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        飼料生產設備制粒過程中受力分析

        發布時間:2020-07-09 06:01:15 瀏覽次數: 分享:

         

        1.引言

         
         
         

        飼料顆粒機的環模和壓輥是顆粒機的主要工作 部件,顆粒機制粒過程應滿足低噪音、高質量、高效 率的工作要求,低噪音、高質量、高效率取決于環模的 結構設計和環模與壓輥在工作狀態下的調整,而環模 的受力分析是環模結構設計的依據。在以往的受力 分析中由于忽略了環模中物料的可壓縮性和環模模 孔的導角對物料受力的影響,造成環模的結構設計的 誤差。筆者針對以上問題進行了深入的研究,對以往 的環模受力分析進行了修正,為環模的結構設計提供 依據。

         

        2.環模制粒原理

         
         

        如圖1所示。制粒過程中環模在主動力的驅動 下,以一定的轉速順時針旋轉,同時壓輥借助摩擦力 的作用順時針旋轉。隨著壓輥的旋轉,農業纖維物料 (以下簡稱“物料”)在擠壓力的作用下體積逐漸減 小,密度也逐漸增加,物料受到的擠壓力也越來越大, 在擠壓力的作用下物料相互移近和重新排列,物料間 所含氣體不斷逸出,從而使得物料間的間隙減小,聯 接力增加,最后被壓制成具有一定密度,一定強度的 顆粒飼料。在壓粒過程中,飼料的蛋白質和糖分受熱 產生可塑性淀粉部分糊化“壓粒”,簡單地說就是一 個擠壓式的熱塑過程。

         

         

        3.受力分析

         
         

        3.1攫入角的定義

        過環模中心01引一射線通過擠壓區,分別交壓 輥和環模于A1、兩點,引A1、的切線相交于D點, 則ZA1DB定義為壓輥對物料的攫入角y物料開始 攫入時Y最大,稱為最大攫入角。對于某一特定的物 料而言,角Y隨物料的不斷壓實、擠出而減小,直至為 零(c點處);在物料攫入的過程中,最大攝入角小于 或等于物料、壓輥之間的摩擦角或物料內摩擦角之 和。也就是說,當物料特性一定時,Y越小則物料越 容易被攫入.

         

        3. 2對以往環模受力分析的討論

         

        在以往的環模受力分析過程中,往往從物料擠壓 區內分離出一微元物料進行受力狀態的分析,認為這 時環模、壓輥和物料之間存在著以下諸力:壓輥作用 于物料的正壓力N,物料與壓輥表面間的摩擦力F, 環模內壁的反力Q,物料與環模內表面的摩擦力To 取環模擠壓區內一微元分離體,其受力情況如圖2所 示。

        為了直觀的分析,假設所選取的分離體與環模內 壁接觸,位于圖1中的B點處。從圖1、2中可以看 出,力Q沿環模直徑指向環模中心(假設其圖作用點 為B點),力N沿壓輥的直徑方向向外,兩力之間的 夾角等于yo因環模擠壓區內任意位置的物料受到 的擠壓力始終沿壓輥直徑方向,所以圖2所示的受力 情況在環模擠壓區內任意位置成立。延長力N的作 用線交環模內表面于一點,則這一點必然不會是圖1 中的B點。也就是說所選取的物料分離體在環模內 被壓縮時,環模內壁的支撐點并不是圖2中支反力Q 的作用點Bo然而在制粒的過程,環模中的物料是具 有可壓縮性的,在受到壓輥擠壓力后它必然會沿著所 受力的方向被壓縮。因此可以認為以往的這種分析 方法忽略了環模中物料的可壓縮性。

         

        另外,在制粒的過程中,進入擠壓區的物料始終 處于被逐漸攫入到更小空間的過程中,也就是說在物 料開始被攫入到被完全擠出的整個過程中應滿足式 (1)。這就說明在y角逐漸趨于零的過程中,物料受 到的壓輥的摩擦力(F =缶Ncos y )會逐漸增大,并最 終達到最大值。因此由以往的這種方法可推出:壓輥 是主動運轉的,但在實際的制粒過程中,壓輥與環模 間存在間隙,壓輥并非主動運轉的,它旋轉的動力主要來源于被壓縮的物料對它的摩擦。因此得出:在y 趨于零的過程中,式(1)左邊部分的值趨于最大值, 而右邊部分的值卻趨于0,這就說明,圖2中所示的 力F的方向與實際情況相反。

        再者,按照上面的平衡條件分析,環??變龋ò?括孔的內倒角部分和直孔部分)的物料受到的力應 該都是沿環模直徑方向,則在內倒角錐面上的磨痕應 該會沿倒角錐面的母線方向整齊地排列,倒角處和直 孔內部具有相同的磨損機理。然而,作者在環模失效 機理研究中發現,從失效環模??讓Ы翘幒椭笨變缺?的SEM圖上可以看出:導角處與直孔內表現出不同 的磨損機理,且磨痕方向混亂。如圖3,4所示。

                                         

        3. 3受力分析的修正 3. 3.1環模內壁的受力分析

         

        處于擠壓區內的物料受到的壓輥的作用力均沿 壓輥直徑方向,受力情況如圖5所示。從圖中可以 看出,在連續制粒的情況下,壓輥因受到摩擦力而轉 動。物料在被逐漸攝入的過程中,物料除隨環模一起 轉動外,還將沿壓輥直徑方向被壓縮。

         

        現從擠壓區內任取一物料塊進行分析,物料塊受 力情況如圖6所示。

         

        物料受到壓輥擠壓力N,環模的反作用力Q,環 模內物料隨環模旋轉所需的力T和壓輥對物料的摩 擦力F的作用。其中N的方向沿。2九1指向物料,Q 方向與N相反沿CO2指向物料,T垂直于O1D, F垂 直于O2A1 o因為環模上存在??准澳?椎菇?,所以

        由此可以推斷,環模內壁所受物料的作用力受到 擠壓力N,內摩擦系數戍,和角0的影響。其中壓輥 對物料的擠壓力N隨著被壓縮物料體積的減小而增 大,受到物料的粒度和物料內摩擦系數等因素的影 響。內摩擦系數戍同樣受到物料粒度的影響。

        3. 3.2??椎菇翘幨芰Ψ治?/span>

        環模在開始擠壓物料時,??椎菇翘幩艿牧χ?要由內錐面正對壓輥的那半部分承受,隨著??紫蛩?平方向的運動,倒角內錐面承受壓力的面積逐漸增 大,并最終在水平位置處達到最大值。在環模上任取 一??走M行受力分析:由前面的分析可知,在制粒的 過程中環模內壁所受到的力Q=N(1-tg0),力的方 向沿壓輥直徑向外。所以,在??椎菇清F面上任意 一點受到的力的大小為Q1=Q=N(1 -tg0),它與倒 角內錐面之間的夾角等于0 + a/2。如圖7、所示。

        由于??椎菇清F面上所受的力是沿環模軸向平 行分布的,所以當以上圖所示方式(即沿環模軸向) 在??椎菇翘幾鹘孛鏁r會產生一系列大小不同的角 a,由此可知:0 W a W錐角。

        3. 3. 3直孔部分的受力分析

        處于??字笨撞糠值奈锪纤艿牧χ饕獊碓从?物料間的擠壓力,且壓力的方向平行于??字行木€。如圖8所示?,F假設??變任锪纤軘D壓力的合力 為Q,孔壁對物料的摩擦力為f物料對孔壁的壓力為 N,則??變任锪媳仨殱M足如下關系式:

        N =f

        / = Ffi

        式中:戍物料我草粉與孔壁間的摩擦系數;F為物料 對孔壁的正壓力。

        通過實驗證明飼料粉粒的壓縮主要是在未進入 ??浊暗臄D壓階段完成。進入??缀?,壓縮量除剛 進??讜r有變化以外,進入直孔后未產生變化。同 時,農業纖維物料在壓縮時,物料在某一壓力下產生 了變形,當保持其變形狀態不變時,被壓縮物料的應 力會隨時間衰減的現象。從相關研究中可知,物料在 開式壓縮過程中(飼料制粒的過程屬開式壓縮過 程),整個壓縮室內的物料可劃分為3個階段:變形 反彈階段、應力松弛階段;再變形反彈階段,其中變形 反彈是被壓縮物料的內應力克服摩擦阻力的一種行 為,也是應力松弛的一種形式。從制粒的過程來看, 物料在環模內的壓縮屬于變形反彈階段,在??變鹊?擠出過程屬于應力松弛階段,而物料顆粒出模后的反 彈膨脹則屬于再變形反彈階段。所以說,要準確分析 ??變鹊氖芰η闆r,必須明確正壓力F在物料擠出 過程中的變化規律,而這種變化規律的確定還需進一 步的實驗研究。

         

         

        4.結語

         
         

        為了準確分析環模制粒過程的受力狀況,應考慮 物料的可壓縮性,應考慮環模??讓Ы翘幍氖芰?,取 壓縮過程一微元進行受力分析不能全面表述環模制 粒過程受力狀況,農業纖維物料的應力松弛特性影響 著環模的受力。

         

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