饲料颗粒机制粒过程的受力分析

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饲料颗粒机的环模和压辊是颗粒机的主要工作部件，颗粒机制粒过程应满足低噪音、高质量、高效率的工作要求，低噪音、高质量、高效率撒于环模的结构设计和环模与压辊在工作状态下的调整，而环模的受力分析是环尼构设计的依据。在以往的受力分析中由于忽略了环模中物料的可压缩性和环模模孔的导角对物料受力的影响，造成环模的结构设计的误差。笔者针对以上问题进行了深入的研究 ，对以往的环模受力分析进行了修正，为环模的结构设计提供依据。

2 环模制粒原理如图 1所示。制粒过程中环模在主动力的驱动下，以-定的转速顺时针旋转，同时压辊借助摩擦力的作用顺时针旋转。随着压辊的旋转，农业纤维物料(以下简称物料”)在挤压力的作用下体积逐渐减小，密度也逐渐增加，物料受到的挤压力也越来越大，在挤压力的作用下物料相互移近和重新排列，物料间所含气体不断逸出，从而使得物料间的间隙减小，联接力增加，最后被压制成具有-定密度，-定强度的颗粒饲料。在压粒过程中，饲料的蛋白质和糖分受热产生可塑性淀粉部分糊化，压粒”，简单地说就是-个挤压式的热塑过程。

/ /， 、/ - / 图1 物料攫入角3 受力分析3.1 攫入角的定义过环模中心 0。引-射线通过挤压区，分别交压辊和环模于 、B两点，引 A 、 的切线相交于 D点，则 DB定义为压辊对物料的攫入角 y。物料开始攫入时y最大，称为最大攫入角。对于某-特定的物料而言，角 随物料的不断压实、挤出而减小，直至为零(c点处)；在物料攫人的过程中，最大摄人角小于或等于物料、压辊之间的摩擦角或物料内摩擦角之和。也就是说，当物料特性-定时， 越小则物料越容易被攫入。

收稿日期：2013-06-19作者简介：范仲民(1960-)，男 ，甘肃武威人，工程师，主要从事农业机械，农产品干燥设备的研究与开发。

研究与分析 2013年第4期(第26卷，总第126期)·机械研究与应用 ·3.2 对以往环模受力分析的讨论在以往的环模受力分析过程中，往往从物料挤压区内分离出-微元物料进行受力状态的分析，认为这时环模、压辊和物料之问存在着以下诸力：压辊作用于物料的正压力 N，物料与压辊表面问的摩擦力 F，环模内壁的反力 Q，物料与环模内表面的摩擦力 。

确模挤压区内-微元分离体，其受力情况如图2所示。则有 ：物料进入挤压区的阻力为：Nsin攫入物料的力为：Fcos T lNcos y 2Q式中： .、 。分别为物料与压辊之间的摩擦系数和物料的内摩擦系数；物料进入挤压 条件：Ncos 2Q≥Nsin (1)为了直观的分析，假设所选取的分离体与环模内壁接触，位于图 1中的 点处。从图 1、2中可以看出，力 Q沿环模直径指向环模中心(假设其图作用点为 B点)，力Ⅳ沿乐辊的直径方向向外，两力之间的夹角等于 T。因环模挤压区内任意位置的物料受到的挤压力始终沿压辊直径方向，所以图2所示的受力情况在环模挤压区内任意位置成立。延长力 Ⅳ的作用线交环模内表面于-点，则这-点必然不会是图 1中的B点。也就是说所选取的物料分离体在环模内被压缩时，环模内壁的支撑点并不是图2中支反力 Q的作用点 B。然而在制粒的过程，环模中的物料是具有可压缩性的，在受到压辊挤压力后它必然会沿着所受力的方向被压缩。因此可以认为以往的这种分析法忽略了环模中物料的可压缩性。

J N / d T- 阜Q图2 分离体受力分析另外，在制粒的过程中，进入挤压区的物料始终处于被逐渐攫入到更姓间的过程中，也就是说在物料开始被攫入到被完全挤出的整个过程中应满足式(1)。这就说明在 角逐渐趋于零的过程中，物料受剑的压辊的摩擦力(F/x。Ncos )会逐渐增大，并最终达到最大值。因此由以往的这种方法可推出：压辊是主动运转的，但在实际的制粒过程中，压辊与环模问存在间隙，压辊并非主动运转的，它旋转的动力主· l 2·要来源于被压缩的物料对它的摩擦。因此得出：在 1，趋于零的过程中，式(1)左边部分的值趋于最大值，而右边部分的值却趋于 0，这就说明，图2中所示的力 F的方向与实际情况相反。

再者，按照上面的平衡条件分析，环淖内(包括孔的内倒角部分和直孔部分)的物料受到的力应该都是沿环模直径方向，则在内倒角锥面上的磨痕应该会沿倒角锥面的母线方向整齐地排列，倒角处和直孔内部具有相同的磨损机理。然而，作者在环模失效机理研究中发现，从失效环模淖导角处和直孑L内壁的SEM图上可以看出：导角处与直孔内表现出不同的磨损机理，且磨痕方向混乱。如图3，4所示。

图3 失效环模淖导角处 SEM 图图4 失效环模淖内 SEM 图3.3 受力分析的修正3.3.1 环模内壁的受力分析处于挤压区内的物料受到的压辊的作用力均沿压辊直径方向，受力情况如图5所示。从图中可以看出，在连续制粒的情况下，压辊因受到摩擦力而转动。物料在被逐渐摄入的过程中，物料除随环模-起转动外，还将沿压辊直径方向被压缩。

现从挤压区内任取-物料块进行分析，物料块受力情况如图6所示 。

图 5 物料在环模内的受力分析图 图6 物料块受力分析物料受到压辊挤压力 Ⅳ，环模的反作用力 Q，环模内物料随环模旋转所需的力 和压辊对物料的摩擦力 F的作用。其中/v的方向沿 o A 指向物料，Q方向与 /v相反沿 CO 指向物料， 垂直于 0。D。F垂直于 0 A 。因为环模上存在淖及淖倒角，所以· 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 研究与分析力 的大小并不-定等于环模对物料的摩擦力，根据平衡条件可得：Qsin TNsin F COS (2)Ncos卢Qcos卢Fsin卢 (3)FIXN (4)式中： 为压辊和物料问或物料的内摩擦系数； ≤摄人角 。

由由以上方程可得：QN(1-tg卢)TNix/cos 8由此可以推断，环模内壁所受物料的作用力受到挤压力 Ⅳ，内摩擦系数 ，和角卢的影响。其中压辊对物料的挤压力 Ⅳ随着被压缩物料体积的减小而增大，受到物料的粒度和物料内摩擦系数等因素的影响。内摩擦系数 同样受到物料粒度的影响。

3.3.2 淖倒角处受力分析环模在开始挤压物料时，淖倒角处所受的力主要由内锥面正对压辊的那半部分承受，随着淖向水平方向的运动，倒角内锥面承受压力的面积逐渐增大，并最终在水平位置处达到最大值。在环模上任取- 淖进行受力分析：由前面的分析可知，在制粒的过程中环模内壁所受到的力 QN(1-tg )，力的方向沿压辊直径向外。所以，在淖 倒角锥面上任意- 点受到的力的大小为 Q QN(1-tg卢)，它与倒角内锥面之间的夹角等于 /2。如图7、8所示。

图7 淖倒角处受力分析 图 8 淖内受力分析由于模孑L倒角锥面上所受的力是沿环模轴向平行分布的，所以当以上图所示方式(即沿环模轴向)在淖倒角处作截面时会产生-系列大小不同的角Od，由此可知：0≤Ot≤锥角。

3.3.3 直孔部分的受力分析处于淖直孔部分的物料所受的力主要来源于物料问的挤压力，且压力的方向平行于淖中心线。

如图 8所示。现假设淖内物料所受挤压力的合力为 Q，孔壁对物料的摩擦力为.厂，物料对孔壁的压力为Ⅳ，则淖内物料必须满足如下关系式：Nf.厂FIX式中：tx物料我草粉与孔壁间的摩擦系数；F为物料对孔壁的正压力。

通过实验证明饲料粉粒的压缩主要是在未进入淖前的挤压阶段完成▲入淖后，压缩量除刚进淖时有变化以外，进入直孑L后未产生变化。同时，农业纤维物料在压缩时，物料在某-压力下产生了变形，当保持其变形状态不变时，被压缩物料的应力会随时间衰减的现象。从相关研究中可知，物料在开式压缩过程中(饲料制粒的过程属开式压缩过程)，整个压缩室内的物料可划分为 3个阶段：变形反弹阶段 、应力松弛阶段；再变形反弹阶段，其中变形反弹是被压缩物料的内应力克服摩擦阻力的-种行为，也是应力松弛的-种形式。从制粒的过程来看，物料在环模内的压缩属于变形反弹阶段，在淖内的挤出过程属于应力松弛阶段，而物料颗粒出模后的反弹膨胀则属于再变形反弹阶段。所以说，要准确分析淖内的受力情况，必须明确正压力 F在物料挤出过程中的变化规律，而这种变化规律的确定还需进-步的实验研究。

4 结 语为了准确分析环模制粒过程的受力状况，应考虑物料的可压缩性，应考虑环模模孑L导角处的受力，取压缩过程-微元进行受力分析不能全面表述环模制粒过程受力状况，农业纤维物料的应力松弛特性影响着环模的受力。