顆粒機環(huán)模設(shè)計及應(yīng)用---方孔不銹鋼環(huán)模

溧陽市匯達(dá)機械有限公司    蔣希霖 朱建東

環(huán)模顆粒機廣泛應(yīng)用于飼料的加工、秸桿木屑等生物質(zhì)能的顆粒成型、復(fù)合肥的生產(chǎn)、萬壽菊顆粒壓制、石油及塑料粒子的生產(chǎn)中。不同物料選用不同的制粒機，但其核心部份是制粒機環(huán)模。它對提高產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量，降低能耗（制粒能耗占整個車間總能耗30％-35％），減少生產(chǎn)成本（環(huán)模損耗一項費用占整個生產(chǎn)車間的維修費25％-30％以上）等方面影響*。一般玉米為主的飼料生產(chǎn)中約占到1-1.5元/噸左右，在秸桿木屑等纖維狀物料的生產(chǎn)中約占到18-48元/噸料；同時也是制粒機zui易磨損的零件之一，因此，了解環(huán)模的設(shè)計及應(yīng)用，并對環(huán)模進(jìn)行正確的選用、合理的使用以及有效的保養(yǎng)，對于飼料生產(chǎn)者來說是至關(guān)重要的。下面對環(huán)模的設(shè)計及其選用、使用和保養(yǎng)作些淺析，以供大家參考。

１環(huán)模直徑和環(huán)模有效壓制寬度等參數(shù)的確定

a、環(huán)模直徑和有效寬度是環(huán)模的主要參數(shù)：

首先根據(jù)國內(nèi)外制粒機參數(shù)及優(yōu)先數(shù)列確定環(huán)模直徑系列：250、300、320、350、400、420、508、558、678、768等;相對功率為15、22、37、55、75/90、90/110、132/160、180/200、220/250、280/315;根據(jù)等有效壓制面積等功率之比值（一般14～22cm2/kW）,確定環(huán)模有效寬度（有效寬度是指環(huán)模中間與壓棍接觸部份）。另外很多國內(nèi)制粒機是吸收*，所以也有不少環(huán)模直徑采用英制尺寸或近似值，如：SZLH3016環(huán)模直徑16英寸（406,407）、SZLH3020環(huán)模直徑20英寸（508）、SZLH3022環(huán)模直徑22英寸（558）、SZLH7726環(huán)模直徑26英寸（660）、304環(huán)模等。

b、環(huán)模的轉(zhuǎn)速的確定

環(huán)模轉(zhuǎn)速與機器本身的幾何參數(shù)（壓輥個數(shù)、?？字睆健⑸疃鹊龋┫嚓P(guān)。根據(jù)資料和多年來國內(nèi)制粒機的技術(shù)參數(shù)及對國外樣機的數(shù)據(jù)檢測,對于采用二個壓輥的環(huán)模制粒機,以環(huán)模內(nèi)徑處線速度（也叫環(huán)模線速度）4-8m/s較為合適,它的高低影響到擠壓區(qū)內(nèi)的料層厚度及物料通過?？椎臅r間，進(jìn)而影響制粒機產(chǎn)量和顆粒質(zhì)量。線速度過高時，相同產(chǎn)量條件下環(huán)模每轉(zhuǎn)產(chǎn)出顆粒少，擠壓區(qū)內(nèi)料層薄，軸向料層分布不均勻，有可能使擠壓區(qū)內(nèi)的物料形成斷層，制粒不連續(xù)，制出的顆粒松軟，軸向壓出顆粒長度不勻，粉料多，而且對于水分含量較高的物料還易打滑，甚至根本不能制粒；較低的環(huán)模線速度雖然制出的顆粒質(zhì)量好，但對產(chǎn)量影響較大。

c、 壓輥直徑的確定

顆粒形成的基本原理如圖。它是通過環(huán)模和壓輥之間相互的擠壓力，克服物料通過?？椎淖枇Γ瑥亩_(dá)到制粒的目的。（擠壓原理圖見圖一）

相同環(huán)模下，壓棍直徑越大，環(huán)模和壓棍之間型成的三角擠壓范圍越大，越利于擠壓作用。理論上單輥的壓輥直徑可做得zui大，擠壓時間，擠出效果應(yīng)，但在機器運轉(zhuǎn)時，壓輥和壓模之間的作用力在主軸、主軸軸承、空軸等之間傳遞，所以單輥制粒機的主軸、主軸軸承、空軸等機械結(jié)構(gòu)粗大，只在小型實驗室制粒機及難于制粒的大型秸桿壓塊機中運用。雙壓輥制粒機的兩只壓輥之間擠壓力F1和F2相在主軸頭上平衡;壓模上的反作用力F1’和F2’相互抵消，設(shè)備上的主軸（主軸軸承處）、主軸軸承、空軸上受力小，機械結(jié)構(gòu)小，是實際中使用zui多的機型。根據(jù)經(jīng)驗確定壓輥外徑與壓模內(nèi)徑比為0.475,并圓整后確定壓輥直徑。三輥制粒機三輥之間受力也能平衡，但壓輥和壓模內(nèi)徑比不高。另外對用于秸桿木屑等纖維狀物料的制粒機，壓輥之間不平衡力（兩擠壓力F1-F2之差）須和壓模上的反作用力之差（F1’-F2’）通過主軸、主軸軸承、空軸來抵消，所以主軸（主軸軸承處）、主軸軸承、空軸、環(huán)模、壓棍的結(jié)構(gòu)都要加強。

單輥擠壓室：Ｌ為壓輥中心和壓模中心在擠壓力垂直方向上距離；擠壓力作用在環(huán)模的力Ｆ1’；轉(zhuǎn)速一定條件下，Ｌ＊Ｆ1’正比于輸入功率。壓輥和壓模中心越小，Ｌ越小，擠壓力Ｆ1’越大。

另一方面，Ｆ1和Ｆ1’這一對作用力和反作用力必須通過壓輥殼、壓輥軸承、壓輥軸、主軸、主軸軸承、空軸、環(huán)模后相平衡。所以F1越大，主軸、主軸軸承、空軸結(jié)構(gòu)必須越大。

這類制粒設(shè)備擠壓力zui大，壓縮區(qū)范圍大，壓縮平穩(wěn)；擠壓區(qū)范圍大，擠出顆粒質(zhì)量好，并且回彈量小、擠壓室內(nèi)摩擦功耗小，功率用于擠出作用多。這類制粒機主要用于小型機和秸桿壓塊機中。

單輥制粒室 

雙輥擠壓室：Ｌ為兩壓輥中心在擠壓力垂直方向上距離；Ｆ1、Ｆ2分別為兩壓輥上的擠壓力，F(xiàn)1’、F2’為作用在環(huán)模上的擠壓力（反作用力）；在轉(zhuǎn)速一定下，（Ｆ1 F2）＊L/2正比于輸入功率，所以中心越大，Ｌ越大，擠壓力越小。

另一方面F1通過壓輥外殼、軸承、壓輥軸、主軸頭和另一對壓輥的F2相平衡；F1’通過環(huán)模和F2’相平衡，制粒機的主軸（主軸軸承以后）、主軸軸承、空軸等受擠壓力影響小。

在擠壓秸桿木屑等纖維質(zhì)物料時F1、F2受力波動大，F(xiàn)1和F2不平衡力（F1-F2）又必須通過主軸、主軸軸承、空軸和環(huán)模上的兩個反作用力的差相平衡，這類制粒設(shè)備振動大，結(jié)構(gòu)上必須加大加粗。

雙輥制粒室 

圖一、擠壓原理圖

２ 環(huán)模材料和熱處理

環(huán)模通常由碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼經(jīng)鍛壓、切削、鉆孔、熱處理等工序制成。環(huán)模所用的材料和每個加工工序?qū)ζ涫褂脡勖爸屏Ｙ|(zhì)量、產(chǎn)量有直接的影響。碳素結(jié)構(gòu)鋼主要有45鋼，其熱處理硬度一般為HRC45~50，其耐磨性和耐腐蝕性都較差，現(xiàn)基本被淘汰；合金鋼主要有20CrMnTi材料，它是通過表面滲碳等表面熱處理，處理硬度在HRC50以上，并具有良好的綜合力學(xué)性能，由此類材料制造的環(huán)模強度高，耐磨性好于45鋼，但缺點是耐腐蝕性不好。雖然單只環(huán)模成本較低，但使用時噸料生產(chǎn)成本高于不銹鋼環(huán)模，現(xiàn)也逐步淘汰；不銹鋼材料主要為4Cr13，這些材料的剛度和韌性都較好，熱處理是整體焠火，硬度大于HRC50，并具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，使用壽命較長，噸料環(huán)模費用zui低。下面就4Cr13材料環(huán)模每個加工工序?qū)ζ滟|(zhì)量影響說明：

a、環(huán)模材料成份

對于４Cr13材料的環(huán)模，其質(zhì)量源頭必須從鋼錠開始：4Cr13鋼環(huán)模化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）為:Ｃ含量≤0.36～0.45,Ｃr含量12～14,Si含量≤0.60,Ｍn含量≤0.80,S含量≤0.03,Ｐ含量≤0.035；在實際使用中含Cr量12%左右的環(huán)模使用壽命比含Ｃr量14%的環(huán)模在其它處理相同的條件下，其使用壽命減小1/3以上；所以環(huán)模質(zhì)量的源頭是從鋼淀開始，不僅要確保Cr含量13%以上，還要求大小形狀等符合鍛造。

b、環(huán)模鍛打質(zhì)量

對于４Cr13材料的環(huán)模鍛造工藝要求為加熱溫度和時間合適,常見環(huán)模鍛造問題是：

１）、加熱溫度過高和時間過長,鍛坯呈黃白色,估計溫度超過1200℃,此時鍛坯易出現(xiàn)表層過燒,整體過熱,組織粗大晶粒不均勻現(xiàn)象;

２）、爐溫均勻性差。加熱過程中因溫度不均勻使鍛件過熱或局部過燒造成晶粒粗大、鍛坯的均質(zhì)性差。鍛件尺寸越大 ,這種現(xiàn)象就越嚴(yán)重。在隨后的熱處理工藝中難以消除這種缺陷 ,也是造成環(huán)模開裂的常見原因。

３）、由于鑄錠中存在如偏析、非金屬夾雜物、疏松等缺陷 ,所以要通過鍛造變形來改善和消除 ,這是鍛件達(dá)到良好綜合力學(xué)性能的基礎(chǔ)。對于縱向橫向性能要求較高的鍛件，應(yīng)當(dāng)采用良好的組合鍛造工藝，單一的鍛打工藝難以保證質(zhì)量。

４）、鍛后冷卻溫度、速度控制不好，如果冷卻速度非常緩慢 ,容易發(fā)生奧氏體再結(jié)晶 ,已經(jīng)被鍛造中細(xì)化的晶粒會發(fā)生異常長大造成混晶，

５）、退火處理：應(yīng)對環(huán)模毛坯的硬度加以控制，其硬度在HB170~220之間為宜，如果硬度過高，鉆孔時鉆頭易斷裂，并造成死孔，硬度過低則影響?？椎墓鉂嵍?。

c、熱處理對環(huán)模質(zhì)量的影響

4Cr13材料采用整體淬火工藝，淬火是把金屬成材或零件加熱到相變溫度以上，保溫后，使Ｃr合物溶于組織中，以大于臨界冷卻速度的急劇冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。淬火是為了得到馬氏體組織，再經(jīng)回火后，使工件獲得良好的使用性能，以充分發(fā)揮材料的潛力。制孔后環(huán)模應(yīng)在真空爐中加熱粹火。經(jīng)真空熱處理的環(huán)模,能有效地保證模孔的光滑度（避免了模孔的氧化）。在圓周方向三等分處的每個部位，取不少于3點測硬度平均值，其各部位的硬度值之差應(yīng)不大于HRC4。

３、環(huán)模孔結(jié)構(gòu)、壓縮比、粗糙度及環(huán)模模孔加工設(shè)備

常見的環(huán)模?？字饕兄笨住p壓孔、外錐形孔和內(nèi)錐形孔等。帶減壓孔又稱釋放孔，如圖２所示，不同的?？仔问竭m合不同種類的飼料原料或不同的飼料配方。同一環(huán)模中，越程槽邊上的直孔長度L與環(huán)模中心部位的直孔長度L也都不一樣。在壓棍對壓模的壓力和阻力一樣下，越程槽邊的物料容易擠出越程槽，而不進(jìn)入?？住Ｋ砸话阍谠匠滩圻吷蟽膳艓в袦p壓孔（或減壓孔長度M大于環(huán)模中心的?？椎腗），并且*排減壓孔長度M大于第二排，使各?？壮隽狭?。?？字饕獏?shù)有：

d----模孔直徑、T----環(huán)模厚度、L----?？子行Ш穸?、M----減壓孔長度、a----模孔中心距、t----?？组g壁厚、D----環(huán)模直徑、E----環(huán)模有效寬度、

圖二、?？讏D

a、環(huán)模?？赘鲄?shù)的作用與含義

環(huán)模壓縮比I=L/d，它是反映顆粒飼料擠壓強度的一個指標(biāo)。壓縮比越大，擠出的顆粒飼料越結(jié)實。所以環(huán)模?？譫確定，飼料配方確定，即環(huán)模壓縮比I一定條件下，環(huán)模的有效厚度L=I＊d就確定了。

T為環(huán)模厚度，它的zui小值T1和環(huán)模受力有關(guān)，壓棍對環(huán)模的擠壓力越大，環(huán)模zui小厚度T1越大。當(dāng)?？子行Ш穸萀<T1時，為保證環(huán)模強度，環(huán)模厚度必須T≥T1,所以有一減壓孔M=T-L，即帶減壓孔形環(huán)模；當(dāng)環(huán)模有效厚度L≥T1時，一般環(huán)模厚度T=L，即直孔形環(huán)模;減壓孔孔徑比?？字睆絛大，物料通過減壓孔時不產(chǎn)生摩擦力。

導(dǎo)料錐孔：便于物料流入?？?，環(huán)模在使用過程中，導(dǎo)料錐孔磨損zui快，使用過程中須對導(dǎo)料錐孔進(jìn)行修復(fù)。

外錐孔環(huán)模主要用于秸桿顆粒、木屑生物質(zhì)顆粒中。模孔磨大時，?？字睆絛變大時，?？椎拈L度L也將變長，保證壓縮比I=L/d變化小，確保顆粒的硬度。

環(huán)模工作面積、孔的排列和開孔率

1）環(huán)模工作面積F=π＊D＊E，環(huán)模制粒機的設(shè)計功率和環(huán)模工作面積成正比，因此功率一定的制粒機，一般環(huán)模直徑D和環(huán)模有效寬度E成反比，在低產(chǎn)量的水產(chǎn)飼料制粒，為保證環(huán)模軸向出料均勻，減小環(huán)模有效寬度，則增大環(huán)模直徑D。

2）環(huán)模?？装吹冗吶切卧瓌t排孔。環(huán)模開孔率為ψ＝0.9＊（d/a）2=0.9＊[d/（d t）]2,開孔率越高，則出料多。另一方面，模孔間壁厚t越大，則環(huán)模強度越大，開孔率越小。對于合金鋼環(huán)模,采用表面滲碳焠火工藝，則?？组g壁厚t等于2倍滲硬層加中間軟層，軟層越小，環(huán)模越容易開裂，所以要選擇合適的壁厚t來保證環(huán)模強度和開孔率。從上面的公式可以看出，一般的規(guī)律是，模孔直徑越大，環(huán)模開孔率越高。開孔率越高，出料越通暢,但?？妆诤駎減小了，環(huán)模強度減小。所以一定要根據(jù)強度確定開孔率大小，擠壓力大的草料、秸桿料、木屑等物料環(huán)模的開孔率要比飼料環(huán)模小一點，保證環(huán)模強度，防止環(huán)模開裂。

b、粗糙度也是衡量環(huán)模質(zhì)量的重要指標(biāo)。在同樣的壓縮比下，粗糙度值越大，飼料擠出阻力越大，出料越困難，過大的粗糙度也影響顆粒表面的質(zhì)量。合適的粗糙度值為應(yīng)在0.8~1.6之間。在合適的壓縮比下，模孔粗糙度高的新模使用時，必須用帶有研磨砂的油性料研磨30分鐘以上使用，但是采用表面硬化處理的合金鋼環(huán)模，易磨掉硬化層，減少環(huán)模的使用壽命?，F(xiàn)在環(huán)模生產(chǎn)制作中，一般在熱處理后加一精鉸工序，增加環(huán)模光潔度，保證環(huán)模一次出料。

c、環(huán)模?？准庸?/p>

圖三：環(huán)模制孔設(shè)備

環(huán)模模孔加工設(shè)備主要有：多頭鉆（多工位槍鉆）、單頭手工鉆、單頭自動鉆等設(shè)備，在設(shè)備加工過程中主要出現(xiàn)分度不勻和?？變A斜問題，其中?？變A斜又分成徑向向前傾斜、徑向向后傾斜、軸向傾斜三種。（見圖四）

圖四、不正常鉆孔

分度不均，模孔間厚薄不勻，薄的地方容易開裂。?？纵S向傾斜和?？浊皟A不利于出料，?？缀髢A并與擠壓力方向*，將有利于出料。這些缺陷可在制孔機設(shè)備上一次性調(diào)整好。

1）、單頭鉆：

單根鉆頭,當(dāng)環(huán)模?？變A斜時，傾斜方向*，可通過調(diào)整鉆座來調(diào)整即可。對于單頭鉆分度不均，有分度頭精度產(chǎn)生的不均、有輸入轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的不均:

（1）、手工單頭鉆鉆φ2.5（圓周上兩孔間隔上4.654mm）?？追侄葧r，輸入一轉(zhuǎn)360度時，如果zui大手工誤差在±5度計算，兩孔在圓上的間隔zui大誤差4.654＊10/360=0.129mm，則兩孔間隔4.525≤a≤4.783mm,兩孔間壁厚2.025≤t≤2.283mm，產(chǎn)生薄厚誤差率0.129/2.154=6%。分度頭減速比（一般360左右）越大，誤差越小。

（2）、自動單頭鉆，輸入分度由步進(jìn)電機控制，誤差小于手工的1%以上，對兩孔分度不均無影響。

（3）、分度頭精度自身精度，標(biāo)準(zhǔn)分度頭，一般精度高。

2）、多頭鉆：多根鉆頭鉆同一只環(huán)模，

（1）、每只鉆頭同樣有分度不均勻和?？變A斜問題，誤差情況同單頭鉆。

（2）、多頭鉆的分度頭一般自制（齒盤蕀輪機構(gòu)）,分度盤直徑為270mm，分度盤上產(chǎn)生0.05mm誤差，則在400mm直徑的環(huán)模上產(chǎn)生0.074mm的誤差（誤差放大了）。

（3）、兩只鉆頭之間的角度誤差。多頭鉆安裝時，兩只鉆頭安裝角度不可能達(dá)理論值，它們之間的角度誤差直接反映在它們鉆出的孔的分度上。如誤差15’,則在400mm直徑的環(huán)模上孔壁厚度誤差達(dá)：0.872mm;對于φ2.5（圓周上兩孔間隔上4.654mm）?？祝a(chǎn)生薄厚誤差率0.872/2.154=40%。遠(yuǎn)大于手工單頭鉆。

3）、方孔不銹鋼環(huán)模鉆頭組件：

有小鉆床改造和高速自動鉆，高速自動鉆轉(zhuǎn)速快、進(jìn)給量小，轉(zhuǎn)孔質(zhì)量好孔光潔度好，小鉆床改造的有手工鉆和改加步進(jìn)電機的自動鉆，改加步進(jìn)電機的自動鉆的進(jìn)給量、排屑、進(jìn)給深度等因素都自動控制，制造環(huán)模質(zhì)量好。

所以多頭鉆鉆孔壁厚誤差因素遠(yuǎn)比單頭鉆要復(fù)雜。鉆頭組件安裝精度差的，可能比手工鉆要差多；自動鉆比手工鉆質(zhì)量好。

4、環(huán)模安裝方式（見圖五）<