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T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T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)模模孔的導(dǎo)角對(duì)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(duì)以上問題進(jìn)行了深入的研究,對(duì)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),富通新能源專業(yè)生產(chǎn)銷售
秸稈顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等顆粒飼料成型機(jī)械設(shè)備,如下圖所示:

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(jiǎn)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,“壓粒”,簡(jiǎn)單地說就是一個(gè)擠壓式的熱塑過程。
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∠A,DB定義為壓輥對(duì)物料的攫人角r0物料開始攫人時(shí)r最大,稱為最大攫人角。對(duì)于某一特定的物料而言,角r隨物料的不斷壓實(shí)、擠出而減小,直至為零(C點(diǎn)處);在物料攫人的過程中,最大攝人角小于或等于物料、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),r越小則物料越容易被攫人。
3.2對(duì)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Β簦锪吓c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。
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Ⅳ沿壓輥的直徑方向向外,兩力之間的夾角等于r。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(zhǎng)力Ⅳ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。
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人到更小空間的過程中,也就是說在物料開始被攫人到被完全擠出的整個(gè)過程中應(yīng)滿足式(1)。這就說明在1角逐漸趨于零的過程中,物料受到的壓輥的摩擦力(F=u1Ncos l)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(duì)它的摩擦。因此得出:在r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。
再者,按照上面的平衡條件分析,環(huán)模孔內(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)模模孔導(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。
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)。物料在被逐漸攝人的過程中,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。
物料受到壓輥擠壓力Ⅳ,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(duì)物料的摩擦力F的作用。其中Ⅳ的方向沿O2A1指向物料,Q方向與Ⅳ相反沿C02指向物料,T垂直于O1D,F(xiàn)垂直于O2A1。因?yàn)榄h(huán)模上存在模孔及模孔倒角,所以力丁的大小并不一定等于環(huán)模對(duì)物料的摩擦力,根據(jù)平衡條件可得:
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Ⅳ,內(nèi)摩擦系數(shù)u,和角b的影響。其中壓輥對(duì)物料的擠壓力Ⅳ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)u同樣受到物料粒度的影響。
3.3.2模孔倒角處受力分析
環(huán)模在開始擠壓物料時(shí),模孔倒角處所受的力主要由內(nèi)錐面正對(duì)壓輥的那半部分承受,隨著模孔向水平方向的運(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)模上任取一模孔進(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(l-tgb),力的方向沿壓輥直徑向外。所以,在模孔倒角錐面上任意一點(diǎn)受到的力的大小為Q=Q =N(l-tgb),它與倒角內(nèi)錐面之間的夾角等于B+a/2。
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)在模孔倒角處作截面時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列大小不同的角a,由此可知:0≤a≤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模孔中心線。如圖8所示。現(xiàn)假設(shè)模孔內(nèi)物料所受擠壓力的合力為Q,孔壁對(duì)物料的摩擦力為f,物料對(duì)孔壁的壓力為Ⅳ,則模孔內(nèi)物料必須滿足如下關(guān)系式:
N=f
f=Fu
式中:物料我草粉與孔壁間的摩擦系數(shù);F為物料對(duì)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)入模孔前的擠壓階段完成。進(jìn)入模孔后,壓縮量除剛進(jìn)模孔時(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,在模孔內(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)確分析模孔內(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(yǔ)
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)模模孔導(dǎo)角處的受力,取壓縮過程中微元進(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。
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