饲料颗粒机制粒过程的受力分析∗

范仲民，姚引婧，李晓康

（1.甘肃省机械科学研究院，甘肃兰州 730030；2.兰州理工大学，甘肃兰州 730050）

饲料颗粒机制粒过程的受力分析∗

范仲民1，姚引婧2，李晓康1

（1.甘肃省机械科学研究院，甘肃兰州 730030；2.兰州理工大学，甘肃兰州 730050）

对以往环模的受力分析方法的合理性进行了讨论，提出了一种新的分析方法。对模孔倒角处及模孔直孔部分的受力分析作了初步的探究，提出了农业纤维物料应力松弛特性是模孔内壁正压力及摩擦力产生的主要影响因素的观点，为正确设计颗粒机提供了科学依据。

环模；摩擦力；应力松弛特性

1 引 言

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、高效率取决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模结构设计的依据。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，以一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，最后被压制成具有一定密度，一定强度的颗粒饲料。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”，简单地说就是一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O1引一射线通过挤压区，分别交压辊和环模于A1、B两点，引A1、B的切线相交于D点，则∠A1DB定义为压辊对物料的攫入角γ。物料开始攫入时γ最大，称为最大攫入角。对于某一特定的物料而言，角γ随物料的不断压实、挤出而减小，直至为零（C点处）；在物料攫入的过程中，最大摄入角小于或等于物料、压辊之间的摩擦角或物料内摩擦角之和。也就是说，当物料特性一定时，γ越小则物料越容易被攫入。

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一微元物料进行受力状态的分析，认为这时环模、压辊和物料之间存在着以下诸力：压辊作用于物料的正压力N，物料与压辊表面间的摩擦力F，环模内壁的反力Q，物料与环模内表面的摩擦力T。取环模挤压区内一微元分离体，其受力情况如图2所示。则有：

物料进入挤压区的阻力为：Nsinγ

攫入物料的力为：

式中：μ1、μ2分别为物料与压辊之间的摩擦系数和物料的内摩擦系数；

物料进入挤压区条件：

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B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N沿压辊的直径方向向外，两力之间的夹角等于γ。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N的作用线交环模内表面于一点，则这一点必然不会是图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方法忽略了环模中物料的可压缩性。

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小空间的过程中，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γ角逐渐趋于零的过程中，物料受到的压辊的摩擦力（F＝μ1Ncosγ）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，压辊与环模间存在间隙，压辊并非主动运转的，它旋转的动力主要来源于被压缩的物料对它的摩擦。因此得出：在γ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，环模孔内（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，从失效环模模孔导角处和直孔内壁的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 失效环模模孔导角处SEM图

图4 失效环模模孔 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，物料除随环模一起转动外，还将沿压辊直径方向被压缩。

现从挤压区内任取一物料块进行分析，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N，环模的反作用力Q，环模内物料随环模旋转所需的力T和压辊对物料的摩擦力F的作用。其中N的方向沿O2A1指向物料，Q方向与N相反沿CO2指向物料，T垂直于O1D，F垂直于O2A1。因为环模上存在模孔及模孔倒角，所以力T的大小并不一定等于环模对物料的摩擦力，根据平衡条件可得：

式中：μ为压辊和物料间或物料的内摩擦系数；β≤摄入角γ。

由由以上方程可得：

由此可以推断，环模内壁所受物料的作用力受到挤压力N，内摩擦系数μ，和角β的影响。其中压辊对物料的挤压力N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μ同样受到物料粒度的影响。

3.3.2 模孔倒角处受力分析

环模在开始挤压物料时，模孔倒角处所受的力主要由内锥面正对压辊的那半部分承受，随着模孔向水平方向的运动，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。在环模上任取一模孔进行受力分析：由前面的分析可知，在制粒的过程中环模内壁所受到的力Q＝N（1－tgβ），力的方向沿压辊直径向外。所以，在模孔 倒角锥面上任意一点受到的力的大小为Q1＝Q＝N（1－tgβ），它与倒角内锥面之间的夹角等于β＋α／2。如图7、8所示。

图7 模孔倒角处受力分析

图8 模孔内受力分析

由于模孔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）在模孔倒角处作截面时会产生一系列大小不同的角α，由此可知：0≤α≤锥角。

3.3.3 直孔部分的受力分析

处于模孔直孔部分的物料所受的力主要来源于物料间的挤压力，且压力的方向平行于模孔中心线。如图8所示。现假设模孔内物料所受挤压力的合力为Q，孔壁对物料的摩擦力为f，物料对孔壁的压力为N，则模孔内物料必须满足如下关系式：

式中：μ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模孔前的挤压阶段完成。进入模孔后，压缩量除刚进模孔时有变化以外，进入直孔后未产生变化。同时，农业纤维物料在压缩时，物料在某一压力下产生了变形，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一种行为，也是应力松弛的一种形式。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，在模孔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，要准确分析模孔内的受力情况，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一步的实验研究。

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，应考虑环模模孔导角处的受力，取压缩过程一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。

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Force Analysis of the Granulating Process of Pellet Feed Machine

FAN Zhong－min1，YAO Yin－jing2，LI Xiao－kang1

（1.Gansu Academy of Mechanical Sciences，Lanzhou Gansu730030，China；2.Lanzhou University of Science and Technology，Lanzhou Gansu730050，China）

The rationality of force analysis method of the past circular mould is discussed，and then a new analysis method is put forward.The chamfering place and straight hole parts of mold hole are researched.The preview that the stress relaxation of agricultural fibrous material is the main influences of the normal pressure on the inside of mold hole and the friction is put for⁃ward，which provides scientific basis for the correct design of pellet feed machine.

circular mould；friction；stress relaxation

TH123＋.4

A

1007－4414（2013）04－0011－03

2013－06－19

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。