徐煒 陸敏 周梅英 劉春華 談曉東

（江蘇正昌糧機(jī)科研所，江蘇 溧陽(yáng) 213300）

制粒是將粉料通過(guò)機(jī)械或化學(xué)的方法，將其聚合成型的過(guò)程。飼料制成顆粒后有提高飼料的消化吸收轉(zhuǎn)化率，防止動(dòng)物挑食，殺滅沙門(mén)氏菌，便于貯存和運(yùn)輸?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)。制粒工藝主要是通過(guò)制粒機(jī)這種關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。常見(jiàn)的制粒機(jī)有螺旋擠壓式、平模式、環(huán)模式等結(jié)構(gòu)形式，因環(huán)模制粒機(jī)制粒質(zhì)量好,顆粒硬度高,所以適用性最廣且最為普遍。本文重點(diǎn)對(duì)SZLH428普通畜禽料制粒機(jī)的環(huán)模進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1 環(huán)模制粒機(jī)工作原理

1.1 制粒原理

粉料進(jìn)入制粒室，在高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)模帶動(dòng)下，粉料由于離心力的作用緊貼環(huán)模內(nèi)壁并隨環(huán)模一起轉(zhuǎn)動(dòng)從而被帶入到環(huán)模與壓輥之間的楔形區(qū)域，在受到環(huán)模和壓輥的擠壓后成型為顆粒并從環(huán)模的孔中擠出，在環(huán)模外部切刀的作用下被切成短小顆粒，從而完成制粒過(guò)程，如圖1和圖2所示。

圖1 制粒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 制粒原理

1.2 環(huán)模

環(huán)模是周身布滿(mǎn)圓孔的環(huán)類(lèi)零件，其材質(zhì)、尺寸參數(shù)、加工質(zhì)量對(duì)顆粒質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要的影響。環(huán)模是易損件且在實(shí)際工作中受力情況復(fù)雜，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)的鄧勇認(rèn)為，環(huán)模失效的原因主要為磨損和疲勞斷裂，其中以磨損失效為主要形式。但經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明，多數(shù)環(huán)模在磨損失效之前就應(yīng)力性破損，所以本文著重從環(huán)模工作受力方面進(jìn)行研究。

2 環(huán)模有限元仿真分析

本研究對(duì)象為SZLH428普通畜禽料制粒機(jī)環(huán)模，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)模參數(shù)

2.1 建模

環(huán)模結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在建模時(shí)去掉部分螺紋孔、倒角、圓角等對(duì)分析結(jié)果影響不大的細(xì)節(jié)且忽略所有?？讕?lái)的影響。簡(jiǎn)化后采用SIMULATION軟件進(jìn)行三維實(shí)體單元網(wǎng)格劃分，并在局部細(xì)化網(wǎng)格。劃分節(jié)點(diǎn)總數(shù)61218個(gè)，單元總數(shù)37408個(gè)，劃分最小單元1.71 mm，最大單元20.1 mm，雅克比4，網(wǎng)格品質(zhì)高。其網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 環(huán)模網(wǎng)格劃分

2.2 載荷分析

環(huán)模主要受電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩M，壓輥的擠壓力N以及物料的摩擦力F，如圖4所示。

圖4 環(huán)模受力情況

假設(shè)環(huán)模是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，合力矩為0，根據(jù)公式

式中：M——電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩(N·m)；

P——主電機(jī)功率(kW)；

f——粉料與環(huán)模的摩擦因子，取0.3；

n——環(huán)模轉(zhuǎn)速(r/min)；

R——環(huán)模內(nèi)半徑(mm)。

計(jì)算得 N=193771 N，F(xiàn)=58131 N，M=26740 N·m

對(duì)于環(huán)模內(nèi)表面的一點(diǎn)，在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)，除驅(qū)動(dòng)力矩M是長(zhǎng)期存在外，N與F只會(huì)出現(xiàn)兩次，是典型的周期性接觸應(yīng)力問(wèn)題，見(jiàn)圖5。

圖5 接觸應(yīng)力圖解

根據(jù)接觸應(yīng)力（赫茲應(yīng)力）公式：

式中：b——接觸帶半寬（mm）；

L——接觸線(xiàn)長(zhǎng)，即環(huán)模寬度（mm）；

R1——壓輥半徑（mm），取110；

R2——環(huán)模半徑（mm），取230；

μ1、μ2——材料泊松比，此處都取0.3；

E1、E2——材料彈性模量，取E1=E2（N/m2）。

由此可計(jì)算出b=1.853 mm，2b=3.706 mm，即可確定擠壓力N的受力區(qū)域。

最大接觸應(yīng)力

計(jì)算得 σmax=458.72 MPa≤[σHLP]≈1500 MPa；

同時(shí) σmax≤[σ-1]≈566 MPa。

式中：[σHLP]為許用線(xiàn)接觸強(qiáng)度；[σ-1]為 10-7循環(huán)次數(shù)下材料的疲勞強(qiáng)度極限。

最大切應(yīng)力 τ45°≈0.33σmax=151.38 MPa，出現(xiàn)位置坐標(biāo)為z=0.786b=1.46 mm，y=0處。周期性接觸應(yīng)力會(huì)引起環(huán)模的接觸疲勞破壞。圖6為環(huán)模載荷圖。

圖6 環(huán)模載荷

2.3 結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)模非正常破裂主要有如下三種形式：

①傳動(dòng)鍵槽根部開(kāi)裂并伴有鍵槽頂部剝落現(xiàn)象，見(jiàn)圖7；

②環(huán)模法蘭面45°縱深裂紋，見(jiàn)圖8；

③突發(fā)性斷裂，見(jiàn)圖9。

圖7 傳動(dòng)鍵槽根部開(kāi)裂并伴有頂部剝落現(xiàn)象

圖8 45°方向縱深裂紋

圖9 突發(fā)性斷裂

主要原因分析如下：

①環(huán)模主要靠鍵槽驅(qū)動(dòng)，鍵槽根部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，見(jiàn)圖10和圖11。

圖10 VonMises應(yīng)力云圖

圖11 鍵槽處VonMises應(yīng)力云圖

鍵槽根部存在應(yīng)力集中，平均應(yīng)力約352 MPa，鍵槽頂部出現(xiàn)最大應(yīng)力，其值約為804.7 MPa。

圖12 合位移云圖

②圖13顯示了環(huán)模受擠壓部位的應(yīng)力分布，擠壓處的平均應(yīng)力約為348 MPa。

圖13 受擠壓處應(yīng)力云圖

受擠壓部位的平均應(yīng)力值小于材料的屈服強(qiáng)度（約835 MPa），但卻接近材料的疲勞強(qiáng)度極限（循環(huán)下約566 MPa），因此對(duì)此環(huán)模進(jìn)行疲勞分析。

環(huán)模彎矩

如圖14所示。

圖14 環(huán)模彎矩

材料的S-N曲線(xiàn)如圖15所示。

圖15 合金鋼的S-N曲線(xiàn)

循環(huán)次數(shù)107次，加載比率-0.572。

在經(jīng)歷最多2231次循環(huán)后，環(huán)模受擠壓部位即出現(xiàn)疲勞破壞。

③對(duì)于突發(fā)性的環(huán)模破裂，主要是由于制粒室內(nèi)進(jìn)入了金屬塊或石塊等雜物而造成的，在設(shè)備運(yùn)行前注意清理雜物即可。

圖16 疲勞壽命

3 優(yōu)化方案

①鍵槽根部倒圓角R3，鍵槽頂部倒角C3，如圖17所示。

圖17 鍵槽處優(yōu)化方案

圖18 優(yōu)化后的VonMises應(yīng)力云圖

優(yōu)化后，鍵槽部位最大應(yīng)力值僅為419.6 MPa，為原最大應(yīng)力的52.1%，根部平均應(yīng)力為280 MPa，僅為原來(lái)的79.5%。

②改善熱處理工藝，嚴(yán)格控制熱處理工藝質(zhì)量，精確把握滲碳碳勢(shì)、淬回火溫度和時(shí)間，控制合金鋼表面硬度不超過(guò)62HRC（有理論認(rèn)為，對(duì)于合金鋼，接觸疲勞壽命在一定范圍內(nèi)隨硬度的增加而增加，但在62HRC處出現(xiàn)拐點(diǎn)）。

③改善環(huán)模加工質(zhì)量，特別是鍵槽處和內(nèi)表面的粗糙度要盡可能低，建議在?？捉K擴(kuò)后加一道精修內(nèi)面的工序。

④優(yōu)化顆粒壓制生產(chǎn)工藝，重視粉料配方中油脂的添加和作用，油脂可在兩接觸體之間形成流體動(dòng)壓油膜，能顯著增加疲勞壽命，但要注意油脂的腐蝕性，否則可能反而會(huì)降低其疲勞壽命。

4 小結(jié)

環(huán)模作為制粒機(jī)上昂貴的易損件，其材質(zhì)成分、熱處理工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)、加工質(zhì)量對(duì)制粒機(jī)效能的發(fā)揮有著關(guān)鍵的影響，如何降低環(huán)模非正常破損率，延長(zhǎng)其使用壽命，一直是一個(gè)困撓企業(yè)的難題。實(shí)踐證明，一個(gè)普通畜禽料制粒機(jī)環(huán)模的使用壽命若延長(zhǎng)100 h，即可為一個(gè)小型飼料加工企業(yè)帶來(lái)數(shù)十萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)對(duì)環(huán)模的研究可以得到如下結(jié)論。

①應(yīng)力集中和接觸疲勞破壞是環(huán)模破損的主要原因所在，利用有限元分析技術(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，改善熱處理及加工工藝可以有效減少環(huán)模破損率，延長(zhǎng)環(huán)模使用壽命。

②優(yōu)化粉料配方也可以提高環(huán)模的使用壽命。

③本研究中忽略了?？讕?lái)的影響，實(shí)際上?？椎某叽?、分布情況、總數(shù)對(duì)環(huán)模強(qiáng)度亦有影響，且可以推斷是負(fù)面影響。鑒于研究?？讓?duì)于環(huán)模強(qiáng)度的影響時(shí)運(yùn)算量過(guò)于龐大(約4500個(gè)模孔),計(jì)算機(jī)配置要求過(guò)高，所以相關(guān)討論會(huì)在日后的研究中逐漸完善。

④環(huán)模磨損模型的建立及分析亦是后續(xù)研究的內(nèi)容之一。

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