小型可調間隙飼料制粒機設計與試驗

彭 飛 王紅英 康宏彬 孔丹丹

(中國農業大學工學院， 北京 100083)

小型可調間隙飼料制粒機設計與試驗

彭 飛 王紅英 康宏彬 孔丹丹

(中國農業大學工學院， 北京 100083)

為實現小批量顆粒飼料生產，設計一種小型可調間隙飼料制粒機，包括環模及配套部件、壓輥及配套部件、傳動機構等。該制粒機特征為：壓輥調節部件位于制粒機外部，能夠在不停機的狀態下實時調節模輥間隙，保證顆粒飼料的連續生產。同時設計了與該制粒機配套的控制系統。基于彈塑性理論，采用有限元分析軟件Abaqus內置的Drucker-Prager Cap本構模型對制粒機模輥擠壓過程進行了數值模擬，模擬結果表明，模輥間隙的設置應與物料的摩擦因數相匹配，適當提高物料的摩擦因數能夠避免物料內部滑移耗能，有利于提高顆粒飼料的產量和質量。制造樣機并進行了生產試驗，以某配方乳豬料為原料，進行制粒機作業性能指標的測定，結果表明：該制粒機生產的顆粒飼料成品含水率為13.53%，直徑為3 mm，顆粒含粉率為3.27%，顆粒耐久度(PDI)為94.34%，顆粒硬度為176.03 N，生產率約為42 kg/h，各項指標均達到設計要求，滿足小批量顆粒生產的要求。

小型飼料制粒機； 可調間隙； 數值模擬； 試驗

引言

顆粒飼料具有廣泛的適用性，與粉狀飼料相比，具有避免動物挑食，飼料報酬率高，貯存運輸和管理方便，殺滅有害菌等優點[1-3]。制粒機作為顆粒飼料生產的主機，是典型的以模輥結構為工作原理的擠壓成型設備，其作業過程為：飼料原料經過水熱調質，通過機械壓縮并強制通過環模孔而聚合成型，形成具有一定密度和強度的顆粒。

常用的制粒機分為環模和平模兩種基本類型；根據運動特征，可分為動輥式和動模式；根據模輥的組合形式，可分為三輥、二輥、大小輥和雙環模式；根據傳動方式，可分為齒輪傳動式、單電動機三角帶、雙電動機三角帶、雙電動機同步齒形帶一二級傳動等[4]。模輥式制粒機由于具有生產率高、能耗低、原料適應性強等優點，是當前研究的熱點[5-9]。國內外現有的制粒機產量較大，一般每小時在數噸到數十噸之間。小型制粒機具有樣品用料小、電能消耗少、作業成本低等特點[10]，在小批量飼料生產特別是研究不同配方和加工工藝條件對顆粒飼料質量的影響規律方面，具有獨特的優勢。目前，國內對小型制粒機的設計與研究剛剛起步，文獻[11-12]提出了兩種小型制粒機的構想，目前處于專利形式，不夠深入，設備設計與加工的可行性，作業過程的可靠性和穩定性，均未得到驗證。因此，本文設計一種小型可調間隙式制粒機結構，以滿足小批量飼料生產的需要，同時設計該機的壓輥調節部件位于制粒機外側，在不停機狀態下以實現對模輥間隙的調節，保證顆粒飼料生產過程的連續性和產品質量的一致性。

制粒機作業過程的本質是粉體擠壓成型過程，粉體具有一定的黏彈性和塑變性，因此成型過程復雜多變[13-14]，用傳統數學解析的方法分析這一過程具有局限性；同時，制粒機的作業過程是在相對封閉的空間內進行的，且工作時模輥處于高速旋轉狀態，很難用儀器進行直接測定。計算機和數值模擬技術的發展，為深入研究粉體成型機理提供了新的研究方法[15-17]。本文用數值模擬的方法對制粒擠壓過程進行建模與仿真。

1 總體結構與工作原理

1.1 整機結構

圖1 制粒機結構圖Fig.1 Structure diagram of pellet mill1.進料口 2.制粒機殼體 3.門蓋 4.壓輥安裝套筒 5.環模6.環模安裝盤 7.制粒機主軸 8.軸承支座 9.減速帶 10.電動機 11.作業觀察孔 12.壓輥安裝套筒

如圖1所示，小型環模制粒機主要由環模及配套部件、壓輥及配套部件、傳動機構組成。其中，環模及配套部件主要由環模、環模安裝盤、制粒機門蓋、制粒機殼體等組成；壓輥及配套部件主要由壓輥、壓輥軸、安裝套筒、鎖緊螺母等組成；傳動機構由電動機、減速器、軸承、制粒機主軸等組成。

1.2 工作原理

變頻器驅動電動機，通過傳動輪、傳動帶，傳遞動力到制粒機主軸上。當制粒機因堵機等原因導致主軸扭矩過大時，主軸會與傳動帶產生摩擦打滑，從而避免因扭矩過大而破壞電動機。制粒機主軸與環模安裝盤固定連接，環模和環模密封環均通過特制螺母與環模安裝盤固接；制粒機主軸帶動環模安裝盤、環模、環模密封一起旋轉；調質后松散的飼料原料進入環模和壓輥間的空隙，在環模和壓輥的擠壓作用下，經環模孔擠出，由位于環模外沿的切刀切成一定長度的顆粒飼料。刮刀安裝在制粒機門蓋上，當物料進入制粒機后，刮刀起到推料和均勻布料的作用。

2 關鍵部件設計

2.1 環模

環模的工作面積是指環模壓制飼料的面積，即環模與壓輥的接觸面積[3]。該面積越大，表明制粒產量相對越高。其計算方法為

A=πDB

(1)

式中A——環模的工作面積，mm2D——環模內徑，mmB——壓帶寬度，mm

環模開孔率對制粒機生產率影響很大。通常，模孔的直徑范圍為1.5～20 mm，對應的開孔率范圍為20%～35%，由文獻[3-4]，設計環模開孔率為20%。模孔個數、開孔率、環模工作面積之間關系為

(2)

式中K——環模開孔率，%d1——環模孔徑，mmt——環模總孔數

環模角速度計算公式為

(3)

式中ω——環模角速度，rad/sr——環模半徑，mv——環模線速度，m/s

基于文獻[3，18]中常見的環模尺寸設計，結合本機產量，同時為了零件加工方便以及其配件選型標準化，設計環模內徑為180 mm；環模線速度為3.5～8.5 m/s，假定取4.5 m/s。將v=4.5 m/s、r=0.09 m代入式(3)，可得ω=50 rad/s。

制粒機單位時間產量計算式為

(4)

式中Q——制粒機生產能力，t/hZ——壓輥個數h——擠壓料層高度，mρ——原料的密度，kg/m3

由文獻[4,19]，假定擠壓料層高度為10 mm，將Q=0.05 t/h、Z=2、K=20%、r=90 mm、h=0.01 m、ω≈50 rad/s、ρ=500 kg/m3代入式(4)，求得環模有效寬度B≈7.27 mm，適當放大環模寬度，設計為15 mm，圖2為環模部件結構圖。

圖2 環模結構Fig.2 Structure of ring die

2.2 壓輥及偏心軸設計與裝配

如圖3所示，壓輥部件主要由壓輥及壓輥軸組成，通過轉動壓輥軸來調節壓輥與環模的間隙，使不同配方的飼料原料均能獲得理想的壓制效果。與傳統壓輥制粒機不同，本文設計的壓輥軸一端與壓輥偏心安裝，另一端經制粒機門蓋上的壓輥安裝套筒伸出到制粒機門蓋外，再由鎖緊螺母固定。操作人員可以通過轉動制粒機門蓋外側的壓輥軸來調整模輥間隙，從而可以在不停機的狀態下實時調節，保證制粒機連續不間斷工作，提高作業效率。

圖3 壓輥設計與安裝Fig.3 Design and installation of roller

環模與壓輥間隙直接影響顆粒飼料的產量和質量。模輥間隙一般為0.1～0.4 mm[20]；環模制粒機壓輥一般為2或3個，考慮到本制粒機體積較小，故設計壓輥數為2個；設計壓輥直徑為70 mm，壓輥軸與壓輥重心偏心安裝的距離為5 mm；這種設計既便于壓輥的安裝，又能在較大的范圍內調節模輥間隙。

2.3 電動機選型

小型可調間隙制粒機作業功率主要包括：擠壓物料需要的功率和克服阻力矩所需要的功率。因此，通過計算以上兩部分所需的功率來確定電動機。

擠壓物料需要的功率[4-5]

(5)

式中P1——制粒機電動機驅動功率，kWφ——電動機效率，一般為0.8～0.9N——制粒機所需要的擠壓工作壓力，MPa

將Q=0.05 t/h、ρ=0.5 t/m3、φ=0.8、K=60%、N=60 MPa代入式(5)，求得P1≈0.52 kW。

克服阻力矩需要的功率

P2=Tω

(6)

式中T——扭矩

根據式(6)計算求得P2=0.63 kW。

初步估算整機功率：P=P1+P2=1.15 kW。考慮到傳動帶和軸承摩擦等損失，選用3 kW的電動機，該電動機型號為Y2-100L2-4。其具體參數：額定轉速1 430 r/min，額定電壓380 V，額定電流6.8 A，額定效率0.825，功率因數0.81。

2.4 控制系統設計

小型可調間隙制粒機與喂料器、調質器、控制系統共同組成了顆粒飼料制粒平臺，其中控制系統是該制粒平臺的重要組成部分，具有喂料量調控、調質器轉速調控、物料溫度監測、制粒機轉速調控、制粒機電流監測等功能。為此，將控制系統從功能上劃分為喂料器監控、調質器監控、物料溫度監測、制粒機轉速監控、制粒機電流監測模塊5個功能模塊，其結構框圖如圖4所示。控制柜為控制系統的載體，設計其外形尺寸(長×寬×高)為700 mm×400 mm×1 600 mm，工作電壓為380 V，整體控制結構如圖5所示。

圖4 控制系統結構框圖Fig.4 Structual diagram of control system

圖5 控制系統實物圖Fig.5 Design of control system

3 制粒擠壓過程建模與仿真

3.1 Drucker-Prager Cap模型

Drucker-Prager Cap是一種表征彈塑性和體積硬化的物性模型，適用于模擬摩擦材料、壓縮屈服強度大于拉伸屈服強度的材料。其特點是允許材料各向同性硬化、軟化，同時允許塑性體積變化和塑性剪切變化，該模型在粉體物料的擠壓過程研究中應用廣泛[21-22]。

3.1.1 屈服面

模型由Drucker-Prager模型和Cap模型組成；其中，Drucker-Prager模型給出剪切破壞面，用于控制物料在剪切作用下流動，模型表達式為

Fs=q-ptanβ-d2=0

(7)

式中q——Mises應力，MPap——靜水壓力，MPaβ——材料的摩擦角，(°)d2——材料的粘聚力，MPa

Cap模型引入壓縮產生的屈服，控制材料在剪切作用下無限的剪脹現象[23]，模型表達式為

R(d+patanβ)=0

(8)

式中R——控制Cap模型形狀的參數，取值范圍為0.000 1～1 000

α——用于定義過渡區屈服面的參數，通常為0.01～0.05

pa——Cap曲面與過渡曲面交點對應的靜水壓力，MPa

過渡曲面用于平滑地連接Drucker-Prager面和Cap面，模型表達式為

α(d+patanβ)=0

(9)

構成Drucker-Prager Cap模型的這3個屈服面的關系及其參數的物理意義如圖6所示。

圖6 Drucker-Prager Cap模型Fig.6 Model of Drucker-Prager Cap

3.1.2 塑性勢面

塑性流動由流動潛能來定義，它與Cap 模型相關聯，與Drucker-Prager模型和過渡區非關聯。Cap模型流動潛能由Cap模型的橢圓部分決定，與Cap屈服面函數相同，表達式為

(10)

剪切破壞面和過渡區決定模型非相關流動部分，表達式為

(11)

3.2 問題分析與模型建立

3.2.1 制粒擠壓過程分析

本文對粉狀物料擠壓成型過程主要作以下假設與簡化：作業過程主要考慮粉狀物料的流動和應力應變情況，且物料的剛度相對于環模和壓輥較小，因此可以將環模和壓輥視作剛性體，將粉體物料看成均勻連續介質；假設擠壓過程中物料沿環模軸向分布均勻，可以將物料擠壓過程簡化為二維平面應力應變分析。建立二維數值模擬模型，如圖7所示。

圖7 二維數值模擬模型Fig.7 Two-dimensional numerial simulation model

物料轉動方向如圖7所示，選取MN路徑上物料和環模接觸面之間的等效應力，MN弧對應的角度為15°，弧長為23.57 mm。采用Abaqus軟件內置的Drucker-Prager Cap模型構建粉體物料特性，采

用Abaqus-Explict顯示求解器求解和分析。

3.2.2 模型的建立

基于樣機結構和參數，設計建立仿真模型。環模內徑180 mm，壓輥直徑70 mm，物料厚度20 mm，模輥間隙0.4 mm，摩擦因數0.8。由于研究制粒擠壓過程中普遍性的規律，因此模擬時可選用與飼料原料特性類似的微晶纖維素，該材料Drucker-Prager Cap參數和蓋帽硬化特性分別如表1和表2所示[24]。

表1 Drucker-Prager Cap模型參數

表2 蓋帽硬化特性

3.2.3 參數設置與求解

(1)在Part模塊中創建環模、壓輥、物料這3個部件，分別將環模和壓輥的圓心設置為剛性參考點。

(2)進入Property模塊，參照表2和表3設置物料的材料屬性；進入Assembly模塊，裝配該3個部件。

(3)進入Mesh模塊,使用線性縮減積分中的CPE4R單元對物料網格劃分，該網格可以保證網格扭曲變形時載荷類型精度不降低。

(4)進入Step模塊，設置2個分析步：第1個分析步將壓輥下壓以使得環模和壓輥達到設定的間隙；第2個分析步分別定義模輥的旋轉。

(5)定義接觸：進入Interaction模塊，分別設置壓輥、環模與物料的接觸屬性。

(6)定義邊界條件：在壓輥參考點處施加下壓位移載荷，在環模參考點處施加旋轉載荷。設置環模旋轉0.26 rad，設置壓輥旋轉0.67 rad，模擬環模帶動壓輥旋轉的過程。

3.3 制粒擠壓過程的影響因素與分析

由文獻[3-4, 25]可知，物料與模輥的摩擦因數、模輥間隙、模輥直徑比都會對制粒過程產生影響。對于某一型號和產量的制粒機，與其匹配的環模外形尺寸基本固定，因此，本文通過改變物料和模輥的摩擦因數、模輥間隙這2個因素，研究其對擠壓過程的影響規律。

3.3.1 應力應變和位移分析

模擬結果如圖8所示，分析可知，隨著物料不斷攫取進入模輥內，物料和環模接觸區域的等效應力先是較緩慢增大，接著是較快速增大，最后達到一個相對平穩的狀態。在變形壓緊區的開始階段，物料以克服自身的空隙為主，在較小的壓力作用下也會產生較大的變形，因此體積減小較快，且此時內部應力還較小；隨著模輥繼續轉動，在變形壓緊區的結束階段，物料顆粒間的空隙基本被克服，物料主要發生不可逆的塑性變形，應力分布不斷增大；當物料進一步進入到擠壓成型區后，模輥間隙基本不再減小，故此處物料的應力和應變逐漸趨向平穩。該結論與文獻[3-4]中有關制粒原理研究是一致的。以接觸弧度MN段為分析路徑，提取該處接觸點上的等效應力，分析模輥間隙、物料摩擦因數對擠壓應力的影響。

圖8 Mises應力云圖Fig.8 Mises stress contours

3.3.2 摩擦因數對制粒擠壓過程的影響

摩擦因數對物料受力、運動情況和成型特性等影響較大，主要由物料特性、制粒機加工工藝參數、模輥材質等決定，是研究物料擠壓成型過程中數學計算、計算機模擬和試驗測定的基礎。選取4組不同的摩擦因數進行模擬，分別為0.6、0.7、0.8、0.9，結果如圖9所示。

圖9 不同摩擦因數下的Mises應力Fig.9 Mises stress under different friction coefficients

由圖9分析可知，隨著摩擦因數逐漸增大，物料與環模接觸區域等效應力呈逐漸增大趨勢；擠壓時摩擦因數越大，物料和模輥之間的滑移作用就越弱，空載打滑耗能越少，更多的能量會用于物料的壓實變形。研究表明摩擦因數和攫取角成正比關系[26-27]，在制粒能力范圍內，摩擦因數越大，物料攫取角就越大，攫取層物層高度就相應越大，單位時間內攫取進入模輥間隙中的物料就越多。因此，適當增大物料和模輥間的摩擦因數，有利于提高顆粒飼料的產量和質量。同時，摩擦因數增大，物料對模輥的磨損也會相對增加。

3.3.3 模輥間隙對制粒擠壓過程的影響

合理的模輥間隙是保證制粒機效率和顆粒飼料質量的重要因素[3-4]。為使模擬收斂性較好，對模輥間隙適當放大，取4組模輥間隙進行模擬，分別為1.0、1.2、1.4、1.6 mm。摩擦因數選用0.8，模擬結果如圖10所示。

圖10 不同模輥間隙下的Mises應力Fig.10 Mises stress under different die-roller gaps

由圖10分析可知，隨著模輥間隙不斷增大，物料與環模接觸區域等效應力呈減小趨勢。這與文獻[27]的研究結果一致。隨著間隙增大，模輥楔形空間攫取飼料的能力下降，模輥作用于飼料的擠壓力減小，因此可能會造成飼料顆粒成型率低、硬度小、含粉率高、顆粒表面粗糙等缺陷；如果間隙過大，當壓力小于模孔內壁對飼料的摩擦阻力時，會導致壓輥打滑、制粒機堵機等現象，進而降低顆粒飼料的產量和質量。因此，在合理的范圍內，適當減小模輥間隙，有助于提高顆粒飼料的質量。

4 試驗

4.1 試驗指標測定

4.1.1 生產率

制粒機工作穩定后，統計一段時間內生產的顆粒飼料質量，生產率理論計算公式為

(12)

式中q1——生產率，kg/hM——接料質量，kgt1——接料時間，h

4.1.2 物料含水率

采用ASAE S269.4標準測定含水率，具體操作為：將潔凈空鋁盒在(105±2)℃的電熱干燥箱中干燥1 h取出，在干燥器中冷卻30 min，采用分析天平稱量(精確至0.000 1 g)；再次在電熱干燥箱中干燥0.5 h，同樣冷卻并稱量，直至前后兩次稱量之差小于0.000 5 g，計算公式為

(13)

式中m1——105℃干燥前試樣及稱樣鋁盒質量，gm2——105℃干燥后試樣及稱樣鋁盒質量，gm0——潔凈空鋁盒質量，g

4.1.3 硬度

調用質構儀內Feed Hardness程序，測定顆粒飼料硬度。壓縮試樣的速度為10 mm/min，試驗結束限制條件位移為1.5 mm。由壓縮測試結果可得到壓縮載荷值，進而求得顆粒飼料的硬度。

4.1.4 含粉率

含粉率是指顆粒飼料樣品所含粉料的質量(過14目篩的篩下物)占其總質量的百分比[28]。其測定方法為：按GB/T 6003.1—2007規定將一定質量的顆粒飼料(計為m2)放置于標準試驗篩中篩分測定，稱取篩上物(計為m3)。含粉率y計算公式為[29]

(14)

4.1.5 PDI

PDI是衡量顆粒飼料成品在輸送和搬運過程中抗破碎的相對能力(計為I)。將生產的顆粒飼料冷卻至室溫，采用14層標準試驗篩(GB/T 6003.1—1997，新鄉市同心機械有限責任公司)進行篩分測定，具體測定方法為：稱取500 g完整顆粒飼料(計為s0)放入PDI箱體內；啟動機器，運行10 min后，取出所有料并篩分，稱量篩上顆粒飼料質量(計為s1)[29]。則PDI為

(15)

4.2 試驗結果分析

為測定小型可調間隙制粒機的各項指標，對樣

機進行作業性能試驗研究。樣機的環模孔徑為3 mm，壓縮比為1∶6。飼料原料采用某乳豬料配方，具體成分和比例見表3；摩擦因數和休止角是物料重要的物理指標，通過自主設計與研制的休止角測定裝置、斜面儀裝置[30](圖11、12)，測得原料休止角為46°，摩擦因數為0.93，其他物理指標良好。試驗過程如圖13所示，試驗結果表明，生產的顆粒飼料成品含水率為13.53%，直徑為3 mm，顆粒含粉率為3.27%，顆粒耐久度(PDI)為94.34%，顆粒硬度為176.03 N，生產率約為42 kg/h，該制粒機各項指標均達到設計要求，能夠滿足小批量顆粒飼料的生產需要。

表3 乳豬料配方組成成分與比例

圖11 休止角測定裝置原理圖Fig.11 Principle diagram of measuring device for repose angle1.底梁 2.側梁 3.前有機玻璃 4.后有機玻璃 5.上梁 6.調節螺栓 7.漏斗

圖12 斜面儀裝置原理圖Fig.12 Principle diagram of bevel instrument1.搖桿 2.側板 3.被測板件 4.飼料原料 5.可調斜板 6.圓弧尺 7.側梁

圖13 樣機車間試驗Fig.13 Prototype working experiment in workshop

5 結論

(1)提出了一種壓輥調節外置的小型可調間隙制粒機結構，據此設計并制造了樣機，并配置了控制系統；通過試驗驗證了該結構的可行性，為小批量顆粒飼料生產提供了設備平臺。

(2)基于該樣機結構和尺寸參數，建立制粒機模輥擠壓仿真模型，采用Abaqus軟件對粉體擠壓過程進行了有限元分析。模擬結果表明，適當增大粉料的摩擦因數，能夠減少打滑耗能；適當減小模輥間隙，可以增大模輥對物料的擠壓應力，有助于提高顆粒飼料的產量和質量。

(3)以某乳豬料配方為原料，在環模孔徑為3 mm，壓縮比為1∶6 的參數下進行顆粒飼料加工性能試驗。結果表明，生產的顆粒飼料成品含水率為13.53%，直徑為3 mm，顆粒含粉率3.27%，顆粒耐久度94.34%，顆粒硬度176.03 N，生產率約42 kg/h，各項指標均達到設計要求。且該制粒機能在不停機的狀態下對壓輥實時調節，保證了生產過程的連續性。

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Design and Experiment on Small-scale Adjustable Clearance Pellet Feed Mill

PENG Fei WANG Hongying KANG Hongbin KONG Dandan

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Small-scale pellet mill has many advantages, such as small mass production, less energy and raw materials consumption and low costs. Recently many researches were focused on the pelleting experiments, but the lack of small-scale pellet feed machine had become a problem of the influence of different formulas and processing conditions on pellet feed quality. To solve the problem, a structure of small-scale pellet mill was designed, which consisted of ring die and its matching components, roller and its matching components, transmission mechanism, etc. The prototype was manufactured and the production experiment was conducted. The adjusting mechanism for the roller was located outside the chamber, so the gap between roller and ring die could be real-timely adjusted when the production was in process. The structure could ensure that the production of pellet feed would be non-stop. Based on elastic-plastic theory and continuum mechanics, the software Abaqus and its built-in Drucker-Prager Cap material model were used for the numerical simulation and analysis of the pelleting process. The simulation results showed that the gap between roller and ring die should be adjusted with the friction coefficient of raw materials; proper increase of raw materials’ friction coefficient could avoid internal sliding and energy consumption, which could help to improve the yield and quality of pellet feed. Some suckling pig feed formula was taken as raw material to be produced, and the performance indicators of the pelleting mill were determined. The experiment results showed that the moisture content was 13.53%, diameter of the pellet feed was 3 mm, pellet durability index was 94.34%, hardness of pellet feed was 176.03 N, and productivity of the pelleting mill was about 42 kg/h. All the indexes met the design requirements, which could meet the production need of small-scale pellet mill. The design of the pelleting mill and experiment research provided reference for the pelleting technology and development of the similar equipments.

small-scale feed pellet mill; adjustable clearance; numerical simulation; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.013

2016-08-10

2016-08-29

公益性行業(農業)科研專項(201203015)

彭飛(1989—)，男，博士生，主要從事飼料加工裝備研究，E-mail： feipeng2012zhn@163.com

王紅英(1966—)，女，教授，博士生導師，主要從事飼料加工工藝與裝備研究，E-mail： hongyingw@cau.edu.cn

S817.12+4

A

1000-1298(2017)04-0103-08