颗粒机环模设计及应用---方孔不锈钢环模

溧阳市汇达机械有限公司    蒋希霖 朱建东

环模颗粒机广泛应用于饲料的加工、秸杆木屑等生物质能的颗粒成型、复合肥的生产、万寿菊颗粒压制、石油及塑料粒子的生产中。不同物料选用不同的制粒机，但其核心部份是制粒机环模。它对提高产品品质和产量，降低能耗（制粒能耗占整个车间总能耗30％-35％），减少生产成本（环模损耗一项费用占整个生产车间的维修费25％-30％以上）等方面影响*。一般玉米为主的饲料生产中约占到1-1.5元/吨左右，在秸杆木屑等纤维状物料的生产中约占到18-48元/吨料；同时也是制粒机zui易磨损的零件之一，因此，了解环模的设计及应用，并对环模进行正确的选用、合理的使用以及有效的保养，对于饲料生产者来说是至关重要的。下面对环模的设计及其选用、使用和保养作些浅析，以供大家参考。

１环模直径和环模有效压制宽度等参数的确定

a、环模直径和有效宽度是环模的主要参数：

首先根据国内外制粒机参数及优先数列确定环模直径系列：250、300、320、350、400、420、508、558、678、768等;相对功率为15、22、37、55、75/90、90/110、132/160、180/200、220/250、280/315;根据等有效压制面积等功率之比值（一般14～22cm2/kW）,确定环模有效宽度（有效宽度是指环模中间与压棍接触部份）。另外很多国内制粒机是吸收*，所以也有不少环模直径采用英制尺寸或近似值，如：SZLH3016环模直径16英寸（406,407）、SZLH3020环模直径20英寸（508）、SZLH3022环模直径22英寸（558）、SZLH7726环模直径26英寸（660）、304环模等。

b、环模的转速的确定

环模转速与机器本身的几何参数（压辊个数、模孔直径、深度等）相关。根据资料和多年来国内制粒机的技术参数及对国外样机的数据检测,对于采用二个压辊的环模制粒机,以环模内径处线速度（也叫环模线速度）4-8m/s较为合适,它的高低影响到挤压区内的料层厚度及物料通过模孔的时间，进而影响制粒机产量和颗粒质量。线速度过高时，相同产量条件下环模每转产出颗粒少，挤压区内料层薄，轴向料层分布不均匀，有可能使挤压区内的物料形成断层，制粒不连续，制出的颗粒松软，轴向压出颗粒长度不匀，粉料多，而且对于水分含量较高的物料还易打滑，甚至根本不能制粒；较低的环模线速度虽然制出的颗粒质量好，但对产量影响较大。

c、 压辊直径的确定

颗粒形成的基本原理如图。它是通过环模和压辊之间相互的挤压力，克服物料通过模孔的阻力，从而达到制粒的目的。（挤压原理图见图一）

相同环模下，压棍直径越大，环模和压棍之间型成的三角挤压范围越大，越利于挤压作用。理论上单辊的压辊直径可做得zui大，挤压时间，挤出效果应，但在机器运转时，压辊和压模之间的作用力在主轴、主轴轴承、空轴等之间传递，所以单辊制粒机的主轴、主轴轴承、空轴等机械结构粗大，只在小型实验室制粒机及难于制粒的大型秸杆压块机中运用。双压辊制粒机的两只压辊之间挤压力F1和F2相在主轴头上平衡;压模上的反作用力F1’和F2’相互抵消，设备上的主轴（主轴轴承处）、主轴轴承、空轴上受力小，机械结构小，是实际中使用zui多的机型。根据经验确定压辊外径与压模内径比为0.475,并圆整后确定压辊直径。三辊制粒机三辊之间受力也能平衡，但压辊和压模内径比不高。另外对用于秸杆木屑等纤维状物料的制粒机，压辊之间不平衡力（两挤压力F1-F2之差）须和压模上的反作用力之差（F1’-F2’）通过主轴、主轴轴承、空轴来抵消，所以主轴（主轴轴承处）、主轴轴承、空轴、环模、压棍的结构都要加强。

单辊挤压室：Ｌ为压辊中心和压模中心在挤压力垂直方向上距离；挤压力作用在环模的力Ｆ1’；转速一定条件下，Ｌ＊Ｆ1’正比于输入功率。压辊和压模中心越小，Ｌ越小，挤压力Ｆ1’越大。

另一方面，Ｆ1和Ｆ1’这一对作用力和反作用力必须通过压辊壳、压辊轴承、压辊轴、主轴、主轴轴承、空轴、环模后相平衡。所以F1越大，主轴、主轴轴承、空轴结构必须越大。

这类制粒设备挤压力zui大，压缩区范围大，压缩平稳；挤压区范围大，挤出颗粒质量好，并且回弹量小、挤压室内摩擦功耗小，功率用于挤出作用多。这类制粒机主要用于小型机和秸杆压块机中。

单辊制粒室 

双辊挤压室：Ｌ为两压辊中心在挤压力垂直方向上距离；Ｆ1、Ｆ2分别为两压辊上的挤压力，F1’、F2’为作用在环模上的挤压力（反作用力）；在转速一定下，（Ｆ1 F2）＊L/2正比于输入功率，所以中心越大，Ｌ越大，挤压力越小。

另一方面F1通过压辊外壳、轴承、压辊轴、主轴头和另一对压辊的F2相平衡；F1’通过环模和F2’相平衡，制粒机的主轴（主轴轴承以后）、主轴轴承、空轴等受挤压力影响小。

在挤压秸杆木屑等纤维质物料时F1、F2受力波动大，F1和F2不平衡力（F1-F2）又必须通过主轴、主轴轴承、空轴和环模上的两个反作用力的差相平衡，这类制粒设备振动大，结构上必须加大加粗。

双辊制粒室 

图一、挤压原理图

２ 环模材料和热处理

环模通常由碳素结构钢、合金结构钢和不锈钢经锻压、切削、钻孔、热处理等工序制成。环模所用的材料和每个加工工序对其使用寿命及制粒质量、产量有直接的影响。碳素结构钢主要有45钢，其热处理硬度一般为HRC45~50，其耐磨性和耐腐蚀性都较差，现基本被淘汰；合金钢主要有20CrMnTi材料，它是通过表面渗碳等表面热处理，处理硬度在HRC50以上，并具有良好的综合力学性能，由此类材料制造的环模强度高，耐磨性好于45钢，但缺点是耐腐蚀性不好。虽然单只环模成本较低，但使用时吨料生产成本高于不锈钢环模，现也逐步淘汰；不锈钢材料主要为4Cr13，这些材料的刚度和韧性都较好，热处理是整体焠火，硬度大于HRC50，并具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，使用寿命较长，吨料环模费用zui低。下面就4Cr13材料环模每个加工工序对其质量影响说明：

a、环模材料成份

对于４Cr13材料的环模，其质量源头必须从钢锭开始：4Cr13钢环模化学成分 （质量分数%）为:Ｃ含量≤0.36～0.45,Ｃr含量12～14,Si含量≤0.60,Ｍn含量≤0.80,S含量≤0.03,Ｐ含量≤0.035；在实际使用中含Cr量12%左右的环模使用寿命比含Ｃr量14%的环模在其它处理相同的条件下，其使用寿命减小1/3以上；所以环模质量的源头是从钢淀开始，不仅要确保Cr含量13%以上，还要求大小形状等符合锻造。

b、环模锻打质量

对于４Cr13材料的环模锻造工艺要求为加热温度和时间合适,常见环模锻造问题是：

１）、加热温度过高和时间过长,锻坯呈黄白色,估计温度超过1200℃,此时锻坯易出现表层过烧,整体过热,组织粗大晶粒不均匀现象;

２）、炉温均匀性差。加热过程中因温度不均匀使锻件过热或局部过烧造成晶粒粗大、锻坯的均质性差。锻件尺寸越大 ,这种现象就越严重。在随后的热处理工艺中难以消除这种缺陷 ,也是造成环模开裂的常见原因。

３）、由于铸锭中存在如偏析、非金属夹杂物、疏松等缺陷 ,所以要通过锻造变形来改善和消除 ,这是锻件达到良好综合力学性能的基础。对于纵向横向性能要求较高的锻件，应当采用良好的组合锻造工艺，单一的锻打工艺难以保证质量。

４）、锻后冷却温度、速度控制不好，如果冷却速度非常缓慢 ,容易发生奥氏体再结晶 ,已经被锻造中细化的晶粒会发生异常长大造成混晶，

５）、退火处理：应对环模毛坯的硬度加以控制，其硬度在HB170~220之间为宜，如果硬度过高，钻孔时钻头易断裂，并造成死孔，硬度过低则影响模孔的光洁度。

c、热处理对环模质量的影响

4Cr13材料采用整体淬火工艺，淬火是把金属成材或零件加热到相变温度以上，保温后，使Ｃr合物溶于组织中，以大于临界冷却速度的急剧冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。淬火是为了得到马氏体组织，再经回火后，使工件获得良好的使用性能，以充分发挥材料的潜力。制孔后环模应在真空炉中加热粹火。经真空热处理的环模,能有效地保证模孔的光滑度（避免了模孔的氧化）。在圆周方向三等分处的每个部位，取不少于3点测硬度平均值，其各部位的硬度值之差应不大于HRC4。

３、环模孔结构、压缩比、粗糙度及环模模孔加工设备

常见的环模模孔主要有直孔、带减压孔、外锥形孔和内锥形孔等。带减压孔又称释放孔，如图２所示，不同的模孔形式适合不同种类的饲料原料或不同的饲料配方。同一环模中，越程槽边上的直孔长度L与环模中心部位的直孔长度L也都不一样。在压棍对压模的压力和阻力一样下，越程槽边的物料容易挤出越程槽，而不进入模孔。所以一般在越程槽边上两排带有减压孔（或减压孔长度M大于环模中心的模孔的M），并且*排减压孔长度M大于第二排，使各模孔出料量*。模孔主要参数有：

d----模孔直径、T----环模厚度、L----模孔有效厚度、M----减压孔长度、a----模孔中心距、t----模孔间壁厚、D----环模直径、E----环模有效宽度、

图二、模孔图

a、环模模孔各参数的作用与含义

环模压缩比I=L/d，它是反映颗粒饲料挤压强度的一个指标。压缩比越大，挤出的颗粒饲料越结实。所以环模模孔d确定，饲料配方确定，即环模压缩比I一定条件下，环模的有效厚度L=I＊d就确定了。

T为环模厚度，它的zui小值T1和环模受力有关，压棍对环模的挤压力越大，环模zui小厚度T1越大。当模孔有效厚度L<T1时，为保证环模强度，环模厚度必须T≥T1,所以有一减压孔M=T-L，即带减压孔形环模；当环模有效厚度L≥T1时，一般环模厚度T=L，即直孔形环模;减压孔孔径比模孔直径d大，物料通过减压孔时不产生摩擦力。

导料锥孔：便于物料流入模孔，环模在使用过程中，导料锥孔磨损zui快，使用过程中须对导料锥孔进行修复。

外锥孔环模主要用于秸杆颗粒、木屑生物质颗粒中。模孔磨大时，模孔直径d变大时，模孔的长度L也将变长，保证压缩比I=L/d变化小，确保颗粒的硬度。

环模工作面积、孔的排列和开孔率

1）环模工作面积F=π＊D＊E，环模制粒机的设计功率和环模工作面积成正比，因此功率一定的制粒机，一般环模直径D和环模有效宽度E成反比，在低产量的水产饲料制粒，为保证环模轴向出料均匀，减小环模有效宽度，则增大环模直径D。

2）环模模孔按等边三角形原则排孔。环模开孔率为ψ＝0.9＊（d/a）2=0.9＊[d/（d t）]2,开孔率越高，则出料多。另一方面，模孔间壁厚t越大，则环模强度越大，开孔率越小。对于合金钢环模,采用表面渗碳焠火工艺，则模孔间壁厚t等于2倍渗硬层加中间软层，软层越小，环模越容易开裂，所以要选择合适的壁厚t来保证环模强度和开孔率。从上面的公式可以看出，一般的规律是，模孔直径越大，环模开孔率越高。开孔率越高，出料越通畅,但模孔壁厚t减小了，环模强度减小。所以一定要根据强度确定开孔率大小，挤压力大的草料、秸杆料、木屑等物料环模的开孔率要比饲料环模小一点，保证环模强度，防止环模开裂。

b、粗糙度也是衡量环模质量的重要指标。在同样的压缩比下，粗糙度值越大，饲料挤出阻力越大，出料越困难，过大的粗糙度也影响颗粒表面的质量。合适的粗糙度值为应在0.8~1.6之间。在合适的压缩比下，模孔粗糙度高的新模使用时，必须用带有研磨砂的油性料研磨30分钟以上使用，但是采用表面硬化处理的合金钢环模，易磨掉硬化层，减少环模的使用寿命。现在环模生产制作中，一般在热处理后加一精铰工序，增加环模光洁度，保证环模一次出料。

c、环模模孔加工

图三：环模制孔设备

环模模孔加工设备主要有：多头钻（多工位枪钻）、单头手工钻、单头自动钻等设备，在设备加工过程中主要出现分度不匀和模孔倾斜问题，其中模孔倾斜又分成径向向前倾斜、径向向后倾斜、轴向倾斜三种。（见图四）

图四、不正常钻孔

分度不均，模孔间厚薄不匀，薄的地方容易开裂。模孔轴向倾斜和模孔前倾不利于出料，模孔后倾并与挤压力方向*，将有利于出料。这些缺陷可在制孔机设备上一次性调整好。

1）、单头钻：

单根钻头,当环模模孔倾斜时，倾斜方向*，可通过调整钻座来调整即可。对于单头钻分度不均，有分度头精度产生的不均、有输入转角产生的不均:

（1）、手工单头钻钻φ2.5（圆周上两孔间隔上4.654mm）模孔分度时，输入一转360度时，如果zui大手工误差在±5度计算，两孔在圆上的间隔zui大误差4.654＊10/360=0.129mm，则两孔间隔4.525≤a≤4.783mm,两孔间壁厚2.025≤t≤2.283mm，产生薄厚误差率0.129/2.154=6%。分度头减速比（一般360左右）越大，误差越小。

（2）、自动单头钻，输入分度由步进电机控制，误差小于手工的1%以上，对两孔分度不均无影响。

（3）、分度头精度自身精度，标准分度头，一般精度高。

2）、多头钻：多根钻头钻同一只环模，

（1）、每只钻头同样有分度不均匀和模孔倾斜问题，误差情况同单头钻。

（2）、多头钻的分度头一般自制（齿盘蕀轮机构）,分度盘直径为270mm，分度盘上产生0.05mm误差，则在400mm直径的环模上产生0.074mm的误差（误差放大了）。

（3）、两只钻头之间的角度误差。多头钻安装时，两只钻头安装角度不可能达理论值，它们之间的角度误差直接反映在它们钻出的孔的分度上。如误差15’,则在400mm直径的环模上孔壁厚度误差达：0.872mm;对于φ2.5（圆周上两孔间隔上4.654mm）模孔，产生薄厚误差率0.872/2.154=40%。远大于手工单头钻。

3）、方孔不锈钢环模钻头组件：

有小钻床改造和高速自动钻，高速自动钻转速快、进给量小，转孔质量好孔光洁度好，小钻床改造的有手工钻和改加步进电机的自动钻，改加步进电机的自动钻的进给量、排屑、进给深度等因素都自动控制，制造环模质量好。

所以多头钻钻孔壁厚误差因素远比单头钻要复杂。钻头组件安装精度差的，可能比手工钻要差多；自动钻比手工钻质量好。

4、环模安装方式（见图五）<