颗粒机设计说明Word文档下载推荐.docx

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Tabil，L．Jr.研究了环模转速对颗粒质量的影响，结果表明影响不是非常明显，Rolfe，L．A．则指出随环模转速的增高，挤压力会减小，但是比机械能会增加，颗粒温度会升高。

近年来国内有关颗粒机的研究有：

颗粒机结构、性能方面的研究：

曹康对饲料加工的原理、工艺、设备进行了比较详细的介绍8J；

有文献介绍了一种高效自动颗粒机；

李润萍对小型一步颗粒机在中药制粒中关键因素的控制进行了探讨。

颗粒机控制系统方面的研究：

张培建建立了调质器单元的双输入双输出数学模型，并进行了解耦设计，对饲料颗粒机的自动控制系统设计进行了研究，为了提高控制效果，将预测函数控制技术引入到饲料颗粒机的自动控制；

王斌斌介绍了环模颗粒机的自动控制系统，重点阐述了自动控制系统的组成、控制原理以及主要控制程序算法，为改善环模颗粒机的自动控制水平提供技术参考：

李秀华介绍了PLC对药丸包衣颗粒机控制系统的改造。

颗粒机设计方面的研究：

刘守祥针对粉状混合饲料的生产和运输、储藏中存在的问题，设计了融搅拌混合和颗粒成型为一体的饲料生产机械。

介绍了整机的结构和工作原理，对饲料的混合室、搅拌器、螺旋输送挤压器、颗粒成型机构的主要结构特点及相应参数进行了分析与计算；

陈义厚对三锥辊式平模颗粒机的设计方法进行了介绍；

何明霞根据医药制粒工艺研究的需求，设计了一种新型小型高速混合颗粒机，用于一次性完成混合、加湿与制成颗粒等多道工序的新型小型化自动制药设备，设计包括整体结构和计算机自动检测与控制系统以及实验数据存储与分析等功能，经过大量实验并结合特定的工艺要求得出了针对不同的物料配方与之相对应的最佳匹配参数；

黄传海讨论了虾饲料颗粒机的设计方法；

查国才介绍了高效自动颗粒机的研发思路与应用比较；

伍善根对HLSG系列湿法混合颗粒机的结构改进与技术创新进行了研究“陈雨田对胶轮磨擦传动圆筒混合颗粒机设计理论进行了讨论。

有文献对影响颗粒机生产效率的因素进行了分析，指出影响因素主要包括物料类型、调质效果、工艺参数选择等。

颗粒机结构参数、技术参数方面的研究：

何占松分析了小型平模饲料制粒（块）机结构参数的关系；

王敏分析了环模颗粒机的主要技术参数；

萧占平分析了饲草颗粒机主要设计参数。

颗粒机压辊环模系统方面的研究：

刘学军对饲料颗粒机压辊线磨损度进行了理论研究；

苏锡云介绍了环模颗粒机新压模的正确操作使用方法；

刘学军介绍了饲料颗粒机压辊的感应热处理工艺；

王敏介绍了延长颗粒机压模使用寿命的方法；

何占松对饲料制粒（块）机模孔堵塞原因进行了分析并提出了对策；

李同祥介绍了颗粒机压辊与环模的间隙调整方法：

孟令启介绍了颗粒机压辊环模系统的设计方法。

颗粒机的颗粒料长度、蒸汽系统方面的研究：

李令芳对影响颗粒机颗粒料长度的因素进行了分析并提出了控制方法；

余传忠介绍了挤压膨胀器与颗粒机相结合的生产工艺；

杨杰对饲料颗粒机蒸汽品质进行了分析并对蒸汽干燥电加热器进行了研制；

田鹏飞提出了颗粒机蒸汽自动调节系统的设计制作思路。

此外，李同祥介绍丁颗粒机主轴油封的维修方法；

邓惠文对颗粒机支承轴断裂的原因进行了分析并提出了解决方法；

王德福对颗粒机轴承特性进行了研究。

1.2.2国内外环模颗粒机结构现状

颗粒饲料制粒设备及工艺配套设备，主要由颗粒压制机、调质器、熟化器、干燥器、冷却器、破碎机、分级筛和料仓活化装置等组成。

根据畜禽、水产及特种水产饲料加工要求不同而进行配置。

自1910年英国Sizer公司研制出第一台商品挤压式颗粒机至今，颗粒机的制造技术和成形理论得到了飞速发展，使用颗粒机生产颗粒饲料已得到普及。

目前常用的颗粒压制机有环模颗粒机和平模颗粒机两种基本类型；

根据运动特性又可分为动模式和动辊式；

根据其环模和压辊、平模和压辊的组合形式又可分为：

三辊、二辊，大、小压辊双环模式环模颗粒机，平模直辊和锥辊式颗粒机。

其他类型的颗粒机有：

对辊式颗粒机（类似煤球机）、休勒颗粒机（颗粒从空心对辊内排出）、盘式微粒机（无加压机构，利用液体媒介作用，粒子自行凝集）、螺杆式颗粒机、活塞式颗粒机等，但使用不够广泛。

常用颗粒压制机模、辊配置形式见图1-1。

环模颗粒机主要由喂料器、调质器、颗粒制造器、调节机构及润滑系统组成。

喂料器由电磁调速电机、减速器、联轴器、绞龙轴及绞龙壳体等组成。

调速电机是由变频电机和减速器组成，它与变频器配合使用，通过变频器控制调速电机，可改变其输出转速。

喂料绞龙由绞龙壳体、绞龙轴和带座轴承等组成，由可调速电机通过联轴器带动绞龙轴。

调质器由电机、传动机构、调质转子和壳体、加蒸汽口等部分组成。

其功能是注入蒸汽，将配合粉料调质到一定的温度和湿度后送入制粒室制粒。

调质器壳体由不锈钢制成。

调质器的供蒸汽系统如图1-3所示。

颗粒制造器主要由主电机、传动机构、转子、环模、压辊、刮刀、切刀组件及机身和门等组成。

经调质器调质的物料，由旋转喂料锥和前板上两个偏转刮刀将料均匀地送入两个压辊与环模组成的压制区，通过环模和压辊两个相对旋转件对粉料逐渐挤压而挤入环模中成型，并不断向外端挤出，由切刀把成型颗粒切成需要的长度，最后成型颗粒排出机外。

国外典型的环模颗粒机有：

三辊式颗粒压制机

三辊式颗粒压制机是以英国UMT公司为代表的一种典型颗粒压制机。

国内外多家公司均生产类似的产品，传动方式分为齿轮式和皮带式两种。

UMT公司生产的皇冠牌三辊式颗粒压制机均采用同步齿形带传动，其中350B型采用双电机同步齿形带一级传动，其他型号均采用双电机三角带、同步齿形带二级传动。

UMT颗粒压制机特点：

①采用三辊式结构，配有专用导料板，喂料、挤压效果好。

②采用同步齿形带双电机传动，负荷均匀，传动效率高，噪声低；

机器外形长×

宽×

高比例匀称。

③采用摩擦片式液压过载保护装置，确保设备安全运行，复位方便。

④配有自动润滑系统，确保机器运转正常。

⑤环模外配置3把切刀，有利于出料颗粒均匀。

⑥机体和机座采用钢板焊接后正火处理消除应力，结构轻巧，造型美观。

⑦同少齿形带和主轴承使用寿命长，分别为3—4万小时和5～8年。

UMT皇冠型双级传动颗粒压制机结构见图1-4。

齿轮传动式，以CPM公司的产品为代表：

单级三角皮带传动式，以Buhler公司的产品为代表：

双电机三角皮带传动式，以Munch公司的产品为代表。

世界各国生产的同类产品种类很多，但原理和结构基本相同。

∙CPM公司颗粒机

CPM公司生产的颗粒压制机采用斜齿齿轮减速箱传动结构，齿轮减速箱可以通过手动换挡实现双速交换。

环模固定在大齿轮传递的空心轴上旋转，压辊则固定在用制动装置固定的实心轴上，为动模型颗粒机。

环模采用三分式环模夹固定，装拆方便，配有自动循环润滑系统设备，使用更安全。

主要结构见图1-5。

②sw公司颗粒压制机

SW公司生产的颗粒压制机有二辊式和三辊式结构，传动方式为齿轮式，速度分双速及单速两种机型。

大型颗粒机喂料采用强制喂料，确保进料量均匀稳定，三辊式装配及结构见图1-6。

③Buhler公司颗粒压制机Buihler公司生产的颗粒压制机采用双压辊、环模式、单电机三角皮带传动结构。

单位生产效率高，运行费用低，结构比较简单，操作维修方便。

系统可以方便地实行自动润滑和自动控制。

采用单电机侧传动，空心轴、环模、主轴、压辊和大皮带传动等总成，外加皮带传动的张力等均由主轴尾部悬臂支承，承载负荷大、且属于偏载荷状态。

设计、验算和装配的配合要求较高。

主要结构见图1-7。

④Munch公司颗粒压制机（环模）

Munch公司生产的颗粒压制机有环模、锥形压辊平模颗粒机两种，环模颗粒压制机的结构形式和英国UMT公司单级同步齿形带传动的形式基本相同。

Mt/nch公司环模颗粒压制机采用三角带传动，大皮带轮的宽度比较宽，采用铸铁铸造整体机座，整机重量偏重，但运转平稳、噪声低，大皮带轮的惯性作用有利于节能。

环模的固定结构宜改用CPM三分式环模夹，如采用螺栓固定式，则单侧操作大大延长了换模时间。

系统可以实现自动润滑和自动控制。

主要结构见图1-8。

⑤PCI公司新型颗粒压制机（动辊型）

PCI型颗粒压制机是美国PCI公司专利产品，整机采用蒸汽闭压制粒系统。

从螺旋喂料器出口至颗粒机环模压制室处于正压状态，蒸汽压力控制在20～70kPa，环模内料层厚度达到3mm就可形成料封。

整个物料流动和制粒成型过程相当于～个较长时间闭压调质器（1.5～30s），调质效果好，制粒温度处于普通颗粒机和膨胀、膨化机之间。

采用动辊式环模、压辊组合，单级皮带或齿轮箱传动。

结构简单、操作方便、制粒成本低。

颗粒切料装置由电机传动、切刀架、切刀等组成，电动机安装于操作门上。

主要结构见图1-9。

由于PCI闭压颗粒机具有强制调质的功能，使用效果和价格性能比比较好。

PCI系列闭压颗粒机由于调质充分，肉鸡饲养试验结果表明增重效果明显。

高粱、豆粕型同粮：

0～3周龄提高9.60%，3～6周龄提高l-32%：

玉米豆粕型日粮：

0～3周龄提高2.77%，3～6周龄提高4.26%。

淀粉的糊化度达到58%～73%（高粱、豆粕型）和51%～67%（玉米、豆粕型）。

PCI系列闭压颗粒机目前有2种机型：

PCI1100（75～100kW）及PCI1200（150～225kW）。

其中PCI1100型配75kw主电动机，模孔尺寸为3.97mm×

25.4mm，产量为11t/h。

●大、小压辊式环模颗粒压制机

大、小压辊式环模颗粒压制机在国际上使用并不普及，欧洲Walter公司已形成系列产品投入市场。

此类环模压辊组合方式实现了集大、小压辊制粒效果的优势，根据不同物料的特性，调整大、小压辊在环模中的相对位置，形成不同的挤压成形中心，使制粒腔内的物料达到均衡，尤其对于难以制粒的物料更为有效，其主要结构见图1-10。

●双环模颗粒压制机

双环模颗粒压制机是伴随着饲料生产技术的发展而开发的又一种新型颗粒压制机。

其基本结构有2种形式：

一类是前后环模组合型，另一类是内外环模组合型。

基本工作原理类似于二次制粒工艺，第一级环模、压辊组合粗制粒，采用大孔径、薄型环模，颗粒成形质量较差，主要起到调质和预压缩的作用。

第二级环模、压辊组合，根据加工产品的要求配置环模的孔径和厚度。

（1）前后组合式双环模颗粒压制机

由意大利Berga公司设计和制造的PCM/P6型双环模颗粒压制机，主要工作原理，传动方式和BQhler公司的颗粒机基本一致，主要差异在颗粒机的环模前增加一级环模。

主要优点：

从质量观点来看，改善了营养价值和粉化率指数（PDI），降低了颗粒的易碎性：

从成本观点来看，降低了颗粒饲料生产和管理的成本。

PCM／P6型颗粒压制机的结构见图1-11。

（2）内外组合式双环模颗粒压制机

内外组合式双环模颗粒压制机为动辊式结构，其工作原理为：

物料进入二辊式内环模预制粒，环模的孔径为外环模孔径的1.6～1.8倍，挤出的大直径颗粒进入第二级四辊式环模再制粒。

传动方式分为两级，内环模压辊轴和外环模压辊轴，分别由2台电动机传动。

专利KD500型内外组合双环模颗粒压制机的主要技术参数：

内压辊座主轴转速300r／min，内环模孔径Ø

7—8mm，厚度40～50mm，动力配备110kw～150kw;

外压辊座空心轴转速220r／min，外环模厚度100mm，环模孔径Ø

7～8mm，配用动力100～220kW。

英国Kerry公司开发的40～50t／h内外组合双环模颗粒压制机的主要参数为：

8mm，壁厚35mm；

外压辊座空心轴转速210r／min，外环模孔径为Ø

4.5mm;

主机总动力为315kW。

国内典型的环模颗粒机代表，结构如下：

特点：

．先进双马达分步带柔性传动系统，平稳可靠；

·

关键零部件采用高品质进口件，使用寿命长，维护成本低；

．国际标准制造，性能稳定可靠；

可根据需要选配夹套型调质器或双轴差速调质器；

关键零部件进口，确保质量，使用寿命长，维护成本低；

合金结构钢锻造主轴，具有良好的强度和韧性：

广泛应用于高品质畜禽饲料、鱼用颗粒饲料、复合肥、棉籽壳及其他物料的制粒。

1.3本文的研究内容

综合以上分析可知，环模颗粒机是重要的饲料机械产品，研究环模颗粒机结构优化技术具有重要的意义。

国外对于环模颗粒机的研究主要集中在机理分析与试验研究；

国内对于环模颗粒机的研究主要集中在产品的介绍、产品的设计方法、工艺因素对制粒效果的影响等。

从产品结构看，国外的环模颗粒机种类齐全，性能优异；

国内的环模颗粒机品种比较单一，性能与国外先进水平有一定的差距，而且由于机理分析少，试验数据少，设计缺乏相应的支撑。

针对上述问题，本文将以江苏牧羊集团现有产品为基础，通过机理分析与数值分析对环模颗粒机的结构进行优化计算，并通过试验进行验证，最终提高生产率、提高产品品质。

具体研究内容包括：

（1）环模颗粒机主要结构参数的分析计算；

（2）环模颗粒机关键部件的结构优化分析；

（3）环模颗粒机结构优化试验研究。

第二章环模颗粒机主要结构参数的分析计算

2.1环模颗粒机成形过程

颗粒压制机的颗粒成形过程，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，使粉粒体的空隙缩小，形成具有一定密度和强度的颗粒。

根据粉料在挤压过程中不同的状态，可将其分为3个区，即供料区、变形压紧区和挤压成形区（见图2-1）。

（1）供料区：

物料基本不受机械外力的影响，但它受离心力的影响（环模旋转），使粉料紧贴在环模的内圈上，密度为0.4～0.7g/cm3。

（2）变形压紧区：

随着模、辊的旋转，物料进入压紧区，受到模辊的挤压作用，粉料之间产生相对位移。

随着挤压力的逐渐增大，粉粒体间空隙逐步减小，物料产生不可逆的变形，密度增加到0.9～1.0g/cm3。

（3）挤压成形区：

在挤压区内，模辊间隙较小，挤压力急剧增大，粉粒体之间接触表面积增大，产生较好的粘接，并被压入模孔。

物料由于产生弹性变形和塑性变形等组合变形，形成的颗粒密度达到l.2～1.4g/cm3。

物料被挤压出模孔之后有一定的回弹率（即颗粒直径略大于压模孔径），一般回弹率为2%～5%。

物料的物理性质、环模的长径比（L/D）都会影响回弹率。

2.2压入物料高度的计算

压入物料高度直接决定生产率，下面在进行受力分析的基础上推导压入物料高度的计算公式。

粉料被压辊带入变形压紧区，主要依靠物料与压辊、压模表面的摩擦。

分析变形压紧区靠近供料区的一小段粉料的受力状态。

如图2-2所示，引压辊表面将物料攫入变形区的临界点A点的切线和压模内表面Ai点的切线，两切线相交于c点。

现对ACA1物料三角柱作受力分析，以c为原点，CAi为x轴，图中∠ACA1=∠DAO1=P，称为攫取角，求出b也即找到了压粒的必要条件。

△ACAi受到压辊的压力N，摩擦力F；

受到压模的压力Q，摩擦力T，f为粉料与模、辊之间的摩擦系数。

2.4环模与压辊

颗粒压制机的压模、压辊是重要的工作和磨损部件，其工艺参数的配备合理与否，性能和质量的好坏，将直接影响到颗粒机的生产效率和产品质量。

2.4,1环模的结构参数及环模转速度

（1）环模的模孔

颗粒料是从环模上的小孔挤出，模孔的轴线一般都是指向环模的轴线，如图2-4所示。

环模的孔形和厚度对制粒的质量和效率有着密切的关系。

选择环模的孔径太小、厚度太厚，则生产效率低下、成本费用高，反之则颗粒松散、影响质量和制粒效果。

因此科学地选用环模的孔形和厚度等参数是高效、优质生产的前提。

环模的孔形：

目前常用的模孔形状主要有直形孔、反向阶梯孔、外锥形扩孔和下向带锥形过渡阶梯孔4种。

直形孔加工简单，使用最为普遍：

反向阶梯孔和外锥形扩孔减小了模孔的有效长度，缩短了物料在模孔中的挤压时间，适宜于加工直径小于Ø

10mm的颗粒：

正向带锥形过渡阶梯孔适宜于加工直径大于Ø

10mm的粗纤维含量高、体积质量低的颗粒饲料。

除了上述4种孔形以外，还有外锥形孔和内锥形孔、非圆形孔等多种孔形，但使用不普遍。

直形孔适于配合饲料的制粒：

外孔扩大适用于脱脂糠等高纤维饲料的制粒；

内孔扩大适合于牧草粉类体积大的饲料制粒。

进料孔口直径应大于模孔直径，这样可减少物料的入孔阻力，以利于它们进入模孔。

进料孔有3种基本形式，即直孔、锥孔和曲线形孔。

前苏联学长的研究结果表明进料孔形中以曲线形孔最优，其次是锥孔，直孔最差。

不过，曲线孔需要专用工具加工，尤其是在孔径较大时加工较为困难。

为此，美国CPM公司将小孔（孔径小于lOmm）压模的模孔进料孔采用曲线孔形，而大孔（孔径大于lOmm）压模的模孔进料孔不采用曲线孔形，而是采用锥孔、直孔或与锥孔组合形式。

锥孔生产小孔颗粒时，进口锥角B=30。

。

对于大孔径，难以压制的纤维性轻质原料，常用正向带锥形过渡阶梯孔，直径为d>

10mm、I=1～2d．Ø

=30°

～45°

实现大孔预压、小孔成形挤压的过程，确保制粒的质量。

减压孔的深度和直径（R、E）：

对于纤维含量高的原料，由于它所具有的制粒特性的差异，要求在压粒的过程中减少通过模孔的阻力，即要求在额定受压后减压成型藉以降低回弹率。

为此，模孔应设计成两区段，进料挤压区段L和减压出料区段R，即L+R=T。

减压出料孔有3种基本形式：

直孔、锥孔和锥孔与直孔的组合，其中直孔和锥孔最为常用，它的最大孔径稍大于模孔直径d，其深度取决于相应的有效I作长度L。

在有些情况下，尤其是当加工料出现在深减压孔内会膨胀而堵塞，或者当减压孔使环模的强度降低时，宜采用锥孔与直孔的过渡组合方式，或者采用锥孔。

压模工作面的开孔率是压模的一项重要指标。

它是工作面（内壁）模孔总面积除以压模工作总面积。

开孔率的大小对颗粒机的生产率有很大影响．在考虑压摸有足够强度的条件下，尽量提高开孔率。

压模开孔率的计算方法与粉碎机筛板筛孔开孔率的计算方法相同。

根据孔径大小不同，开孔率可在20%-30%之间选取。

模孔的排布方式也是环模设计里面一个很重要的问题。

根据饲养对象的不同，颗粒料的大小也不同，但是一旦饲养对象确定后，颗粒料的大小也就基本确定料，模孔的大小也就可以确定下来。

通常模孔的排布方式有两种，一种是排成比较整齐的阵列，～种是错位排布，如图2·

7所示。

为了使物料能够比较好地进入模孔，模孔的排布方式一般是进行错位排列，通常按等边三角形布孔，也有按等腰三角形布孔。

压缩比：

压缩比是模孔的进口面积和模孔面积的比值，此值仅表示物料进入压制室后如何有效压缩物料的一个指示值。

对于<

10mm小孔径D2／d2=l.56，对于>

10mm大孔径则更大。

模孔的有效长度（L）：

模孔的有效长度是指物料挤压（成形）的孔模长度。

模孔的有效长度越长，物料在模孔内的挤压时间越长，制成后的颗粒越坚硬，强度越好，颗粒质量也越好。

反之，则颗粒松散，粉化率高，颗粒质量降低。

环模的厚度（T）：

综合考虑模孔的有效长度、减压孔的深度以及环模的强度来确定。

压模厚度和孔径以及被压物料特性有关，压模越厚、模孔越深、孔径越小，则孔壁阻力越大，物科挤压越坚实。

压制不同饲料，不光按孔径来选用压模，还需要选用相应的最佳压模厚度，即选用最佳深（厚）径比，以便获得优质颗粒饲料，还不堵塞模孔。

国际上通常选用环模的厚度（T）：

为32～127mm。

长径比（L／d）：

模孔的有效工作长度L与其孔径d之比，称之为长径比。

压制不同的物料，需要采用相应的最佳长径比，藉以压制成密实的颗粒制品。

例如，压制玉米粉所需的长径比一般为12，压制苜蓿草所需的长径比为8。

使用长径比这个参数能够反映加工料对其压模结构参数的相应要求。

所以．不同粒径的颗粒只要选用长径比合适的压模，能生产出相同质量的产品，和高的生产效率。

不同类型饲料的适宜模孔直径和长径比见参考文献

（2）材质、孔形加工与热处理

环模所用材质对于环模的使用寿命有着密切的关系，环模的材质可以采用优质合金钢，目前采用不锈钢较多。

对于不易挤压的物料的压制，也可以采用青铜压模，因为青铜质软，挤压物料比较容易，但使用寿命较短，目前很少使用。

美国克劳德一伯吉斯材料公司K．哈伯尔先生通过对146个压模（40种材料和10种孔径）在相同条件下进行了试验，得出结论表明，采用X40Cr14（高碳铬钢）制造的压模，压模表面硬度HRC61-62，使用专用设备钻孔，真空淬火，生产2500t饲料后无明显的磨损。

而采用20Mn／ER5（低碳钢）钻头打孔，热处理后表面硬度HRC56-58，芯部.

硬度为HRC38-40，生产2500t饲料后表面有明显的磨损，孔的内部开始出现凹痕。

目前国产x46Cr13合金钢颗粒机环模的使用寿命一般在5000-12000t左右，但生产特种水产饲料使用寿命偏低（由于孔径和颗粒机型偏小），而大型设备则超过12000t。

①决定压模使用性能和寿命的几个因素

a．耐磨性：

多数压模的损坏是由于磨耗。

压模会因使用而引起表面磨损和模孔增大。

压模的耐磨性随它的表面硬度、显微结构和化学成分而变化。

要使压模得到最佳