環模顆粒機廣泛應用於飼料、製藥、新能源等技術領域。在飼料加工領域，環模顆粒機是飼料機械的四大主機之一，具有成型率高、提高動物生長性能等一係列優點；在製藥領域，可以降低原料損耗、提高吸收率；在新能源技術領域，環模顆粒機可將秸稈、木屑等生物質原料製成生物質顆粒燃料，實現高效燃燒、低汙染排放，大力促進可再生能源的合理應用。
國內外學者針對環模顆粒機的顆粒機理、質量、能耗、效率等問題開展了一係列研究。在國外，JensI3-4]建立了物料通過模孔時的擠壓壓強模型，並進行了試驗驗證；Blatik對製粒過程進行了優化與控製研究，研究在保證加工質量的前提下如何提高加工效率；Tabj研究了工藝條件與製粒質量之間的關係，建立了能耗與顆粒耐久性之間的關係模型；Rolfe則指出隨環模轉速的增高，擠壓力會減小，但是比機械能會增加；A．Mehrdad研究了鋸屑製粒成形過程，指出通過優化工藝可以在比較低的能耗下獲得高質量的顆粒；L.rOrbj將近紅外技術應用於顆粒實時濕度檢測及能耗計算；N.P. Nielsen研究了鋸屑纖維方向對製粒特性的影響，結果表明具有橫向纖維方向的鋸屑製粒能量更低。在國內，曹康對製粒的機理、工藝進行了比較詳細、全麵的論述，對擠壓區的受力狀況進行了力學分析；吳勁鋒c121對不同粒度苜蓿草粉進行了製粒過程模擬試驗，得出了製粒擠出力與粒度、密度之間的關係；李在峰研究指出，玉米秸稈顆粒成型時電耗主要集中在粉碎與製粒2個工藝中，而製粒電耗又是粉碎電耗的2倍，且顆粒密度對成型時的電耗有較大影響；白衛進行了3種秸稈顆粒冷態壓縮成型的開式實驗研究，研究表明在壓緊階段物料主要發生了塑性變形，且擠壓力的數學模型為線性方程；何曉峰研究了不同生物質原料粒度、含水率、環模孔長徑比等因素與顆粒成型率及噸料電耗的關係，找出了生物質顆粒燃料的最佳成型條件；此外，田鵬飛對製粒室物料分布與效率之間的關係進行了討論；高星、王紅英對影響顆粒機生產效率的主要因素進行了分析。
以上國內外研究並未建立係統的環模受力與物料特性、顆粒機結構參數之間的關係模型。本文將在已有成果基礎上，分析環模顆粒機擠壓成形過程與原理；研究環模係統擠壓過程力學模型；研究壓緊區受力狀況，推導最大物料擠壓高度以及最大扭矩的計算公式；詳細分析物料特性及顆粒機結構參數對環模扭矩的影響規律。
1、成形過程分析
環模顆粒機的工作過程如下：環模（壓模）在電機驅動下以一定的轉速順時針旋轉，調質後的物料由導料機構送入環模與壓輥間的工作區（如圖1），壓輥借助工作區內環模與物料、壓輥與物料間的摩擦力作用開始順時針旋轉。隨著環模與壓輥的旋轉，攝入的物料被擠壓、壓ya緊jin，當dang擠ji壓ya力li增zeng大da到dao足zu以yi克ke服fu模mo孔kong內nei物wu料liao與yu內nei壁bi的de摩mo擦ca力li時shi，物wu料liao就jiu被bei擠ji壓ya進jin模mo孔kong。隨sui模mo輥gun不bu斷duan旋xuan轉zhuan，環huan模mo孔kong內nei的de物wu料liao連lian續xu擠ji出chu，經jing切qie刀dao切qie斷duan，形xing成cheng圓yuan柱zhu狀zhuang顆ke粒li料liao。
根據物料在擠壓過程中的不同狀態將物料劃分為3個區，即供料區、變形壓緊區和擠壓成形。
1)供料區：物料在環模、壓輥摩擦力及離心力的影響下隨環模、壓輥旋轉方向運動，此時物料密度比較小。
2)變形壓緊區：隨著模、輥的旋轉，物料進入壓緊區，由於模、輥空間的減小，粉粒體間空隙逐步減小，粉粒體之間接觸表麵積增大，物料逐漸被壓實，物料產生不可逆的變形，密度逐漸增加。
3)擠壓成形區：在擠壓區內，模輥間隙急劇減小，擠壓力急劇增大，物料密度進一步增大，並在壓力作用下進入模孔，直至從孔中擠出。
2、擠壓過程力學模型
如圖2所示，物料在擠壓區與變形壓緊區受力是不同的，下麵分別分析。
擠壓區壓強與模孔壓強相關。模孔距出口任意位置處的擠壓壓強Px的計算表達式如下（如圖3所示）
設模孔長度為L (mm)，則擠壓區內環模內表麵（進料口）各位置處受到的壓力都應該與物料在長度為L的模孔內運動時必須克服的摩擦阻力相等，所以擠壓區內環模內表麵不同位置的壓強基本相等，均可以x=L代入式(1)計算，這樣擠壓區內環模內表麵擠壓壓強可表示為
擠壓區內，物料的壓強應足夠大，可推動環模孔內的物料向下運動；erzaibianxingyajinqu，wuliaodeyaqiangzhubuzengjia，haibuzuyikefuwuliaoyumokongdemocazuli，qizhongkaojinjiyaqudeweizhiqiyaqiangyujiyaqujibenxiangtong，erkaojingongliaoqudeweizhiqiyaqiangjiejinyu0。設變形壓緊區內壓強呈線性變化，則環模內表麵的受力狀態示意圖如圖4。
2)摩擦係數的影響
結構參數取值同前，計算泊鬆比為0,3，摩擦係數從
0.1到0.6變化時相對扭矩的變化情況，計算結果如圖6。
從圖5、圖6可以看出，隨物料泊鬆比的增加以及摩擦係數的增加，扭矩均呈現出指數曲線增加趨勢。計算數據表明，當泊鬆比由0.1增加到0.6時，扭矩增加了96倍，而當摩擦係數由O.l增加到0.6時，扭矩增加了3 000多倍，可見摩擦係數對扭矩的影響更明顯。以上分析表明物料特性對製粒能耗的影響很大。
3.2結構參數的影響
1)模孔長徑比的影響
計算環模孔徑長度從36到67.5 mm之間變化（長徑比由8到15之間變化）時的扭矩變化情況，其他參數取值同3.1。計算結果如圖7。
從(cong)計(ji)算(suan)結(jie)果(guo)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，隨(sui)模(mo)孔(kong)長(chang)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)，扭(niu)矩(ju)增(zeng)加(jia)並(bing)不(bu)呈(cheng)現(xian)出(chu)線(xian)性(xing)關(guan)係(xi)，而(er)是(shi)呈(cheng)現(xian)出(chu)指(zhi)數(shu)曲(qu)線(xian)增(zeng)長(chang)趨(qu)勢(shi)，所(suo)以(yi)在(zai)設(she)計(ji)顆(ke)粒(li)機(ji)時(shi)必(bi)須(xu)根(gen)據(ju)其(qi)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)分(fen)析(xi)其(qi)扭(niu)矩(ju)及(ji)能(neng)耗(hao)，進(jin)而(er)配(pei)置(zhi)合(he)適(shi)的(de)電(dian)機(ji)；同時，在滿足質量的前提下應盡可能縮短模孔長度以降低長徑比，從而減小扭矩、降低能耗。
2)壓輥直徑的影響
環模直徑一定(350 mm)，物料擠壓高度相同（以7 mm為例）時，不同壓輥直徑(140，145，150，155，160，165 mm)下的相對扭矩計算結果如圖8。
環模直徑一定（350 mm），不同壓輥直徑下(140，145，150，155，I60，165 mm)的最大產量及最大扭矩計算結果如圖9。
從圖8可以看出，當環模直徑一定，且產量（擠壓高度）相同的情況下，增大壓輥直徑反而會增加扭矩，最終增加能耗。
而圖9計(ji)算(suan)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，當(dang)環(huan)模(mo)直(zhi)徑(jing)一(yi)定(ding)時(shi)，隨(sui)壓(ya)輥(gun)直(zhi)徑(jing)增(zeng)加(jia)，其(qi)最(zui)大(da)產(chan)量(liang)將(jiang)增(zeng)加(jia)，但(dan)對(dui)應(ying)的(de)最(zui)大(da)扭(niu)矩(ju)也(ye)將(jiang)增(zeng)加(jia)，扭(niu)矩(ju)增(zeng)加(jia)的(de)幅(fu)度(du)高(gao)於(yu)產(chan)量(liang)增(zeng)加(jia)的(de)幅(fu)度(du)，所(suo)以(yi)能(neng)耗(hao)會(hui)有(you)所(suo)提(ti)高(gao)，但(dan)提(ti)高(gao)的(de)幅(fu)度(du)較(jiao)小(xiao)，所(suo)以(yi)從(cong)提(ti)高(gao)產(chan)量(liang)的(de)角(jiao)度(du)講(jiang)增(zeng)大(da)壓(ya)輥(gun)直(zhi)徑(jing)是(shi)有(you)利(li)的(de)。當(dang)然(ran)，以(yi)上(shang)分(fen)析(xi)是(shi)建(jian)立(li)在(zai)電(dian)機(ji)功(gong)率(lv)足(zu)夠(gou)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)。加(jia)工(gong)某(mou)種(zhong)物(wu)料(liao)時(shi)，如(ru)果(guo)在(zai)現(xian)有(you)壓(ya)輥(gun)直(zhi)徑(jing)條(tiao)件(jian)下(xia)電(dian)機(ji)已(yi)經(jing)滿(man)載(zai)，則(ze)增(zeng)大(da)壓(ya)輥(gun)直(zhi)徑(jing)反(fan)而(er)會(hui)降(jiang)低(di)產(chan)量(liang)；如果此時物料擠壓高度未達到最大值，則減小壓輥直徑會更加有利，可以在保證產量的前提下降低能耗。
3)環模、壓輥同比變化時的影響
計算環模直徑與壓輥直徑同比變化時最大產量及最大扭矩。壓輥與環模直徑取值如表2，計算結果如圖10。
從計算結果可以明顯看出，當環模、壓ya輥gun直zhi徑jing同tong時shi增zeng大da時shi，最zui大da產chan量liang增zeng加jia很hen快kuai，最zui大da扭niu矩ju雖sui然ran也ye在zai增zeng長chang，但dan是shi增zeng加jia的de幅fu度du很hen小xiao。可ke見jian，采cai用yong大da尺chi寸cun的de環huan模mo顆ke粒li機ji不bu僅jin可ke以yi提ti高gao產chan量liang，同tong時shi還hai可ke以yi降jiang低di能neng耗hao。
4、結論
本文對環模係統的受力狀況進行了研究，建立了環模扭矩力學模型，以建立的模型為基礎進行了分析計算，主要結論如下：
1)物料特性對製粒能耗的影響很大。隨物料泊鬆比增加及摩擦係數增加，環模扭矩呈指數曲線增加趨勢。
2)隨模孔長度增加（壓縮比增加），環模扭矩也呈指數曲線增加趨勢，從降低能耗角度出發，在保證質量的前提下，應盡可能縮短模孔長度（壓縮比）。
3)在(zai)環(huan)模(mo)直(zhi)徑(jing)一(yi)定(ding)時(shi)，增(zeng)大(da)壓(ya)輥(gun)直(zhi)徑(jing)反(fan)而(er)會(hui)增(zeng)加(jia)扭(niu)矩(ju)，增(zeng)加(jia)能(neng)耗(hao)。但(dan)當(dang)電(dian)機(ji)功(gong)率(lv)足(zu)夠(gou)時(shi)，隨(sui)壓(ya)輥(gun)直(zhi)徑(jing)增(zeng)加(jia)，最(zui)大(da)產(chan)量(liang)也(ye)在(zai)增(zeng)加(jia)，且(qie)產(chan)量(liang)增(zeng)加(jia)的(de)幅(fu)度(du)與(yu)扭(niu)矩(ju)增(zeng)加(jia)的(de)幅(fu)度(du)差(cha)異(yi)不(bu)大(da)，所(suo)以(yi)從(cong)提(ti)高(gao)產(chan)量(liang)角(jiao)度(du)出(chu)發(fa)可(ke)以(yi)選(xuan)取(qu)較(jiao)大(da)的(de)壓(ya)輥(gun)；而在電機已經滿載的情況下，則減小壓輥直徑會更加有利，可以在保證產量的前提下降低能耗。
4)環模、壓輥直徑同時增大時，能耗增加的幅度遠小於產量增加的幅度，所以采用大尺寸的環模顆粒機是非常有利的，不僅可以提高產量，同時還可以降低能耗。
