第三章  環模顆粒機關鍵部件的分析與優化
3.1環模與壓輥的直徑
    從第二章分析可以看出顆粒機的環模和壓輥的尺寸與物料壓入的高度間的關系非常復雜，而這幾個參數是確定顆粒機產量的關鍵參數。
    以環模直徑為460為例，分別計算攫取角在30度、36度、45度、60度下輥徑模徑比與物料高度H之間的系，繪制曲線如下圖：

    可以看出：
    (1)物料高度H隨輥徑模徑比的增大而增大，但不呈現出線性關系。輥徑模徑比越大，物料高度H增加的速度越快，所以，在一定范圍內盡可能提高壓輥直徑是增加生產率的最有效手段。但是，當輥徑模徑比超過一定值后，再增加壓輥直徑，生產率將不會提高。在上例中，當攫取角在30度、36度、45度、60度時，對應的最大輥徑模徑比分別為0.65，0.62，0.58，0.53。所以，若開發大小輥顆粒機，大輥直徑不能超越該臨界值。
    (2)攫取角越大，曲線越陡。這表明針對不同的物料，物料高度H隨輥徑模徑比增大而增大的敏感度不一樣。攫取角越大越敏感。
    前面的分析是以環模直徑為460mm進行分析的，從中可以看出壓輥與環模的尺寸關系比較復雜，為了能夠全面了解壓輥與環模的尺寸與壓入物料之間關系，根據約束條件進行計算，得到圖3-2所示的曲線。
    圖3-2中，橫坐標為環模內孔的半徑，縱坐標為壓輥的半徑，圖中的曲線為壓入物料高度^的等高線。可以看出：
    環模的內徑一定時，壓輥的直徑增大壓入的物料增加，但是增大到一定程度，
隨壓輥的半徑增加壓入的物料反而減少；
如果壓輥的直徑一定，增大環模的尺寸對物料的壓入量影響不大；
大尺寸的環模和壓輥可以較大地提高產量；
相同的壓輥和環模，p角越大，物料壓入量越多。

   可以看出，顆粒機生產率與其他參數之間的關系。但其中由于壓輥數目同模輥直徑比有相互制約關系，因此z的增加不一定在任何情況下都能使生產率提高，而要通過計算來確定。以MUZL420T為例：兩輥時環模內徑為460，壓輥直徑216;三輥時環模內徑為460，壓輥直徑205，設攫取角為30度，代入公式進行計算，可以得到采用三輥的生產效率是兩輥的1.36倍。對不同攫取角下生產率的比值進行計算，得到圖3-3。可以看出，隨攫取角的增大，三輥與兩輥的生產率比值也越大，三輥優勢也更加明顯。

  下面分析采用大小壓輥對生產率的影響。仍以MUZL420T為例，大小輥的直徑取值如表3-1。

   如上表所示，大小輥直徑和保持一定，取7種組合進行生產率對比分析，分析結果如圖3-4～圖3-8。從圖中可以看出，無論攫取角多大，大小輥組合情況下的生產率比兩輥直徑相同情況下的生產率高都高。攫取角為30度時由于大小輥直徑差可以取得更大，所以生產率提高更多，由圖3-4可知，最大可以提高1.4倍。隨攫取角增大，允許的大小輥直徑差減少，生產率的提高受到限制，40度時提高1.17倍，50度時提高1.11倍，60度時提高1.05倍。但是，在相同的大小輥直徑組合下，攫取角大時生產率的提高更顯著，見圖3-8。綜上所述，當攫取角比較小時，采用大小輥組合可以有效地提高生產率。

3.2壓輥和環模之間的載荷
    壓輥和環模之間的載荷分析對壓輥和環模的結構設計具有很好的指導意義，同時通過對壓輥和環模之問的載荷分析也有利于分析壓輥和環模的磨損情況。首先，壓輥和環模的強度和剛度計算需要知道兩者之間的載荷，知道載荷后才能確定環模的厚度、壓輥的大小；再者，物料壓入的多少有與載荷有關，物料壓入多，壓輥和環模之間的載荷大，壓輥和環模的的磨損也就越嚴重，反之，物料壓入少，壓輥和環模之間的載荷小，磨損少，因此壓輥和環模之間的載荷與環模和壓輥的磨損有關，磨損又與壓輥和環模的壽命有關。
    環模和壓輥是比較昂貴的易損件，其使用壽命是評價環模顆粒機性能的重要指標。怎樣減少和改善環模和壓輥的磨損，延長他們的使用壽命，降低生產成本，是研究顆粒機的核心內容。通過前面的分析，壓輥和環模的壽命與它們間的載荷有密切關系。
    根據前面的分析，我們知道制粒的過程是物料被卷入、壓緊，最后從環模上的模孔被擠出，因此在環模圓周方向，環模與壓輥的間距越大，物料壓力程度越小，載荷也就越小。反之，環模與壓輥的間距越小，物料壓力程度越大，載荷也就越大。
    為了定性分析壓輥和環模的載荷，建立環模的模型，并施加非均勻載荷，如圖2. 25所示，所加載荷的函數是
F= kx
    通過施加約束，并進行網格劃分，得到環模的有限元模型，如圖3-9所示，通過求解，得到環模在載荷作用下的應力分布圖（圖3-10）和位移變化圖（圖3-11）。
    從圖3-12可以看出，在這樣的載荷作用下，環模外側的位移變化比較大，這說明如果物料在環模軸線方向的均勻的話，環模里側的磨損最大，環模外側的磨損最小。下面來對此作詳細的分析。
    如果在環模軸線方向卷入的物料均勻，按理是磨損均勻，但是考慮到環模實際上是懸臂梁的結構形式，環模外側的變形大，因此環模和壓輥的間距會比沒有工作時大一些，這樣物料就沒有里側的物料緊一些，所以磨損小一些。按照這樣的分析，環模的磨損曲線應該是如圖3-13所示。因此物料在環模軸線方向均勻卷入的話，里側反而磨損嚴重。
 
    上面的分析是基于載荷在環模軸線方向是均勻這一假設分析得到的結論，實際的載荷情況應該根據磨損的情況反過來分析。圖3-14即為壓輥的實際磨損照片，環模與壓輥磨損曲線如圖3-15。
 
  從實際磨損情況看，沿軸向方向，壓輥與環模兩端的磨損明顯大于中間部位，且兩端的磨損基本對稱（后端更長、更平滑、角度更小）。結合前面受力分析，得出如下結論：
    (1)沿軸向方向，物料在壓輥與環模之rBJ分布不均勻：
    (2)沿軸向方向，外側分布的物料較內側多；
    (3)沿軸向方向，中間分布的物料較兩側少；
    (4)為了使磨損更均勻，可以通過控制物料的分布來實現。
3.3本章小結
   本章主要工作總結如下：
    (1)對環模與壓輥的直徑進行了優化，分析了三輥顆粒機及大小輥顆粒機的優勢；
    (2)建立了壓輥有限元模型，并進行了受力分析，以此為基礎對壓輥的磨損狀況進行了研究，并與實際的磨損情況進行了對比，驗證了分析的正確性。