0、引 言
環(huán)模
顆粒機(jī)廣泛應(yīng)用于飼料、制藥、新能源等技術(shù)領(lǐng)域。在飼料加工領(lǐng)域，環(huán)模顆粒機(jī)是飼料機(jī)械的四大主機(jī)之一，具有成型率高、提高動(dòng)物生長(zhǎng)性能等一系列優(yōu)點(diǎn)；在制藥領(lǐng)域，可以降低原料損耗、提高吸收率；在新能源技術(shù)領(lǐng)域，環(huán)模顆粒機(jī)可將秸稈、木屑等生物質(zhì)原料制成
生物質(zhì)顆粒燃料，實(shí)現(xiàn)高效燃燒、低污染排放，大力促進(jìn)可再生能源的合理應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)環(huán)模顆粒機(jī)的顆粒機(jī)理、質(zhì)量、能耗、效率等問(wèn)題開(kāi)展了一系列研究。在國(guó)外，JensI3-4]建立了物料通過(guò)模孔時(shí)的擠壓壓強(qiáng)模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；Blatik對(duì)制粒過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化與控制研究，研究在保證加工質(zhì)量的前提下如何提高加工效率；Tabj研究了工藝條件與制粒質(zhì)量之間的關(guān)系，建立了能耗與顆粒耐久性之間的關(guān)系模型；Rolfe則指出隨環(huán)模轉(zhuǎn)速的增高，擠壓力會(huì)減小，但是比機(jī)械能會(huì)增加；A．Mehrdad研究了鋸屑制粒成形過(guò)程，指出通過(guò)優(yōu)化工藝可以在比較低的能耗下獲得高質(zhì)量的顆粒；L.rOrbj將近紅外技術(shù)應(yīng)用于顆粒實(shí)時(shí)濕度檢測(cè)及能耗計(jì)算；N.P. Nielsen研究了鋸屑纖維方向?qū)χ屏Ｌ匦缘挠绊懀Y(jié)果表明具有橫向纖維方向的鋸屑制粒能量更低。在國(guó)內(nèi)，曹康對(duì)制粒的機(jī)理、工藝進(jìn)行了比較詳細(xì)、全面的論述，對(duì)擠壓區(qū)的受力狀況進(jìn)行了力學(xué)分析；吳勁鋒c121對(duì)不同粒度苜蓿草粉進(jìn)行了制粒過(guò)程模擬試驗(yàn)，得出了制粒擠出力與粒度、密度之間的關(guān)系；李在峰研究指出，玉米秸稈顆粒成型時(shí)電耗主要集中在粉碎與制粒2個(gè)工藝中，而制粒電耗又是粉碎電耗的2倍，且顆粒密度對(duì)成型時(shí)的電耗有較大影響；白衛(wèi)進(jìn)行了3種秸稈顆粒冷態(tài)壓縮成型的開(kāi)式實(shí)驗(yàn)研究，研究表明在壓緊階段物料主要發(fā)生了塑性變形，且擠壓力的數(shù)學(xué)模型為線(xiàn)性方程；何曉峰研究了不同生物質(zhì)原料粒度、含水率、環(huán)模孔長(zhǎng)徑比等因素與顆粒成型率及噸料電耗的關(guān)系，找出了生物質(zhì)顆粒燃料的最佳成型條件；此外，田鵬飛對(duì)制粒室物料分布與效率之間的關(guān)系進(jìn)行了討論；高星、王紅英對(duì)影響顆粒機(jī)生產(chǎn)效率的主要因素進(jìn)行了分析。
以上國(guó)內(nèi)外研究并未建立系統(tǒng)的環(huán)模受力與物料特性、顆粒機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系模型。本文將在已有成果基礎(chǔ)上，分析環(huán)模顆粒機(jī)擠壓成形過(guò)程與原理；研究環(huán)模系統(tǒng)擠壓過(guò)程力學(xué)模型；研究壓緊區(qū)受力狀況，推導(dǎo)最大物料擠壓高度以及最大扭矩的計(jì)算公式；詳細(xì)分析物料特性及顆粒機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)環(huán)模扭矩的影響規(guī)律。
1、成形過(guò)程分析
環(huán)模顆粒機(jī)的工作過(guò)程如下：環(huán)模（壓模）在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下以一定的轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，調(diào)質(zhì)后的物料由導(dǎo)料機(jī)構(gòu)送入環(huán)模與壓輥間的工作區(qū)（如圖1），壓輥借助工作區(qū)內(nèi)環(huán)模與物料、壓輥與物料間的摩擦力作用開(kāi)始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。隨著環(huán)模與壓輥的旋轉(zhuǎn)，攝入的物料被擠壓、壓緊，當(dāng)擠壓力增大到足以克服模孔內(nèi)物料與內(nèi)壁的摩擦力時(shí)，物料就被擠壓進(jìn)模孔。隨模輥不斷旋轉(zhuǎn)，環(huán)模孔內(nèi)的物料連續(xù)擠出，經(jīng)切刀切斷，形成圓柱狀顆粒料。
根據(jù)物料在擠壓過(guò)程中的不同狀態(tài)將物料劃分為3個(gè)區(qū)，即供料區(qū)、變形壓緊區(qū)和擠壓成形。
1)供料區(qū)：物料在環(huán)模、壓輥摩擦力及離心力的影響下隨環(huán)模、壓輥旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)物料密度比較小。
2)變形壓緊區(qū)：隨著模、輥的旋轉(zhuǎn)，物料進(jìn)入壓緊區(qū)，由于模、輥空間的減小，粉粒體間空隙逐步減小，粉粒體之間接觸表面積增大，物料逐漸被壓實(shí)，物料產(chǎn)生不可逆的變形，密度逐漸增加。
3)擠壓成形區(qū)：在擠壓區(qū)內(nèi)，模輥間隙急劇減小，擠壓力急劇增大，物料密度進(jìn)一步增大，并在壓力作用下進(jìn)入模孔，直至從孔中擠出。
2、擠壓過(guò)程力學(xué)模型
如圖2所示，物料在擠壓區(qū)與變形壓緊區(qū)受力是不同的，下面分別分析。
擠壓區(qū)壓強(qiáng)與模孔壓強(qiáng)相關(guān)。模孔距出口任意位置處的擠壓壓強(qiáng)Px的計(jì)算表達(dá)式如下（如圖3所示）
設(shè)模孔長(zhǎng)度為L(zhǎng) (mm)，則擠壓區(qū)內(nèi)環(huán)模內(nèi)表面（進(jìn)料口）各位置處受到的壓力都應(yīng)該與物料在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的模孔內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)必須克服的摩擦阻力相等，所以擠壓區(qū)內(nèi)環(huán)模內(nèi)表面不同位置的壓強(qiáng)基本相等，均可以x=L代入式(1)計(jì)算，這樣擠壓區(qū)內(nèi)環(huán)模內(nèi)表面擠壓壓強(qiáng)可表示為
擠壓區(qū)內(nèi)，物料的壓強(qiáng)應(yīng)足夠大，可推動(dòng)環(huán)模孔內(nèi)的物料向下運(yùn)動(dòng)；而在變形壓緊區(qū)，物料的壓強(qiáng)逐步增加，還不足以克服物料與模孔的摩擦阻力，其中靠近擠壓區(qū)的位置其壓強(qiáng)與擠壓區(qū)基本相同，而靠近供料區(qū)的位置其壓強(qiáng)接近于0。設(shè)變形壓緊區(qū)內(nèi)壓強(qiáng)呈線(xiàn)性變化，則環(huán)模內(nèi)表面的受力狀態(tài)示意圖如圖4。
2)摩擦系數(shù)的影響
結(jié)構(gòu)參數(shù)取值同前，計(jì)算泊松比為0,3，摩擦系數(shù)從
0.1到0.6變化時(shí)相對(duì)扭矩的變化情況，計(jì)算結(jié)果如圖6。
從圖5、圖6可以看出，隨物料泊松比的增加以及摩擦系數(shù)的增加，扭矩均呈現(xiàn)出指數(shù)曲線(xiàn)增加趨勢(shì)。計(jì)算數(shù)據(jù)表明，當(dāng)泊松比由0.1增加到0.6時(shí)，扭矩增加了96倍，而當(dāng)摩擦系數(shù)由O.l增加到0.6時(shí)，扭矩增加了3 000多倍，可見(jiàn)摩擦系數(shù)對(duì)扭矩的影響更明顯。以上分析表明物料特性對(duì)制粒能耗的影響很大。
3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響
1)模孔長(zhǎng)徑比的影響
計(jì)算環(huán)模孔徑長(zhǎng)度從36到67.5 mm之間變化（長(zhǎng)徑比由8到15之間變化）時(shí)的扭矩變化情況，其他參數(shù)取值同3.1。計(jì)算結(jié)果如圖7。
從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨模孔長(zhǎng)度的增加，扭矩增加并不呈現(xiàn)出線(xiàn)性關(guān)系，而是呈現(xiàn)出指數(shù)曲線(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，所以在設(shè)計(jì)顆粒機(jī)時(shí)必須根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)合分析其扭矩及能耗，進(jìn)而配置合適的電機(jī)；同時(shí)，在滿(mǎn)足質(zhì)量的前提下應(yīng)盡可能縮短模孔長(zhǎng)度以降低長(zhǎng)徑比，從而減小扭矩、降低能耗。
2)壓輥直徑的影響
環(huán)模直徑一定(350 mm)，物料擠壓高度相同（以7 mm為例）時(shí)，不同壓輥直徑(140，145，150，155，160，165 mm)下的相對(duì)扭矩計(jì)算結(jié)果如圖8。
環(huán)模直徑一定（350 mm），不同壓輥直徑下(140，145，150，155，I60，165 mm)的最大產(chǎn)量及最大扭矩計(jì)算結(jié)果如圖9。
從圖8可以看出，當(dāng)環(huán)模直徑一定，且產(chǎn)量（擠壓高度）相同的情況下，增大壓輥直徑反而會(huì)增加扭矩，最終增加能耗。
而圖9計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)模直徑一定時(shí)，隨壓輥直徑增加，其最大產(chǎn)量將增加，但對(duì)應(yīng)的最大扭矩也將增加，扭矩增加的幅度高于產(chǎn)量增加的幅度，所以能耗會(huì)有所提高，但提高的幅度較小，所以從提高產(chǎn)量的角度講增大壓輥直徑是有利的。當(dāng)然，以上分析是建立在電機(jī)功率足夠的基礎(chǔ)上。加工某種物料時(shí)，如果在現(xiàn)有壓輥直徑條件下電機(jī)已經(jīng)滿(mǎn)載，則增大壓輥直徑反而會(huì)降低產(chǎn)量；如果此時(shí)物料擠壓高度未達(dá)到最大值，則減小壓輥直徑會(huì)更加有利，可以在保證產(chǎn)量的前提下降低能耗。
3)環(huán)模、壓輥同比變化時(shí)的影響
計(jì)算環(huán)模直徑與壓輥直徑同比變化時(shí)最大產(chǎn)量及最大扭矩。壓輥與環(huán)模直徑取值如表2，計(jì)算結(jié)果如圖10。
從計(jì)算結(jié)果可以明顯看出，當(dāng)環(huán)模、壓輥直徑同時(shí)增大時(shí)，最大產(chǎn)量增加很快，最大扭矩雖然也在增長(zhǎng)，但是增加的幅度很小。可見(jiàn)，采用大尺寸的環(huán)模顆粒機(jī)不僅可以提高產(chǎn)量，同時(shí)還可以降低能耗。
4、結(jié)論
本文對(duì)環(huán)模系統(tǒng)的受力狀況進(jìn)行了研究，建立了環(huán)模扭矩力學(xué)模型，以建立的模型為基礎(chǔ)進(jìn)行了分析計(jì)算，主要結(jié)論如下：
1)物料特性對(duì)制粒能耗的影響很大。隨物料泊松比增加及摩擦系數(shù)增加，環(huán)模扭矩呈指數(shù)曲線(xiàn)增加趨勢(shì)。
2)隨模孔長(zhǎng)度增加（壓縮比增加），環(huán)模扭矩也呈指數(shù)曲線(xiàn)增加趨勢(shì)，從降低能耗角度出發(fā)，在保證質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能縮短模孔長(zhǎng)度（壓縮比）。
3)在環(huán)模直徑一定時(shí)，增大壓輥直徑反而會(huì)增加扭矩，增加能耗。但當(dāng)電機(jī)功率足夠時(shí)，隨壓輥直徑增加，最大產(chǎn)量也在增加，且產(chǎn)量增加的幅度與扭矩增加的幅度差異不大，所以從提高產(chǎn)量角度出發(fā)可以選取較大的壓輥；而在電機(jī)已經(jīng)滿(mǎn)載的情況下，則減小壓輥直徑會(huì)更加有利，可以在保證產(chǎn)量的前提下降低能耗。
4)環(huán)模、壓輥直徑同時(shí)增大時(shí)，能耗增加的幅度遠(yuǎn)小于產(chǎn)量增加的幅度，所以采用大尺寸的環(huán)模
顆粒機(jī)是非常有利的，不僅可以提高產(chǎn)量，同時(shí)還可以降低能耗。
