环模制粒机原理及其发展_邓尧.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期9文章编号：2095-6835（2023）03-0009-03环模制粒机原理及其发展邓 尧1，那日苏1，2，贾开发1，闫 卫1，李国伟1，马腾云1，谢治一1（1.内蒙古工业大学机械工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区液压传动与控制工程技术研究中心，内蒙古 呼和浩特 010051）摘要：因为经济的飞速发展，人们对颗粒的产品要求越来越高，因此环模制粒机迎来了改良创新的大好时机。就秸秆而言，将秸秆加工成生物质颗粒，是一个解决秸秆利用问题的重要方法；就制粒机而言，其工作效率、产品质量以及能耗均值得称赞，并且所生产产品更是对环保大有帮助；就市场而言，目前颗粒燃料在欧美市场中作为更清洁、更高效的燃料几乎已经取代了燃煤。环模制粒机现如今在国内外的发展不仅采用了主动滚轮而且还采用了更为普遍的主动环模，今后制粒机的设计方向将向大环模、大功率和大型号方向发展，并对制粒机操作性的人性化、自动化程度的要求将会越来越高。关键词：环模制粒机；颗粒；发展方向；研究现状中图分类号：TH17文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.0031研究背景环模制粒机是生产颗粒饲料的主要饲料机械设备，其性能在很大程度上决定了饲料加工产量，在饲料加工过程中占有非常重要的地位1。颗粒型生物燃料目前已成为普遍使用的生物燃料，其产量在逐年增长，截至 2008 年，全世界生物质颗粒燃料总产量达1 160 万 t2。但时至今日国内的环模制粒机仍存在一些问题，比如生产质量不达标、生产效率低、使用寿命很短，这些问题在很大程度上都限制了中国环模制粒机的发展。2环模制粒机的结构环模制粒机大体上由 5 部分组成：调质器、给料器、颗粒制造器、调节结构、润滑系统。调质器主要由传动结构、壳体、电机、联轴器、减速器、螺旋壳体、螺旋轴和轴承所构成，其核心部件是螺旋输送器。调质器工作时，粉料在浆叶的搅动下进行着绕轴运动和轴向运动，类似螺纹运动，让加入料槽的原料在摩擦力的作用下运动，完成将粉状物料输送到制粒室制粒的任务。给料器由减速器、联轴器、绞龙轴、蛟龙壳体和电磁调速电机等组成。环模制粒机结构图如图 1所示。环模制粒机的压辊和环模是决定制粒机制粒质量和工作效率的重要部分。环模制粒机对环模的要求很高，在制作环模的过程中应着重考虑到环模的直径、形状、开孔率以及制造环模的材料等一系列因素。同时，工作时还要严格控制环模的转速，这也对产品质量有很大影响，最适合的环模速度可以有效提高生产效率，提高产品质量以及减少磨损。由于压辊的直径远小于环模的内径，因此压辊在工作过程中更易损坏，其寿命也更短，所以在压辊的制作过程中，通常选用高碳合金钢制造。因为环模的成本远远高于压辊，所以在特殊情况下通常不惜以损伤压辊为代价来保护环模，以此延长环模的使用寿命。3环模制粒机的工作原理工作时环模进行顺时针转动，伴随着已调质好的原料进入制粒室中，原料进入工作区，压辊会受到一定大小的摩擦力，在此摩擦力的带动下会进行顺时针转动。模辊旋转，进入工作区的原料自然就会向前高速移动，原料量增多，相互之间的挤压力变大。当挤压力增大到一定程度时，就会克服摩擦力，其原料就会进入环模孔内。辊模将持续转动，原料不断进入，因此，环模孔内的原料在成型后被挤压出环模孔并被切断，形成所需产品。因此，根据工作状态又可分为供料区、变形压紧区以及挤压形成区。供料区：当环模和压辊之间的锲形角大于物料层中的最大摩擦角时1，原料此时不会进入下一区域，但随着环模的不断推进，原料存留在环模与压辊之间，跟随着变形压紧区内物料层的运动而运动，逐渐进入 基金项目 国家自然科学基金资助项目（编号：52065050）；大学生创新创业训练计划项目（编号：2021014023）科技与创新Science and Technology&Innovation102023 年 第 03 期压辊与环模之间的旋转形成的区域。物料受到由于环模的旋转产生的离心力，因此物料会贴在环模内侧。变形压紧区：当环模和压辊之间的锲形角小于物料层中的最大摩擦角时1，物料层会跟随环模向挤压区方向运动，与此同时，变形压紧区的断面面积受到影响会变小，物料层被压缩，其密度增大，但此时其内部压强并不足以克服摩擦阻力，因此被进一步压缩，但并不会向环模孔运动。伴随着挤压力的持续增大，物料将会发生不可逆的形变。挤压成形区：环模与压辊的间隙变小，挤压力持续增大，粉粒体此时被持续挤压，形成黏连性，并被挤压至环模孔内。此时的颗粒会发生组合形变，因此颗粒的密度较大。物料被挤压出孔后会有一定的回弹率，即颗粒直径略大于环模孔直径。1机座；2磁铁；3下料斜槽；4压粒室；5门盖；6主传动箱；7调速电机；8减速器；9料斗；10下料插；11给料器；12调质器；13调质器减速器；14调质器电机；15端盖；16联轴器；17主电机；18行程开关；19加油系统。图 1环模制粒机结构图4环模制粒机的发展现状从 20 世纪 80 年代开始，中国集中精力研究生物质固体成型燃料技术。近些年来，随着中国经济水平的飞速发展，国内的机械水平相较之前有了很大的改观，再加之世界各国对于环境保护的重视，环模制粒机的发展也就理所应当，此外，随着经济的发展，人们对颗粒的产品质量要求越来越高，因此环模制粒机也就迎来了改良创新的大好时机。优化其重要工作组成部件和结构，并对后续改良进行研究和探索，优化环模制粒技术，提高产品的良品率，不仅对中国制粒机产品的国际竞争力有显著提升，还会为中国的工业技术带来发展，具有很大的理论意义和使用价值。环模制粒技术方面，一些国家目前拥有着比较完备的技术体系，发达国家完善的环模制粒设备技术体系已经大体形成，能够给出多种高质量的生产设备、切实的生产方案以及遇到问题的解决方案，环模制粒领域的龙头企业主要来自一些国外的发达地区，它们对这一领域技术方面的研究起步较早，已经取得了不错的成果，形成了完善的体系。并且凭借着国家与部分企业对于环模制粒技术的重视，在其制作工艺、能源消耗、结构等方面进行了大量的优化，节能效果显著提升，工作效率以及产品质量也有很大改进。其技术可靠，并且高效、节能、环保等特点是其具有竞争力的关键所在，随着当今时代的不断发展，其设备也在朝着智能化、绿色化、大型化方向发展。农业部规划设计研究院的孟海波、田宜水等人开展了生物固体成型燃料加工设备及生产线的设计及探索，并参加制订了生物质固体成型燃料的标准体系；沈阳农业大学的高微3对生物质颗粒燃料制粒机开展了数字化设计及实验研究，总结出含水率等因素对颗粒成型率、密度和抗跌强度的影响；山东大学的吴云玉4用有限元分析对生物燃料制粒机环模疲劳寿命进行了分析；南京理工大学的蒋清海对生物质制粒机环模磨损机理分析并总结出环模磨损失效原因有磨粒磨损、疲劳磨损和抛光磨损等5。国内高校及研究所6-12对生物质成型设备的研究日渐深入，大致分为 3 个方向：一是对环模制粒机关键部件进行有限元分析，进行其结构及参数优化；二是研究关键部件磨损或疲劳机理，进而解决压辊和环模磨损严重的问题；三是对生物燃料或设备应用情况或市场化进行分析。这些研究为国产生物质制粒机设计及优化提供了理论依据和数据支持。但由于大多研究成果都是基于某种特定条件下得到的数据或优化结果，并存在许多理想化和简化，因此数据及优化具有一定片面性，对实践的指导性也十分有限。中国对环模制粒机的发展仍处于初期，目前仍存在性能较差、功耗过大等问题，其中损耗问题尤为严重。但截至目前，中国农业部已经自主完成了环模制粒机的研究，并且成功建立了切实可行的生产线。5环模制粒机推广前景应将秸秆加工成生物质颗粒，因为生物质颗粒的有害物质含量更少，燃烧更充分，使用效果也不逊于传统燃烧物，并且对环境的污染更小，更加符合绿色工业的理念。所以应将环模制粒机制造的生物质颗粒在各个领域进行全面化普及。但是，目前对于秸秆的处理中仅有少部分被制成颗粒，使用制粒的原料较多21384765111391610151214171819Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期11为竹、木等易造成污染的物质。制粒机在废料的循环利用中扮演着重要的角色，颗粒如果能替代燃煤等燃料，那么对于改善自然环境是大有益处的。制粒机的工作效率、产品质量以及能耗均值得称赞，并且其产品也是十分绿色环保的13。就市场而言，颗粒燃料在欧美市场作为更清洁、更高效的燃料几乎已经取代燃煤了。但在中国，迄今为止，颗粒燃料尚且只在热风炉、锅炉、生物质汽化炉等少数领域被推广使用，在百姓的日常家用中并没有普及。不过随着中国对环保的进一步重视以及环模制粒机的进一步发展，颗粒燃料取代传统燃料已然是指日可待的事情，那么环模制粒机的发展与推广也必不可少。6环模制粒机国内外发展趋势现在的环模制粒机不仅采用了主动滚轮而且采用了更为普遍的主动环模，环模过程靠主轴传动而回转，其内部通常有 23 个压辊，工作时压辊将料粉压入环模孔中，挤出成形后为小圆柱体，随即切成颗粒状1。环模制粒机工作中不产生额外的摩擦力影响工作，因此功能消耗更少，生产效率更高，产品质量更好。在国内外的饲料行业以及农业中有着举足轻重的地位，因此，为了进一步提高生产效率、优化产品质量、延长使用寿命并根据实际的生产需求，各国在政策上会不同程度上大力支持环模制粒机的发展，进而改进与研发出更高效、更便于操作、自动化程度更高的环模制粒机。在环模制粒的研究上，虽然国内近年来发展十分迅速，但由于国外掌握大量先进技术和专业人才，与之相比较还是具有一定的差距。中国目前不仅缺乏大功率、环模直径更大的设备，而且环模等关键零件的使用寿命与其他国家相差很远，与此同时，中国在农机方面的人才也仍然有些许差距。因此，目前中国可以考虑引进国外先进技术以及设备，保持着取其精华、去其糟粕的态度完成对中国环模制粒机的研发，争取早日完成追赶，更甚至是超越。7国内外研究的主攻方向及展望环模制粒机早在 20 世纪 30 年代就已初步形成，此后通过数十年的发展，对其不断进行优化创新，时至今日，国内外对于颗粒压缩物料的研究已经有一定的基础，进行过大量的实验，并且在实验数据上进行了对未来发展的展望，但对环模这一颗粒的成型关键零件的研究经验还是比较匮乏。多数论文只是假定了边界条件，进行数值仿真环模应力应变等分析，并且对设备的优化设计仅仅是简单的仿真比较与分析14。在今后应通过环模制粒的失效研究，探讨环模在磨损失效的过程中的结构补偿，为尝试新结构的环模设计提供依据15。参考文献：1 陈炳伟.环模制粒机高效制粒机理与性能分析 D.南京：南京理工大学，2009.2欧阳双平，侯书林，赵立欣，等.生物质固体成型燃料环模成型技术研究进展 J.可再生源，2011，29（1）：14-18.3高微.生物质制粒燃料制粒机数字化设计及试验研究D.沈阳：沈阳农业大学，2012.4吴云玉.基于生物质固体成型机理研究的环模疲劳寿命分析D.济南：山东大学，2010.5陈凤.生物燃料环模制粒机应用现状与改进思路J.机械工程师，2018（6）：60-61.6彭飞，王红英，杨洁，等.基于 ANSYS 的颗粒饲料挤压过程仿真分析J.饲料工业，2014，35（7）：8-12.7谭季秋，刘军安，朱培立，等.稻草秸秆压缩研究及制粒机械设计J.湖南工程学院学报（自然科学版），2012，22（1）：30-33.8桑广伟，苗健.对环模制粒机轴承的分析J.饲料工业，2009，30（3）：4-5.9高微，李成华，刘庆玉，等.环模燃料制粒机结构设计及仿真研究J.沈阳农业大学学报，2014，45（4）：491-494.10张炜，吴劲锋.环模制粒机中环模结构型孔的有限元分析 J.中国农机化学报，2009（2）：83-85.11胡建军.秸秆颗粒燃料冷态压缩成型实验研究及数值模拟D.大连：大连理工大学，2008.12朱滨峰，苗健，陈震.制粒环模的分析与研究J.饲料工业，2009，30（11）：1-3.13