0、引 言
環模
顆粒機廣泛應用于飼料、制藥、新能源等技術領域。在飼料加工領域，環模顆粒機是飼料機械的四大主機之一，具有成型率高、提高動物生長性能等一系列優點；在制藥領域，可以降低原料損耗、提高吸收率；在新能源技術領域，環模顆粒機可將秸稈、木屑等生物質原料制成
生物質顆粒燃料，實現高效燃燒、低污染排放，大力促進可再生能源的合理應用。
國內外學者針對環模顆粒機的顆粒機理、質量、能耗、效率等問題開展了一系列研究。在國外，JensI3-4]建立了物料通過模孔時的擠壓壓強模型，并進行了試驗驗證；Blatik對制粒過程進行了優化與控制研究，研究在保證加工質量的前提下如何提高加工效率；Tabj研究了工藝條件與制粒質量之間的關系，建立了能耗與顆粒耐久性之間的關系模型；Rolfe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；A．Mehrdad研究了鋸屑制粒成形過程，指出通過優化工藝可以在比較低的能耗下獲得高質量的顆粒；L.rOrbj將近紅外技術應用于顆粒實時濕度檢測及能耗計算；N.P. Nielsen研究了鋸屑纖維方向對制粒特性的影響，結果表明具有橫向纖維方向的鋸屑制粒能量更低。在國內，曹康對制粒的機理、工藝進行了比較詳細、全面的論述，對擠壓區的受力狀況進行了力學分析；吳勁鋒c121對不同粒度苜蓿草粉進行了制粒過程模擬試驗，得出了制粒擠出力與粒度、密度之間的關系；李在峰研究指出，玉米秸稈顆粒成型時電耗主要集中在粉碎與制粒2個工藝中，而制粒電耗又是粉碎電耗的2倍，且顆粒密度對成型時的電耗有較大影響；白衛進行了3種秸稈顆粒冷態壓縮成型的開式實驗研究，研究表明在壓緊階段物料主要發生了塑性變形，且擠壓力的數學模型為線性方程；何曉峰研究了不同生物質原料粒度、含水率、環模孔長徑比等因素與顆粒成型率及噸料電耗的關系，找出了生物質顆粒燃料的最佳成型條件；此外，田鵬飛對制粒室物料分布與效率之間的關系進行了討論；高星、王紅英對影響顆粒機生產效率的主要因素進行了分析。
以上國內外研究并未建立系統的環模受力與物料特性、顆粒機結構參數之間的關系模型。本文將在已有成果基礎上，分析環模顆粒機擠壓成形過程與原理；研究環模系統擠壓過程力學模型；研究壓緊區受力狀況，推導最大物料擠壓高度以及最大扭矩的計算公式；詳細分析物料特性及顆粒機結構參數對環模扭矩的影響規律。
1、成形過程分析
環模顆粒機的工作過程如下：環模（壓模）在電機驅動下以一定的轉速順時針旋轉，調質后的物料由導料機構送入環模與壓輥間的工作區（如圖1），壓輥借助工作區內環模與物料、壓輥與物料間的摩擦力作用開始順時針旋轉。隨著環模與壓輥的旋轉，攝入的物料被擠壓、壓緊，當擠壓力增大到足以克服模孔內物料與內壁的摩擦力時，物料就被擠壓進模孔。隨模輥不斷旋轉，環模孔內的物料連續擠出，經切刀切斷，形成圓柱狀顆粒料。
根據物料在擠壓過程中的不同狀態將物料劃分為3個區，即供料區、變形壓緊區和擠壓成形。
1)供料區：物料在環模、壓輥摩擦力及離心力的影響下隨環模、壓輥旋轉方向運動，此時物料密度比較小。
2)變形壓緊區：隨著模、輥的旋轉，物料進入壓緊區，由于模、輥空間的減小，粉粒體間空隙逐步減小，粉粒體之間接觸表面積增大，物料逐漸被壓實，物料產生不可逆的變形，密度逐漸增加。
3)擠壓成形區：在擠壓區內，模輥間隙急劇減小，擠壓力急劇增大，物料密度進一步增大，并在壓力作用下進入模孔，直至從孔中擠出。
2、擠壓過程力學模型
如圖2所示，物料在擠壓區與變形壓緊區受力是不同的，下面分別分析。
擠壓區壓強與模孔壓強相關。模孔距出口任意位置處的擠壓壓強Px的計算表達式如下（如圖3所示）
設模孔長度為L (mm)，則擠壓區內環模內表面（進料口）各位置處受到的壓力都應該與物料在長度為L的模孔內運動時必須克服的摩擦阻力相等，所以擠壓區內環模內表面不同位置的壓強基本相等，均可以x=L代入式(1)計算，這樣擠壓區內環模內表面擠壓壓強可表示為
擠壓區內，物料的壓強應足夠大，可推動環模孔內的物料向下運動；而在變形壓緊區，物料的壓強逐步增加，還不足以克服物料與模孔的摩擦阻力，其中靠近擠壓區的位置其壓強與擠壓區基本相同，而靠近供料區的位置其壓強接近于0。設變形壓緊區內壓強呈線性變化，則環模內表面的受力狀態示意圖如圖4。
2)摩擦系數的影響
結構參數取值同前，計算泊松比為0,3，摩擦系數從
0.1到0.6變化時相對扭矩的變化情況，計算結果如圖6。
從圖5、圖6可以看出，隨物料泊松比的增加以及摩擦系數的增加，扭矩均呈現出指數曲線增加趨勢。計算數據表明，當泊松比由0.1增加到0.6時，扭矩增加了96倍，而當摩擦系數由O.l增加到0.6時，扭矩增加了3 000多倍，可見摩擦系數對扭矩的影響更明顯。以上分析表明物料特性對制粒能耗的影響很大。
3.2結構參數的影響
1)模孔長徑比的影響
計算環模孔徑長度從36到67.5 mm之間變化（長徑比由8到15之間變化）時的扭矩變化情況，其他參數取值同3.1。計算結果如圖7。
從計算結果可以看出，隨模孔長度的增加，扭矩增加并不呈現出線性關系，而是呈現出指數曲線增長趨勢，所以在設計顆粒機時必須根據其應用場合分析其扭矩及能耗，進而配置合適的電機；同時，在滿足質量的前提下應盡可能縮短模孔長度以降低長徑比，從而減小扭矩、降低能耗。
2)壓輥直徑的影響
環模直徑一定(350 mm)，物料擠壓高度相同（以7 mm為例）時，不同壓輥直徑(140，145，150，155，160，165 mm)下的相對扭矩計算結果如圖8。
環模直徑一定（350 mm），不同壓輥直徑下(140，145，150，155，I60，165 mm)的最大產量及最大扭矩計算結果如圖9。
從圖8可以看出，當環模直徑一定，且產量（擠壓高度）相同的情況下，增大壓輥直徑反而會增加扭矩，最終增加能耗。
而圖9計算結果表明，當環模直徑一定時，隨壓輥直徑增加，其最大產量將增加，但對應的最大扭矩也將增加，扭矩增加的幅度高于產量增加的幅度，所以能耗會有所提高，但提高的幅度較小，所以從提高產量的角度講增大壓輥直徑是有利的。當然，以上分析是建立在電機功率足夠的基礎上。加工某種物料時，如果在現有壓輥直徑條件下電機已經滿載，則增大壓輥直徑反而會降低產量；如果此時物料擠壓高度未達到最大值，則減小壓輥直徑會更加有利，可以在保證產量的前提下降低能耗。
3)環模、壓輥同比變化時的影響
計算環模直徑與壓輥直徑同比變化時最大產量及最大扭矩。壓輥與環模直徑取值如表2，計算結果如圖10。
從計算結果可以明顯看出，當環模、壓輥直徑同時增大時，最大產量增加很快，最大扭矩雖然也在增長，但是增加的幅度很小。可見，采用大尺寸的環模顆粒機不僅可以提高產量，同時還可以降低能耗。
4、結論
本文對環模系統的受力狀況進行了研究，建立了環模扭矩力學模型，以建立的模型為基礎進行了分析計算，主要結論如下：
1)物料特性對制粒能耗的影響很大。隨物料泊松比增加及摩擦系數增加，環模扭矩呈指數曲線增加趨勢。
2)隨模孔長度增加（壓縮比增加），環模扭矩也呈指數曲線增加趨勢，從降低能耗角度出發，在保證質量的前提下，應盡可能縮短模孔長度（壓縮比）。
3)在環模直徑一定時，增大壓輥直徑反而會增加扭矩，增加能耗。但當電機功率足夠時，隨壓輥直徑增加，最大產量也在增加，且產量增加的幅度與扭矩增加的幅度差異不大，所以從提高產量角度出發可以選取較大的壓輥；而在電機已經滿載的情況下，則減小壓輥直徑會更加有利，可以在保證產量的前提下降低能耗。
4)環模、壓輥直徑同時增大時，能耗增加的幅度遠小于產量增加的幅度，所以采用大尺寸的環模
顆粒機是非常有利的，不僅可以提高產量，同時還可以降低能耗。
