環(huán)模
制粒機廣泛地應用于飼料工業(yè)、新能源技術和制藥等領域，而環(huán)模和壓輥是其關鍵部件。制粒過程中物料是在環(huán)模和壓輥的強制擠壓作用下通過小孔成形的，因此環(huán)模和壓輥的工作性能直接影響物料的成形率、顆粒質量。國內生產的環(huán)模使用壽命短已是個不爭的事實，環(huán)模的力學性能是影響環(huán)模使用壽命的重要因素，對環(huán)模進行力學分析具有重要意義。
1、成形過程分析
環(huán)模和壓輥是
顆粒機的心臟部件。工作時，環(huán)模由電機帶動旋轉，由于環(huán)模與物料之間的摩擦力和物料與壓輥之間的摩擦力使得壓輥自轉。環(huán)模和壓輥的旋轉使物料被強制擠壓，最后物料成條柱狀從環(huán)模孔擠出，再由裝在環(huán)模外面的固定切刀切成一定長度的顆粒，如圖1所示。
環(huán)模制粒機的顆粒成形過程，是建立在粉粒體間存在間隙的基礎上的。粉料在溫度、摩擦力和擠壓力等綜合因素的作用下，使粉粒體的空隙縮小，形成具有一定密度和強度的顆粒。根據(jù)粉料在擠壓過程中不同的狀態(tài)，將粉料分為3個區(qū)，即供料區(qū)、變形壓緊區(qū)和擠壓成形區(qū)，如圖1所示。(1)供料區(qū)：物料基本不受機械外力的影響，但它受離心力的影響（環(huán)模旋轉），使粉料緊貼在環(huán)模的內圈上。(2)變形壓緊區(qū)：隨著模、輥的旋轉，物料進入壓緊區(qū)，受到模輥的擠壓作用，粉料之間產生相對位移。隨著擠壓力的逐漸增大，粉粒體間空隙逐步減小，物料產生不可逆的變形。(3)擠壓成形區(qū)：在擠壓區(qū)內，模輥間隙較小，擠壓力急劇增大，粉粒體之間接觸表面積增大，產生較好的粘接，并被壓人模孔。
2、擠壓過程力學模型
顯然物料在三個區(qū)域所受的外力不同，進而環(huán)模沿周向所受的作用力也不相同，下面分別對位于三個區(qū)域的環(huán)模內表面受力情況加以分析。
2.1供料區(qū)
物料基本不受機械外力的影響，因此近似認為供料區(qū)環(huán)模不受力。
2.2擠壓成形區(qū)
位于擠壓成形區(qū)的環(huán)模內表面受力情況與模孔入口處受力基本相同，其模孔受力模型，如圖2所示。式中：P -預緊壓強(N/mmz)；v-物料泊松比；r—模孔半徑
環(huán)模內側19.167mm處，環(huán)模內表面所受到的力較大，最大為20.8Mpa。從距環(huán)模內側19.167mm處至環(huán)模外側，環(huán)模內表面所受到的力較小，最小值為6.8Mpa。如圖8所示，在變形壓緊區(qū)，從環(huán)模內側至距環(huán)模內側19,167mm處，環(huán)模內表面所受到的力較大，最大為20,4Mpa。從距環(huán)模內側19.167mm處至環(huán)模外側，環(huán)模內表面所受到的力較小，最小值為8.2Mpa。如圖6、圖8所示，無論在擠壓成形區(qū)還是變形壓緊區(qū)，環(huán)模所受到的應力從里側到外側逐漸減小。如圖7、圖9所示，無論是在擠壓成形區(qū)還是在變形壓緊區(qū)，環(huán)模內表面位移變化均呈線性變化趨勢，環(huán)模外側的位移變化比較大，由受力分析可知，環(huán)模內表面外側受到的擠壓力較小，這將造成環(huán)模里側的磨損較大，環(huán)模外側的磨損較小。
環(huán)模實際磨損照片，如圖10所示，環(huán)模與壓輥的磨損沿軸線方向呈現(xiàn)不規(guī)則磨損，壓輥與環(huán)模的磨損均是兩頭磨損較嚴重，中間磨損較少。
有限元分析結果與實際磨損情況的對比，證實了載荷在環(huán)模軸向方向不是均勻分布的，環(huán)模外側物料較多，造成環(huán)模外側磨損較大。
如圖6、圖8所示，從環(huán)模軸向38.3mm處開始，環(huán)模應力比較穩(wěn)定，不會造成環(huán)模外側磨損比環(huán)模中部磨損大，這說明r物料沿軸向的均勻分布有利于改善環(huán)模的磨損情況。
4.2環(huán)模周向應力與位移分析
如圖11所示，是環(huán)模內表面距環(huán)模內側38.3mm處應力，其橫坐標的周向角度是以環(huán)模的圓心角來計的，00所在的位置是環(huán)模與壓輥距離最近處，然后依次經過擠壓成形區(qū)、變形壓縮區(qū)和送料區(qū)。由于環(huán)模所受到的力沿圓周方向是對稱的，因此做曲線時取了環(huán)模的一半來研究。
因為-1<y<1，所以環(huán)模受到的是非對稱變應力。環(huán)模在變應力的作用下，容易產生疲勞斷裂。在實踐中，疲勞斷裂也正是環(huán)模產生的一種失效形式。
5、結論
對環(huán)模內表面進行了受力模型的建立，應用ANSYS，對環(huán)模進行了有限元分析，分析表明：(1)物料在環(huán)模內表面沿軸向是非均勻分布的，物料在外側分布較多。(2)環(huán)模內側磨損較嚴重的主要原因是環(huán)模是懸臂梁結構；環(huán)模外側磨損較嚴重的主要原因是物料在環(huán)模的外側較多；物料層沿環(huán)模軸向均勻分布有利于改善環(huán)模的磨損情況。(3)疲勞斷裂是環(huán)模的一種失效形式。
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