颗粒机环模设计及应用  CPM3020制粒机用环模

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）、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）

图五：环模安装方式图

目现市场上环模安装方式主要有：螺栓联接安装、锥面联接安装和抱箍联接安装。

螺栓联接安装方式简单，环模不易倾斜，但同心度不好及环模螺栓孔和空轴传动轮上的螺栓孔位置度不相配时，安装后可能单只螺栓受力时，螺栓容易断，选用环模时要求供应商保证螺孔的位置度，并且要求用转模钻孔。

锥面联接安装的环模定心性能好，传递扭矩大，环模固定螺栓不易剪断，但使用中螺栓松动，传动轮上的锥面磨损后，必须通知供应商环模上的锥面的大小头直径都放大一点，环模制作不能标准化。

抱箍联接安装具有锥面联接的定心性能好，传递扭矩大等优良性能，是一种轴向锥面联接方式；环模使用中挤压力大，抱箍型联接是对环模很好的加强，但整体抱箍在热处理时抱箍根部应力大，环模容易开裂。改成热压镶箍工艺后，热处理时环模内应力小，热处理后环模热压加箍，环模内生产预压应力，和压辊对环模的挤压应力相抵消。箍材料为碳钢，可降低不锈钢材料成本。是一种较好的联接方式。

5 环模的选用

不同厂家生产的环模其安装方式、尺寸都不一样。在实际使用中，用户必须根据颗粒机厂名去选用。

碳钢环模基本淘汰，20CrMoTi合金钢材料价格低一点，但使用性能和使用寿命比4Cr13不锈钢环模差，吨料价格也比不锈钢高一点，特别用在鱼饲料、万寿菊颗粒、木屑颗粒、秸杆颗粒等的吨料环模价格比不锈钢高得多。如SZLH350制粒机环模用在万寿菊颗粒生产中，合金钢环模使用寿命为400吨，吨料环模价格为5.9元；不锈钢环模使用寿命约800-900吨左右，吨料环模价格为4.8-4.3元。并且不锈钢使用性能比合金钢好，使用过不锈钢环模的制粒工一般不会再去用合金钢环模。

同样4Cr13材料Cr含量在12-14%之间，但使用中发现含Cr量在12%的环模使用寿命比含Cr量13.5%以上的环模寿命低25%左右。选用时须看看环模制造商坯料是不是整炉进货及进货质量。

关于制孔设备，手工钻分度输入误差大，高减速比的分度机构也能保证分度的精度，但钻孔速度控制不好，模孔粗糙度差；自动单头钻有高的分度精度、严格控制的钻削速度和排屑机制，模孔质量好；双头或多头自动钻，模孔质量好，但分度精度和孔间壁厚均匀性受设备安装精度影响大。

关于环模价格：环模价格分成坯料价格、金加工价格、制孔价格、热处理价格、精铰处理价格、管理费用、利润。不同生产厂同一种材料坯料价格基本一样，环模厚度45以下基本一样，大孔径环模环模厚度大于45mm要加材料费；金加工中产生的铁屑可以抵消金加工费用；制孔费和孔多少有关，小孔径环模模孔多，制孔费要高一点；热处理价格按环模重量计，各厂家基本一样；精铰处理价格和环模上孔数有关，小孔径环模孔多，价格高一点；管理费用，厂越大、环模做得越多，管理费用越低；对于利润，各厂家各不一样，有的利润比环模成本高1-4倍，有的做的比较合理。

正确选用合适的模孔压缩比。压缩比大的环模，其形成的颗粒密度大，表面光洁。反之，会造成产品不够结实，外观松散，亦是造成产品含粉率高的原因之一。模孔大小和压缩比主要根据用户配方和饲料品种来决定的，对于环模压缩比的选用，由于各家配方不一样，采用的原料各异，同时制粒工艺也不同，具体合适的压缩比还要靠各个饲料生产厂家在生产中摸索得到，这里只能根据以往的经验给出一个大致的范围。一般来说，畜禽类饲料宜选用8～13之间的压缩比；鱼类饲料宜选用11～16之间的压缩比；虾类饲料宜选用16～25之间的压缩比；热敏感类饲料宜选用7～9之间的压缩比；牧草和秸秆类饲料宜选用5～7之间的压缩比。使用一只环模后，饲料生产者也可根据饲料的外感来调整下一只环模的孔径、压缩比。

6 环模的使用和环模的保养

正确地调整环模和压辊之间的工作间隙是环模使用的关键。一般来说，环模与压辊之间的间隙在0.1～0.3mm之间为宜（新制粒机开机后压棍在环模带动下“似转非转”状态）。间隙过大则由于环模和压辊之间的挤压力不足以克服物料通过模孔的摩擦力而造成塞机。间隙过小则容易损伤环模及压辊。通常情况下，新压辊和新环模相配宜采用稍大的间隙，旧压辊和旧环模相配宜采用较小的间隙，大孔径的环模宜选用稍大的间隙，小孔径的环模宜选用稍小的间隙，容易制粒的物料宜取大间隙，难以制粒的物料宜取小间隙。对于操作者来说，要有实际的操作经验，对环模间隙能够熟练地进行选择和调整。这一调整工作是比较难以掌握的，它需要靠制粒工通过*的生产实践和认真探索才能熟练掌握。

一只环模可配3-4付压棍壳使用，一般要求新环模要配新压棍使用。压辊跟环模配合前松后紧（因为环模前压辊的料层比后压辊的料层厚）。并要求供应商提供精铰处理后的环模，保证新环模一次性出料，而不需要新购环模在开机前需要用油料进行“洗模”（油料中搀入20%～50%的细砂进行研磨后），以去除模孔中的毛刺。洗模对模孔硬化层有磨损，影响环模使用寿命。

当压辊使用一段时间后，会出现如图这样现象，必定会影响它与环模的配合精度。应该用手砂轮机，把压辊的凸缘部分磨平，以便于压辊和环模的良好配合。

图六：磨损后的压棍修理

原料进制粒机前必须经过初清和磁选处理，减少铁质压入模孔。并要定期查看模孔，看有无堵模现象。及时冲出或钻出被堵模孔。

一个环模使用效果好与坏，除本身工艺质量决定外，要发挥其zui大的生产效率，离不开环模的维护保养。

a、日常维护中当需要更换环模时，应以非腐蚀性油料将原来的饲料挤出，以便再次使用时出料顺畅，并能防止模孔腐蚀。

b、在生产过程中，一个环模必然会有堵塞、磨损、环模导料锥孔发生塑性变形成缩口。这样的环模，如果不进行必要的维护保养，势必造成产量下降，能耗增大，甚至压不出料，出现堵机现象。因此，有上述现象发生时，有必要对环模进行一系列的维护保养工作：钻模（把塞有铁料或已塞死的模孔钻透），磨模（把环模工作面出现有凸凹现象的地方磨平，这主要是物料中含有铁块、铁珠或硬物造成的，用如图七设备修复），修复导料锥孔等。修复时应注意环模工作内表面zui低处应高于越程槽底部2mm，并且修复后仍有压辊偏心轴调节余量，否则环模就应该报废。

磨平工作面　　　　　　　　　　　　　　　修导料锥孔机

图七：CPM3020制粒机用环模修复机

是制粒机的心脏部件，制粒机是颗粒机的心脏部件，认识环模的设计性能，正确的选用、合理的使用和有效的保养，充分发挥制粒机及其环模的性能，从而降低吨料成本，提高生产能力和颗粒质量，为整体提高生产线产量、创造更多的经济效益作贡献。