摘  要
    環模顆粒機是飼料機械四大主機之一，很大程度上決定了飼料加工產量，在飼料加工過程中占有非常重要的地位。目前，國內在環模顆粒機制粒機理方面的研究幾乎是空白，而且顆粒機與國外同類型設備相比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。研究環模制粒機理與結構優化技術，對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。本文的主要工作如下：
    1．分析了制粒過程中物料層在制粒室的分布情況，指出了物料層分布的三個區域之間的聯系，對環模和壓輥之間的物料受力狀況進行了分析，推導了供料區物料層最佳厚度理論公式。
    2．分析了環模孔在物料擠壓過程中的受力情況，建立了環模孔擠壓受力數學模型，并基于該模型分析了物料特性對制粒過程的影響，揭示了物料泊松比、摩擦系數和環模長徑比與制粒過程中擠壓力之間的關系。
    3．研究了環模孔受力簡化模型，并基于簡化模型對環模孑L口進行了有限元受力分析，結果表明環模孔進料口倒角越大，所受應力越小，物料更容易被擠壓，相應的環模使用壽命越長。
    4．研究了環模和壓輥的結構參數與壓入物料高度及環模顆粒機生產效率之間的關系。分析了大小輥環模顆粒機和三輥式環模顆粒機在提高生產效率方面的優勢，并進行了優化計算。
    5．推導了環模顆粒機能耗理論模型，分析了影響環模顆粒機能耗的因素，揭示了環模線速度與制粒能耗之間的關系，并進行了試驗驗證。
    本課題針對環模顆粒機制粒機理和性能方面做了比較全面的研究，研究成果對提高環模顆粒機的制粒質量、生產效率、制粒能耗與使用壽命具有一定的參考價值和應用價值。
 
關鍵詞：環模，壓輥，顆粒機，制粒機理，優化
1、緒論
1.1課題背景和研究意義
    飼料工業是隨著動物營養和飼料科學的發展，在工業化水平提高并達到一定階段后逐步發展起來的跨行業、跨部門、跨學科的新興工業。它包括五大部分：飼料原料生產、飼料加工、飼料添加劑生產、飼料機械生產和飼料科研教育、制標、監測檢測等服務體系。近年來，中國飼料工業穩定、持續發展，目前全國有飼料企業1.5萬多家，從業人員約50多萬人，中國飼料業改革開放后年平均發展速度保持在20%以上，已完成了從手工作坊式的生產到世界第二大飼料生產國的飛越，飼料工業已成為中國國民經濟重要的支柱產業之一。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。
    環模顆粒機是飼料機械四大主機之一，其生產的顆粒飼料以其眾多優點在我國得到了廣泛的推廣和應用。相應地，制粒工藝是絕大多數飼料廠采用的加工工藝技術，也是飼料工業十分重視并不斷取得進展的重要工藝，世界谷物飼料有將近75%是以顆粒形狀生產的。可見，環模顆粒機是生產顆粒飼料的主要飼料機械設備，其性能在很大程度上決定了飼料加工產量，在飼料加工過程中占有非常重要的地位。

    近年來，國內飼料機械企業在環模顆粒機的設計、制造領域不斷進步，產品的外觀、性能指標不斷提高，與國外同類產品的差距也在不斷縮小，但我國的環模顆粒機大都是在國外制粒技術發達國家（如英國、意大利、瑞士等國）先進產品基礎之上進行變型設計而生產制造的，在制粒機理方面的研究還幾乎是空白，這直接導致與國外同類型設備相比較，我國的顆粒機仍然存在結構不合理，生產效率偏低、能耗偏高等缺陷。其中，環模的使用壽命和生產效率低下問題尤為突出，國內生產的環模使用壽命短已成為一個不爭的事實，在實際生產過程中，環模顆粒機的環模容易出現使用壽命短、堵模、制粒質量差等諸多問題，這極大地制約了產品的國際競爭力。
   研究環模制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國內外研究現狀
   制粒的歷史實際上可以追溯到1900年，近一個世紀來，飼料工作者在實踐中積累了寶貴的經驗，致力于改善顆粒機性能，提高顆粒飼料性能。
1.2.1環模顆粒機國內外發展概況

    世界上第一臺與顆粒機有相似功能的機器是一臺鑄模式設備，如圖1.1所示。在其機械結構上類似于現在的煤球機，由一對形狀相同、等速相對旋轉的壓輥（壓輥表面鑄有凹穴)組成，物料進入壓輥表面的凹穴，自上而下受到壓縮，壓制成形的顆粒具有兩個凹穴的合成形狀。用該設備可以壓制成各種形狀的顆粒，如三角形、菱形、橢圓形、紐扣形、圓形等等。這種形式的鑄模式設備，由于其壓縮時間非常短，飼料顆粒的密度低、強度較小，生產效率低下，能耗高，所以，該工藝并沒有被廣泛采用。
    1910年左右，世界上第一臺擠壓式顆粒機問世，如圖1,2所示。該顆粒機的工作機理與現在的擠壓式顆粒機基本相同，靠旋轉的螺旋輸送器強制將物料向前推進、擠壓并通過環模孔形成柱狀顆粒，并在出料口切刀的作用下，切斷成粒狀顆粒。這種顆粒機的生產效率不高，而且需要使用蒸煮膨化機，生產成本大大提高。
到1920年，斯凱勒( SchMeler)提出了壓縮法制粒，這種設備安裝有兩個帶有排出孔的齒輪成形模具的軋輥，如圖1.3所示。在牙狀形齒輪根部有圓柱形的小孔，齒輪、等速相對旋轉，物料進入齒輪的嚙合空間，受到擠壓力的作用，經根部小孔擠出，被裝在齒輪內腔的切刀切斷成顆粒，并排出孔外。與鑄模法和擠壓法相比，這種制粒方法或多或少帶有剛性擠壓，機械磨損程度大，費用也高。
    1920年期間，在總結了許多顆粒機工作機理的基礎上，研制成功了第一臺平模顆粒機，如圖1.4所示。這種機器裝有圍繞中心軸回轉的滾輪，迫使物料擠壓向下，通過水平固定模板的模孔，旋轉切刀把飼料切割成一定長度的顆粒飼料。平模顆粒機的平模和滾輪上各處的圓周速度不等，平模上的物料受到的離心力大小也不相同，因而在平模工作平面上的負荷是不均勻的。不過，當時歐洲許多飼料廠與干草廠卻普遍采用一種平置鑄模顆粒機，其數個壓輥置于同一平面繞直立軸旋轉，而將粉料經由固定的水平鑄模模孔擠出。
    幾乎在同一時期，世界上第一臺環模顆粒機研制成功，如圖1.5所示。到了1920年，顆粒機已發展成使用環模結構，迫使物料通過環模孔的機器設備，最初的環模顆粒機只使用一個壓輥，以后演變成兩個、三個壓輥，利用壓輥的擠壓力將粉狀物料經由環模的環模孔中擠出。經過不斷地改進，現在的環模顆粒機不僅采用了主動滾輪，而且還采用更為普遍的主動環模。環模顆粒機是環模靠主軸傳動而回轉，其內有兩個或者三個壓輥，工作時壓輥將粉狀物料壓入環模孔中，擠出成形后呈圓柱形，并被固定切刀切斷成顆粒飼料。其主要特點是環模與壓輥接觸線上各處線速度相等，所以無額外的摩擦力，全部的擠壓力都被用來制粒。這種環模式顆粒機制粒質量較好，生產效率高，能耗比其他幾種要少，在飼料加工廠中應用最為廣泛。在此基礎上，環模顆粒機性能不斷被改善，而于其后的60年，支配了整個飼料業。環模式顆粒機的進一步發展，提高了其機械性能和強度。根據生產的實際需要，今后顆粒機的設計將向大環模、大功率和大型號方向發展。
    從環模顆粒機發展的整個歷程來看，環模顆粒機的工作機理沒有變化，而環模顆粒機的制造水平和技術性能大有改進。目前世界上使用較為廣泛，比較典型的環模顆粒機主要有以下幾種：
    CPM公司生產的環模顆粒機采用斜齒齒輪減速箱傳動結構，齒輪減速箱可以通過手動換擋實現雙速交換。環模固定在大齒輪傳遞的空心軸上旋轉，壓輥則固定在用制動裝置固定的實心軸上，為動模型顆粒機。環模采用三分式環模夾固定，裝拆方便，配有自動循環潤滑系統設備，使用更安全。
  Buhler公司生產的環模顆粒機機采用雙壓輥、環模式、單電機三角皮帶傳動結構。單位生產效率高，運行費用低結構比較簡單，操作維修方便。系統可以方便地實行自動潤滑和自動控制。采用單電機側傳動，空心軸、環模、軸、壓輥和大皮帶傳動等總成，外加皮帶傳動的張力等均由主軸尾部懸臂支承，承載負荷大、且屬于偏載荷狀態設計、驗算和裝配的配合要求較高。
    Munch公司生產的環模顆粒機有環模、錐形壓輥平模顆粒機兩種，環模顆粒機的結構形式和英國UMT公司單級同步齒形帶傳動的形式基本相同。Munch公司生產的環模顆粒機采用三角帶傳動，大皮帶輪的寬度比較寬，采用鑄鐵鑄造整體機座，整機重量偏重，但運轉平穩、噪聲低，大皮帶輪的慣性作用有利于節能。環模的固定結構宜改用CPM三分式環模夾，如采用螺栓固定式，則單側操作大大延長了換模時間。系統可以實現自動潤滑和自動控制。
    三輥式環模顆粒機是以英國UMT公司為代表的一種典型環模顆粒機。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環模顆粒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。
     同時，一些科研機構和高校也開始對環模顆粒機進行研制，先后有商都牧機廠、阜新牧機總廠、華中農學院、中國農業科學院飼料研究所、漁業機械儀器研究所和上海市飼料研究所對環模顆粒機進行了研制。我國的環模顆粒機技術正朝著自主創新的道路前進，已取得了一定的成效，產品的外觀、性能指標不斷提高，與國外同類產品的差距也在不斷縮小，富通新能源同時銷售秸稈壓塊機、木屑顆粒機等生物質顆粒燃料成型機械設備。