基于多孔裝置的顆粒擠壓試驗研究

蔣清海 武 凱 孫 宇 楊 棟

南京理工大學機械工程學院，南京，210094

基于多孔裝置的顆粒擠壓試驗研究

蔣清海 武 凱 孫 宇 楊 棟

南京理工大學機械工程學院，南京，210094

對粉體擠壓制粒過程的模擬條件進行討論，分析單孔擠壓裝置的不足，設計了一套多孔擠壓試驗裝置用于模擬環模制粒過程。通過分析擠壓力曲線變化規律，對制粒成形機理做出了合理解釋。試驗研究了長徑比L、含水率W和模具溫度θ對擠壓力F的影響規律，建立了相應的數學模型，通過生產對比試驗驗證了多孔擠壓試驗裝置的有效性。

多孔裝置；制粒；擠壓力；試驗

0 引言

環模制粒技術在可再生生物質能源和飼料工業等領域都有十分廣泛的應用，具有產量高、質量穩定、產品便于儲存和運輸等優點。國內外學者在環模制粒技術的成形機理[1-2]、力學特性[3-4]、核心部件(環模與壓輥)的磨損機理[5-6]以及工藝參數[7]等方面開展了大量的研究工作，并取得了一定的成果。目前，研究擠壓制粒過程的方法主要有整機試驗和單孔擠壓試驗兩種。整機試驗能充分還原制粒生產過程，具有較高的可信度，但存在試驗成本高、試驗過程復雜等問題；單孔擠壓試驗裝置既能反映物料在模孔內受壓并擠出的核心過程，又能有效降低試驗成本和試驗難度，因此被眾多學者采用。吳勁鋒等[8]利用單孔擠壓裝置研究了苜蓿草的成形密度與擠壓力之間的關系；周曉杰等[9]研究了壓縮條件對徑向力的影響規律；ADAPA等[10]利用單孔裝置建立了苜蓿草的能耗、硬度與耐久性模型。單孔擠壓試驗與環模制粒過程仍有許多區別，在模擬環模制粒過程中存在以下問題：①忽略了模孔倒角的影響；②僅考慮一個模孔內的壓制成形過程，忽略了開孔率的影響；③由壓桿直接在模孔內進行閉式壓縮至指定壓力后再擠出的，而實際制粒過程是擠壓力與模孔內阻力達到相互平衡的過程，二者的加載方式明顯不同。此外，MISLJENOVIC等[11]的研究也指出，環模制粒與單孔制粒的纖維朝向有明顯的差異，且環模制粒的顆粒質量要明顯優于單孔制粒的顆粒質量。

為此，本文設計了一套多孔擠壓試驗裝置來模擬不同原料和成形條件下的擠壓制粒過程，為環模制粒過程的工藝參數優化和節能降耗研究提供試驗參考。

1 試驗裝置需求分析與設計

1.1 環模制粒成形原理

環模在電機驅動下帶動物料，進而帶動壓輥同向旋轉。物料在模輥的作用下被帶入模輥工作間隙，依次經過供料區、變形壓緊區和擠壓成形區。隨著模輥間隙的減小，粉體密度和環模內壁上的擠壓力逐漸增大。當擠壓力大于模孔內的阻力時，物料被壓入模孔內并通過模孔擠出成形。擠壓區內的環模內表面擠壓力可由模孔入口處壓力求得。環模制粒過程原理如圖1所示。圖1中，擠壓成形區和壓緊變形區的環模圓心角為α1和α2，rad；R為環模半徑，mm；r為壓輥半徑，mm；FR為物料對環模的作用力，N；FN為物料對環模的摩擦力，N；h1、h分別為擠壓成形區和變形壓緊變形區的物料層高度，mm。

圖1 環模制粒過程原理Fig.1 Diagram of pelleting process andpelleting principle

1.2 試驗裝置需求分析

環模擠壓制粒過程中，環模與壓輥的線速度基本一致。物料被模輥攫取進入模輥間工作區后，主要依靠環模與壓輥間的擠壓力將物料壓實并壓入模孔。物料從模孔中擠出后，由切刀切斷形成指定長度的顆粒。制粒成形過程受多種因素(原料種類、原料粒度與含水率、成形溫度、壓縮速度和模具結構等)的影響，因此，試驗裝置應具備模擬不同溫度、模具結構和擠壓速度等制粒條件和記錄試驗過程關鍵數據的功能。

1.3 多孔擠壓試驗裝置的設計

針對單孔擠壓裝置存在的問題，本文設計了一套多孔擠壓裝置進行制粒過程的模擬試驗，主要從以下幾個方面模擬環模制粒過程：①通過壓桿在套筒內模擬模輥間隙的變化，物料在模孔上方外載荷的作用下被壓實并從模孔中擠出，擠壓方式與環模制粒生產過程保持一致；②通過溫控裝置和外層保溫石棉模擬制粒腔內的溫度條件，并保持溫度穩定；③壓盤與導向輪的設計能有效避免壓桿與套筒裝配同軸度誤差引起的干擾。由于模孔入口處的壓力等于物料在模孔內所受的摩擦力，因此可認為多孔擠壓過程的擠壓力變化曲線與環模制粒過程的擠壓力變化曲線基本一致。擠壓試驗裝置總體結構如圖2所示。

圖2 擠壓試驗裝置總體結構Fig.2 Structure of compression equipment

利用多孔擠壓裝置，通過更換多孔模具、調節裝置溫度、改變試驗原料等方法研究模孔長徑比與倒角、擠壓制粒成形溫度、原料粒度和含水率等參數對擠壓力與成形顆粒質量的影響。自制多孔模具和擠出成品顆粒如圖3所示。

(a)擠壓成形模具

(b)擠出成品顆粒圖3 擠壓成形模具與擠出成品顆粒Fig.3 Extrusion dies and granular particles

2 試驗材料、儀器及方法

2.1 試驗材料和儀器

試驗原料為某批次混合飼料的原料，主要成分的質量分數為：玉米52.25%、小麥15%、國產豆粕8.4%、棉粕5%、玉米蛋白粉4%、豬油3.05%、印度豆粕2.8%、魚粉1.5%、菜粕1.5%、干酒糟1.5%、石粉1.25%。原料的粒度分布(質量分數)為0.3mm(25.8%)、0.42mm(17.3%)、0.9mm(43.6%)、1.2mm(6.2%)、2.0mm(4.8%)和2.5mm(2.3%)。

通過計算機控制加載荷設備(恒瑞金WDW-100萬能試驗機)以指定速度加載，并記錄加載過程中的應力、應變、位移和載荷等關鍵數據。采用德國sartoriusMA45高精度水分測定儀對原料的含水率進行快速檢測；采用上海更發制藥設備有限公司的101-1A型電熱鼓風干燥箱為烘干設備。其余設備包括自制多孔擠壓組合模具(含內徑為40mm的套筒和一系列多孔擠壓模具)、精度為0.01g的電子天平等。

2.2 試驗方法

2.2.1 原料準備

利用干燥箱將原料烘干至含水率8%以下，為確保試驗中原料粒度及含水率的一致性，將原料充分混合均勻后，利用水分測定儀確定原料干燥后的含水率W0。利用噴壺將水噴灑在原料上的方法依次將原料的含水率分別調節至10%、12%、14%、16%和18%，充分混勻并置于密封袋內48 h后備用。原料含水率調節前后的重量存在如下關系：

mx=(1-W0)m0/(1-Wx)

(1)

式中，m0為原料的初始質量，g；W0為原料的初始含水率；Wx為原料的最終含水率；mx為原料調整含水率后的最終質量，g。

2.2.2 試驗過程

利用溫控加熱裝置將多孔模具、壓桿及套筒加熱到指定溫度并保溫。為使物料溫度盡可能接近模具溫度，同時避免保溫時間過長導致物料明顯的水分流失，每次將30g原料加入套筒中并保溫1min。期間，驅動萬能試驗機將壓盤位置調整至與壓桿接觸。保溫完成后，利用萬能試驗機的自動進給功能，帶動壓桿以20mm/min的恒定速度將物料壓實并從多孔模具中擠出，模擬環模制粒過程中物料在模輥作用下從環模模孔中擠出的制粒過程，并由計算機記錄擠壓成形力的變化曲線。

壓桿接近多孔模具時，套筒內的物料層逐漸變薄且流動性變差，壓桿與多孔模具即將產生直接接觸時，擠壓力呈現快速回升的趨勢。此時，繼續進給會導致壓桿與模具產生剛性干涉，造成壓力機與試驗裝置的損壞。因此，試驗過程中，一旦物料消耗殆盡，曲線開始快速回升，立即停止壓力機進給。

本試驗主要研究制粒過程中單因素的影響規律，因此采用模孔直徑為3.5mm，模孔倒角為45°，開孔數為7，長徑比依次為14、12、10、8、6、5的一系列多孔模具。

3 數據分析

將長徑比L、含水率W及模具溫度(成形溫度的參考值)θ作為試驗因素，每個因素取若干水平進行單因素影響試驗，并記錄相應的擠壓力變化曲線。

3.1 長徑比試驗分析

設置模具溫度θ=80 ℃，取含水率W=14%的物料進行不同長徑比L的擠壓制粒試驗，擠壓力F隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 不同長徑比的擠壓力-時間曲線(θ=80 ℃，W=14 %)Fig.4 Curves of compressing force with time at different length-diameter ratio (θ=80 ℃，W=14 %)

從圖4中可以看出，各擠壓力曲線的上升速度無明顯的差別，且整體變化趨勢基本一致，說明物料在不同長徑比模具內的擠壓成形過程是相似的。擠出過程中，套筒內物料的擠壓力有所減小，一方面是由于物料與模具從相對靜止轉變為相對滑動，滑動摩擦力小于最大靜摩擦力；另一方面是由于隨著物料的連續擠出，模具腔內剩余的物料量減少 ，壓桿的擠壓力更容易傳遞到模孔入口處的物料上。

此外，從圖4中可見擠壓力曲線有毛刺和波動，故不宜直接取試驗中的極值作為特征值。觀察到擠壓曲線的波峰波谷段近似呈拋物線形狀，因此采用MATLAB軟件對擠壓曲線的波峰和波谷段分別進行拋物線擬合，取拋物線頂點作為擠出過程的最大擠壓力，拋物線擬合曲線如圖5所示。

圖5 拋物線擬合曲線Fig.5 Parabola fitting of compressing curves

擠壓力的波峰波谷值如表1所示。每組試驗重復3次，結果取平均值。

從表1中的試驗數據可以看出，雖然每次試驗略有偏差，但相同試驗條件下的擠壓成形曲線的特征數據點基本一致。將表1中的波峰與波谷分別繪制兩條曲線,如圖6所示。

表1 不同長徑比的擠壓曲線特征值

圖6 不同長徑比的擠壓力波峰(波谷)變化曲線Fig.6 Curves of wave crest(trough) of compressing force with different length-diameter ratio

在θ=80 ℃、W=14%的條件下，當長徑比從5增大到14時，擠壓力的波峰值和波谷值分別增大了90.17%和68.90%。

通過比對，選擇指數模型y=Aex/α+y0進行擬合。波峰值的擬合結果為A=1.584 22，α=5.031 16，y0=21.290 91，決定系數β2=0.986 48；波谷值的擬合結果為A=5.678 42，α=10.527 65，y0=11.343 03，決定系數β2=0.907 25；擬合結果較好。

由圖4可見，長徑比小于10時，擠壓力曲線之間的差距并不十分明顯；當長徑比增大到10及以上時，曲線的波峰(波谷)值增大趨勢變得明顯，表明長徑比繼續增大時，所需擠壓力將急劇增大。在試驗過程中發現，當長徑比小于8時，擠出力雖然較小，但擠出的顆粒不夠密實且表面毛刺較多，表明制粒過程中，需要根據物料特性選擇足夠的長徑比和成形壓力來保障顆粒質量。

3.2 含水率試驗分析

參考長徑比的試驗結果，取長徑比L=10的多孔模具，在溫度θ=110 ℃條件下進行含水率對多孔模具擠壓力影響的試驗。不同含水率的擠壓力變化曲線如圖7所示；擠壓力的波峰波谷值如表2所示。

圖7 不同含水率的擠壓力-時間曲線 (θ=110 ℃，L=10)Fig.7 Curves of compressing force with time at different moisture content(θ=110 ℃，L=10)

kN

將表2中的波峰與波谷數據進行擬合，不同含水率的擠壓力波峰(波谷)變化曲線如圖8所示。

圖8 不同含水率的擠壓力波峰(波谷)變化曲線Fig.8 Curves of wave crest(trough) of compressing force with different moisture content

在θ=110 ℃、L=10的條件下，當含水率W從10%增大到18%時，擠壓力的波峰和波谷值分別下降了79.63%和77.82%。

通過比對，選擇指數模型y=Aex/α+y0進行擬合。波峰值的擬合結果為A=331.325 75，α=0.051 63，y0=-2.522 98，決定系數β2=0.964 02；波谷值的擬合結果為A=343.782 39，α=0.046 20，y0=0.700 83，決定系數β2=0.967 61；擬合結果較好。

觀察圖8的波峰變化曲線可見，擠壓力的波峰變化曲線隨著含水率的升高逐漸變得平緩，說明水分很好地改善了物料的流動性能并起到了良好的潤滑作用，使得制粒擠壓過程變得相對穩定。含水率從10%上升到14%時，擠壓力明顯減小；含水率超過14%以后，擠壓力減小趨勢有所減弱。含水率并非越高越好，因為過高的含水率會導致環模制粒過程打滑、產品容易發生霉變等問題，同時還可能引起顆粒的容積密度和耐久性下降[12]。由此，環模制粒過程中，在滿足制粒要求的前提下，提高物料含水率能有效減小制粒擠壓力，降低制粒能耗，延長模輥使用壽命。

3.3 模具溫度試驗分析

參考含水率試驗結果，取含水率W=14%的物料在長徑比L=10的多孔模具上進行成形溫度對多孔模具擠壓力的影響試驗。不同模具溫度下的擠壓力變化曲線如圖9所示；擠壓力的波峰波谷值如表3所示。表3中的波峰波谷變化曲線如圖10所示。

圖9 不同模具溫度的擠壓力-時間曲線(W=14%，L=10)Fig.9 Curves of compressing force with time at different temperature(W=14%，L=10)

kN

圖10 不同溫度的擠壓力波峰(波谷)變化曲線Fig.10 Curves of wave crest(trough) of compressing force with different temperature

在W=14%、L=10的條件下，當溫度θ從70℃上升到110℃時，擠壓力的波峰和波谷值分別減小了56.62%和55.86%。

對比分析后選擇二次多項式y=A+Bx+Cx2進行擬合，波峰值的擬合結果為A=90.218 57，B=-0.937 05，C=0.002 41，決定系數β2=0.963 40；波谷值的擬合結果為A=79.084 86，B=-0.846 27，C=0.002 33，決定系數β2=0.936 24；擬合結果較好。

觀察圖10曲線可知，擠壓力隨著溫度升高有明顯的減小，說明提高溫度有利于擠壓制粒過程的順利進行。這是由于物料中的水分和油脂在適宜的溫度下能起到良好的潤滑作用。此外，原料內的淀粉糊化程度隨溫度升高而增加，有利于原料顆粒間的相互粘結，提高顆粒質量。但溫度過高會導致顆粒產品硬度過高和維生素破壞等問題，因此應在充分考慮制粒產品質量的前題下提高成形溫度。當溫度上升到100℃以后，擠壓力的波峰變化曲線下降趨勢趨于平緩，溫度超過100℃容易導致物料水分快速流失，因此在環模制粒過程中，將溫度控制在90℃左右有利于保障顆粒質量、降低制粒能耗。

3.4 擠壓過程機理分析

從不同參數條件下的多孔擠出成形曲線可以看出，所有曲線都存在十分相似的變化規律，可以將曲線劃分為松散、過渡、壓緊和擠出四個階段。在擠壓剛開始的松散階段(線性)，擠壓力增大十分緩慢，在壓桿作用下，松散物料間的空氣被擠出，顆粒間的大空隙被填滿，該階段中，壓桿行程很大但受到的阻力較小，即較小的壓力可獲得較大的壓縮變形。在過渡階段(指數初始階段)，壓縮阻力隨壓桿的推移逐漸脫離線性關系，并逐漸呈指數形式增長，大顆粒在載荷作用下發生破碎，大量中小顆粒在擠壓過程中發生位置重排，將物料內部的大空隙基本填充。物料間的空隙在擠壓力作用下越來越小，物料顆粒間的相互接觸面積逐漸增大，形成大量機械咬合，物料逐漸被壓實并產生不可逆變形。此階段下，需要一定的壓力才能獲得一定的壓縮變形。在壓緊階段(迅速增長階段)，物料顆粒間的空隙已基本消除，物料變得密實并產生塑性變形。物料通過機械鑲嵌和生物黏結劑聯結在一起，物料內部壓力在壓桿作用下急劇增大。在壓力作用下，部分物料被逐漸壓入模孔之中。此階段下，較大的壓力只能獲得較小的壓縮變形。在擠出階段(波峰波谷階段)，當物料內壓力增大到足以克服模孔內的摩擦力時，物料被壓入模孔并連續擠出。在此階段下，擠壓力略有下降或基本保持穩定；但在擠出結束階段，物料流動性急劇下降造成擠壓力上升。

若將多孔擠出過程與圖1所示的環模制粒機工作區進行對比，以擠壓成形力達到波峰波谷均值點作為依據劃分變形壓緊區和擠壓成形區，則松散階段和過渡階段對應變形壓緊區，壓緊階段和擠出階段對應環模工作區中的擠壓成形區。

4 生產過程驗證試驗

4.1 基于多孔擠壓試驗裝置的扭矩計算

由幾何結構參數可知，環模制粒機的產量Q與物料的初始密度ρ0和物料初始高度h0有如下關系[4]：

Q=6×10-11πξZnbρ0[R2-(R-h0)2]

(2)

式中，Q為單位時間產量，t/h；ξ為開孔率和喂料均勻度的修正系數；Z為壓輥數；n為環模轉速，r/min；b為環模有效寬度，mm；ρ0為物料初始密度，kg/m3；R為環模內半徑，mm；h0為物料初始高度，mm。

由余弦定理可知，圓心角與物料高度h存在如下關系：

r2=(R-r)2+(R-h)2-2(R-r)(R-h)cosα

(3)

由產量Q和物料初始密度ρ0(成形密度ρ1)可得物料初始高度h0(成形高度h1)，則變形壓緊區和擠壓成形區的環模圓心角α1、α2可求。根據多孔擠壓試驗裝置獲得變形壓緊區和擠壓成形區的壓力分布，通過對兩個區域內的壓力數據分析發現，變形壓緊區的平均壓力約為擠壓成形區平均壓力的1/10。擠壓成形區壓力σ與多孔裝置的擠壓成形曲線波谷處壓力相關，考慮到多孔裝置開孔率和壓縮速度等的影響，對文獻[10]推導的環模制粒機扭矩模型進行修正：

(4)

式中，M為計算扭矩，N·m；μ為物料與環模的摩擦因數；ζ為修正系數，由模具開孔率和壓縮速度等因素決定；Ab為套筒面積，mm2；σ為擠壓成形區壓力，MPa。

4.2 實際生產過程的扭矩測試

利用必創無線扭矩測試系統進行扭矩測試，采用在同一截面內對稱粘貼應變片的方法消除彎矩對扭矩測試結果的影響，扭矩測試方案如圖11所示。

圖11 扭矩測試方案Fig.11 Torque test program

制粒機結構參數如下：壓輥個數Z=2，環模內半徑R=175 mm，環模寬度b=110 mm，模孔半徑rh=1.75 mm，模孔長徑比L=10，環模開孔率為0.3，壓輥半徑r=80 mm。

物料初始密度ρ0為610 kg/m3，含水率為14%，物料成形密度ρ1為1250 kg/m3，物料與環模間的摩擦因數μ為0.2，環模工作溫度為87 ℃，喂料頻率為9 mm，產量Q為5.4 t/h，實測總扭矩為1596.8 N·m，空載扭矩為145.2 N·m，有效扭矩為1451.6 N·m；由圖10中的溫度擬合曲線可得該條件下的擠壓成形區壓力σ=13.65 MPa，代入式(4)的扭矩模型計算可得修正系數ζ=0.314。依次改變喂料頻率和調質溫度，待生產過程穩定后重新測定環模工作有效扭矩。基于多孔擠壓裝置的計算結果和實際生產試驗測試結果如表4所示。

表4 扭矩的計算值與測試值

通過對比分析可知，基于多孔擠壓裝置的扭矩計算結果與實際測量結果的相對誤差在4%以內，誤差主要是由物料分布不均勻和試驗測量誤差等因素引起的。試驗結果表明多孔擠壓裝置是合理的，能較好地模擬環模制粒過程。通過多孔擠壓裝置開展相關試驗研究不僅能有效提高參數優化試驗的靈活性和便捷性，同時也大幅降低了參數優化試驗的經濟成本。

5 結論

(1)針對單孔擠壓裝置存在的缺點和不足，設計了一套多孔擠壓制粒裝置來進行擠壓制粒過程模擬試驗研究。通過分析擠壓力曲線的變化規律，對擠壓制粒成形機理做出了合理的解釋。

(2)單因素試驗結果表明：擠壓力F隨長徑比L的增加呈指數增長，根據物料特性選擇足夠的長徑比，既能保證顆粒強度，又能有效減小擠壓力，降低能耗；隨著含水率W的增加，擠壓力F快速減小，整個擠壓制粒過程趨于平穩，表明在滿足制粒條件的前提下，提高含水率能有效改善制粒過程的模輥受力狀態，降低制粒能耗；擠壓力F隨模具溫度的升高呈二次多項式變化，適當提升溫度有助于提高淀粉糊化率并促進油脂與水分的潤滑作用，改善制品機械性能，降低制粒能耗。在該試驗條件下，取長徑比10、含水率14%、成形溫度90 ℃，既能保證顆粒質量，又能有效減小擠壓力。

(3)通過實際生產對比試驗，驗證了多孔擠壓裝置試驗方法的可行性。

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(編輯 張 洋)

Granular Extrusion Experimental Researches Based on Multi-hole Devices

JIANG Qinghai WU Kai SUN Yu YANG Dong

School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,210094

According to analyses of pelleting processes of rotated roll forming, demands of simulation devices were discussed, and the shortcomings of single pellet unit were analyzed. A multi-hole device was designed to simulate granular extrusion processes, and a series of experiments were carried out. Change rules of compressing forcesFwere analyzed, and forming mechanism of granular extrusion was discussed. Mathematical models for the relationship among compressing forcesFand some basic parameters such as length-diameter ratiosL, moisture contentsWand temperaturesθwere established. Production tests were designed to verify the proposed model. A multi-hole device was proved to be practical in comparison with the results of production tests.

multi-hole device; granulation; compressing force; experiment

胡俊峰，男，1978年生。江西理工大學機電工程學院副教授。主要研究方向為柔順機構及智能控制。發表論文30余篇。E-mail：hjfsuper@126.com。鄭昌虎，男，1991年生。江西理工大學機電工程學院碩士研究生。蔡建陽，男，1991年生。江西理工大學機電工程學院碩士研究生。

2017-01-06

江蘇省產學研聯合創新資金-前瞻性聯合研究項目(BY2012023)

S816.32;TH6

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.08.007