摘  要
    環(huán)模顆粒機(jī)是飼料機(jī)械四大主機(jī)之一，很大程度上決定了飼料加工產(chǎn)量，在飼料加工過程中占有非常重要的地位。目前，國內(nèi)在環(huán)模顆粒機(jī)制粒機(jī)理方面的研究幾乎是空白，而且顆粒機(jī)與國外同類型設(shè)備相比仍然存在結(jié)構(gòu)不合理，生產(chǎn)效率偏低、能耗偏高等缺陷，這極大地制約了產(chǎn)品的國際競爭力。研究環(huán)模制粒機(jī)理與結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，對提升飼料機(jī)械整體設(shè)計、制造水平，促進(jìn)飼料工業(yè)的發(fā)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(qū)域之間的聯(lián)系，對環(huán)模和壓輥之間的物料受力狀況進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了供料區(qū)物料層最佳厚度理論公式。
    2．分析了環(huán)�？自谖锪蠑D壓過程中的受力情況，建立了環(huán)�？讛D壓受力數(shù)學(xué)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(shù)和環(huán)模長徑比與制粒過程中擠壓力之間的關(guān)系。
    3．研究了環(huán)�？资芰�簡化模型，并基于簡化模型對環(huán)模孑L口進(jìn)行了有限元受力分析，結(jié)果表明環(huán)�？走M(jìn)料口倒角越大，所受應(yīng)力越小，物料更容易被擠壓，相應(yīng)的環(huán)模使用壽命越長。
    4．研究了環(huán)模和壓輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)與壓入物料高度及環(huán)模顆粒機(jī)生產(chǎn)效率之間的關(guān)系。分析了大小輥環(huán)模顆粒機(jī)和三輥式環(huán)模顆粒機(jī)在提高生產(chǎn)效率方面的優(yōu)勢，并進(jìn)行了優(yōu)化計算。
    5．推導(dǎo)了環(huán)模顆粒機(jī)能耗理論模型，分析了影響環(huán)模顆粒機(jī)能耗的因素，揭示了環(huán)模線速度與制粒能耗之間的關(guān)系，并進(jìn)行了試驗驗證。
    本課題針對環(huán)模顆粒機(jī)制粒機(jī)理和性能方面做了比較全面的研究，研究成果對提高環(huán)模顆粒機(jī)的制粒質(zhì)量、生產(chǎn)效率、制粒能耗與使用壽命具有一定的參考價值和應(yīng)用價值。
 
關(guān)鍵詞：環(huán)模，壓輥，顆粒機(jī)，制粒機(jī)理，優(yōu)化
1、緒論
1.1課題背景和研究意義
    飼料工業(yè)是隨著動物營養(yǎng)和飼料科學(xué)的發(fā)展，在工業(yè)化水平提高并達(dá)到一定階段后逐步發(fā)展起來的跨行業(yè)、跨部門、跨學(xué)科的新興工業(yè)。它包括五大部分：飼料原料生產(chǎn)、飼料加工、飼料添加劑生產(chǎn)、飼料機(jī)械生產(chǎn)和飼料科研教育、制標(biāo)、監(jiān)測檢測等服務(wù)體系。近年來，中國飼料工業(yè)穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展，目前全國有飼料企業(yè)1.5萬多家，從業(yè)人員約50多萬人，中國飼料業(yè)改革開放后年平均發(fā)展速度保持在20%以上，已完成了從手工作坊式的生產(chǎn)到世界第二大飼料生產(chǎn)國的飛越，飼料工業(yè)已成為中國國民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著飼料工業(yè)的迅速發(fā)展，飼料機(jī)械的需求越來越大，要求也來越高。研發(fā)高品質(zhì)、高效率的飼料機(jī)械產(chǎn)品已成為支持飼料工業(yè)發(fā)展的迫切需求。
    環(huán)模顆粒機(jī)是飼料機(jī)械四大主機(jī)之一，其生產(chǎn)的顆粒飼料以其眾多優(yōu)點在我國得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。相應(yīng)地，制粒工藝是絕大多數(shù)飼料廠采用的加工工藝技術(shù)，也是飼料工業(yè)十分重視并不斷取得進(jìn)展的重要工藝，世界谷物飼料有將近75%是以顆粒形狀生產(chǎn)的�？梢�，環(huán)模顆粒機(jī)是生產(chǎn)顆粒飼料的主要飼料機(jī)械設(shè)備，其性能在很大程度上決定了飼料加工產(chǎn)量，在飼料加工過程中占有非常重要的地位。

    近年來，國內(nèi)飼料機(jī)械企業(yè)在環(huán)模顆粒機(jī)的設(shè)計、制造領(lǐng)域不斷進(jìn)步，產(chǎn)品的外觀、性能指標(biāo)不斷提高，與國外同類產(chǎn)品的差距也在不斷縮小，但我國的環(huán)模顆粒機(jī)大都是在國外制粒技術(shù)發(fā)達(dá)國家（如英國、意大利、瑞士等國）先進(jìn)產(chǎn)品基礎(chǔ)之上進(jìn)行變型設(shè)計而生產(chǎn)制造的，在制粒機(jī)理方面的研究還幾乎是空白，這直接導(dǎo)致與國外同類型設(shè)備相比較，我國的顆粒機(jī)仍然存在結(jié)構(gòu)不合理，生產(chǎn)效率偏低、能耗偏高等缺陷。其中，環(huán)模的使用壽命和生產(chǎn)效率低下問題尤為突出，國內(nèi)生產(chǎn)的環(huán)模使用壽命短已成為一個不爭的事實，在實際生產(chǎn)過程中，環(huán)模顆粒機(jī)的環(huán)模容易出現(xiàn)使用壽命短、堵模、制粒質(zhì)量差等諸多問題，這極大地制約了產(chǎn)品的國際競爭力。
   研究環(huán)模制粒機(jī)理與結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，對設(shè)計出具有國際先進(jìn)水平的顆粒機(jī)具有積極的推進(jìn)作用，對提高制粒質(zhì)量與制粒效率，提升我國顆粒機(jī)產(chǎn)品的國際競爭力、進(jìn)而提升飼料機(jī)械整體設(shè)計、制造水平，促進(jìn)飼料工業(yè)的發(fā)展具有重要的理論意義與實用價值。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
   制粒的歷史實際上可以追溯到1900年，近一個世紀(jì)來，飼料工作者在實踐中積累了寶貴的經(jīng)驗，致力于改善顆粒機(jī)性能，提高顆粒飼料性能。
1.2.1環(huán)模顆粒機(jī)國內(nèi)外發(fā)展概況

    世界上第一臺與顆粒機(jī)有相似功能的機(jī)器是一臺鑄模式設(shè)備，如圖1.1所示。在其機(jī)械結(jié)構(gòu)上類似于現(xiàn)在的煤球機(jī)，由一對形狀相同、等速相對旋轉(zhuǎn)的壓輥（壓輥表面鑄有凹穴)組成，物料進(jìn)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(shè)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(shè)備，由于其壓縮時間非常短，飼料顆粒的密度低、強(qiáng)度較小，生產(chǎn)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(jī)問世，如圖1,2所示。該顆粒機(jī)的工作機(jī)理與現(xiàn)在的擠壓式顆粒機(jī)基本相同，靠旋轉(zhuǎn)的螺旋輸送器強(qiáng)制將物料向前推進(jìn)、擠壓并通過環(huán)�？仔纬芍鶢铑w粒，并在出料口切刀的作用下，切斷成粒狀顆粒。這種顆粒機(jī)的生產(chǎn)效率不高，而且需要使用蒸煮膨化機(jī)，生產(chǎn)成本大大提高。
到1920年，斯凱勒( SchMeler)提出了壓縮法制粒，這種設(shè)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(zhuǎn)，物料進(jìn)入齒輪的嚙合空間，受到擠壓力的作用，經(jīng)根部小孔擠出，被裝在齒輪內(nèi)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(jī)械磨損程度大，費用也高。
    1920年期間，在總結(jié)了許多顆粒機(jī)工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，研制成功了第一臺平模顆粒機(jī)，如圖1.4所示。這種機(jī)器裝有圍繞中心軸回轉(zhuǎn)的滾輪，迫使物料擠壓向下，通過水平固定模板的模孔，旋轉(zhuǎn)切刀把飼料切割成一定長度的顆粒飼料。平模顆粒機(jī)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(fù)荷是不均勻的。不過，當(dāng)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(jī)，其數(shù)個壓輥置于同一平面繞直立軸旋轉(zhuǎn)，而將粉料經(jīng)由固定的水平鑄模�？讛D出。
    幾乎在同一時期，世界上第一臺環(huán)模顆粒機(jī)研制成功，如圖1.5所示。到了1920年，顆粒機(jī)已發(fā)展成使用環(huán)模結(jié)構(gòu)，迫使物料通過環(huán)模孔的機(jī)器設(shè)備，最初的環(huán)模顆粒機(jī)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(jīng)由環(huán)模的環(huán)模孔中擠出。經(jīng)過不斷地改進(jìn)，現(xiàn)在的環(huán)模顆粒機(jī)不僅采用了主動滾輪，而且還采用更為普遍的主動環(huán)模。環(huán)模顆粒機(jī)是環(huán)模靠主軸傳動而回轉(zhuǎn)，其內(nèi)有兩個或者三個壓輥，工作時壓輥將粉狀物料壓入環(huán)�？字校瑪D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(huán)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(huán)模式顆粒機(jī)制粒質(zhì)量較好，生產(chǎn)效率高，能耗比其他幾種要少，在飼料加工廠中應(yīng)用最為廣泛。在此基礎(chǔ)上，環(huán)模顆粒機(jī)性能不斷被改善，而于其后的60年，支配了整個飼料業(yè)。環(huán)模式顆粒機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，提高了其機(jī)械性能和強(qiáng)度。根據(jù)生產(chǎn)的實際需要，今后顆粒機(jī)的設(shè)計將向大環(huán)模、大功率和大型號方向發(fā)展。
    從環(huán)模顆粒機(jī)發(fā)展的整個歷程來看，環(huán)模顆粒機(jī)的工作機(jī)理沒有變化，而環(huán)模顆粒機(jī)的制造水平和技術(shù)性能大有改進(jìn)。目前世界上使用較為廣泛，比較典型的環(huán)模顆粒機(jī)主要有以下幾種：
    CPM公司生產(chǎn)的環(huán)模顆粒機(jī)采用斜齒齒輪減速箱傳動結(jié)構(gòu)，齒輪減速箱可以通過手動換擋實現(xiàn)雙速交換。環(huán)模固定在大齒輪傳遞的空心軸上旋轉(zhuǎn)，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(jī)。環(huán)模采用三分式環(huán)模夾固定，裝拆方便，配有自動循環(huán)潤滑系統(tǒng)設(shè)備，使用更安全。
  Buhler公司生產(chǎn)的環(huán)模顆粒機(jī)機(jī)采用雙壓輥、環(huán)模式、單電機(jī)三角皮帶傳動結(jié)構(gòu)。單位生產(chǎn)效率高，運(yùn)行費用低結(jié)構(gòu)比較簡單，操作維修方便。系統(tǒng)可以方便地實行自動潤滑和自動控制。采用單電機(jī)側(cè)傳動，空心軸、環(huán)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(fù)荷大、且屬于偏載荷狀態(tài)設(shè)計、驗算和裝配的配合要求較高。
    Munch公司生產(chǎn)的環(huán)模顆粒機(jī)有環(huán)模、錐形壓輥平模顆粒機(jī)兩種，環(huán)模顆粒機(jī)的結(jié)構(gòu)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(chǎn)的環(huán)模顆粒機(jī)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(jī)座，整機(jī)重量偏重，但運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低，大皮帶輪的慣性作用有利于節(jié)能。環(huán)模的固定結(jié)構(gòu)宜改用CPM三分式環(huán)模夾，如采用螺栓固定式，則單側(cè)操作大大延長了換模時間。系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動潤滑和自動控制。
    三輥式環(huán)模顆粒機(jī)是以英國UMT公司為代表的一種典型環(huán)模顆粒機(jī)。國內(nèi)外多家公司均生產(chǎn)類似的產(chǎn)品，傳動方式分為齒輪式和皮帶式兩種。UMT公司生產(chǎn)的皇冠牌三輥式環(huán)模顆粒機(jī)均采用同步齒形帶傳動，其中350B型采用雙電機(jī)同步齒形帶一級傳動，其他型號均采用雙電機(jī)三角帶、同步齒形帶二級傳動。
     同時，一些科研機(jī)構(gòu)和高校也開始對環(huán)模顆粒機(jī)進(jìn)行研制，先后有商都牧機(jī)廠、阜新牧機(jī)總廠、華中農(nóng)學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所、漁業(yè)機(jī)械儀器研究所和上海市飼料研究所對環(huán)模顆粒機(jī)進(jìn)行了研制。我國的環(huán)模顆粒機(jī)技術(shù)正朝著自主創(chuàng)新的道路前進(jìn)，已取得了一定的成效，產(chǎn)品的外觀、性能指標(biāo)不斷提高，與國外同類產(chǎn)品的差距也在不斷縮小，富通新能源同時銷售秸稈壓塊機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備。