陳義厚

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

三錐輥式平模制粒機(jī)模輥間隙的探討

陳義厚

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

通過對三錐輥式平模制粒機(jī)模輥間隙的分析，探討了模輥間隙大小對制粒機(jī)制粒性能參數(shù)的影響，并為生產(chǎn)實(shí)際給出了參考的模輥間隙值。

三錐輥；平模制粒機(jī)；模輥間隙

平模制粒機(jī)是飼料加工行業(yè)、肥料加工行業(yè)必需的重要機(jī)械。模輥之間的工作間隙通過壓輥軸端的調(diào)隙機(jī)構(gòu)在停機(jī)時(shí)或空載開機(jī)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，范圍一般為0.1～1.5 mm。將該間隙設(shè)計(jì)成可調(diào)，有兩方面的考慮:一是保證模輥有合適的工作間隙，特別是模輥磨損后可將間隙調(diào)?。欢欠奖銐狠伒牟鹧b及平模堵塞時(shí)的清理。幾乎所有的制粒機(jī)技術(shù)文件及資料均推薦，模輥的工作間隙應(yīng)在0. 1～0. 5 mm之間，太大會使生產(chǎn)率下降。在實(shí)際生產(chǎn)中，因該間隙難以測量，故常采用“間斷接觸法”來調(diào)整，即在平模上表面無物料情況下調(diào)整壓輥，使之在平模轉(zhuǎn)動時(shí)處于似轉(zhuǎn)非轉(zhuǎn)狀態(tài)。為了調(diào)整方便、簡單、省時(shí)，三錐輥式平模制粒機(jī)采用滑過/接觸平模調(diào)整模輥間隙。但當(dāng)模輥接觸到平模表面時(shí)將會出現(xiàn)一個(gè)問題，由于金屬與金屬的接觸，平模表面塑性化，從而增加了斷裂的可能。當(dāng)平模開始磨損時(shí)，生產(chǎn)率會下降，須將壓輥壓緊，結(jié)果會導(dǎo)致磨損進(jìn)一步加劇。為了將壓輥調(diào)整達(dá)到最大的制粒效率而同時(shí)又保護(hù)其不受磨損，最好的方法是調(diào)節(jié)壓輥使之滑過/接觸平模的表面，然后再后退0.1～0.2 mm[1]。本研究對三錐輥式平模制粒機(jī)的模輥間隙進(jìn)行了分析，探討了影響制粒效果的因素。

1 三錐輥式平模制粒機(jī)工作原理

1.傳動裝置(差速器)；2.電動機(jī)；3.傳動軸；4.平模；5.壓輥；6.進(jìn)料斗；7.切刀；8.出料斗圖1 三錐輥式平模制粒機(jī)的基本結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of the three-awl roller type pellets plane-die press

三錐輥式平模制粒機(jī)由電動機(jī)2、傳動裝置1、傳動軸3、平模4、壓輥5、喂料器、進(jìn)料斗6、切刀7、出料斗8等幾部分組成，如圖1 所示。

三錐輥式平模制粒機(jī)是以機(jī)械圓周運(yùn)動為基礎(chǔ)，電動機(jī)2為動力帶動傳動軸，經(jīng)差速器1減速至主軸3，進(jìn)而帶動與主軸3連接的平模4，擦動壓輥5，使得壓輥5和平模4之間有較高的摩擦溫度，在平模4和壓輥5的強(qiáng)烈擠壓作用下,物料逐漸被壓實(shí),擠入平模的模孔中，并使攪拌均勻的復(fù)合肥料粉狀原料中的化學(xué)元素發(fā)生反應(yīng)、結(jié)晶、凝固，在壓輥5的擠壓下，從平模孔中擠出，經(jīng)過切刀的分段最后從出料口8滾出顆粒肥料。

1.壓輥； 2.松散物料； 3.料柱； 4.壓實(shí)物料； 5.粘附層； 6.平模圖2 模輥工作示意圖Figure 2 The working diagram of the roll-die

2 平模區(qū)工作狀態(tài)分析

圖2是模輥工作時(shí)的示意圖。其中，平模在主動力的驅(qū)動下以一定的轉(zhuǎn)速繞軸旋轉(zhuǎn)；厚度為h的物料層從A點(diǎn)開始被攫進(jìn)擠壓區(qū)；壓輥借助擠壓區(qū)內(nèi)摩擦力的作用也繞軸旋轉(zhuǎn)。隨著模輥的旋轉(zhuǎn)，攫入的物料向前移動加快，擠壓力和物料密度逐漸增加；當(dāng)擠壓力增大到足以克服?？變?nèi)物料與孔壁的摩擦力時(shí)，具有一定密度和粘結(jié)力的物料便被擠進(jìn)模孔內(nèi)。由于模輥不斷攫入物料，故?？變?nèi)的物料經(jīng)成形后被連續(xù)擠出模孔，成為圓柱狀顆粒[2]。

擠壓區(qū)內(nèi)的擠壓力在物料開始被擠壓進(jìn)?？讜r(shí)達(dá)到最大值，并基本保持到C點(diǎn)。從C點(diǎn)卸壓開始至F點(diǎn)，擠壓力才逐漸降到零。CF段存在擠壓力的原因，是因?yàn)榻?jīng)過C點(diǎn)的殘余物料在該段出現(xiàn)膨脹的緣故。F點(diǎn)后，平模上表面出現(xiàn)了經(jīng)膨脹的肥料粘附層。該粘附層的厚度與模輥間隙、模輥支承結(jié)構(gòu)的剛性及殘余物料的膨脹程度有關(guān)。顯然，模輥間隙越大，殘余物料層越厚，膨脹越甚，粘附層也越厚。

為分析方便，過壓輥圓心O1引一射線通過擠壓區(qū)，交輥模于A1、B1兩點(diǎn)；過A1引O1A1的切線交平模上表面于D點(diǎn)，∠A1DB1定義為模輥對物料的攫入角α0。開始攫入物料時(shí)角α0最大，稱為最大攫入角α0max。對某一物料而言，角α0隨其被不斷壓實(shí)、擠出而減小，直至為零(C點(diǎn)處)；α0角實(shí)際上是模輥形成的楔形角。據(jù)報(bào)道，物料能被模輥攫入的條件是：α0max小于或等于物料、壓輥之間的摩擦角與物料內(nèi)摩擦角之和[3]。這一條件說明，當(dāng)物料特性一定時(shí)，βmax越小則物料越易被攫入。

3 粘附層對制粒工況的影響

由前所述可知，當(dāng)模輥間隙為零時(shí)，粘附層厚度主要取決于模輥支承結(jié)構(gòu)的剛性，這里可忽略；當(dāng)增大模輥間隙時(shí)，出現(xiàn)了粘附層。這一粘附層使制粒工況發(fā)生了變化。

圖3 增大間隙時(shí)壓模內(nèi)表面的物料層分布情況Figure 3 The distribution of material of the inner die surface when the gap was increased

(1)在相同生產(chǎn)率條件下會增加需壓實(shí)的厚度 相同生產(chǎn)率，意味著進(jìn)入壓制機(jī)制粒腔的物料量相同。增大間隙后平模內(nèi)表面的物料層分布情況如圖2所示。其中，Δh為模輥間隙,h1為殘余物料膨脹厚度，h2為未壓實(shí)的物料層厚度。故需壓實(shí)的物料層厚度為h1+h2。

零間隙時(shí)，平模上表面的未壓物料層體積為:

(1)

增大間隙時(shí)，壓模內(nèi)表面的未壓實(shí)物料層體積為:

(2)

式中，R2為平模外圓半徑，mm；R1為平模內(nèi)圓半徑，mm；b=R2-R1為平模有效工作寬度，mm；h為零間隙時(shí)未壓實(shí)物料層厚度，mm；S為零間隙時(shí)未壓實(shí)物料環(huán)中壓輥占去的體積，mm；S1為增大間隙時(shí)未壓實(shí)物料環(huán)中壓輥占去的體積，mm。

要使制粒生產(chǎn)率相同，則式(1)應(yīng)等于式(2)；又S1≈S2，故化簡后有：h1+h2+Δh=h,故可得：

h1+h2gt;h

(3)

公式(3)說明，增大間隙后，如生產(chǎn)率與零間隙時(shí)相同，則需增加物料的壓實(shí)厚度。這也意味著最大攫入角α0max也增大了。間隙越大，壓實(shí)厚度增加得越多，α0max也越大。

(2)粘附層的膨脹部分不斷被壓實(shí) 模輥工作時(shí)，原有的粘附層絕大部分被壓入?？祝⒊霈F(xiàn)新的粘附層。模輥每擠壓1次物料，粘附層的厚度由Δh+h1被壓實(shí)至Δh、膨脹部分h1被壓實(shí)1次。對于三輥結(jié)構(gòu)的壓制機(jī)來說，平模每轉(zhuǎn)1周，膨脹部分將壓實(shí)6次。當(dāng)制粒機(jī)連續(xù)工作時(shí)，膨脹部分則不斷被壓實(shí)。

(3)物料受擠壓的行程變長 在同一壓模及物料情況下，物料被壓入?？讜r(shí)所需的最大擠壓力基本與模輥間隙無關(guān)。但由圖3可看出，因出現(xiàn)了粘附層，物料從開始受到最大擠壓力作用到被擠出模孔的行程卻增加了Δh。

(4)壓輥兩側(cè)漏料更甚 物料在受擠壓過程中，總是往阻力較小的方向運(yùn)動。因此，即使模輥處于零間隙工作狀態(tài)，壓輥兩側(cè)也會出現(xiàn)一定程度的漏料現(xiàn)象。當(dāng)模輥間隙增大出現(xiàn)粘附層時(shí)，壓輥兩側(cè)的漏料空間更大，阻力更小，模輥工作時(shí)物料被擠向壓輥兩側(cè)的現(xiàn)象更嚴(yán)重些。

4 間隙大小對制粒性能參數(shù)的影響

間隙大小對顆粒的加工質(zhì)量有較大的影響。衡量顆粒加工質(zhì)量的重要指標(biāo)是硬度和堅(jiān)實(shí)度。在正常情況下及一定范圍內(nèi)，顆粒硬度越高，其堅(jiān)實(shí)度也越高，顆粒加工質(zhì)量越好。增大模輥間隙后，模的內(nèi)表面出現(xiàn)了粘附層，使物料被擠壓的行程變大，?？變?nèi)的料栓密度增加，溫度上升，糊化變好。料栓的密度增加提高了顆粒的硬度；物料溫度上升，糊化變好，使物料之間的粘結(jié)力增大，提高了顆粒的堅(jiān)實(shí)度。

間隙大小對顆粒成形的顆粒溫度也有較密切的關(guān)系。當(dāng)粘附層使制粒工況發(fā)生變化，制粒機(jī)的能耗增加。這部分增加的能耗，幾乎都轉(zhuǎn)變成熱能，使成形后的顆粒溫度上升。據(jù)試驗(yàn)，模輥間隙由零增大到4 mm時(shí)，成形后的顆粒溫度由73 ℃增加到90 ℃。這對于后續(xù)的冷卻干燥工序是極為有利的。

5 小結(jié)

綜上所述，在一定范圍內(nèi)增大平模壓輥的間隙，會使生產(chǎn)率下降，噸產(chǎn)品耗電量上升，顆粒加工質(zhì)量變好及成形后的顆粒溫度上升。因此，在一般情況下(特別是新平模時(shí))制粒機(jī)的模輥工作間隙可調(diào)至較小或零。此時(shí)物料最易被攫入，生產(chǎn)率最高，噸產(chǎn)品耗電量最低，壓制機(jī)處于最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)；如用其他手段無法解決顆粒加工質(zhì)量問題，或配方中含油脂較高，或無法降低干燥后的產(chǎn)品含水率時(shí)，可適當(dāng)增大模輥間隙。

[1]李同祥. 制粒機(jī)壓輥與環(huán)模的間隙調(diào)節(jié)[J]. 飼料工業(yè)，1999,(7)：98～101.

[2]楊慧明. 顆粒飼料壓制機(jī)模輥間隙的探討[J]. 廣東農(nóng)機(jī)，1996,(1)：45～47.

[3]陳義厚. 三錐輥式平模制粒機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007,(11)：126～129.

2009-09-14

湖北省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2005AA101C11)

陳義厚(1970-)，男，湖北監(jiān)利人，工學(xué)碩士，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論的研究.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2009.04.023

TH12

A

1673-1409(2009)04-S077-03