飼料顆粒機(jī)制粒過程的受力分析?

范仲民，姚引婧，李曉康

（1.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730030；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050）

飼料顆粒機(jī)制粒過程的受力分析?

范仲民1，姚引婧2，李曉康1

（1.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730030；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050）

對以往環(huán)模的受力分析方法的合理性進(jìn)行了討論，提出了一種新的分析方法。對模孔倒角處及?？字笨撞糠值氖芰Ψ治鲎髁顺醪降奶骄?，提出了農(nóng)業(yè)纖維物料應(yīng)力松弛特性是?？變?nèi)壁正壓力及摩擦力產(chǎn)生的主要影響因素的觀點(diǎn)，為正確設(shè)計(jì)顆粒機(jī)提供了科學(xué)依據(jù)。

環(huán)模；摩擦力；應(yīng)力松弛特性

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)制粒過程應(yīng)滿足低噪音、高質(zhì)量、高效率的工作要求，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)模與壓輥在工作狀態(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。筆者針對以上問題進(jìn)行了深入的研究，對以往的環(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)。

2 環(huán)模制粒原理

如圖1所示。制粒過程中環(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（以下簡稱“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?！保唵蔚卣f就是一個(gè)擠壓式的熱塑過程。

圖1 物料攫入角

3 受力分析

3.1 攫入角的定義

過環(huán)模中心O1引一射線通過擠壓區(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∠A1DB定義為壓輥對物料的攫入角γ。物料開始攫入時(shí)γ最大，稱為最大攫入角。對于某一特定的物料而言，角γ隨物料的不斷壓實(shí)、擠出而減小，直至為零（C點(diǎn)處）；在物料攫入的過程中，最大攝入角小于或等于物料、壓輥之間的摩擦角或物料內(nèi)摩擦角之和。也就是說，當(dāng)物料特性一定時(shí)，γ越小則物料越容易被攫入。

3.2 對以往環(huán)模受力分析的討論

在以往的環(huán)模受力分析過程中，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，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，其受力情況如圖2所示。則有：

物料進(jìn)入擠壓區(qū)的阻力為：Nsinγ

攫入物料的力為：

式中：μ1、μ2分別為物料與壓輥之間的摩擦系數(shù)和物料的內(nèi)摩擦系數(shù)；

物料進(jìn)入擠壓區(qū)條件：

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N沿壓輥的直徑方向向外，兩力之間的夾角等于γ。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。延長力N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。

圖2 分離體受力分析

另外，在制粒的過程中，進(jìn)入擠壓區(qū)的物料始終處于被逐漸攫入到更小空間的過程中，也就是說在物料開始被攫入到被完全擠出的整個(gè)過程中應(yīng)滿足式（1）。這就說明在γ角逐漸趨于零的過程中，物料受到的壓輥的摩擦力（F＝μ1Ncosγ）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)力主要來源于被壓縮的物料對它的摩擦。因此得出：在γ趨于零的過程中，式（1）左邊部分的值趨于最大值，而右邊部分的值卻趨于0，這就說明，圖2中所示的力F的方向與實(shí)際情況相反。

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?？讓?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。如圖3，4所示。

圖3 失效環(huán)模?？讓?dǎo)角處SEM圖

圖4 失效環(huán)模模孔 內(nèi)SEM圖

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)。物料在被逐漸攝入的過程中，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，物料塊受力情況如圖6所示。

圖5 物料在環(huán)模內(nèi)的受力分析圖

圖6 物料塊受力分析

物料受到壓輥擠壓力N，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方向與N相反沿CO2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T的大小并不一定等于環(huán)模對物料的摩擦力，根據(jù)平衡條件可得：

式中：μ為壓輥和物料間或物料的內(nèi)摩擦系數(shù)；β≤攝入角γ。

由由以上方程可得：

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N，內(nèi)摩擦系數(shù)μ，和角β的影響。其中壓輥對物料的擠壓力N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)μ同樣受到物料粒度的影響。

3.3.2 ?？椎菇翘幨芰Ψ治?/p>

環(huán)模在開始擠壓物料時(shí)，?？椎菇翘幩艿牧χ饕蓛?nèi)錐面正對壓輥的那半部分承受，隨著?？紫蛩椒较虻倪\(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，在制粒的過程中環(huán)模內(nèi)壁所受到的力Q＝N（1－tgβ），力的方向沿壓輥直徑向外。所以，在?？?倒角錐面上任意一點(diǎn)受到的力的大小為Q1＝Q＝N（1－tgβ），它與倒角內(nèi)錐面之間的夾角等于β＋α／2。如圖7、8所示。

圖7 模孔倒角處受力分析

圖8 ?？變?nèi)受力分析

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α，由此可知：0≤α≤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，孔壁對物料的摩擦力為f，物料對孔壁的壓力為N，則?？變?nèi)物料必須滿足如下關(guān)系式：

式中：μ物料我草粉與孔壁間的摩擦系數(shù)；F為物料對孔壁的正壓力。

通過實(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)?？讜r(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，物料在開式壓縮過程中（飼料制粒的過程屬開式壓縮過程），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。從制粒的過程來看，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，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

為了準(zhǔn)確分析環(huán)模制粒過程的受力狀況，應(yīng)考慮物料的可壓縮性，應(yīng)考慮環(huán)模?？讓?dǎo)角處的受力，取壓縮過程一微元進(jìn)行受力分析不能全面表述環(huán)模制粒過程受力狀況，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。

［1］ 權(quán)伍榮，姜德荀，金光哲.環(huán)模顆粒機(jī)基本參數(shù)的確定方法［J］.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)，1999（3）：195－198.

［2］ 吳勁鋒，黃建龍，趙武云，等.苜蓿草顆粒制粒環(huán)模磨損失效分析與磨料磨損試驗(yàn)研究［J］.中國農(nóng)機(jī)化，2007（2）：84－86.

［3］ 吳勁鋒，黃建龍，張維果，等.苜蓿草粉制粒密度與擠出力模擬試驗(yàn).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（2）：68－71.

［4］ 樊公樸，方少華.飼料制粒的研究［J］.中國飼料，1994（10）：41－42.

［5］ 閻國宏，楊明韶.農(nóng)業(yè)纖維物料壓縮應(yīng)力松弛研究進(jìn)展［J］.飼料工業(yè)，2004（2）：17－19.

［6］ 閻國宏，楊明韶，張 永.壓縮工程中新鮮草物料草片移動(dòng)過程中應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，38（2）：317－321.

［7］ 王春光.牧草應(yīng)力松弛時(shí)間及其應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（1）：65－67.

［8］ 楊明韶，李旭英，楊紅蕾.牧草壓縮過程研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1996，12（1）：60－64.

［9］ 鄭 曉，林國祥，王少梅.菜籽與菜籽仁散粒體的壓榨塑性模型［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2005，31（6）：802－806.

［10］ 楊明韶，李旭英.草類物料開式壓縮過程的分析研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2005（3）：81－86.

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，甘肅武威人，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械，農(nóng)產(chǎn)品干燥設(shè)備的研究與開發(fā)。