第三章  環(huán)模顆粒機(jī)關(guān)鍵部件的分析與優(yōu)化
3.1環(huán)模與壓輥的直徑
    從第二章分析可以看出顆粒機(jī)的環(huán)模和壓輥的尺寸與物料壓入的高度間的關(guān)系非常復(fù)雜，而這幾個(gè)參數(shù)是確定顆粒機(jī)產(chǎn)量的關(guān)鍵參數(shù)。
    以環(huán)模直徑為460為例，分別計(jì)算攫取角在30度、36度、45度、60度下輥徑模徑比與物料高度H之間的系，繪制曲線如下圖：

    可以看出：
    (1)物料高度H隨輥徑模徑比的增大而增大，但不呈現(xiàn)出線性關(guān)系。輥徑模徑比越大，物料高度H增加的速度越快，所以，在一定范圍內(nèi)盡可能提高壓輥直徑是增加生產(chǎn)率的最有效手段。但是，當(dāng)輥徑模徑比超過一定值后，再增加壓輥直徑，生產(chǎn)率將不會(huì)提高。在上例中，當(dāng)攫取角在30度、36度、45度、60度時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大輥徑模徑比分別為0.65，0.62，0.58，0.53。所以，若開發(fā)大小輥顆粒機(jī)，大輥直徑不能超越該臨界值。
    (2)攫取角越大，曲線越陡。這表明針對(duì)不同的物料，物料高度H隨輥徑模徑比增大而增大的敏感度不一樣。攫取角越大越敏感。
    前面的分析是以環(huán)模直徑為460mm進(jìn)行分析的，從中可以看出壓輥與環(huán)模的尺寸關(guān)系比較復(fù)雜，為了能夠全面了解壓輥與環(huán)模的尺寸與壓入物料之間關(guān)系，根據(jù)約束條件進(jìn)行計(jì)算，得到圖3-2所示的曲線。
    圖3-2中，橫坐標(biāo)為環(huán)模內(nèi)孔的半徑，縱坐標(biāo)為壓輥的半徑，圖中的曲線為壓入物料高度^的等高線。可以看出：
    環(huán)模的內(nèi)徑一定時(shí)，壓輥的直徑增大壓入的物料增加，但是增大到一定程度，
隨壓輥的半徑增加壓入的物料反而減少；
如果壓輥的直徑一定，增大環(huán)模的尺寸對(duì)物料的壓入量影響不大；
大尺寸的環(huán)模和壓輥可以較大地提高產(chǎn)量；
相同的壓輥和環(huán)模，p角越大，物料壓入量越多。

   可以看出，顆粒機(jī)生產(chǎn)率與其他參數(shù)之間的關(guān)系。但其中由于壓輥數(shù)目同模輥直徑比有相互制約關(guān)系，因此z的增加不一定在任何情況下都能使生產(chǎn)率提高，而要通過計(jì)算來確定。以MUZL420T為例：兩輥時(shí)環(huán)模內(nèi)徑為460，壓輥直徑216;三輥時(shí)環(huán)模內(nèi)徑為460，壓輥直徑205，設(shè)攫取角為30度，代入公式進(jìn)行計(jì)算，可以得到采用三輥的生產(chǎn)效率是兩輥的1.36倍。對(duì)不同攫取角下生產(chǎn)率的比值進(jìn)行計(jì)算，得到圖3-3。可以看出，隨攫取角的增大，三輥與兩輥的生產(chǎn)率比值也越大，三輥優(yōu)勢(shì)也更加明顯。

  下面分析采用大小壓輥對(duì)生產(chǎn)率的影響。仍以MUZL420T為例，大小輥的直徑取值如表3-1。

   如上表所示，大小輥直徑和保持一定，取7種組合進(jìn)行生產(chǎn)率對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖3-4～圖3-8。從圖中可以看出，無論攫取角多大，大小輥組合情況下的生產(chǎn)率比兩輥直徑相同情況下的生產(chǎn)率高都高。攫取角為30度時(shí)由于大小輥直徑差可以取得更大，所以生產(chǎn)率提高更多，由圖3-4可知，最大可以提高1.4倍。隨攫取角增大，允許的大小輥直徑差減少，生產(chǎn)率的提高受到限制，40度時(shí)提高1.17倍，50度時(shí)提高1.11倍，60度時(shí)提高1.05倍。但是，在相同的大小輥直徑組合下，攫取角大時(shí)生產(chǎn)率的提高更顯著，見圖3-8。綜上所述，當(dāng)攫取角比較小時(shí)，采用大小輥組合可以有效地提高生產(chǎn)率。

3.2壓輥和環(huán)模之間的載荷
    壓輥和環(huán)模之間的載荷分析對(duì)壓輥和環(huán)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義，同時(shí)通過對(duì)壓輥和環(huán)模之問的載荷分析也有利于分析壓輥和環(huán)模的磨損情況。首先，壓輥和環(huán)模的強(qiáng)度和剛度計(jì)算需要知道兩者之間的載荷，知道載荷后才能確定環(huán)模的厚度、壓輥的大小；再者，物料壓入的多少有與載荷有關(guān)，物料壓入多，壓輥和環(huán)模之間的載荷大，壓輥和環(huán)模的的磨損也就越嚴(yán)重，反之，物料壓入少，壓輥和環(huán)模之間的載荷小，磨損少，因此壓輥和環(huán)模之間的載荷與環(huán)模和壓輥的磨損有關(guān)，磨損又與壓輥和環(huán)模的壽命有關(guān)。
    環(huán)模和壓輥是比較昂貴的易損件，其使用壽命是評(píng)價(jià)環(huán)模顆粒機(jī)性能的重要指標(biāo)。怎樣減少和改善環(huán)模和壓輥的磨損，延長(zhǎng)他們的使用壽命，降低生產(chǎn)成本，是研究顆粒機(jī)的核心內(nèi)容。通過前面的分析，壓輥和環(huán)模的壽命與它們間的載荷有密切關(guān)系。
    根據(jù)前面的分析，我們知道制粒的過程是物料被卷入、壓緊，最后從環(huán)模上的模孔被擠出，因此在環(huán)模圓周方向，環(huán)模與壓輥的間距越大，物料壓力程度越小，載荷也就越小。反之，環(huán)模與壓輥的間距越小，物料壓力程度越大，載荷也就越大。
    為了定性分析壓輥和環(huán)模的載荷，建立環(huán)模的模型，并施加非均勻載荷，如圖2. 25所示，所加載荷的函數(shù)是
F= kx
    通過施加約束，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到環(huán)模的有限元模型，如圖3-9所示，通過求解，得到環(huán)模在載荷作用下的應(yīng)力分布圖（圖3-10）和位移變化圖（圖3-11）。
    從圖3-12可以看出，在這樣的載荷作用下，環(huán)模外側(cè)的位移變化比較大，這說明如果物料在環(huán)模軸線方向的均勻的話，環(huán)模里側(cè)的磨損最大，環(huán)模外側(cè)的磨損最小。下面來對(duì)此作詳細(xì)的分析。
    如果在環(huán)模軸線方向卷入的物料均勻，按理是磨損均勻，但是考慮到環(huán)模實(shí)際上是懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式，環(huán)模外側(cè)的變形大，因此環(huán)模和壓輥的間距會(huì)比沒有工作時(shí)大一些，這樣物料就沒有里側(cè)的物料緊一些，所以磨損小一些。按照這樣的分析，環(huán)模的磨損曲線應(yīng)該是如圖3-13所示。因此物料在環(huán)模軸線方向均勻卷入的話，里側(cè)反而磨損嚴(yán)重。
 
    上面的分析是基于載荷在環(huán)模軸線方向是均勻這一假設(shè)分析得到的結(jié)論，實(shí)際的載荷情況應(yīng)該根據(jù)磨損的情況反過來分析。圖3-14即為壓輥的實(shí)際磨損照片，環(huán)模與壓輥磨損曲線如圖3-15。
 
  從實(shí)際磨損情況看，沿軸向方向，壓輥與環(huán)模兩端的磨損明顯大于中間部位，且兩端的磨損基本對(duì)稱（后端更長(zhǎng)、更平滑、角度更小）。結(jié)合前面受力分析，得出如下結(jié)論：
    (1)沿軸向方向，物料在壓輥與環(huán)模之rBJ分布不均勻：
    (2)沿軸向方向，外側(cè)分布的物料較內(nèi)側(cè)多；
    (3)沿軸向方向，中間分布的物料較兩側(cè)少；
    (4)為了使磨損更均勻，可以通過控制物料的分布來實(shí)現(xiàn)。
3.3本章小結(jié)
   本章主要工作總結(jié)如下：
    (1)對(duì)環(huán)模與壓輥的直徑進(jìn)行了優(yōu)化，分析了三輥顆粒機(jī)及大小輥顆粒機(jī)的優(yōu)勢(shì)；
    (2)建立了壓輥有限元模型，并進(jìn)行了受力分析，以此為基礎(chǔ)對(duì)壓輥的磨損狀況進(jìn)行了研究，并與實(shí)際的磨損情況進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了分析的正確性。