摘要
    顆粒機是飼料機械的四大主機之一，在飼料工業中占有很重要的地位。目前，國內飼料機械企業雖然在顆粒機的設計、制造領域取得了很大進步，產品的外觀、性能指標不斷提高，但是與國外同類型設備相比較，仍然存在結構不合理，生產效率偏低、能耗偏高等缺陷，這極大地制約了產品的國際競爭力。研究環模顆粒機理與結構優化技術，對提升我國顆粒機產品的國際競爭力、進而提升飼料機械整體設計、制造水平，促進飼料工業的發展具有重要的理論意義與實用價值。
     本文以某公司現有產品為基礎，通過機理分析與數值分析對環模顆粒機的結構進行了優化計算，并通過試驗進行了驗證，最終提高了生產率、提高了產品品質。本文具體工作包括以下方面：
    (1)對環模顆粒機結構參數進行了分析計算。
    (2)對環模、壓輥的直徑與生產率之間的關系進行了分析，并對壓輥與環模之間的受力狀態與磨損情況進行了分析。
    (3)完成了變環模寬度試驗與變環模線速度試驗，結果表明存在環模寬度與環模線速度的優化組合使能耗最低，生產率最高。
    (4)對環模寬度與環模線速度進行了組合優化，并進行了生產驗證，與原機型相比，產量提高15%，噸料電耗降低13%，在降低能耗的同時提高了生產率。
    本文的研究工作為顆粒機產品的改進升級提供了重要的依據。
     關鍵詞：環模——顆粒機——結構——寬度——速度——優化
第一章  緒論
1.1立項背景與研究意義
    飼料工業是國民經濟的重要基礎產業之一。經過20多年改革開放與發展，我國飼料工業已經建成了包括飼料加工業、飼料添加劑工業、飼料原料工業、飼料機械制造工業和飼料科研、教育、標準、檢測等較為完備的飼料工業體系，飼料工業步入了快速發展的道路。隨著飼料工業的迅速發展，飼料機械的需求越來越大，要求也來越高。研發高品質、高效率的飼料機械產品已成為支持飼料工業發展的迫切需求。
    顆粒機是飼料機械的四大主機（混合機、粉碎機、膨化機、顆粒機）之一，很大程度上決定了飼料加工的產量在飼料生產中占有很重要的地位。目前，國內以某公司為代表的飼料機械企業在顆粒機的設計、制造領域取得了很大進步，產品的外觀、性能指標不斷提高，與國外同類產品的差距不斷縮小。雖然如此，我國的顆粒機與國外同類型設備相比較，仍然存在結構不合理，生產效率偏低、能耗偏高等缺陷，這極大地制約了產品的國際競爭力。
  研究環模顆粒機理與結構優化技術，對設計出具有國際先進水平的顆粒機具有積極的推進作用，對提高制粒質量與制粒效率，提升我國顆粒機產品的國際競爭力、進而提升飼料機械整體設計、制造水平，促進飼料工業的發展具有重要的理論意義與實用價值。
1.2國內外現狀分析
1.2.1國內外環模制粒技術的研究現狀
   近年來國外有關顆粒機的研究有：
   Keith C．Behnke介紹了環模顆粒機廣泛應用于飼料加工業，具有降低飼料損耗、提高動物生長性能等一系列優點；P．K．Adapa對干燥的與脫水的苜蓿草在相同的調制水分與溫度下進行了顆粒質量的對比試驗，并建立了苜蓿草顆粒的硬度模型；Jens K．Holm建立了物料通過環模模孔時的擠壓力模型，并進行了試驗驗證。Tabil，L．Jr.研究了環模轉速對顆粒質量的影響，結果表明影響不是非常明顯，Rolfe，L．A．則指出隨環模轉速的增高，擠壓力會減小，但是比機械能會增加，顆粒溫度會升高。
    近年來國內有關顆粒機的研究有：
    顆粒機結構、性能方面的研究：曹康對飼料加工的原理、工藝、設備進行了比較詳細的介紹8J；有文獻介紹了一種高效自動顆粒機；李潤萍對小型一步顆粒機在中藥制粒中關鍵因素的控制進行了探討。
   顆粒機控制系統方面的研究：張培建建立了調質器單元的雙輸入雙輸出數學模型，并進行了解耦設計，對飼料顆粒機的自動控制系統設計進行了研究，為了提高控制效果，將預測函數控制技術引入到飼料顆粒機的自動控制；王斌斌介紹了環模顆粒機的自動控制系統，重點闡述了自動控制系統的組成、控制原理以及主要控制程序算法，為改善環模顆粒機的自動控制水平提供技術參考：李秀華介紹了PLC對藥丸包衣顆粒機控制系統的改造。
   顆粒機設計方面的研究：劉守祥針對粉狀混合飼料的生產和運輸、儲藏中存在的問題，設計了融攪拌混合和顆粒成型為一體的飼料生產機械。介紹了整機的結構和工作原理，對飼料的混合室、攪拌器、螺旋輸送擠壓器、顆粒成型機構的主要結構特點及相應參數進行了分析與計算；陳義厚對三錐輥式平模顆粒機的設計方法進行了介紹；何明霞根據醫藥制粒工藝研究的需求，設計了一種新型小型高速混合顆粒機，用于一次性完成混合、加濕與制成顆粒等多道工序的新型小型化自動制藥設備，設計包括整體結構和計算機自動檢測與控制系統以及實驗數據存儲與分析等功能，經過大量實驗并結合特定的工藝要求得出了針對不同的物料配方與之相對應的最佳匹配參數；黃傳海討論了蝦飼料顆粒機的設計方法；查國才介紹了高效自動顆粒機的研發思路與應用比較；伍善根對HLSG系列濕法混合顆粒機的結構改進與技術創新進行了研究“陳雨田對膠輪磨擦傳動圓筒混合顆粒機設計理論進行了討論。
   有文獻對影響顆粒機生產效率的因素進行了分析，指出影響因素主要包括物料類型、調質效果、工藝參數選擇等。
   顆粒機結構參數、技術參數方面的研究：何占松分析了小型平模飼料制粒（塊）機結構參數的關系；王敏分析了環模顆粒機的主要技術參數；蕭占平分析了飼草顆粒機主要設計參數。
    顆粒機壓輥環模系統方面的研究：劉學軍對飼料顆粒機壓輥線磨損度進行了理論研究；蘇錫云介紹了環模顆粒機新壓模的正確操作使用方法；劉學軍介紹了飼料顆粒機壓輥的感應熱處理工藝；王敏介紹了延長顆粒機壓模使用壽命的方法；何占松對飼料制粒（塊）機模孔堵塞原因進行了分析并提出了對策；李同祥介紹了顆粒機壓輥與環模的間隙調整方法：孟令啟介紹了顆粒機壓輥環模系統的設計方法。
   顆粒機的顆粒料長度、蒸汽系統方面的研究：李令芳對影響顆粒機顆粒料長度的因素進行了分析并提出了控制方法；余傳忠介紹了擠壓膨脹器與顆粒機相結合的生產工藝；楊杰對飼料顆粒機蒸汽品質進行了分析并對蒸汽干燥電加熱器進行了研制；田鵬飛提出了顆粒機蒸汽自動調節系統的設計制作思路。
    此外，李同祥介紹丁顆粒機主軸油封的維修方法；鄧惠文對顆粒機支承軸斷裂的原因進行了分析并提出了解決方法；王德福對顆粒機軸承特性進行了研究。
1.2.2國內外環模顆粒機結構現狀
    顆粒飼料制粒設備及工藝配套設備，主要由顆粒壓制機、調質器、熟化器、干燥器、冷卻器、破碎機、分級篩和料倉活化裝置等組成。根據畜禽、水產及特種水產飼料加工要求不同而進行配置。
自1910年英國Sizer公司研制出第一臺商品擠壓式顆粒機至今，顆粒機的制造技術和成形理論得到了飛速發展，使用顆粒機生產顆粒飼料已得到普及。目前常用的顆粒壓制機有環模顆粒機和平模顆粒機兩種基本類型；根據運動特性又可分為動模式和動輥式；根據其環模和壓輥、平模和壓輥的組合形式又可分為：三輥、二輥，大、小壓輥雙環模式環模顆粒機，平模直輥和錐輥式顆粒機。其他類型的顆粒機有：對輥式顆粒機（類似煤球機）、休勒顆粒機（顆粒從空心對輥內排出）、盤式微粒機（無加壓機構，利用液體媒介作用，粒子自行凝集）、螺桿式顆粒機、活塞式顆粒機等，但使用不夠廣泛。常用顆粒壓制機模、輥配置形式見圖1-1。

環模顆粒機主要由喂料器、調質器、顆粒制造器、調節機構及潤滑系統組成。
 
    喂料器由電磁調速電機、減速器、聯軸器、絞龍軸及絞龍殼體等組成。調速電機是由變頻電機和減速器組成，它與變頻器配合使用，通過變頻器控制調速電機，可改變其輸出轉速。喂料絞龍由絞龍殼體、絞龍軸和帶座軸承等組成，由可調速電機通過聯軸器帶動絞龍軸。
  調質器由電機、傳動機構、調質轉子和殼體、加蒸汽口等部分組成。其功能是注入蒸汽，將配合粉料調質到一定的溫度和濕度后送入制粒室制粒。調質器殼體由不銹鋼制成。調質器的供蒸汽系統如圖1-3所示。
 
    顆粒制造器主要由主電機、傳動機構、轉子、環模、壓輥、刮刀、切刀組件及機身和門等組成。經調質器調質的物料，由旋轉喂料錐和前板上兩個偏轉刮刀將料均勻地送入兩個壓輥與環模組成的壓制區，通過環模和壓輥兩個相對旋轉件對粉料逐漸擠壓而擠入環模中成型，并不斷向外端擠出，由切刀把成型顆粒切成需要的長度，最后成型顆粒排出機外。
    國外典型的環模顆粒機有：
    三輥式顆粒壓制機
    三輥式顆粒壓制機是以英國UMT公司為代表的一種典型顆粒壓制機。國內外多家公司均生產類似的產品，傳動方式分為齒輪式和皮帶式兩種。UMT公司生產的皇冠牌三輥式顆粒壓制機均采用同步齒形帶傳動，其中350B型采用雙電機同步齒形帶一級傳動，其他型號均采用雙電機三角帶、同步齒形帶二級傳動。
    UMT顆粒壓制機特點：
    ①采用三輥式結構，配有專用導料板，喂料、擠壓效果好。
    ②采用同步齒形帶雙電機傳動，負荷均勻，傳動效率高，噪聲低；機器外形長×寬×高比例勻稱。
    ③采用摩擦片式液壓過載保護裝置，確保設備安全運行，復位方便。
    ④配有自動潤滑系統，確保機器運轉正常。
    ⑤環模外配置3把切刀，有利于出料顆粒均勻。
    ⑥機體和機座采用鋼板焊接后正火處理消除應力，結構輕巧，造型美觀。
    ⑦同少齒形帶和主軸承使用壽命長，分別為3—4萬小時和5～8年。
UMT皇冠型雙級傳動顆粒壓制機結構見圖1-4。

    三門峽富通新能源生產銷售顆粒機、秸稈壓塊機、飼料顆粒機、木屑顆粒機等生物質燃料飼料成型機械設備，同時我們還有大量的生物質顆粒燃料出售。