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ENGLISH0755-88840386飼料顆粒機制粒過程的受力分析
發(fā)布時間：2020-05-12 10:17:31 |來源：網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
1.引言
飼料顆粒機的環(huán)模和壓輥是顆粒機的主要工作 部件，顆粒機制粒過程應(yīng)滿足低噪音、高質(zhì)量、高效 率的工作要求，低噪音、高質(zhì)量、高效率取決于環(huán)模的 結(jié)構(gòu)設(shè)計和環(huán)模與壓輥在工作狀態(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)角對物料受力的影響，造成環(huán)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計的 誤差。筆者針對以上問題進行了深入的研究,對以往 的環(huán)模受力分析進行了修正，為環(huán)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供 依據(jù)。
2.環(huán)模制粒原理
如圖1所示。制粒過程中環(huán)模在主動力的驅(qū)動 下,以一定的轉(zhuǎn)速順時針旋轉(zhuǎn)，同時壓輥借助摩擦力 的作用順時針旋轉(zhuǎn)。隨著壓輥的旋轉(zhuǎn),農(nóng)業(yè)纖維物料 （以下簡稱“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”，簡單地說就是一 個擠壓式的熱塑過程。
圖1物料攫入角
3.受力分析
3.1攫入角的定義
過環(huán)模中心01引一射線通過擠壓區(qū)，分別交壓 輥和環(huán)模于A1、兩點，引A1、的切線相交于D點, 則ZA1DB定義為壓輥對物料的攫入角y物料開始 攫入時Y最大，稱為最大攫入角。對于某一特定的物 料而言，角Y隨物料的不斷壓實、擠出而減小，直至為 零（c點處）；在物料攫入的過程中，最大攝入角小于 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，當物料特性一定時,Y越小則物料越 容易被攫入.
3. 2對以往環(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行受力狀態(tài)的分析,認為這 時環(huán)模、壓輥和物料之間存在著以下諸力：壓輥作用 于物料的正壓力N,物料與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To 取環(huán)模擠壓區(qū)內(nèi)一微元分離體，其受力情況如圖2所 示。
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 為B點），力N沿壓輥的直徑方向向外，兩力之間的 夾角等于yo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。延長力N的作 用線交環(huán)模內(nèi)表面于一點，則這一點必然不會是圖1 中的B點。也就是說所選取的物料分離體在環(huán)模內(nèi) 被壓縮時,環(huán)模內(nèi)壁的支撐點并不是圖2中支反力Q 的作用點Bo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沿著所 受力的方向被壓縮。因此可以認為以往的這種分析 方法忽略了環(huán)模中物料的可壓縮性。
圖2分離體受力分析
另外，在制粒的過程中，進入擠壓區(qū)的物料始終 處于被逐漸攫入到更小空間的過程中，也就是說在物 料開始被攫入到被完全擠出的整個過程中應(yīng)滿足式 （1）。這就說明在y角逐漸趨于零的過程中，物料受 到的壓輥的摩擦力（F =缶Ncos y ）會逐漸增大，并最 終達到最大值。因此由以往的這種方法可推出：壓輥 是主動運轉(zhuǎn)的，但在實際的制粒過程中，壓輥與環(huán)模 間存在間隙,壓輥并非主動運轉(zhuǎn)的，它旋轉(zhuǎn)的動力主要來源于被壓縮的物料對它的摩擦。因此得出：在y 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，圖2中所示的 力F的方向與實際情況相反。
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理。然而，作者在環(huán)模失效 機理研究中發(fā)現(xiàn),從失效環(huán)模?？讓?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 的磨損機理，且磨痕方向混亂。如圖3,4所示。
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。物料在被逐漸攝入的過程中，物料除隨環(huán)模一起 轉(zhuǎn)動外，還將沿壓輥直徑方向被壓縮。
現(xiàn)從擠壓區(qū)內(nèi)任取一物料塊進行分析，物料塊受 力情況如圖6所示。
圖5物料在環(huán)模內(nèi)的受力分析圖 圖6物料塊受力分析
物料受到壓輥擠壓力N,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和壓輥對物料的摩 擦力F的作用。其中N的方向沿。2九1指向物料，Q 方向與N相反沿CO2指向物料，T垂直于O1D, F垂 直于O2A1 o因為環(huán)模上存在?？准澳？椎菇?/span>
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N,內(nèi)摩擦系數(shù)戍,和角0的影響。其中壓輥 對物料的擠壓力N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)戍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，?？椎菇翘幩艿牧χ?要由內(nèi)錐面正對壓輥的那半部分承受，隨著模孔向水 平方向的運動，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到最大值。在環(huán)模上任取 一?？走M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（1-tg0），力的方 向沿壓輥直徑向外。所以，在模孔倒角錐面上任意 一點受到的力的大小為Q1=Q=N（1 -tg0），它與倒 角內(nèi)錐面之間的夾角等于0 + a/2。如圖7、所示。 
圖7模孔倒角處受力分析 圖8?？變?nèi)受力分析
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，所以當以上圖所示方式（即沿環(huán)模軸向） 在模孔倒角處作截面時會產(chǎn)生一系列大小不同的角 a，由此可知：0 W a W錐角。
3. 3. 3直孔部分的受力分析
處于?？字笨撞糠值奈锪纤艿牧χ饕獊碓从?物料間的擠壓力，且壓力的方向平行于?？字行木€。 如圖8所示。現(xiàn)假設(shè)?？變?nèi)物料所受擠壓力的合力 為Q,孔壁對物料的摩擦力為f物料對孔壁的壓力為 N，則模孔內(nèi)物料必須滿足如下關(guān)系式：
N =f
/ = Ffi
式中:戍物料我草粉與孔壁間的摩擦系數(shù);F為物料 對孔壁的正壓力。
通過實驗證明飼料粉粒的壓縮主要是在未進入 ?？浊暗臄D壓階段完成。進入?？缀?，壓縮量除剛 進?？讜r有變化以外，進入直孔后未產(chǎn)生變化。同 時，農(nóng)業(yè)纖維物料在壓縮時，物料在某一壓力下產(chǎn)生 了變形，當保持其變形狀態(tài)不變時，被壓縮物料的應(yīng) 力會隨時間衰減的現(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），整個壓縮室內(nèi)的物料可劃分為3個階段：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?？變?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，要準確分析 ?？變?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)律的確定還需進一 步的實驗研究。
4.結(jié)語
為了準確分析環(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?？讓?dǎo)角處的受力，取 壓縮過程一微元進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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