環(huán)模顆粒機(jī)機(jī)理的研究對提高環(huán)模顆粒機(jī)性能起著至關(guān)重要的作用，但是目前國內(nèi)針對環(huán)模顆粒機(jī)機(jī)理的研究很少，基本屬于空白狀態(tài)。本章將通過物料受力分析、環(huán)�？资芰Ψ治龅冉�立制粒過程基本理論，為顆粒機(jī)性能優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。
一、環(huán)模顆粒機(jī)主要結(jié)構(gòu)
    環(huán)模顆粒機(jī)主要由喂料器、調(diào)質(zhì)器、顆粒制造器、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及潤滑系統(tǒng)組成，（如圖2.1所示）。
    喂料器由電磁調(diào)速電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、絞龍軸及絞龍殼體等組成。調(diào)速電機(jī)是由變頻電機(jī)和減速器組成，它與變頻器配合使用，通過變頻器控制調(diào)速電機(jī)，可改變其輸出轉(zhuǎn)速。喂料絞龍由絞龍殼體、絞龍軸和帶座軸承等組成，由可調(diào)速電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絞龍軸。
    調(diào)質(zhì)器由電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)質(zhì)轉(zhuǎn)子和殼體、加蒸汽口等部分組成。其功能是注入蒸汽，將配合粉狀物料調(diào)質(zhì)到一定的溫度和濕度后送入制粒室制粒。調(diào)質(zhì)器殼體由不銹鋼制成。
    顆粒制粒室主要由主電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)子、環(huán)模、壓輥、刮刀、切刀組件及機(jī)身和門等組成。經(jīng)過調(diào)質(zhì)器調(diào)質(zhì)的粉狀物料，由旋轉(zhuǎn)喂料錐和前板上兩個(gè)偏轉(zhuǎn)刮刀將物料均勻地送入兩個(gè)壓輥與環(huán)模組成的壓制區(qū)，通過環(huán)模和壓輥兩個(gè)相對旋轉(zhuǎn)件對粉狀物料逐漸擠壓而擠入環(huán)模孔中成形，并不斷向外端擠出，并由切刀把成形顆粒切成所需的長度，最后成形顆粒從出料口排出。
    環(huán)模顆粒機(jī)中，環(huán)模和壓輥是最重要的工作部件和磨損部件，其性能和質(zhì)量好壞將直接影響顆粒機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。環(huán)模是一種多孔環(huán)形易損件，薄壁、環(huán)�？拙o密分布、制造和裝配尺寸精度要求高。環(huán)模的結(jié)構(gòu)參數(shù)對制粒過程的影響很大，一個(gè)性能良好的環(huán)模設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到環(huán)模的選材、直徑、壓縮比、環(huán)�？仔螤�、開孔率、環(huán)模厚度、有效長度、模孔的排布方式等因素。同時(shí)，環(huán)模的轉(zhuǎn)速對制粒產(chǎn)量、顆粒成形率也有較大的影響，最佳環(huán)模線速度可以提高環(huán)模顆粒機(jī)生產(chǎn)效率，還能提高制粒質(zhì)量和降低制粒能耗。壓輥由于和環(huán)模的線速度基本相等，且壓輥的直徑僅為環(huán)模內(nèi)徑的0.4-0.47，因此壓輥磨損率是環(huán)模的2.5倍左右。所以，壓輥一般用高碳合金鋼或用與壓模同樣的材料制造。為了增強(qiáng)制粒過程中物料的攫取能力，壓輥表面常采用增加摩擦力和耐磨的措施，通常在輥面沿軸向拉絲或開凹坑，且槽溝不出兩端，以免端部跑料。國外生產(chǎn)的壓輥也有輥面堆焊碳化鎢，這樣既增加了摩擦面，又增加了耐磨性。環(huán)模和壓輥?zhàn)詈猛瑫r(shí)更換，如果環(huán)模和壓輥僅換其一，將加速模輥的磨損。為了減少昂貴的環(huán)模耗用量，常舍輥保模，延長壓模使用壽命。
二、制粒過程分析
    在飼料工業(yè)中，將粉狀飼料原料或粉狀飼料經(jīng)過水、熱調(diào)質(zhì)并通過機(jī)械壓縮且強(qiáng)制通過環(huán)�？锥�聚合成形的過程，稱之為制粒。研究環(huán)模顆粒機(jī)的顆粒機(jī)理即研究顆粒成形的過程。
三、顆粒機(jī)工作原理
    模輥在工作過程中，環(huán)模在電機(jī)主動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下以一定的轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；隨著調(diào)質(zhì)好的物料進(jìn)入制粒室，物料開始被攝入工作區(qū)，壓輥借助工作區(qū)內(nèi)摩擦力的作用也開始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。隨著模輥的旋轉(zhuǎn)，攝入的物料向前移動(dòng)加快，擠壓力和物料的密度逐漸增加。當(dāng)擠壓力增大到足以克服模孔內(nèi)物料與內(nèi)壁的摩擦力時(shí)，具有一定密度和粘結(jié)力的物料就被擠壓進(jìn)環(huán)�？變�(nèi)。由于模輥的不斷旋轉(zhuǎn)，物料不斷被擠壓進(jìn)環(huán)�？�，因此，環(huán)模孔內(nèi)的物料經(jīng)成形后被連續(xù)擠壓出環(huán)模孔，并由切刀切斷，形成顆粒狀飼料。
    如下圖2.2所示，根據(jù)粉狀飼料在被擠壓過程中不同的狀態(tài)，可將其分為3個(gè)區(qū)域，即供料區(qū)、變形壓緊區(qū)和擠壓成形。

    1)供料區(qū)：由于環(huán)模和壓輥形成的楔形角大于物料層的臨界磨擦角，物料層不會(huì)被攫入，而隨著環(huán)模向前移動(dòng)，只是堆積在環(huán)模和壓輥之間，隨著變形壓緊區(qū)內(nèi)物料層的前移，逐步補(bǔ)進(jìn)由環(huán)模和壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不斷形成的新的壓緊區(qū)空間內(nèi)。在供料區(qū)內(nèi)，物料基本不受機(jī)械外力的影響，但由于環(huán)模的旋轉(zhuǎn)，物料會(huì)受到離心力的影響，使得物料緊貼在環(huán)模的內(nèi)壁上。
    2)變形壓緊區(qū)：由環(huán)模和壓輥形成的工作楔形角小于物料層的臨界磨擦角，物料層被帶動(dòng)隨環(huán)模和壓輥的轉(zhuǎn)動(dòng)而同步運(yùn)動(dòng)，向擠壓成形區(qū)移動(dòng)，且隨著變形壓緊區(qū)內(nèi)任一斷面面積在運(yùn)動(dòng)過程中的不斷減小，物料層被逐漸壓緊，物料密度不斷增大，但其內(nèi)部各點(diǎn)的壓強(qiáng)還不足以克服環(huán)�？變�(nèi)壁的磨擦阻力，所以物料層只是不斷被壓縮，但并沒有向環(huán)�？變�(nèi)流動(dòng)。隨著擠壓力的逐漸增大，粉粒體間空隙逐步減小，物料產(chǎn)生不可逆塑性變形。
    3)擠壓成形區(qū)：在擠壓成形區(qū)內(nèi)，環(huán)模和壓輥之間的間隙越來越小，擠壓力急劇增大，粉粒體之間接觸表面積增大，產(chǎn)生較好的粘結(jié)性，并被擠壓進(jìn)環(huán)�？變�(nèi)。此時(shí)的飼料顆粒會(huì)產(chǎn)生彈性變形和塑性變形等組合變形，因此顆粒密實(shí)程度較大。物料被擠壓出環(huán)�？字�后有一定的回彈率，即飼料顆粒的直徑略大于環(huán)模孑L直徑。物料的物理性質(zhì)、環(huán)模的長徑比都會(huì)影響成形飼料顆粒的回彈率。
    從環(huán)模和壓輥工作示意圖2.3中可看出，擠壓力在物料開始被擠壓進(jìn)環(huán)模孔時(shí)達(dá)到最大值，并基本保持到D點(diǎn)。從D點(diǎn)開始卸壓直到F點(diǎn)，擠壓力逐漸降到零。DF段存在擠壓力的原因是經(jīng)過D點(diǎn)的殘余物料在DF段出現(xiàn)膨脹。物料轉(zhuǎn)過F點(diǎn)之后，壓模內(nèi)表面出現(xiàn)經(jīng)膨脹的環(huán)狀粘附層。該粘附層的厚度與模輥間隙、模輥支承結(jié)構(gòu)的剛性及殘余物料的膨脹程度有關(guān)系。環(huán)模和壓輥之間的間隙越大，殘余物料層厚度就越厚，膨脹越甚，粘附層也就會(huì)越厚。

    過環(huán)模圓心O點(diǎn)引一條射線通過擠壓區(qū)臨界點(diǎn)，交環(huán)模和壓輥于A，At兩點(diǎn)，分別作壓輥表面A點(diǎn)的切線和壓模表面Ai點(diǎn)的切線，兩切線相交于C點(diǎn)，LACAi即為模輥對物料的攫入角p。開始攫入物料時(shí)角β大，稱為最大攫入角βmax。當(dāng)某一物料不斷被擠壓的過程中，攫入角β會(huì)從最大逐漸減小，最后變?yōu)榱�。攫取角B實(shí)際上是環(huán)模和壓輥形成的楔形角。物料能被模輥攫入的條件是：βmax小于或等于物料、壓輥之間的摩擦角與物料內(nèi)摩擦角之和。這一條件說明，當(dāng)物料特性一定時(shí)，β越小則物料越容易被攫入，富通新能源同時(shí)生產(chǎn)銷售木屑顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備。