小型可調(diào)間隙飼料制粒機設(shè)計與試驗

彭 飛 王紅英 康宏彬 孔丹丹

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

小型可調(diào)間隙飼料制粒機設(shè)計與試驗

彭 飛 王紅英 康宏彬 孔丹丹

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

為實現(xiàn)小批量顆粒飼料生產(chǎn)，設(shè)計一種小型可調(diào)間隙飼料制粒機，包括環(huán)模及配套部件、壓輥及配套部件、傳動機構(gòu)等。該制粒機特征為：壓輥調(diào)節(jié)部件位于制粒機外部，能夠在不停機的狀態(tài)下實時調(diào)節(jié)模輥間隙，保證顆粒飼料的連續(xù)生產(chǎn)。同時設(shè)計了與該制粒機配套的控制系統(tǒng)?；趶椝苄岳碚?，采用有限元分析軟件Abaqus內(nèi)置的Drucker-Prager Cap本構(gòu)模型對制粒機模輥擠壓過程進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，模輥間隙的設(shè)置應(yīng)與物料的摩擦因數(shù)相匹配，適當提高物料的摩擦因數(shù)能夠避免物料內(nèi)部滑移耗能，有利于提高顆粒飼料的產(chǎn)量和質(zhì)量。制造樣機并進行了生產(chǎn)試驗，以某配方乳豬料為原料，進行制粒機作業(yè)性能指標的測定，結(jié)果表明：該制粒機生產(chǎn)的顆粒飼料成品含水率為13.53%，直徑為3 mm，顆粒含粉率為3.27%，顆粒耐久度(PDI)為94.34%，顆粒硬度為176.03 N，生產(chǎn)率約為42 kg/h，各項指標均達到設(shè)計要求，滿足小批量顆粒生產(chǎn)的要求。

小型飼料制粒機； 可調(diào)間隙； 數(shù)值模擬； 試驗

引言

顆粒飼料具有廣泛的適用性，與粉狀飼料相比，具有避免動物挑食，飼料報酬率高，貯存運輸和管理方便，殺滅有害菌等優(yōu)點[1-3]。制粒機作為顆粒飼料生產(chǎn)的主機，是典型的以模輥結(jié)構(gòu)為工作原理的擠壓成型設(shè)備，其作業(yè)過程為：飼料原料經(jīng)過水熱調(diào)質(zhì)，通過機械壓縮并強制通過環(huán)?？锥酆铣尚停纬删哂幸欢芏群蛷姸鹊念w粒。

常用的制粒機分為環(huán)模和平模兩種基本類型；根據(jù)運動特征，可分為動輥式和動模式；根據(jù)模輥的組合形式，可分為三輥、二輥、大小輥和雙環(huán)模式；根據(jù)傳動方式，可分為齒輪傳動式、單電動機三角帶、雙電動機三角帶、雙電動機同步齒形帶一二級傳動等[4]。模輥式制粒機由于具有生產(chǎn)率高、能耗低、原料適應(yīng)性強等優(yōu)點，是當前研究的熱點[5-9]。國內(nèi)外現(xiàn)有的制粒機產(chǎn)量較大，一般每小時在數(shù)噸到數(shù)十噸之間。小型制粒機具有樣品用料小、電能消耗少、作業(yè)成本低等特點[10]，在小批量飼料生產(chǎn)特別是研究不同配方和加工工藝條件對顆粒飼料質(zhì)量的影響規(guī)律方面，具有獨特的優(yōu)勢。目前，國內(nèi)對小型制粒機的設(shè)計與研究剛剛起步，文獻[11-12]提出了兩種小型制粒機的構(gòu)想，目前處于專利形式，不夠深入，設(shè)備設(shè)計與加工的可行性，作業(yè)過程的可靠性和穩(wěn)定性，均未得到驗證。因此，本文設(shè)計一種小型可調(diào)間隙式制粒機結(jié)構(gòu)，以滿足小批量飼料生產(chǎn)的需要，同時設(shè)計該機的壓輥調(diào)節(jié)部件位于制粒機外側(cè)，在不停機狀態(tài)下以實現(xiàn)對模輥間隙的調(diào)節(jié)，保證顆粒飼料生產(chǎn)過程的連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

制粒機作業(yè)過程的本質(zhì)是粉體擠壓成型過程，粉體具有一定的黏彈性和塑變性，因此成型過程復(fù)雜多變[13-14]，用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)解析的方法分析這一過程具有局限性；同時，制粒機的作業(yè)過程是在相對封閉的空間內(nèi)進行的，且工作時模輥處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，很難用儀器進行直接測定。計算機和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，為深入研究粉體成型機理提供了新的研究方法[15-17]。本文用數(shù)值模擬的方法對制粒擠壓過程進行建模與仿真。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

圖1 制粒機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of pellet mill1.進料口 2.制粒機殼體 3.門蓋 4.壓輥安裝套筒 5.環(huán)模6.環(huán)模安裝盤 7.制粒機主軸 8.軸承支座 9.減速帶 10.電動機 11.作業(yè)觀察孔 12.壓輥安裝套筒

如圖1所示，小型環(huán)模制粒機主要由環(huán)模及配套部件、壓輥及配套部件、傳動機構(gòu)組成。其中，環(huán)模及配套部件主要由環(huán)模、環(huán)模安裝盤、制粒機門蓋、制粒機殼體等組成；壓輥及配套部件主要由壓輥、壓輥軸、安裝套筒、鎖緊螺母等組成；傳動機構(gòu)由電動機、減速器、軸承、制粒機主軸等組成。

1.2 工作原理

變頻器驅(qū)動電動機，通過傳動輪、傳動帶，傳遞動力到制粒機主軸上。當制粒機因堵機等原因?qū)е轮鬏S扭矩過大時，主軸會與傳動帶產(chǎn)生摩擦打滑，從而避免因扭矩過大而破壞電動機。制粒機主軸與環(huán)模安裝盤固定連接，環(huán)模和環(huán)模密封環(huán)均通過特制螺母與環(huán)模安裝盤固接；制粒機主軸帶動環(huán)模安裝盤、環(huán)模、環(huán)模密封一起旋轉(zhuǎn)；調(diào)質(zhì)后松散的飼料原料進入環(huán)模和壓輥間的空隙，在環(huán)模和壓輥的擠壓作用下，經(jīng)環(huán)模孔擠出，由位于環(huán)模外沿的切刀切成一定長度的顆粒飼料。刮刀安裝在制粒機門蓋上，當物料進入制粒機后，刮刀起到推料和均勻布料的作用。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 環(huán)模

環(huán)模的工作面積是指環(huán)模壓制飼料的面積，即環(huán)模與壓輥的接觸面積[3]。該面積越大，表明制粒產(chǎn)量相對越高。其計算方法為

A=πDB

(1)

式中A——環(huán)模的工作面積，mm2D——環(huán)模內(nèi)徑，mmB——壓帶寬度，mm

環(huán)模開孔率對制粒機生產(chǎn)率影響很大。通常，模孔的直徑范圍為1.5～20 mm，對應(yīng)的開孔率范圍為20%～35%，由文獻[3-4]，設(shè)計環(huán)模開孔率為20%。?？讉€數(shù)、開孔率、環(huán)模工作面積之間關(guān)系為

(2)

式中K——環(huán)模開孔率，%d1——環(huán)?？讖剑琺mt——環(huán)?？偪讛?shù)

環(huán)模角速度計算公式為

(3)

式中ω——環(huán)模角速度，rad/sr——環(huán)模半徑，mv——環(huán)模線速度，m/s

基于文獻[3，18]中常見的環(huán)模尺寸設(shè)計，結(jié)合本機產(chǎn)量，同時為了零件加工方便以及其配件選型標準化，設(shè)計環(huán)模內(nèi)徑為180 mm；環(huán)模線速度為3.5～8.5 m/s，假定取4.5 m/s。將v=4.5 m/s、r=0.09 m代入式(3)，可得ω=50 rad/s。

制粒機單位時間產(chǎn)量計算式為

(4)

式中Q——制粒機生產(chǎn)能力，t/hZ——壓輥個數(shù)h——擠壓料層高度，mρ——原料的密度，kg/m3

由文獻[4,19]，假定擠壓料層高度為10 mm，將Q=0.05 t/h、Z=2、K=20%、r=90 mm、h=0.01 m、ω≈50 rad/s、ρ=500 kg/m3代入式(4)，求得環(huán)模有效寬度B≈7.27 mm，適當放大環(huán)模寬度，設(shè)計為15 mm，圖2為環(huán)模部件結(jié)構(gòu)圖。

圖2 環(huán)模結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ring die

2.2 壓輥及偏心軸設(shè)計與裝配

如圖3所示，壓輥部件主要由壓輥及壓輥軸組成，通過轉(zhuǎn)動壓輥軸來調(diào)節(jié)壓輥與環(huán)模的間隙，使不同配方的飼料原料均能獲得理想的壓制效果。與傳統(tǒng)壓輥制粒機不同，本文設(shè)計的壓輥軸一端與壓輥偏心安裝，另一端經(jīng)制粒機門蓋上的壓輥安裝套筒伸出到制粒機門蓋外，再由鎖緊螺母固定。操作人員可以通過轉(zhuǎn)動制粒機門蓋外側(cè)的壓輥軸來調(diào)整模輥間隙，從而可以在不停機的狀態(tài)下實時調(diào)節(jié)，保證制粒機連續(xù)不間斷工作，提高作業(yè)效率。

圖3 壓輥設(shè)計與安裝Fig.3 Design and installation of roller

環(huán)模與壓輥間隙直接影響顆粒飼料的產(chǎn)量和質(zhì)量。模輥間隙一般為0.1～0.4 mm[20]；環(huán)模制粒機壓輥一般為2或3個，考慮到本制粒機體積較小，故設(shè)計壓輥數(shù)為2個；設(shè)計壓輥直徑為70 mm，壓輥軸與壓輥重心偏心安裝的距離為5 mm；這種設(shè)計既便于壓輥的安裝，又能在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)模輥間隙。

2.3 電動機選型

小型可調(diào)間隙制粒機作業(yè)功率主要包括：擠壓物料需要的功率和克服阻力矩所需要的功率。因此，通過計算以上兩部分所需的功率來確定電動機。

擠壓物料需要的功率[4-5]

(5)

式中P1——制粒機電動機驅(qū)動功率，kWφ——電動機效率，一般為0.8～0.9N——制粒機所需要的擠壓工作壓力，MPa

將Q=0.05 t/h、ρ=0.5 t/m3、φ=0.8、K=60%、N=60 MPa代入式(5)，求得P1≈0.52 kW。

克服阻力矩需要的功率

P2=Tω

(6)

式中T——扭矩

根據(jù)式(6)計算求得P2=0.63 kW。

初步估算整機功率：P=P1+P2=1.15 kW。考慮到傳動帶和軸承摩擦等損失，選用3 kW的電動機，該電動機型號為Y2-100L2-4。其具體參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速1 430 r/min，額定電壓380 V，額定電流6.8 A，額定效率0.825，功率因數(shù)0.81。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

小型可調(diào)間隙制粒機與喂料器、調(diào)質(zhì)器、控制系統(tǒng)共同組成了顆粒飼料制粒平臺，其中控制系統(tǒng)是該制粒平臺的重要組成部分，具有喂料量調(diào)控、調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速調(diào)控、物料溫度監(jiān)測、制粒機轉(zhuǎn)速調(diào)控、制粒機電流監(jiān)測等功能。為此，將控制系統(tǒng)從功能上劃分為喂料器監(jiān)控、調(diào)質(zhì)器監(jiān)控、物料溫度監(jiān)測、制粒機轉(zhuǎn)速監(jiān)控、制粒機電流監(jiān)測模塊5個功能模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。控制柜為控制系統(tǒng)的載體，設(shè)計其外形尺寸(長×寬×高)為700 mm×400 mm×1 600 mm，工作電壓為380 V，整體控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structual diagram of control system

圖5 控制系統(tǒng)實物圖Fig.5 Design of control system

3 制粒擠壓過程建模與仿真

3.1 Drucker-Prager Cap模型

Drucker-Prager Cap是一種表征彈塑性和體積硬化的物性模型，適用于模擬摩擦材料、壓縮屈服強度大于拉伸屈服強度的材料。其特點是允許材料各向同性硬化、軟化，同時允許塑性體積變化和塑性剪切變化，該模型在粉體物料的擠壓過程研究中應(yīng)用廣泛[21-22]。

3.1.1 屈服面

模型由Drucker-Prager模型和Cap模型組成；其中，Drucker-Prager模型給出剪切破壞面，用于控制物料在剪切作用下流動，模型表達式為

Fs=q-ptanβ-d2=0

(7)

式中q——Mises應(yīng)力，MPap——靜水壓力，MPaβ——材料的摩擦角，(°)d2——材料的粘聚力，MPa

Cap模型引入壓縮產(chǎn)生的屈服，控制材料在剪切作用下無限的剪脹現(xiàn)象[23]，模型表達式為

R(d+patanβ)=0

(8)

式中R——控制Cap模型形狀的參數(shù)，取值范圍為0.000 1～1 000

α——用于定義過渡區(qū)屈服面的參數(shù)，通常為0.01～0.05

pa——Cap曲面與過渡曲面交點對應(yīng)的靜水壓力，MPa

過渡曲面用于平滑地連接Drucker-Prager面和Cap面，模型表達式為

α(d+patanβ)=0

(9)

構(gòu)成Drucker-Prager Cap模型的這3個屈服面的關(guān)系及其參數(shù)的物理意義如圖6所示。

圖6 Drucker-Prager Cap模型Fig.6 Model of Drucker-Prager Cap

3.1.2 塑性勢面

塑性流動由流動潛能來定義，它與Cap 模型相關(guān)聯(lián)，與Drucker-Prager模型和過渡區(qū)非關(guān)聯(lián)。Cap模型流動潛能由Cap模型的橢圓部分決定，與Cap屈服面函數(shù)相同，表達式為

(10)

剪切破壞面和過渡區(qū)決定模型非相關(guān)流動部分，表達式為

(11)

3.2 問題分析與模型建立

3.2.1 制粒擠壓過程分析

本文對粉狀物料擠壓成型過程主要作以下假設(shè)與簡化：作業(yè)過程主要考慮粉狀物料的流動和應(yīng)力應(yīng)變情況，且物料的剛度相對于環(huán)模和壓輥較小，因此可以將環(huán)模和壓輥視作剛性體，將粉體物料看成均勻連續(xù)介質(zhì)；假設(shè)擠壓過程中物料沿環(huán)模軸向分布均勻，可以將物料擠壓過程簡化為二維平面應(yīng)力應(yīng)變分析。建立二維數(shù)值模擬模型，如圖7所示。

圖7 二維數(shù)值模擬模型Fig.7 Two-dimensional numerial simulation model

物料轉(zhuǎn)動方向如圖7所示，選取MN路徑上物料和環(huán)模接觸面之間的等效應(yīng)力，MN弧對應(yīng)的角度為15°，弧長為23.57 mm。采用Abaqus軟件內(nèi)置的Drucker-Prager Cap模型構(gòu)建粉體物料特性，采

用Abaqus-Explict顯示求解器求解和分析。

3.2.2 模型的建立

基于樣機結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計建立仿真模型。環(huán)模內(nèi)徑180 mm，壓輥直徑70 mm，物料厚度20 mm，模輥間隙0.4 mm，摩擦因數(shù)0.8。由于研究制粒擠壓過程中普遍性的規(guī)律，因此模擬時可選用與飼料原料特性類似的微晶纖維素，該材料Drucker-Prager Cap參數(shù)和蓋帽硬化特性分別如表1和表2所示[24]。

表1 Drucker-Prager Cap模型參數(shù)

表2 蓋帽硬化特性

3.2.3 參數(shù)設(shè)置與求解

(1)在Part模塊中創(chuàng)建環(huán)模、壓輥、物料這3個部件，分別將環(huán)模和壓輥的圓心設(shè)置為剛性參考點。

(2)進入Property模塊，參照表2和表3設(shè)置物料的材料屬性；進入Assembly模塊，裝配該3個部件。

(3)進入Mesh模塊,使用線性縮減積分中的CPE4R單元對物料網(wǎng)格劃分，該網(wǎng)格可以保證網(wǎng)格扭曲變形時載荷類型精度不降低。

(4)進入Step模塊，設(shè)置2個分析步：第1個分析步將壓輥下壓以使得環(huán)模和壓輥達到設(shè)定的間隙；第2個分析步分別定義模輥的旋轉(zhuǎn)。

(5)定義接觸：進入Interaction模塊，分別設(shè)置壓輥、環(huán)模與物料的接觸屬性。

(6)定義邊界條件：在壓輥參考點處施加下壓位移載荷，在環(huán)模參考點處施加旋轉(zhuǎn)載荷。設(shè)置環(huán)模旋轉(zhuǎn)0.26 rad，設(shè)置壓輥旋轉(zhuǎn)0.67 rad，模擬環(huán)模帶動壓輥旋轉(zhuǎn)的過程。

3.3 制粒擠壓過程的影響因素與分析

由文獻[3-4, 25]可知，物料與模輥的摩擦因數(shù)、模輥間隙、模輥直徑比都會對制粒過程產(chǎn)生影響。對于某一型號和產(chǎn)量的制粒機，與其匹配的環(huán)模外形尺寸基本固定，因此，本文通過改變物料和模輥的摩擦因數(shù)、模輥間隙這2個因素，研究其對擠壓過程的影響規(guī)律。

3.3.1 應(yīng)力應(yīng)變和位移分析

模擬結(jié)果如圖8所示，分析可知，隨著物料不斷攫取進入模輥內(nèi)，物料和環(huán)模接觸區(qū)域的等效應(yīng)力先是較緩慢增大，接著是較快速增大，最后達到一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)。在變形壓緊區(qū)的開始階段，物料以克服自身的空隙為主，在較小的壓力作用下也會產(chǎn)生較大的變形，因此體積減小較快，且此時內(nèi)部應(yīng)力還較??；隨著模輥繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在變形壓緊區(qū)的結(jié)束階段，物料顆粒間的空隙基本被克服，物料主要發(fā)生不可逆的塑性變形，應(yīng)力分布不斷增大；當物料進一步進入到擠壓成型區(qū)后，模輥間隙基本不再減小，故此處物料的應(yīng)力和應(yīng)變逐漸趨向平穩(wěn)。該結(jié)論與文獻[3-4]中有關(guān)制粒原理研究是一致的。以接觸弧度MN段為分析路徑，提取該處接觸點上的等效應(yīng)力，分析模輥間隙、物料摩擦因數(shù)對擠壓應(yīng)力的影響。

圖8 Mises應(yīng)力云圖Fig.8 Mises stress contours

3.3.2 摩擦因數(shù)對制粒擠壓過程的影響

摩擦因數(shù)對物料受力、運動情況和成型特性等影響較大，主要由物料特性、制粒機加工工藝參數(shù)、模輥材質(zhì)等決定，是研究物料擠壓成型過程中數(shù)學(xué)計算、計算機模擬和試驗測定的基礎(chǔ)。選取4組不同的摩擦因數(shù)進行模擬，分別為0.6、0.7、0.8、0.9，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同摩擦因數(shù)下的Mises應(yīng)力Fig.9 Mises stress under different friction coefficients

由圖9分析可知，隨著摩擦因數(shù)逐漸增大，物料與環(huán)模接觸區(qū)域等效應(yīng)力呈逐漸增大趨勢；擠壓時摩擦因數(shù)越大，物料和模輥之間的滑移作用就越弱，空載打滑耗能越少，更多的能量會用于物料的壓實變形。研究表明摩擦因數(shù)和攫取角成正比關(guān)系[26-27]，在制粒能力范圍內(nèi)，摩擦因數(shù)越大，物料攫取角就越大，攫取層物層高度就相應(yīng)越大，單位時間內(nèi)攫取進入模輥間隙中的物料就越多。因此，適當增大物料和模輥間的摩擦因數(shù)，有利于提高顆粒飼料的產(chǎn)量和質(zhì)量。同時，摩擦因數(shù)增大，物料對模輥的磨損也會相對增加。

3.3.3 模輥間隙對制粒擠壓過程的影響

合理的模輥間隙是保證制粒機效率和顆粒飼料質(zhì)量的重要因素[3-4]。為使模擬收斂性較好，對模輥間隙適當放大，取4組模輥間隙進行模擬，分別為1.0、1.2、1.4、1.6 mm。摩擦因數(shù)選用0.8，模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同模輥間隙下的Mises應(yīng)力Fig.10 Mises stress under different die-roller gaps

由圖10分析可知，隨著模輥間隙不斷增大，物料與環(huán)模接觸區(qū)域等效應(yīng)力呈減小趨勢。這與文獻[27]的研究結(jié)果一致。隨著間隙增大，模輥楔形空間攫取飼料的能力下降，模輥作用于飼料的擠壓力減小，因此可能會造成飼料顆粒成型率低、硬度小、含粉率高、顆粒表面粗糙等缺陷；如果間隙過大，當壓力小于?？變?nèi)壁對飼料的摩擦阻力時，會導(dǎo)致壓輥打滑、制粒機堵機等現(xiàn)象，進而降低顆粒飼料的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，在合理的范圍內(nèi)，適當減小模輥間隙，有助于提高顆粒飼料的質(zhì)量。

4 試驗

4.1 試驗指標測定

4.1.1 生產(chǎn)率

制粒機工作穩(wěn)定后，統(tǒng)計一段時間內(nèi)生產(chǎn)的顆粒飼料質(zhì)量，生產(chǎn)率理論計算公式為

(12)

式中q1——生產(chǎn)率，kg/hM——接料質(zhì)量，kgt1——接料時間，h

4.1.2 物料含水率

采用ASAE S269.4標準測定含水率，具體操作為：將潔凈空鋁盒在(105±2)℃的電熱干燥箱中干燥1 h取出，在干燥器中冷卻30 min，采用分析天平稱量(精確至0.000 1 g)；再次在電熱干燥箱中干燥0.5 h，同樣冷卻并稱量，直至前后兩次稱量之差小于0.000 5 g，計算公式為

(13)

式中m1——105℃干燥前試樣及稱樣鋁盒質(zhì)量，gm2——105℃干燥后試樣及稱樣鋁盒質(zhì)量，gm0——潔凈空鋁盒質(zhì)量，g

4.1.3 硬度

調(diào)用質(zhì)構(gòu)儀內(nèi)Feed Hardness程序，測定顆粒飼料硬度。壓縮試樣的速度為10 mm/min，試驗結(jié)束限制條件位移為1.5 mm。由壓縮測試結(jié)果可得到壓縮載荷值，進而求得顆粒飼料的硬度。

4.1.4 含粉率

含粉率是指顆粒飼料樣品所含粉料的質(zhì)量(過14目篩的篩下物)占其總質(zhì)量的百分比[28]。其測定方法為：按GB/T 6003.1—2007規(guī)定將一定質(zhì)量的顆粒飼料(計為m2)放置于標準試驗篩中篩分測定，稱取篩上物(計為m3)。含粉率y計算公式為[29]

(14)

4.1.5 PDI

PDI是衡量顆粒飼料成品在輸送和搬運過程中抗破碎的相對能力(計為I)。將生產(chǎn)的顆粒飼料冷卻至室溫，采用14層標準試驗篩(GB/T 6003.1—1997，新鄉(xiāng)市同心機械有限責任公司)進行篩分測定，具體測定方法為：稱取500 g完整顆粒飼料(計為s0)放入PDI箱體內(nèi)；啟動機器，運行10 min后，取出所有料并篩分，稱量篩上顆粒飼料質(zhì)量(計為s1)[29]。則PDI為

(15)

4.2 試驗結(jié)果分析

為測定小型可調(diào)間隙制粒機的各項指標，對樣

機進行作業(yè)性能試驗研究。樣機的環(huán)?？讖綖? mm，壓縮比為1∶6。飼料原料采用某乳豬料配方，具體成分和比例見表3；摩擦因數(shù)和休止角是物料重要的物理指標，通過自主設(shè)計與研制的休止角測定裝置、斜面儀裝置[30](圖11、12)，測得原料休止角為46°，摩擦因數(shù)為0.93，其他物理指標良好。試驗過程如圖13所示，試驗結(jié)果表明，生產(chǎn)的顆粒飼料成品含水率為13.53%，直徑為3 mm，顆粒含粉率為3.27%，顆粒耐久度(PDI)為94.34%，顆粒硬度為176.03 N，生產(chǎn)率約為42 kg/h，該制粒機各項指標均達到設(shè)計要求，能夠滿足小批量顆粒飼料的生產(chǎn)需要。

表3 乳豬料配方組成成分與比例

圖11 休止角測定裝置原理圖Fig.11 Principle diagram of measuring device for repose angle1.底梁 2.側(cè)梁 3.前有機玻璃 4.后有機玻璃 5.上梁 6.調(diào)節(jié)螺栓 7.漏斗

圖12 斜面儀裝置原理圖Fig.12 Principle diagram of bevel instrument1.搖桿 2.側(cè)板 3.被測板件 4.飼料原料 5.可調(diào)斜板 6.圓弧尺 7.側(cè)梁

圖13 樣機車間試驗Fig.13 Prototype working experiment in workshop

5 結(jié)論

(1)提出了一種壓輥調(diào)節(jié)外置的小型可調(diào)間隙制粒機結(jié)構(gòu)，據(jù)此設(shè)計并制造了樣機，并配置了控制系統(tǒng)；通過試驗驗證了該結(jié)構(gòu)的可行性，為小批量顆粒飼料生產(chǎn)提供了設(shè)備平臺。

(2)基于該樣機結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)，建立制粒機模輥擠壓仿真模型，采用Abaqus軟件對粉體擠壓過程進行了有限元分析。模擬結(jié)果表明，適當增大粉料的摩擦因數(shù)，能夠減少打滑耗能；適當減小模輥間隙，可以增大模輥對物料的擠壓應(yīng)力，有助于提高顆粒飼料的產(chǎn)量和質(zhì)量。

(3)以某乳豬料配方為原料，在環(huán)?？讖綖? mm，壓縮比為1∶6 的參數(shù)下進行顆粒飼料加工性能試驗。結(jié)果表明，生產(chǎn)的顆粒飼料成品含水率為13.53%，直徑為3 mm，顆粒含粉率3.27%，顆粒耐久度94.34%，顆粒硬度176.03 N，生產(chǎn)率約42 kg/h，各項指標均達到設(shè)計要求。且該制粒機能在不停機的狀態(tài)下對壓輥實時調(diào)節(jié)，保證了生產(chǎn)過程的連續(xù)性。

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Design and Experiment on Small-scale Adjustable Clearance Pellet Feed Mill

PENG Fei WANG Hongying KANG Hongbin KONG Dandan

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Small-scale pellet mill has many advantages, such as small mass production, less energy and raw materials consumption and low costs. Recently many researches were focused on the pelleting experiments, but the lack of small-scale pellet feed machine had become a problem of the influence of different formulas and processing conditions on pellet feed quality. To solve the problem, a structure of small-scale pellet mill was designed, which consisted of ring die and its matching components, roller and its matching components, transmission mechanism, etc. The prototype was manufactured and the production experiment was conducted. The adjusting mechanism for the roller was located outside the chamber, so the gap between roller and ring die could be real-timely adjusted when the production was in process. The structure could ensure that the production of pellet feed would be non-stop. Based on elastic-plastic theory and continuum mechanics, the software Abaqus and its built-in Drucker-Prager Cap material model were used for the numerical simulation and analysis of the pelleting process. The simulation results showed that the gap between roller and ring die should be adjusted with the friction coefficient of raw materials; proper increase of raw materials’ friction coefficient could avoid internal sliding and energy consumption, which could help to improve the yield and quality of pellet feed. Some suckling pig feed formula was taken as raw material to be produced, and the performance indicators of the pelleting mill were determined. The experiment results showed that the moisture content was 13.53%, diameter of the pellet feed was 3 mm, pellet durability index was 94.34%, hardness of pellet feed was 176.03 N, and productivity of the pelleting mill was about 42 kg/h. All the indexes met the design requirements, which could meet the production need of small-scale pellet mill. The design of the pelleting mill and experiment research provided reference for the pelleting technology and development of the similar equipments.

small-scale feed pellet mill; adjustable clearance; numerical simulation; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.013

2016-08-10

2016-08-29

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203015)

彭飛(1989—)，男，博士生，主要從事飼料加工裝備研究，E-mail： feipeng2012zhn@163.com

王紅英(1966—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事飼料加工工藝與裝備研究，E-mail： hongyingw@cau.edu.cn

S817.12+4

A

1000-1298(2017)04-0103-08