朱滨峰 苗 健 陈 震
摘 要 在颗粒饲料的生产中，环模是压制颗粒饲料的核心工作部件，文中阐述了环模制粒机的工作原理，同时对环模进行受力和强度分析，提出了通过改善环模制造，能延长环模的使用寿命，同时研究了新型预应力式环模，该环模加工方便，成本较低，且提高环模的使用性能。
关键词 环模制粒机；环模；疲劳破坏；预应力
中图分类号 S816.34
在颗粒饲料的加工中，环模制粒机是关键的核心设备，环模是压制颗粒饲料的核心工作部件，其工作性能直接影响制粒的质量、颗粒成型以及生产率，同时环模也是制粒机中最易磨损的部件之一。减少和改善环模的磨损，延长环模的使用寿命对提高产品质量和产量，降低能耗，减少生产成本等方面影响很大。
1 环模制粒机的工作原理（见图1）
颗粒在环模制粒机中的成形过程，是建立在粉粒体间存在间隙的基础上，粉料在温度、摩擦力和挤压力等综合因素的作用下，使粉粒体的空隙减小，形成具有一定密度和强度的颗粒。
环模在主动力的驱动下以一定的转速ω顺时针旋转，厚度为h的料层从A点开始被摄进挤压区，压辊借助挤压区内摩擦力的作用也顺时针旋转。随着环模和压辊的旋转，摄入的物料向前移动加快，挤压力和物料密度逐渐增加,当挤压力增大到足以克服模孔内料栓与孔壁的摩擦力时,具有一定密度和粘结力的物料便被挤进模孔内,由于模辊不断摄入物料,故模孔内的物料经成形后被连续挤出模孔,形成圆柱状颗粒。
环模在正常工作过程中，始终存在着与物料间的摩擦作用，随着生产物料量的增加，环模逐渐磨损，并最终导致失效。因此衡量环模工作性能的指标之一就是生产量，然而在实际生产过程中，大多数环模在达到理论生产能力之前就失效了，由于环模价格昂贵，会给用户造成一定的损失。
2 环模强度分析
环模在制粒过程中受到压辊的挤压力、饲料对环模的摩擦力和电机的驱动力矩。压辊在环模通过饲料传递的驱动力的作用下做碾压滚动，以一个环模和两个压辊的系统为例进行分析，如图2所示。
式中：P——电机传递给环模的功率；
D——环模内径；
n——环模转速；
f——饲料与环模的摩擦系数。
2.1 环模接触抗压强度分析
环模在运转过程中，不考虑饲料的作用，环模与压辊在挤压饲料时，相当于一对不同半径的二轴相互平行的圆柱体与圆柱凹面，故在接触表面产生很大的接触应力和局部的弹性变形，环模的承载能力便取决于其接触表面的接触抗压强度，环模的接触应力为：
由上式分析可知：①增加环模内径和宽度可降低环模的接触压应力；②为了保证弹性模量较小，环模和压辊应选择不同的材料；③在不影响其它性能的前提下，应降低功率，同时提高转速，但盲目提高转速会使振动和噪声增加，也会影响颗粒饲料的成型率；④根据实际情况，尽量增加压辊的直径，可降低环模的接触压应力。
2.2 环模抗弯强度分析
环模在运转过程中，忽略模孔的作用，而将其看成一个等截面薄壁圆环，如图3所示。
当环模受到压辊和饲料的挤压力时，其径向位移为：
式中：R1——环模受力变形后的内半径；
R2——环模受力变形后的外半径；
h——环模的厚度；
l——环模的宽度。
则环模的弯曲应力与h2l成反比，在其它条件允许的情况下，应增大h2l，以提高环模的抗弯能力。
同时，在A、B两点环模的弯曲应力最大，σmax>0；在C、D两点环模的弯曲应力最小，σmin<0。
则环模在制粒过程中受到的交变应力的循环特性为：
由于环模一般为中碳钢，则环模通常发生疲劳破坏。
3 新型预应力式环模的研究
通过对环模的强度分析，环模在使用过程中受到接触应力和弯曲应力的影响，同时，环模长期在交变循环应力状态和湿热环境的条件下工作，影响了环模的使用寿命。因此，环模既要有足够的强度和韧性，又要有足够的硬度和耐磨性。
3.1 新型预应力式环模的结构研究
为了克服现有环模的不足，研究了一种新型预应力式环模，使环模的淬硬部分受到一种预应力，以抵消环模工作时压辊对它施加的部分或全部应力，降低环模工作时的总应力,提高环模的使用寿命。
新型预应力式环模是一个由不同材料组成的预应力结构，如图4所示。环模由环模主体、卡环组成，卡环安装在环模主体的凸台的两侧，环模主体采用高硬度淬火热处理的金属材料制作，卡环采用低硬度淬火热处理的金属材料制作，卡环和环模主体采用过盈配合，过盈量根据所需的预应力确定，且利用材料的热胀冷缩的特性将卡环安装在环模主体上。当冷却收缩后，即产生了对环模主体施加的预压应力。
 3.2 新型预应力式环模预应力的计算
环模一般为钢铁材料，在弹性范围内，材料的应力与应变成线性关系，即：σ=Eε（E为环模的弹性模量），在环模主体凸台的两侧安装卡环，卡环的内径小于环模主体的外径，使卡环和环模主体成过盈配合，卡环受到预拉应力，环模主体相应地受到预压应力。
卡环受到的应力为：Fk=Ek(εk+εm)Sk
环模主体受到的应力为：Fm=EmεmSm
由于卡环和环模主体相互平衡，总应力为0，则：
∑F=0
即：Fk+Fm=0
Fk=-Fm
则：Ek(εk+εm)Sk=-EmεmSm
式中：材料的伸长为“+”，缩短为“-”；
dk——卡环的内径；
Dm——环模主体的外径；
Dml——环模主体受压力后的外径，Dml<Dm；
Sk——卡环的截面积；
Sm——环模主体的截面积。
[σ]——材料的屈服强度；
卡环的内径与环模主体的外径差（Dm-dk）根据所需的预应力σm或σk决定。由于dk<Dm，则安装前，将卡环单独加热，直到dk>Dm时，可将卡环安装在环模主体上，等卡环冷却收缩至与环模主体相同温度时，即产生了对环模主体施加的预压应力，通过计算环模主体的预压应力为： 新型预应力式环模利用材料热胀冷缩的特性，在环模淬硬部套上卡环，无论加工和装配都很简单，提高了材料的利用率，降低了成本，同时延长了环模的使用寿命，且提高环模的使用性能。
4 小结
通过对环模的强度分析表明，环模在使用过程中受到接触应力和弯曲应力的影响，同时，环模在制粒过程中受到交变应力，产生疲劳破坏，使环模发生损坏。通过改善环模制造、生产及使用条件，增加环模的使用时间。根据环模在工作过程中的强度分析，研究了新型预应力式环模，并进行了预应力计算。该环模加工方便，材料的利用率高，降低了成本，延长了环模的使用寿命，且提高环模的使用性能。
参考文献
[1] 曹康. 现代饲料加工技术[M]. 上海：上海科学技术出版社，2003.
[2] 成大先. 机械设计手册第一卷（第四版）[M]. 北京：化工出版社，2002.
[3] 徐大珠，曹国刚.饲料机械设计技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，2003.（编辑：崔成德，）
朱滨峰，江苏牧羊集团研发中心，225127，江苏省扬州市牧羊路1号。
苗健、陈震，单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期：2009-03-09 |
相关信息
