1、引 言
飼料顆粒機(jī)的環(huán)模和壓輥是顆粒機(jī)的主要工作部件，顆粒機(jī)制粒過(guò)程應(yīng)滿足低噪音、高質(zhì)量、高效率的T作要求，低噪音、高質(zhì)量、高效率取決于環(huán)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)模與壓輥在T作狀態(tài)下的調(diào)整，而環(huán)模的受力分析是環(huán)模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。在以往的受力分析中由于忽略了環(huán)模中物料的可壓縮性和環(huán)模�？椎膶�(dǎo)角對(duì)物料受力的影響，造成環(huán)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的誤差。筆者針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，對(duì)以往的環(huán)模受力分析進(jìn)行了修正，為環(huán)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，富通新能源專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)銷(xiāo)售
秸稈顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等顆粒飼料成型機(jī)械設(shè)備，如下圖所示：
2、環(huán)模制粒原理
如圖1所示。制粒過(guò)程中環(huán)模在主動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下，以一定的轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)壓輥借助摩擦力的作用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。隨著壓輥的旋轉(zhuǎn)，農(nóng)業(yè)纖維物料（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“物料”）在擠壓力的作用下體積逐漸減小，密度也逐漸增加，物料受到的擠壓力也越來(lái)越大，在擠壓力的作用下物料相互移近和重新排列，物料間所含氣體不斷逸出，從而使得物料間的間隙減小，聯(lián)接力增加，最后被壓制成具有一定密度，一定強(qiáng)度的顆粒飼料。在壓粒過(guò)程中，飼料的蛋白質(zhì)和糖分受熱產(chǎn)生可塑性淀粉部分糊化，“壓粒”，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是一個(gè)擠壓式的熱塑過(guò)程。
3、受力分析
3.1攫入角的定義
過(guò)環(huán)模中心O1引一射線通過(guò)擠壓區(qū)．分別交壓輥和環(huán)模于A1、B兩點(diǎn)，引A1、B的切線相交于D點(diǎn)，則∠A，DB定義為壓輥對(duì)物料的攫人角r0物料開(kāi)始攫人時(shí)r最大，稱(chēng)為最大攫人角。對(duì)于某一特定的物料而言，角r隨物料的不斷壓實(shí)、擠出而減小，直至為零（C點(diǎn)處）；在物料攫人的過(guò)程中，最大攝人角小于或等于物料、壓輥之間的摩擦角或物料內(nèi)摩擦角之和。也就是說(shuō)，當(dāng)物料特性一定時(shí)，r越小則物料越容易被攫人。
3.2對(duì)以往環(huán)模受力分析的討論
在以往的環(huán)模受力分析過(guò)程中，往往從物料擠壓區(qū)內(nèi)分離出一微元物料進(jìn)行受力狀態(tài)的分析，認(rèn)為這時(shí)環(huán)模壓輥和物料之間存在著以下諸力：壓輥?zhàn)饔糜谖锪系恼龎毫Β�，物料與壓輥表面間的摩擦力F，環(huán)模內(nèi)壁的反力Q，物料與環(huán)模內(nèi)表面的摩擦力T。取環(huán)模擠壓區(qū)內(nèi)一微元分離體。
為了直觀的分析，假設(shè)所選取的分離體與環(huán)模內(nèi)壁接觸，位于圖1中的B點(diǎn)處。從圖1、2中可以看出，力Q沿環(huán)模直徑指向環(huán)模中心（假設(shè)其圖作用點(diǎn)為B點(diǎn)），力Ⅳ沿壓輥的直徑方向向外，兩力之間的夾角等于r。因環(huán)模擠壓區(qū)內(nèi)任意位置的物料受到的擠壓力始終沿壓輥直徑方向，所以圖2所示的受力情況在環(huán)模擠壓區(qū)內(nèi)任意位置成立。延長(zhǎng)力Ⅳ的作用線交環(huán)模內(nèi)表面于一點(diǎn)，則這一點(diǎn)必然不會(huì)是圖1中的B點(diǎn)。也就是說(shuō)所選取的物料分離體在環(huán)模內(nèi)被壓縮時(shí)，環(huán)模內(nèi)壁的支撐點(diǎn)并不是圖2中支反力Q的作用點(diǎn)B。然而在制粒的過(guò)程，環(huán)模中的物料是具有可壓縮性的，在受到壓輥擠壓力后它必然會(huì)沿著所受力的方向被壓縮。因此可以認(rèn)為以往的這種分析方法忽略了環(huán)模中物料的可壓縮性。
另外，在制粒的過(guò)程中，進(jìn)入擠壓區(qū)的物料始終處于被逐漸攫人到更小空間的過(guò)程中，也就是說(shuō)在物料開(kāi)始被攫人到被完全擠出的整個(gè)過(guò)程中應(yīng)滿足式(1)。這就說(shuō)明在1角逐漸趨于零的過(guò)程中，物料受到的壓輥的摩擦力(F=u1Ncos l)會(huì)逐漸增大，并最終達(dá)到最大值。因此由以往的這種方法可推出：壓輥是主動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的，但在實(shí)際的制粒過(guò)程中，壓輥與環(huán)模間存在間隙，壓輥并非主動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的，它旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力主要來(lái)源于被壓縮的物料對(duì)它的摩擦。因此得出：在r趨于零的過(guò)程中，式(1)左邊部分的值趨于最大值，而右邊部分的值卻趨于0，這就說(shuō)明。
再者，按照上面的平衡條件分析，環(huán)�？變�(nèi)（包括孔的內(nèi)倒角部分和直孔部分）的物料受到的力應(yīng)該都是沿環(huán)模直徑方向，則在內(nèi)倒角錐面上的磨痕應(yīng)該會(huì)沿倒角錐面的母線方向整齊地排列，倒角處和直孔內(nèi)部具有相同的磨損機(jī)理。然而，作者在環(huán)模失效機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，從失效環(huán)模模孔導(dǎo)角處和直孔內(nèi)壁的SEM圖上可以看出：導(dǎo)角處與直孔內(nèi)表現(xiàn)出不同的磨損機(jī)理，且磨痕方向混亂。
3.3受力分析的修正
3. 3.1環(huán)模內(nèi)壁的受力分析
處于擠壓區(qū)內(nèi)的物料受到的壓輥的作用力均沿壓輥直徑方向，受力情況如圖5所示。從圖中可以看出，在連續(xù)制粒的情況下，壓輥因受到摩擦力而轉(zhuǎn)動(dòng)。物料在被逐漸攝人的過(guò)程中，物料除隨環(huán)模一起轉(zhuǎn)動(dòng)外，還將沿壓輥直徑方向被壓縮。
現(xiàn)從擠壓區(qū)內(nèi)任取一物料塊進(jìn)行分析。
物料受到壓輥擠壓力Ⅳ，環(huán)模的反作用力Q，環(huán)模內(nèi)物料隨環(huán)模旋轉(zhuǎn)所需的力T和壓輥對(duì)物料的摩擦力F的作用。其中Ⅳ的方向沿O2A1指向物料，Q方向與Ⅳ相反沿C02指向物料，T垂直于O1D，F(xiàn)垂直于O2A1。因?yàn)榄h(huán)模上存在�？准澳？椎菇�，所以力丁的大小并不一定等于環(huán)模對(duì)物料的摩擦力，根據(jù)平衡條件可得：
由此可以推斷，環(huán)模內(nèi)壁所受物料的作用力受到擠壓力Ⅳ，內(nèi)摩擦系數(shù)u，和角b的影響。其中壓輥對(duì)物料的擠壓力Ⅳ隨著被壓縮物料體積的減小而增大，受到物料的粒度和物料內(nèi)摩擦系數(shù)等因素的影響。內(nèi)摩擦系數(shù)u同樣受到物料粒度的影響。
3.3.2�？椎菇翘幨芰Ψ治�
環(huán)模在開(kāi)始擠壓物料時(shí)，�？椎菇翘幩艿牧χ饕蓛�(nèi)錐面正對(duì)壓輥的那半部分承受，隨著模孔向水平方向的運(yùn)動(dòng)，倒角內(nèi)錐面承受壓力的面積逐漸增大，并最終在水平位置處達(dá)到最大值。在環(huán)模上任取一�？走M(jìn)行受力分析：由前面的分析可知，在制粒的過(guò)程中環(huán)模內(nèi)壁所受到的力Q=N(l-tgb），力的方向沿壓輥直徑向外。所以，在�？椎菇清F面上任意一點(diǎn)受到的力的大小為Q=Q =N(l-tgb），它與倒角內(nèi)錐面之間的夾角等于B+a/2。
由于模孔倒角錐面上所受的力是沿環(huán)模軸向平行分布的，所以當(dāng)以上圖所示方式（即沿環(huán)模軸向）在�？椎菇翘幾鹘孛鏁r(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列大小不同的角a，由此可知：0≤a≤錐角。
3.3.3 直孔部分的受力分析
處于模孔直孔部分的物料所受的力主要來(lái)源于物料間的擠壓力，且壓力的方向平行于�？字行木�。如圖8所示�，F(xiàn)假設(shè)�？變�(nèi)物料所受擠壓力的合力為Q，孔壁對(duì)物料的摩擦力為f，物料對(duì)孔壁的壓力為Ⅳ，則模孔內(nèi)物料必須滿足如下關(guān)系式：
N=f
f=Fu
式中：物料我草粉與孔壁間的摩擦系數(shù)；F為物料對(duì)孔壁的正壓力。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明飼料粉粒的壓縮主要是在未進(jìn)入�？浊暗臄D壓階段完成。進(jìn)入模孔后，壓縮量除剛進(jìn)模孔時(shí)有變化以外，進(jìn)入直孔后未產(chǎn)生變化。同時(shí)，農(nóng)業(yè)纖維物料在壓縮時(shí)，物料在某一壓力下產(chǎn)生了變形當(dāng)保持其變形狀態(tài)不變時(shí)，被壓縮物料的應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間衰減的現(xiàn)象。從相關(guān)研究中可知，物料在開(kāi)式壓縮過(guò)程中（飼料制粒的過(guò)程屬開(kāi)式壓縮過(guò)程），整個(gè)壓縮室內(nèi)的物料可劃分為3個(gè)階段：變形反彈階段、應(yīng)力松弛階段；再變形反彈階段，其中變形反彈是被壓縮物料的內(nèi)應(yīng)力克服摩擦阻力的一種行為，也是應(yīng)力松弛的一種形式。從制粒的過(guò)程來(lái)看，物料在環(huán)模內(nèi)的壓縮屬于變形反彈階段，在�？變�(nèi)的擠出過(guò)程屬于應(yīng)力松弛階段，而物料顆粒出模后的反彈膨脹則屬于再變形反彈階段。所以說(shuō)，要準(zhǔn)確分析�？變�(nèi)的受力情況，必須明確正壓力F在物料擠出過(guò)程中的變化規(guī)律，而這種變化規(guī)律的確定還需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。
4、結(jié)語(yǔ)
為了準(zhǔn)確分析環(huán)模制粒過(guò)程的受力狀況，應(yīng)考慮物料的可壓縮性，應(yīng)考慮環(huán)模模孔導(dǎo)角處的受力，取壓縮過(guò)程中微元進(jìn)行受力分析不能全面表述環(huán)模制粒過(guò)程受力狀況，農(nóng)業(yè)纖維物料的應(yīng)力松弛特性影響著環(huán)模的受力。
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