存在结构不合理，生产效率偏低、能耗偏高等缺陷，这极大地制约了产品的国际竞争力。研究环模颗粒机理与结构优化技术，对提升我国颗粒机产品的国际竞争力、进而提升饲料机械整体设计、制造水平，促进饲料工业的发展具有重要的理论意义与实用价值。本文以某公司现有产品为基础，通过机理分析与数值分析对环模颗粒机的结构进行了优化计算，并通过试验进行了验证，最终提高了生产率、提高了产品品质。本文具体工作包括以下方面：(1)对环模颗粒机结构参数进行了分析计算。(2)对环模、压辊的直径与生产率之间的关系进行了分析，并对压辊与环模之间的受力状态与磨损情况进行了分析。(3)完成了变环模宽度试验与变环模线速度试验，结果表明存在环模宽度与环模线速度的优化组合使能耗最低，生产率最高。(4)对环模宽度与环模线速度进行了组合优化，并进行了生产验证，与原机型相比，产量提高15%，吨料电耗降低13%，在降低能耗的同时提高了生产率。本文的研究工作为颗粒机产品的改进升级提供了重要的依据。关键词：环模颗粒机结构宽度速度优化第一章 绪论1.1立项背景与研究意义饲料工业是国民经济的重要基础产业之一。经过20多年改革开放与发展，我国饲料工业已经建成了包括饲料加工业、饲料添加剂工业、饲料原料工业、饲料机械制造工业和饲料科研、教育、标准、检测等较为完备的饲料工业体系，饲料工业步入了快速发展的道路。随着饲料工业的迅速发展，饲料机械的需求越来越大，要求也来越高。研发高品质、高效率的饲料机械产品已成为支持饲料工业发展的迫切需求。颗粒机是饲料机械的四大主机（混合机、粉碎机、膨化机、颗粒机）之一，很大程度上决定了饲料加工的产量在饲料生产中占有很重要的地位。目前，国内以某公司为代表的饲料机械企业在颗粒机的设计、制造领域取得了很大进步，产品的外观、性能指标不断提高，与国外同类产品的差距不断缩小。虽然如此，我国的颗粒机与国外同类型设备相比较，仍然存在结构不合理，生产效率偏低、能耗偏高等缺陷，这极大地制约了产品的国际竞争力。研究环模颗粒机理与结构优化技术，对设计出具有国际先进水平的颗粒机具有积极的推进作用，对提高制粒质量与制粒效率，提升我国颗粒机产品的国际竞争力、进而提升饲料机械整体设计、制造水平，促进饲料工业的发展具有重要的理论意义与实用价值。1.2国内外现状分析1.2.1国内外环模制粒技术的研究现状近年来国外有关颗粒机的研究有：Keith CBehnke介绍了环模颗粒机广泛应用于饲料加工业，具有降低饲料损耗、提高动物生长性能等一系列优点；PKAdapa对干燥的与脱水的苜蓿草在相同的调制水分与温度下进行了颗粒质量的对比试验，并建立了苜蓿草颗粒的硬度模型；Jens KHolm建立了物料通过环模模孔时的挤压力模型，并进行了试验验证。Tabil，LJr.研究了环模转速对颗粒质量的影响，结果表明影响不是非常明显，Rolfe，LA则指出随环模转速的增高，挤压力会减小，但是比机械能会增加，颗粒温度会升高。近年来国内有关颗粒机的研究有：颗粒机结构、性能方面的研究：曹康对饲料加工的原理、工艺、设备进行了比较详细的介绍8J；有文献介绍了一种高效自动颗粒机；李润萍对小型一步颗粒机在中药制粒中关键因素的控制进行了探讨。颗粒机控制系统方面的研究：张培建建立了调质器单元的双输入双输出数学模型，并进行了解耦设计，对饲料颗粒机的自动控制系统设计进行了研究，为了提高控制效果，将预测函数控制技术引入到饲料颗粒机的自动控制；王斌斌介绍了环模颗粒机的自动控制系统，重点阐述了自动控制系统的组成、控制原理以及主要控制程序算法，为改善环模颗粒机的自动控制水平提供技术参考：李秀华介绍了PLC对药丸包衣颗粒机控制系统的改造。颗粒机设计方面的研究：刘守祥针对粉状混合饲料的生产和运输、储藏中存在的问题，设计了融搅拌混合和颗粒成型为一体的饲料生产机械。介绍了整机的结构和工作原理，对饲料的混合室、搅拌器、螺旋输送挤压器、颗粒成型机构的主要结构特点及相应参数进行了分析与计算；陈义厚对三锥辊式平模颗粒机的设计方法进行了介绍；何明霞根据医药制粒工艺研究的需求，设计了一种新型小型高速混合颗粒机，用于一次性完成混合、加湿与制成颗粒等多道工序的新型小型化自动制药设备，设计包括整体结构和计算机自动检测与控制系统以及实验数据存储与分析等功能，经过大量实验并结合特定的工艺要求得出了针对不同的物料配方与之相对应的最佳匹配参数；黄传海讨论了虾饲料颗粒机的设计方法；查国才介绍了高效自动颗粒机的研发思路与应用比较；伍善根对HLSG系列湿法混合颗粒机的结构改进与技术创新进行了研究“陈雨田对胶轮磨擦传动圆筒混合颗粒机设计理论进行了讨论。有文献对影响颗粒机生产效率的因素进行了分析，指出影响因素主要包括物料类型、调质效果、工艺参数选择等。颗粒机结构参数、技术参数方面的研究：何占松分析了小型平模饲料制粒（块）机结构参数的关系；王敏分析了环模颗粒机的主要技术参数；萧占平分析了饲草颗粒机主要设计参数。颗粒机压辊环模系统方面的研究：刘学军对饲料颗粒机压辊线磨损度进行了理论研究；苏锡云介绍了环模颗粒机新压模的正确操作使用方法；刘学军介绍了饲料颗粒机压辊的感应热处理工艺；王敏介绍了延长颗粒机压模使用寿命的方法；何占松对饲料制粒（块）机模孔堵塞原因进行了分析并提出了对策；李同祥介绍了颗粒机压辊与环模的间隙调整方法：孟令启介绍了颗粒机压辊环模系统的设计方法。颗粒机的颗粒料长度、蒸汽系统方面的研究：李令芳对影响颗粒机颗粒料长度的因素进行了分析并提出了控制方法；余传忠介绍了挤压膨胀器与颗粒机相结合的生产工艺；杨杰对饲料颗粒机蒸汽品质进行了分析并对蒸汽干燥电加热器进行了研制；田鹏飞提出了颗粒机蒸汽自动调节系统的设计制作思路。此外，李同祥介绍丁颗粒机主轴油封的维修方法；邓惠文对颗粒机支承轴断裂的原因进行了分析并提出了解决方法；王德福对颗粒机轴承特性进行了研究。1.2.2国内外环模颗粒机结构现状颗粒饲料制粒设备及工艺配套设备，主要由颗粒压制机、调质器、熟化器、干燥器、冷却器、破碎机、分级筛和料仓活化装置等组成。根据畜禽、水产及特种水产饲料加工要求不同而进行配置。自1910年英国Sizer公司研制出第一台商品挤压式颗粒机至今，颗粒机的制造技术和成形理论得到了飞速发展，使用颗粒机生产颗粒饲料已得到普及。目前常用的颗粒压制机有环模颗粒机和平模颗粒机两种基本类型；根据运动特性又可分为动模式和动辊式；根据其环模和压辊、平模和压辊的组合形式又可分为：三辊、二辊，大、小压辊双环模式环模颗粒机，平模直辊和锥辊式颗粒机。其他类型的颗粒机有：对辊式颗粒机（类似煤球机）、休勒颗粒机（颗粒从空心对辊内排出）、盘式微粒机（无加压机构，利用液体媒介作用，粒子自行凝集）、螺杆式颗粒机、活塞式颗粒机等，但使用不够广泛。常用颗粒压制机模、辊配置形式见图1-1。环模颗粒机主要由喂料器、调质器、颗粒制造器、调节机构及润滑系统组成。喂料器由电磁调速电机、减速器、联轴器、绞龙轴及绞龙壳体等组成。调速电机是由变频电机和减速器组成，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，由可调速电机通过联轴器带动绞龙轴。调质器由电机、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。调质器的供蒸汽系统如图1-3所示。颗粒制造器主要由主电机、传动机构、转子、环模、压辊、刮刀、切刀组件及机身和门等组成。经调质器调质的物料，由旋转喂料锥和前板上两个偏转刮刀将料均匀地送入两个压辊与环模组成的压制区，通过环模和压辊两个相对旋转件对粉料逐渐挤压而挤入环模中成型，并不断向外端挤出，由切刀把成型颗粒切成需要的长度，最后成型颗粒排出机外。国外典型的环模颗粒机有：三辊式颗粒压制机三辊式颗粒压制机是以英国UMT公司为代表的一种典型颗粒压制机。国内外多家公司均生产类似的产品，传动方式分为齿轮式和皮带式两种。UMT公司生产的皇冠牌三辊式颗粒压制机均采用同步齿形带传动，其中350B型采用双电机同步齿形带一级传动，其他型号均采用双电机三角带、同步齿形带二级传动。UMT颗粒压制机特点：采用三辊式结构，配有专用导料板，喂料、挤压效果好。采用同步齿形带双电机传动，负荷均匀，传动效率高，噪声低；机器外形长宽高比例匀称。采用摩擦片式液压过载保护装置，确保设备安全运行，复位方便。配有自动润滑系统，确保机器运转正常。环模外配置3把切刀，有利于出料颗粒均匀。机体和机座采用钢板焊接后正火处理消除应力，结构轻巧，造型美观。同少齿形带和主轴承使用寿命长，分别为34万小时和58年。UMT皇冠型双级传动颗粒压制机结构见图1-4。齿轮传动式，以CPM公司的产品为代表：单级三角皮带传动式，以Buhler公司的产品为代表：双电机三角皮带传动式，以Munch公司的产品为代表。世界各国生产的同类产品种类很多，但原理和结构基本相同。 CPM公司颗粒机 CPM公司生产的颗粒压制机采用斜齿齿轮减速箱传动结构，齿轮减速箱可以通过手动换挡实现双速交换。环模固定在大齿轮传递的空心轴上旋转，压辊则固定在用制动装置固定的实心轴上，为动模型颗粒机。环模采用三分式环模夹固定，装拆方便，配有自动循环润滑系统设备，使用更安全。主要结构见图1-5。sw公司颗粒压制机SW公司生产的颗粒压制机有二辊式和三辊式结构，传动方式为齿轮式，速度分双速及单速两种机型。大型颗粒机喂料采用强制喂料，确保进料量均匀稳定，三辊式装配及结构见图1-6。Buhler公司颗粒压制机Buihler公司生产的颗粒压制机采用双压辊、环模式、单电机三角皮带传动结构。单位生产效率高，运行费用低，结构比较简单，操作维修方便。系统可以方便地实行自动润滑和自动控制。采用单电机侧传动，空心轴、环模、主轴、压辊和大皮带传动等总成，外加皮带传动的张力等均由主轴尾部悬臂支承，承载负荷大、且属于偏载荷状态。设计、验算和装配的配合要求较高。主要结构见图1-7。Munch公司颗粒压制机（环模）Munch公司生产的颗粒压制机有环模、锥形压辊平模颗粒机两种，环模颗粒压制机的结构形式和英国UMT公司单级同步齿形带传动的形式基本相同。Mt/nch公司环模颗粒压制机采用三角带传动，大皮带轮的宽度比较宽，采用铸铁铸造整体机座，整机重量偏重，但运转平稳、噪声低，大皮带轮的惯性作用有利于节能。环模的固定结构宜改用CPM三分式环模夹，如采用螺栓固定式，则单侧操作大大延长了换模时间。系统可以实现自动润滑和自动控制。主要结构见图1-8。PCI公司新型颗粒压制机（动辊型）PCI型颗粒压制机是美国PCI公司专利产品，整机采用蒸汽闭压制粒系统。从螺旋喂料器出口至颗粒机环模压制室处于正压状态，蒸汽压力控制在2070kPa，环模内料层厚度达到3mm就可形成料封。整个物料流动和制粒成型过程相当于个较长时间闭压调质器(1.530s)，调质效果好，制粒温度处于普通颗粒机和膨胀、膨化机之间。采用动辊式环模、压辊组合，单级皮带或齿轮箱传动。结构简单、操作方便、制粒成本低。颗粒切料装置由电机传动、切刀架、切刀等组成，电动机安装于操作门上。主要结构见图1-9。由于PCI闭压颗粒机具有强制调质的功能，使用效果和价格性能比比较好。PCI系列闭压颗粒机由于调质充分，肉鸡饲养试验结果表明增重效果明显。高粱、豆粕型同粮：03周龄提高9.60%，36周龄提高l-32%：玉米豆粕型日粮：03周龄提高2.77%，36周龄提高4.26%。淀粉的糊化度达到58%73%（高粱、豆粕型）和51%67%(玉米、豆粕型)。PCI系列闭压颗粒机目前有2种机型：PCI 1100(75100kW)及PCI 1200(150225kW)。其中PCI 1100型配75kw主电动机，模孔尺寸为3.97mm25.4 mm，产量为11t/h。大、小压辊式环模颗粒压制机大、小压辊式环模颗粒压制机在国际上使用并不普及，欧洲Walter公司已形成系列产品投入市场。此类环模压辊组合方式实现了集大、小压辊制粒效果的优势，根据不同物料的特性，调整大、小压辊在环模中的相对位置，形成不同的挤压成形中心，使制粒腔内的物料达到均衡，尤其对于难以制粒的物料更为有效，其主要结构见图1-10。双环模颗粒压制机双环模颗粒压制机是伴随着饲料生产技术的发展而开发的又一种新型颗粒压制机。其基本结构有2种形式：一类是前后环模组合型，另一类是内外环模组合型。基本工作原理类似于二次制粒工艺，第一级环模、压辊组合粗制粒，采用大孔径、薄型环模，颗粒成形质量较差，主要起到调质和预压缩的作用。第二级环模、压辊组合，根据加工产品的要求配置环模的孔径和厚度。(1)前后组合式双环模颗粒压制机由意大利Berga公司设计和制造的PCM /P6型双环模颗粒压制机，主要工作原理，传动方式和BQhler公司的颗粒机基本一致，主要差异在颗粒机的环模前增加一级环模。主要优点：从质量观点来看，改善了营养价值和粉化率指数(PDI)，降低了颗粒的易碎性：从成本观点来看，降低了颗粒饲料生产和管理的成本。PCMP6型颗粒压制机的结构见图1-11。(2)内外组合式双环模颗粒压制机内外组合式双环模颗粒压制机为动辊式结构，其工作原理为：物料进入二辊式内环模预制粒，环模的孔径为外环模孔径的1.61.8倍，挤出的大直径颗粒进入第二级四辊式环模再制粒。传动方式分为两级，内环模压辊轴和外环模压辊轴，分别由2台电动机传动。专利KD500型内外组合双环模颗粒压制机的主要技术参数：内压辊座主轴转速300rmin，内环模孔径78mm，厚度4050mm，动力配备110kw150kw;外压辊座空心轴转速220rmin，外环模厚度100mm，环模孔径78mm，配用动力100220kW。英国Kerry公司开发的4050th内外组合双环模颗粒压制机的主要参数为：内压辊座主轴转速300rmin，内环模孔径8mm，壁厚35 mm；外压辊座空心轴转速210rmin，外环模孔径为4.5mm;主机总动力为315kW。国内典型的环模颗粒机代表，结构如下：特点：先进双马达分步带柔性传动系统，平稳可靠；关键零部件采用高品质进口件，使用寿命长，维护成本低；国际标准制造，性能稳定可靠；可根据需要选配夹套型调质器或双轴差速调质器；关键零部件进口，确保质量，使用寿命长，维护成本低；合金结构钢锻造主轴，具有良好的强度和韧性：广泛应用于高品质畜禽饲料、鱼用颗粒饲料、复合肥、棉籽壳及其他物料的制粒。1.3本文的研究内容综合以上分析可知，环模颗粒机是重要的饲料机械产品，研究环模颗粒机结构优化技术具有重要的意义。国外对于环模颗粒机的研究主要集中在机理分析与试验研究；国内对于环模颗粒机的研究主要集中在产品的介绍、产品的设计方法、工艺因素对制粒效果的影响等。从产品结构看，国外的环模颗粒机种类齐全，性能优异；国内的环模颗粒机品种比较单一，性能与国外先进水平有一定的差距，而且由于机理分析少，试验数据少，设计缺乏相应的支撑。针对上述问题，本文将以江苏牧羊集团现有产品为基础，通过机理分析与数值分析对环模颗粒机的结构进行优化计算，并通过试验进行验证，最终提高生产率、提高产品品质。具体研究内容包括：(1)环模颗粒机主要结构参数的分析计算；(2)环模颗粒机关键部件的结构优化分析；(3)环模颗粒机结构优化试验研究。第二章环模颗粒机主要结构参数的分析计算2.1环模颗粒机成形过程颗粒压制机的颗粒成形过程，是建立在粉粒体间存在间隙的基础上。粉料在温度、摩擦力和挤压力等综合因素的作用下，使粉粒体的空隙缩小，形成具有一定密度和强度的颗粒。根据粉料在挤压过程中不同的状态，可将其分为3个区，即供料区、变形压紧区和挤压成形区(见图2-1)。(1)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，密度为0.40.7g/cm3。(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，密度增加到0.91.0g/cm3。(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，形成的颗粒密度达到l.21.4g/cm3。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(L/D)都会影响回弹率。2.2压入物料高度的计算压入物料高度直接决定生产率，下面在进行受力分析的基础上推导压入物料高度的计算公式。粉料被压辊带入变形压紧区，主要依靠物料与压辊、压模表面的摩擦。分析变形压紧区靠近供料区的一小段粉料的受力状态。如图2-2所示，引压辊表面将物料攫入变形区的临界点A点的切线和压模内表面Ai点的切线，两切线相交于c点。现对ACA1物料三角柱作受力分析，以c为原点，CAi为x轴，图中ACA1=DAO1=P，称为攫取角，求出b也即找到了压粒的必要条件。ACAi受到压辊的压力N，摩擦力F；受到压模的压力Q，摩擦力T，f为粉料与模、辊之间的摩擦系数。2.4环模与压辊颗粒压制机的压模、压辊是重要的工作和磨损部件，其工艺参数的配备合理与否，性能和质量的好坏，将直接影响到颗粒机的生产效率和产品质量。2. 4,1环模的结构参数及环模转速度(1)环模的模孔颗粒料是从环模上的小孔挤出，模孔的轴线一般都是指向环模的轴线，如图2-4所示。环模的孔形和厚度对制粒的质量和效率有着密切的关系。选择环模的孔径太小、厚度太厚，则生产效率低下、成本费用高，反之则颗粒松散、影响质量和制粒效果。因此科学地选用环模的孔形和厚度等参数是高效、优质生产的前提。环模的孔形：目前常用的模孔形状主要有直形孔、反向阶梯孔、外锥形扩孔和下向带锥形过渡阶梯孔4种。直形孔加工简单，使用最为普遍：反向阶梯孔和外锥形扩孔减小了模孔的 有效长度，缩短了物料在模孔中的挤压时间，适宜于加工直径小于10mm的颗粒：正向带锥形过渡阶梯孔适宜于加工直径大于10mm的粗纤维含量高、体积质量低的颗粒饲料。除了上述4种孔形以外，还有外锥形孔和内锥形孔、非圆形孔等多种孔形，但使用不普遍。直形孔适于配合饲料的制粒：外孔扩大适用于脱脂糠等高纤维饲料的制粒；内孔扩大适合于牧草粉类体积大的饲料制粒。进料孔口直径应大于模孔直径，这样可减少物料的入孔阻力，以利于它们进入模孔。进料孔有3种基本形式，即直孔、锥孔和曲线形孔。前苏联学长的研究结果表明进料孔形中以曲线形孔最优，其次是锥孔，直孔最差。不过，曲线孔需要专用工具加工，尤其是在孔径较大时加工较为困难。为此，美国CPM公司将小孔(孔径小于lOmm)压模的模孔进料孔采用曲线孔形，而大孔（孔径大于lOmm）压模的模孔进料孔不采用曲线孔形，而是采用锥孔、直孔或与锥孔组合形式。锥孔生产小孔颗粒时，进口锥角B =30。对于大孔径，难以压制的纤维性轻质原料，常用正向带锥形过渡阶梯孔，直径为d10mm、I=12d=3045。实现大孔预压、小孔成形挤压的过程，确保制粒的质量。减压孔的深度和直径(R、E)：对于纤维含量高的原料，由于它所具有的制粒特性的差异，要求在压粒的过程中减少通过模孔的阻力，即要求在额定受压后减压成型藉以降低回弹率。为此，模孔应设计成两区段，进料挤压区段L和减压出料区段R，即L+R=T。减压出料孔有3种基本形式：直孔、锥孔和锥孔与直孔的组合，其中直孔和锥孔最为常用，它的最大孔径稍大于模孔直径d，其深度取决于相应的有效I作长度L。在有些情况下，尤其是当加工料出现在深减压孔内会膨胀而堵塞，或者当减压孔使环模的强度降低时，宜采用锥孔与直孔的过渡组合方式，或者采用锥孔。压模工作面的开孔率是压模的一项重要指标。它是工作面（内壁）模孔总面积除以压模工作总面积。开孔率的大小对颗粒机的生产率有很大影响在考虑压摸有足够强度的条件下，尽量提高开孔率。压模开孔率的计算方法与粉碎机筛板筛孔开孔率的计算方法相同。根据孔径大小不同，开孔率可在20%-30%之间选取。模孔的排布方式也是环模设计里面一个很重要的问题。根据饲养对象的不同，颗粒料的大小也不同，但是一旦饲养对象确定后，颗粒料的大小也就基本确定料，模孔的大小也就可以确定下来。通常模孔的排布方式有两种，一种是排成比较整齐的阵列，种是错位排布，如图27所示。为了使物料能够比较好地进入模孔，模孔的排布方式一般是进行错位排列，通常按等边三角形布孔，也有按等腰三角形布孔。压缩比：压缩比是模孔的进口面积和模孔面积的比值，此值仅表示物料进入压制室后如何有效压缩物料的一个指示值。对于10mm大孔径则更大。模孔的有效长度(L)：模孔的有效长度是指物料挤压（成形）的孔模长度。模孔的有效长度越长，物料在模孔内的挤压时间越长，制成后的颗粒越坚硬，强度越好，颗粒质量也越好。反之，则颗粒松散，粉化率高，颗粒质量降低。环模的厚度(T)：综合考虑模孔的有效长度、减压孔的深度以及环模的强度来确定。压模厚度和孔径以及被压物料特性有关，压模越厚、模孔越深、孔径越小，则孔壁阻力越大，物科挤压越坚实。压制不同饲料，不光按孔径来选用压模，还需要选用相应的最佳压模厚度，即选用最佳深（厚）径比，以便获得优质颗粒饲料，还不堵塞模孔。国际上通常选用环模的厚度(T)：为32127mm。长径比(Ld)：模孔的有效工作长度L与其孔径d之比，称之为长径比。压制不同的物料，需要采用相应的最佳长径比，藉以压制成密实的颗粒制品。例如，压制玉米粉所需的长径比一般为12，压制苜蓿草所需的长径比为8。使用长径比这个参数能够反映加工料对其压模结构参数的相应要求。所以不同粒径的颗粒只要选用长径比合适的压模，能生产出相同质量的产品，和高的生产效率。不同类型饲料的适宜模孔直径和长径比见参考文献(2)材质、孔形加工与热处理环模所用材质对于环模的使用寿命有着密切的关系，环模的材质可以采用优质合金钢，目前采用不锈钢较多。对于不易挤压的物料的压制，也可以采用青铜压模，因为青铜质软，挤压物料比较容易，但使用寿命较短，目前很少使用。美国克劳德一伯吉斯材料公司K哈伯尔先生通过对146个压模(40种材料和10种孔径)在相同条件下进行了试验，得出结论表明，采用X40Cr14（高碳铬钢）制造的压模，压模表面硬度HRC61-62，使用专用设备钻孔，真空淬火，生产2500t饲料后无明显的磨损。而采用20MnER5（低碳钢）钻头打孔，热处理后表面硬度HRC56-58，芯部.硬度为HRC38-40，生产2500t饲料后表面有明显的磨损，孔的内部开始出现凹痕。目前国产x46Cr13合金钢颗粒机环模的使用寿命一般在5000-12000t左右，但生产特种水产饲料使用寿命偏低（由于孔径和颗粒机型偏小），而大型设备则超过12000t。决定压模使用性能和寿命的几个因素a耐磨性：多数压模的损坏是由于磨耗。压模会因使用而引起表面磨损和模孔增大。压模的耐磨性随它的表面硬度、显微结构和化学成分而变化。要使压模得到最佳的耐磨性，关键在于材料的选择和热处理的方法。b耐腐蚀性：有些饲料成分和添加剂在高温、高压下会引起点蚀，从而腐蚀压模材料。因此，腐蚀是影响压模性能的最关键的影响因素，必须加以控制。高铬、高碳的压模具有最好的耐腐蚀性。c韧性：在制粒过程中压模承受很大的压力，这种压力能引起压模的即时损坏：超过工作时间也会造成压模的疲劳损伤。因此，压模材料的选择、热处理的方法和模孔的多少都是决定压模韧性的重要因素。环模材料的特性a耐磨性与韧性：提高压模硬度（假定金属结构固定不变）能增强耐磨性，但会降低压模的韧性。换言之，用提高压模硬度的方法来改进耐磨性，会增加脆性、降低韧性。因此必须将压模的硬度限制在能保持使用所需最低限度的结构水平上。b耐腐蚀性与耐磨性和韧性：压模的金属结构差和耐腐蚀材料的化学成分不佳会降低耐磨性，压模的冲击韧性也比较差，较容易开裂。c韧性与孔数：如果使用一种质量较差的压模材料而想通过增加孔数来提高制粒产量，是很难达到的。增加孔数很可能导致压模的开裂。压模材料（在热处理的同时）具有不同强度和不同韧性的特点。有些材料的孔数要少一点才能保持最低程度的韧性和结构强度。压模材料的选用对于压模的特性怎样才算优质以及与选材之间的关系如何，很难下一个完整的定义。在市场上出售的各类压模材料以及它们所具有的性能与缺点都要加以检验。目前用于生产压模的材料一般可分为三大类：合金、铬或淬硬的不锈钢、渗碳不锈钢。上述三大类材料有很多品种，它们的物理性质和化学性质又各不相同。每一类材料在制造过程中又都能通过特殊的热处理方法改变其性质的。a合金压模：美国多数饲料厂选用合金压模。这种压模由渗碳钢制成，硬度很高，具有最佳程度的耐磨性和韧性。压模的渗碳硬化（表面硬化）是一种热处理方法。即将压模加热至高温，然后掺入足量的碳气，这样，钢的外层吸收了很多碳。这种碳使钢模的表面交得更硬，从而增加压模表面的耐磨性。芯部材料中含碳较低，呈软性，具有较高的冲击韧性。这类压模不易开裂。同时因为表面是碳化的硬层，因此芯部呈韧性，压模更耐磨。但是这一类的压模耐腐蚀性较差。生产这类压模所用的材料需根据成本和热处理的工艺特性而定。一般来说，在选择材料时要注意镍的不同含量。因为含镍量高，能增强韧性和增加压模开孔数，但是材料成本也将提高。b铬压模有时也叫不锈钢压模。一般采用X40Cr13经淬硬或真空淬硬制成的压模。这种材料约含碳0.4%0.5%，铬12%14%。此类压模，能防止制粒原料的点蚀，但耐磨性和韧性比渗碳钢压模差。它们的外表面并不硬，但是芯部却比渗碳钢压模硬。用显微镜观察，标准的中性淬硬铬压模从表面到芯部晶相结构相当均匀。与渗碳钢压模的硬度呈逐步下降的情况不同，中性淬硬的铬压模从表面到芯部的硬度变化很小。铬的压模具有很高的耐腐蚀性。在欧洲，由于饲料的腐蚀性非常大。所以压模的铬含量很高，而美国的饲料厂则不需要使用此类耐蚀程度的压模。c渗碳不锈钢压模：此类压模是一种更好的产品。渗碳不锈钢压模具有同合金压模相似的淬硬表面，并且由于渗碳层有大量的碳化铬，耐磨性一般很强，但是它们同渗碳合金一样，从表面到芯部的硬度逐步递减。通过显微镜观察，可以看到压模外表聚集的碳化铬呈现出许多的斑点。这些非常硬的粒子分散在整个渗碳层上，提高压模的耐磨性。由于此类压模具有极好的耐磨性，能多次应用，因此吨颗粒饲料消耗压模成本较低。此类压模比合金压模更耐腐蚀，但比铬压模要差一些。(3)环模的转速设计环模转速时要考虑四个问题：制粒产量：它与转速没有正反比关系，存在最佳转速范围对应最佳产量；颗粒成形率，太高转速容易把压制出来的颗粒甩碎，降低成形率，即等于产量下降；不同饲料配方对应不同转速，以压制高品质饲料；环模内径尺寸，环模运转过程中产生离心力，转速太高，离心力就越大，影响颗粒机稳定性。综合上面因素和结合世界制造颗粒机的经验，环模的转速应由环模内径线速度确定。根据经验，模孔直径小的环模，应采用较高的线速，而模孔直径大的环模则应采用较低的线速。环模的线速，会影响制粒效率、能耗及颗粒的坚实度。在一定范围内，环模的线速提高，产量增大、能耗提高，颗粒的硬度和粉化率指数上升。一般认为，模孔直径为3. 26. 4mm时，压模的最高线速可达到10. 2ms；模孔直径为中1619mm时，压模的最高线速应限制在6.16. 6m/s。而在实际应用中，国内外厂商选用的环模线速均在3. 58. 5m/s。而一机多用的情况下仅使用一种线速度，是不能适应不同种类饲料加工的要求的。比较普遍的现象是，大型颗粒机生产小孔径颗粒饲料时质量不如小型颗粒机效果好，尤其是在生产直径3mm以下的畜禽饲料和水产饲料时特别明显。文献8认为是环模的线速过低和压辊直径过大是主要因素，这些因素会造成压制物料穿孔速度过快，从而影响硬度和粉化率指数。最理想的解决办法是采用无级调速。由于位置和投资成本的限制，也不太现实。CPM等多家公司采用可调双速传动，以适应不同孔径和原料的加工需要，获取最佳的生产效果，提高颗粒机的通用性。国外还有多家公司采用同一种机型配置2-3种不同的环模线速，供客户选择，以适应不同的专业生产要求。因此最佳环模线速的选择是一项具有现实意义的研究课题。本课题将在第四章进行环模转速对生产率影响的试验研究。2.4.2压辊结构压辊主要由压辊偏心轴、压辊壳、滚动轴承等组成。压辊的作用压辊的作用是将物料挤压入模孔，在模孔中受压成型。(1)压辊的材料及表面模、辊线速度基本相等，而辊的直径小，故压辊磨损率比压模大。若辊模同时更换，则压辊硬度应高于压模5-6HRC。故压辊一般用高碳合金钢制造。为使物料压入模孔，压辊与物料间必须有一定的摩擦力。压辊做成不同形式的粗糙表面，以防止压辊打滑。拉丝辊面：是目前最常见的一种，防滑能力较强，但物料有可能向一边滑移。如将拉丝槽做成两端封闭型，则可以减少这种滑移。带凹穴的辊面：凹穴内填满物料，形成摩擦表面摩擦系数较小，物料不易侧向滑移。槽沟辊面：在辊面上有窄形的槽沟以增加摩擦力，与凹穴辊面一样，物料不易侧向滑移。碳化钨辊面：辊面嵌有碳化钨颗粒，表面粗糙，质硬耐磨。对于磨损压辊严重及粘性大的物料，这种辊面尤为见效。具有碳化钨涂面的压辊，使用寿命比拉丝辊长3倍以上。但在使用时，务必使该辊定位准确，避免磨损压模。每一压辊绕其中轴旋转。中轴为偏心轴，旋转调节螺栓使偏心轴转动，压辊的旋转中心轴也随之改变，由此可改变压辊与压模的间隙，以使不同原料或产品获得理想的压制效果。(2)压辊的技术参数压辊的数量：环模颗粒压制机的压辊一般为23只，特殊情况有多只；根据受力分布合理性，以3只压辊为最佳。平模颗粒压制机一般为25只，常用4只。压辊直径：对于二辊式颗粒压制机的辊模径比为0. 430. 55，三辊式为0.390. 46。平模颗粒压制机压辊的直径应是环模的1.6倍，才能使两者压实层相同。在实际应用中，在两种机型功率相同的情况下，压辊直径比为1. 251. 77。压辊的表面硬度与使用寿命：压辊的材料表面硬度在理论上应低于压模的表面硬度HRC2-3，这样能保证环模的低磨损和使用寿命。原则上新模配新辊，模辊的最佳寿命比为1:1，国外常用1：2，国内使用1：3。(3)模辊间隙模辊间隙调整极为重要，间隙过小，会加剧磨损；间隙过大，会造成打滑，影响颗粒质量。模辊间隙一般为0.1-0.4，对环模型颗粒机一般物料间隙为0.1-0.3，压草粉为0.5。对平模颗粒机一般间隙为0.005-0.3。压辊安装到环模内后，利用压辊偏心轴，可以调整压辊外表面与环模内表面之间的间隙，压辊应调整到与环模轻微接触且刚好能带动压辊似转非转为宜。压辊调节原理如图2.26所示。松开压辊调节螺栓3，通过拧动抵在偏心调节凸缘上的与压辊调节螺栓3对应的调节螺栓就可调整压辊与环模之间的间隙。调至正确位置后，拧紧旋松的调节螺栓并锁紧。辊模间隙自动调整装置的种类很多，基本原理是采用气动或液压执行机构，自动调节。气动辊模间隙调整装置的工作原理：利用气源的压力差带动气动马达旋转，气动电机通过花键带动蜗轮蜗杆机构转动，蜗轮通过梯形螺旋前后往复运动，而调节杆两端安装在球面轴上，这样调节杆可在一定范围内摆动，带动调隙轮转动，从而买现调节模辊的间隙。此外，在环模堵料时，能使压辊迅速远离环模内表面，这样便于清理，节省时间，提高效率。2.4.3颗粒机环模与压辊的直径与制粒生产效率和品质的关系(1)环模内径D和压带宽b根据单位功率面积理论推导，环模内径D应在一最佳范围内，由单位功率面积A计算式得：在相同环模面积的情况下，宽度过小使坏模直径相应增大，从而主机整体体积都增加，造成不必要的浪费；宽度过大使草粉落入环模后，不能达到布料均匀，至使环模和压辊在使用的过程中磨损不均匀，寿命减少。所以选择合理的环模宽度和直径，既是保证压制机产量的关键，也是提高易损件和整机寿命的关键。经研究试验，一般，b与D的关系为：可以看出MUZL610T的K值比较高，这是改进机型，经过测试，其生产率比其它同类型机型高。为了探讨宽度是否可以进一步增加，第四章将进行试验研究。(2)环模与压辊的直径与制粒能耗的关系大直径环模和压辊式颗粒机由于增加了压模的有效工作面积和压辊的挤压作用，可提高饲料的生产效率，降低磨损费用和操作成本，使物料能均匀地通过制粒工序，避免过度挤压，提高颗粒的质量。从不同环模、压辊直径与电耗的关系见下图2.12。从图中可以看出，在相同调质温度和耐久性指标下，使用小直径的环模、压辊和大直径环模、压辊相比电耗有明显的差异。因此，使用大直径环模和压辊是降低制粒能耗的一项有效措施。(3)不同规模颗粒压制机质量、产量、能耗、成本之间的关系颗粒压制机的规模大小，决定了环模的直径大小。如下图所示，2台环模直径相差100mm、压辊直径相差80mm的颗粒机，在质量基本稳定的前提下，大直径环模、压辊颗粒机，产量提高65%，能耗低15%。英国专家海斯艾尔斯于1986年对在相同质量条件下，用一台Simon1200B型(220kW)颗粒机和2台小型颗粒机(一台125型88kW，一台150型110kw)，进行相关成本对比，结果见表2-1。相关成本每吨降低57.6%。由此可见颗粒压制的规模越来越大，相关成本越低。(4)环模的直径与使用寿命和成本之间的关系环模的直径与使用寿命成线性关系，环模的直径越大，环模的使用寿命越长。从而可以降低环模和压辊的磨损费用。环模直径900mm与中520mm相比，生产每吨饲料可减少环模和压辊成本50%，见图2-12。(5)压辊的数量、大小与能耗和含粉率之间的关系在相同直径的环模内，安装3只压辊，压辊的直径比安装2只压辊的直径小。实验结果表明，二辊式颗粒机生产能力降低、电耗明显降低，但颗粒的含粉率有所增加，同时二辊式比三辊式的维修和磨损费用低。试验结果见图2-13。综上所述，选用大直径环模、压辊比小直径环模、压辊，在节能、提高工作效率和降低成本上比较有利。二辊式比三辊式容易采用大直径压辊，维修和磨损成本低，但三辊式比二辊式的制粒品质有所改善。因此选用何种机型，需根据原料的特性综合2.5环模颗粒机的传动2. 5,1颗粒压制机的传动方式环模颗粒压制机的传动方式主要有两类：一类是齿轮箱式，优点是传动效率高，可实现二级变速，机器的结构比较紧凑，但噪声较大（采用精密齿轮传动可降低噪声），机器大修周期长。另一类是皮带式（可分为一级、二级三角带传动或同步齿形带传动），优点是噪声低，不需额外的润滑管理，缺点是不能实现低成本的快速变速。不论采用那种传动，解决低成本的无级调速或多级变速是发展的方向。双电机驱动通常是解决大系统、大负载驱动的有效方法，其存在主要问题是电机同步。解决这一问题较好、精度较高的方法是伺服控制驱动，但这种方法成本太高。对于颗粒机的驱动，传动精度要求较低，较简单的方法是采用皮带传动，这样利用皮带的打滑可以消除两电机速度偏差对传动系统的影响，但其传动效率较低。牧羊集团目前采用了双级同步带驱动，如图2-14。同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体，这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s传动比可达10，效率可达98%。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。而且对于双驱动同步带传动，尽管传动带有一定的弹性变形，但难以消除速差对传动的影响，产生干涉、噪音、降低了传动效率，这样同步要求非常重要。2.5.2双级驱动同步控制问题解决同步问题的方法可以分为两种类型：电器同步控制和机械同步传动。(1)电器同步控制1)普通异步电机调速控制对于两普通异步电机的同步可以采用电机控制调速的方法来实现。普通交流电动机的调速方法很多，有调压调速，斩波调速，转子串电阻调速，串级调速，滑差离合器调速，变频调速等等。异步电动机的调压调速，斩波调速，转子串电阻调速等等均是旋转磁场转速不变的情况下调转差的调速方法，都是属于低效调速之列，而变极调速和变频调速是高效的调速方法。至于串级调速由于电机旋转磁场的转速不变，所以它本质上也是一种调转差的调速方法，似应属于低效调速方法的范畴，但是由于串级调速系统中把转差功率加以回收利用而没有白白消耗掉，使系统的实际损耗减少，于是它就由原来的低效调速方法变成了高效的调速方法。一般低效的调速方法是一种耗能的办法，从节能的观点，这种调速方法是不经济的，但是由于采用这种调速方法比较简单，设备价格比较便宜，它还是广泛应用于一些调运范围不大，低速运行时间不长，电机容量较小的场合。特别值得指出的是调转差这种耗能的调速方法在风机、水泵类设备的小范围调速节能中应用，能产生一定的节能效果。而有些方法无法自动调节，这对于两电机的同步控制也无法实现。变极调速是有级变速，无法用于两电机的同步。交流电动机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电动机，也适用于同步电动机。交流电动机采用变频调速不但能无级调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压与频率之间的关系，可使电机始终运行在高效率区，并保证良好的动态特性。交流电动机采用变频起动更钝显著改变交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。所以变频调选是交流电动机的理想调速方法。使用变频同步控制的方法如下：双级驱动时，由于电机之间通过同步带存在直接连接，因而不能仅以各电机的速度反馈信号为同步控制依据。更要引入各电机的负荷大小进行负荷均衡控制，以达到真正的同步传动。因为在传动链运动过程中，各传动电机实际上或主动或被动的都处于同一转速下运行，能够迅速、准确反映各电机同步状态的信息主要是各电机的负载电流。当某电机的转速较其它同步运行电机转速快时，其负载电流必加大，反之负载必减小。此外，双级驱动电机之间存在着严重的耦合关系，当某台电机的转速降低时，该电机在系统中不仅失去了拖动作用，还要作为负载被传动链上其它电机拖着同步运转，这导致其它电机的负载立即加重。因此对这类连接同步驱动的多台电机，其控制原则应是以电机运行转速信息为参考，以电机的负载电流信息为依据。2)电磁调速异步电动机电磁调速异步电动机又称滑差电机，是由普通鼠笼式异步电动机、电磁滑差离合器和电气控制装置三部分组成。异步电机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转，电气控制装置是提供滑差离合器励磁线圈励磁电流的装置。这里主要介绍电磁滑差离合器，图3.4是其结构示意图。它包括电枢、磁极和励磁线圈三部分。电枢为铸钢制成的圆筒形结构，它与鼠笼式异步电动机的转轴相连接，俗称主动部分；磁极做成爪形结构，装在负载轴上，俗称从动部分。主动部分和从动部分在机械上无任何联系。当励磁线圈通过电流时产生磁场，爪形结构便形成很多对磁极。此时若电枢被鼠笼式异步电动机拖着旋转，那么它便切割磁场相互作用，产生转矩，于是从动部分的磁极便跟着主动部分电枢一起旋转，前者的转速低于后者，因为只有当电枢与磁场存在着相对运动时，电枢才能切割磁力线。磁极随电枢旋转的原理与普通异步电动机转子跟着定子绕组的旋转磁场运动的原理没有本质区别，所不同的是：异步电动机的旋转磁场由定子绕组中的三相交流电产生，而电磁滑差离合器的磁场则由励磁线圈中的直流电流产生，并由于电枢旋转才起到旋转磁场的作用。速度负反馈电磁调速异步电动机控制电路。现在广泛采用具有速度负反馈的滑差离合器的控制装置，来实现宽范围无级调速，它比起其它调速电动机来说，具有以下主要优点：交流无级调速，机械特性硬度较高；结构简单、工作可靠、维护方便、价格低廉；调速范围大，用在像印刷机这样的恒转矩负载时，一般可达10:1，有特殊要求（如轮转机）时亦可达50:l：可调节转矩。在现代化的联合轮转机中，都应用了自动化的纸张拉紧机械，它可以达到随着卷筒纸直径的变化，调节离合器的转矩经保持拉力不变。如果将两台以上的并激特性的电动机联结于同一台机械上，进行多电机并联同轴运转，那么，必须考虑到各电动机之间一定会存在特性上的差别。这种电动机特性上的微小差别，能引起很大的负载不平衡现象，有时会造成一台电机承受所有负载的特殊情况。由于滑差电机绝对不可能进行再生别动运转，故完全可以避免一台为电动机其余各台为发电机的极端情况。因此，在需要更多台电机并联同轴运转的场合，使用滑差电机传动是较为适宜的。由于机械特性软，只要出观很小的负载不平衡部分，就能立即传递转矩，因此，不至于使转速高的那一台原动机出现过载现象，而且在运行中，两台原动机的负荷电流相差不多，达到了基本平衡的目的。这就是最为简单的多心机并联同轴运转的控制方法之一。滑差电机调速中的转矩限制控制方法有两种：一种是在滑差离合器激励输出回路中串联电阻，适当降低输出转矩，以获得稳定的速度特性；另一种是通过检测拖动它的鼠笼式异步电动机的电流来控制电机的转矩，以获得较好的负载特性。这两种方法都具有实际应用价值。电磁调速异步电动机在多种工程机械的并联驱动中有应用，且可以实现无级变速。(2)机械同步传动解决这一问题的方法还可以从另一角度考虑，即改变机械传动方式与结构，如采用超越离合器、差动传动等，但通用的超越离合器传递大扭矩较困难，可以采用双电机差动传动，具体结构如图2-18所示。 设电机1和电机2的转速分别为n1和n2，可分别列出差动轮系转速关系为：N1，n2, n3，nH分别代表各个轴的转速；z1，z2，z3，z4，z5分别代表差动轮系齿轮的齿数。这里两电机的转速一样，可通过齿轮齿数调整来调整输出轴的转速。2.6切刀切刀数量一般由颗粒机压辊个数决定的，每只压辊配一把切刀。通过调整切刀相对环模在周向与径向的位置，可以控制颗粒的长度。切刀一般分为硬质刀片型及薄刀片型。硬质刀片耐磨性好，韧性差，适用于大粒径的畜禽料等；薄刀片韧性好，耐磨性差，适用于小料