0、引  言
    环模颗粒机广泛应用于饲料、制药、新能源等技术领域。在饲料加工领域，环模颗粒机是饲料机械的四大主机之一，具有成型率高、提高动物生长性能等一系列优点；在制药领域，可以降低原料损耗、提高吸收率；在新能源技术领域，环模颗粒机可将秸秆、木屑等生物质原料制成生物质颗粒燃料，实现高效燃烧、低污染排放，大力促进可再生能源的合理应用。
    国内外学者针对环模颗粒机的颗粒机理、质量、能耗、效率等问题开展了一系列研究。在国外，JensI3-4]建立了物料通过模孔时的挤压压强模型，并进行了试验验证；Blatik对制粒过程进行了优化与控制研究，研究在保证加工质量的前提下如何提高加工效率；Tabj研究了工艺条件与制粒质量之间的关系，建立了能耗与颗粒耐久性之间的关系模型；Rolfe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；A．Mehrdad研究了锯屑制粒成形过程，指出通过优化工艺可以在比较低的能耗下获得高质量的颗粒；L.rOrbj将近红外技术应用于颗粒实时湿度检测及能耗计算；N.P. Nielsen研究了锯屑纤维方向对制粒特性的影响，结果表明具有横向纤维方向的锯屑制粒能量更低。在国内，曹康对制粒的机理、工艺进行了比较详细、全面的论述，对挤压区的受力状况进行了力学分析；吴劲锋c121对不同粒度苜蓿草粉进行了制粒过程模拟试验，得出了制粒挤出力与粒度、密度之间的关系；李在峰研究指出，玉米秸秆颗粒成型时电耗主要集中在粉碎与制粒2个工艺中，而制粒电耗又是粉碎电耗的2倍，且颗粒密度对成型时的电耗有较大影响；白卫进行了3种秸秆颗粒冷态压缩成型的开式实验研究，研究表明在压紧阶段物料主要发生了塑性变形，且挤压力的数学模型为线性方程；何晓峰研究了不同生物质原料粒度、含水率、环模孔长径比等因素与颗粒成型率及吨料电耗的关系，找出了生物质颗粒燃料的最佳成型条件；此外，田鹏飞对制粒室物料分布与效率之间的关系进行了讨论；高星、王红英对影响颗粒机生产效率的主要因素进行了分析。
    以上国内外研究并未建立系统的环模受力与物料特性、颗粒机结构参数之间的关系模型。本文将在已有成果基础上，分析环模颗粒机挤压成形过程与原理；研究环模系统挤压过程力学模型；研究压紧区受力状况，推导最大物料挤压高度以及最大扭矩的计算公式；详细分析物料特性及颗粒机结构参数对环模扭矩的影响规律。
1、成形过程分析
    环模颗粒机的工作过程如下：环模（压模）在电机驱动下以一定的转速顺时针旋转，调质后的物料由导料机构送入环模与压辊间的工作区（如图1），压辊借助工作区内环模与物料、压辊与物料间的摩擦力作用开始顺时针旋转。随着环模与压辊的旋转，摄入的物料被挤压、压紧，当挤压力增大到足以克服模孔内物料与内壁的摩擦力时，物料就被挤压进模孔。随模辊不断旋转，环模孔内的物料连续挤出，经切刀切断，形成圆柱状颗粒料。

    根据物料在挤压过程中的不同状态将物料划分为3个区，即供料区、变形压紧区和挤压成形。
    1)供料区：物料在环模、压辊摩擦力及离心力的影响下随环模、压辊旋转方向运动，此时物料密度比较小。
    2)变形压紧区：随着模、辊的旋转，物料进入压紧区，由于模、辊空间的减小，粉粒体间空隙逐步减小，粉粒体之间接触表面积增大，物料逐渐被压实，物料产生不可逆的变形，密度逐渐增加。
    3)挤压成形区：在挤压区内，模辊间隙急剧减小，挤压力急剧增大，物料密度进一步增大，并在压力作用下进入模孔，直至从孔中挤出。
2、挤压过程力学模型
    如图2所示，物料在挤压区与变形压紧区受力是不同的，下面分别分析。

    挤压区压强与模孔压强相关。模孔距出口任意位置处的挤压压强Px的计算表达式如下（如图3所示）

    设模孔长度为L (mm)，则挤压区内环模内表面（进料口）各位置处受到的压力都应该与物料在长度为L的模孔内运动时必须克服的摩擦阻力相等，所以挤压区内环模内表面不同位置的压强基本相等，均可以x=L代入式(1)计算，这样挤压区内环模内表面挤压压强可表示为


    挤压区内，物料的压强应足够大，可推动环模孔内的物料向下运动；而在变形压紧区，物料的压强逐步增加，还不足以克服物料与模孔的摩擦阻力，其中靠近挤压区的位置其压强与挤压区基本相同，而靠近供料区的位置其压强接近于0。设变形压紧区内压强呈线性变化，则环模内表面的受力状态示意图如图4。

    2)摩擦系数的影响
    结构参数取值同前，计算泊松比为0,3，摩擦系数从
0.1到0.6变化时相对扭矩的变化情况，计算结果如图6。

    从图5、图6可以看出，随物料泊松比的增加以及摩擦系数的增加，扭矩均呈现出指数曲线增加趋势。计算数据表明，当泊松比由0.1增加到0.6时，扭矩增加了96倍，而当摩擦系数由O.l增加到0.6时，扭矩增加了3 000多倍，可见摩擦系数对扭矩的影响更明显。以上分析表明物料特性对制粒能耗的影响很大。
3.2结构参数的影响
    1)模孔长径比的影响
    计算环模孔径长度从36到67.5 mm之间变化（长径比由8到15之间变化）时的扭矩变化情况，其他参数取值同3.1。计算结果如图7。

    从计算结果可以看出，随模孔长度的增加，扭矩增加并不呈现出线性关系，而是呈现出指数曲线增长趋势，所以在设计颗粒机时必须根据其应用场合分析其扭矩及能耗，进而配置合适的电机；同时，在满足质量的前提下应尽可能缩短模孔长度以降低长径比，从而减小扭矩、降低能耗。
    2)压辊直径的影响
    环模直径一定(350 mm)，物料挤压高度相同（以7 mm为例）时，不同压辊直径(140，145，150，155，160，165 mm)下的相对扭矩计算结果如图8。

  环模直径一定（350 mm），不同压辊直径下(140，145，150，155，I60，165 mm)的最大产量及最大扭矩计算结果如图9。

    从图8可以看出，当环模直径一定，且产量（挤压高度）相同的情况下，增大压辊直径反而会增加扭矩，最终增加能耗。
    而图9计算结果表明，当环模直径一定时，随压辊直径增加，其最大产量将增加，但对应的最大扭矩也将增加，扭矩增加的幅度高于产量增加的幅度，所以能耗会有所提高，但提高的幅度较小，所以从提高产量的角度讲增大压辊直径是有利的。当然，以上分析是建立在电机功率足够的基础上。加工某种物料时，如果在现有压辊直径条件下电机已经满载，则增大压辊直径反而会降低产量；如果此时物料挤压高度未达到最大值，则减小压辊直径会更加有利，可以在保证产量的前提下降低能耗。

    3)环模、压辊同比变化时的影响
    计算环模直径与压辊直径同比变化时最大产量及最大扭矩。压辊与环模直径取值如表2，计算结果如图10。
    从计算结果可以明显看出，当环模、压辊直径同时增大时，最大产量增加很快，最大扭矩虽然也在增长，但是增加的幅度很小。可见，采用大尺寸的环模颗粒机不仅可以提高产量，同时还可以降低能耗。
4、结论
    本文对环模系统的受力状况进行了研究，建立了环模扭矩力学模型，以建立的模型为基础进行了分析计算，主要结论如下：
    1)物料特性对制粒能耗的影响很大。随物料泊松比增加及摩擦系数增加，环模扭矩呈指数曲线增加趋势。
    2)随模孔长度增加（压缩比增加），环模扭矩也呈指数曲线增加趋势，从降低能耗角度出发，在保证质量的前提下，应尽可能缩短模孔长度（压缩比）。
    3)在环模直径一定时，增大压辊直径反而会增加扭矩，增加能耗。但当电机功率足够时，随压辊直径增加，最大产量也在增加，且产量增加的幅度与扭矩增加的幅度差异不大，所以从提高产量角度出发可以选取较大的压辊；而在电机已经满载的情况下，则减小压辊直径会更加有利，可以在保证产量的前提下降低能耗。
    4)环模、压辊直径同时增大时，能耗增加的幅度远小于产量增加的幅度，所以采用大尺寸的环模颗粒机是非常有利的，不仅可以提高产量，同时还可以降低能耗。