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顆粒機環模設計及應用----定制420環模

溧陽市匯達機械有限公司    蔣希霖 朱建東

環模顆粒機廣泛應用于飼料的加工、秸桿木屑等生物質能的顆粒成型、復合肥的生產、萬壽菊顆粒壓制、石油及塑料粒子的生產中。不同物料選用不同的制粒機，但其核心部份是制粒機環模。它對提高產品品質和產量，降低能耗（制粒能耗占整個車間總能耗30％-35％），減少生產成本（環模損耗一項費用占整個生產車間的維修費25％-30％以上）等方面影響*。一般玉米為主的飼料生產中約占到1-1.5元/噸左右，在秸桿木屑等纖維狀物料的生產中約占到18-48元/噸料；同時也是制粒機zui易磨損的零件之一，因此，了解環模的設計及應用，并對環模進行正確的選用、合理的使用以及有效的保養，對于飼料生產者來說是至關重要的。下面對環模的設計及其選用、使用和保養作些淺析，以供大家參考。

１環模直徑和環模有效壓制寬度等參數的確定

a、環模直徑和有效寬度是環模的主要參數：

首先根據國內外制粒機參數及優先數列確定環模直徑系列：250、300、320、350、400、420、508、558、678、768等;相對功率為15、22、37、55、75/90、90/110、132/160、180/200、220/250、280/315;根據等有效壓制面積等功率之比值（一般14～22cm2/kW）,確定環模有效寬度（有效寬度是指環模中間與壓棍接觸部份）。另外很多國內制粒機是吸收*，所以也有不少環模直徑采用英制尺寸或近似值，如：SZLH3016環模直徑16英寸（406,407）、SZLH3020環模直徑20英寸（508）、SZLH3022環模直徑22英寸（558）、SZLH7726環模直徑26英寸（660）、304環模等。

b、環模的轉速的確定

環模轉速與機器本身的幾何參數（壓輥個數、模孔直徑、深度等）相關。根據資料和多年來國內制粒機的技術參數及對國外樣機的數據檢測,對于采用二個壓輥的環模制粒機,以環模內徑處線速度（也叫環模線速度）4-8m/s較為合適,它的高低影響到擠壓區內的料層厚度及物料通過模孔的時間，進而影響制粒機產量和顆粒質量。線速度過高時，相同產量條件下環模每轉產出顆粒少，擠壓區內料層薄，軸向料層分布不均勻，有可能使擠壓區內的物料形成斷層，制粒不連續，制出的顆粒松軟，軸向壓出顆粒長度不勻，粉料多，而且對于水分含量較高的物料還易打滑，甚至根本不能制粒；較低的環模線速度雖然制出的顆粒質量好，但對產量影響較大。

c、 壓輥直徑的確定

顆粒形成的基本原理如圖。它是通過環模和壓輥之間相互的擠壓力，克服物料通過模孔的阻力，從而達到制粒的目的。（擠壓原理圖見圖一）

相同環模下，壓棍直徑越大，環模和壓棍之間型成的三角擠壓范圍越大，越利于擠壓作用。理論上單輥的壓輥直徑可做得zui大，擠壓時間，擠出效果應，但在機器運轉時，壓輥和壓模之間的作用力在主軸、主軸軸承、空軸等之間傳遞，所以單輥制粒機的主軸、主軸軸承、空軸等機械結構粗大，只在小型實驗室制粒機及難于制粒的大型秸桿壓塊機中運用。雙壓輥制粒機的兩只壓輥之間擠壓力F1和F2相在主軸頭上平衡;壓模上的反作用力F1’和F2’相互抵消，設備上的主軸（主軸軸承處）、主軸軸承、空軸上受力小，機械結構小，是實際中使用zui多的機型。根據經驗確定壓輥外徑與壓模內徑比為0.475,并圓整后確定壓輥直徑。三輥制粒機三輥之間受力也能平衡，但壓輥和壓模內徑比不高。另外對用于秸桿木屑等纖維狀物料的制粒機，壓輥之間不平衡力（兩擠壓力F1-F2之差）須和壓模上的反作用力之差（F1’-F2’）通過主軸、主軸軸承、空軸來抵消，所以主軸（主軸軸承處）、主軸軸承、空軸、環模、壓棍的結構都要加強。

單輥擠壓室：Ｌ為壓輥中心和壓模中心在擠壓力垂直方向上距離；擠壓力作用在環模的力Ｆ1’；轉速一定條件下，Ｌ＊Ｆ1’正比于輸入功率。壓輥和壓模中心越小，Ｌ越小，擠壓力Ｆ1’越大。

另一方面，Ｆ1和Ｆ1’這一對作用力和反作用力必須通過壓輥殼、壓輥軸承、壓輥軸、主軸、主軸軸承、空軸、環模后相平衡。所以F1越大，主軸、主軸軸承、空軸結構必須越大。

這類制粒設備擠壓力zui大，壓縮區范圍大，壓縮平穩；擠壓區范圍大，擠出顆粒質量好，并且回彈量小、擠壓室內摩擦功耗小，功率用于擠出作用多。這類制粒機主要用于小型機和秸桿壓塊機中。

單輥制粒室

雙輥擠壓室：Ｌ為兩壓輥中心在擠壓力垂直方向上距離；Ｆ1、Ｆ2分別為兩壓輥上的擠壓力，F1’、F2’為作用在環模上的擠壓力（反作用力）；在轉速一定下，（Ｆ1 F2）＊L/2正比于輸入功率，所以中心越大，Ｌ越大，擠壓力越小。

另一方面F1通過壓輥外殼、軸承、壓輥軸、主軸頭和另一對壓輥的F2相平衡；F1’通過環模和F2’相平衡，制粒機的主軸（主軸軸承以后）、主軸軸承、空軸等受擠壓力影響小。

在擠壓秸桿木屑等纖維質物料時F1、F2受力波動大，F1和F2不平衡力（F1-F2）又必須通過主軸、主軸軸承、空軸和環模上的兩個反作用力的差相平衡，這類制粒設備振動大，結構上必須加大加粗。

雙輥制粒室

圖一、擠壓原理圖

２ 環模材料和熱處理

環模通常由碳素結構鋼、合金結構鋼和不銹鋼經鍛壓、切削、鉆孔、熱處理等工序制成。環模所用的材料和每個加工工序對其使用壽命及制粒質量、產量有直接的影響。碳素結構鋼主要有45鋼，其熱處理硬度一般為HRC45~50，其耐磨性和耐腐蝕性都較差，現基本被淘汰；合金鋼主要有20CrMnTi材料，它是通過表面滲碳等表面熱處理，處理硬度在HRC50以上，并具有良好的綜合力學性能，由此類材料制造的環模強度高，耐磨性好于45鋼，但缺點是耐腐蝕性不好。雖然單只環模成本較低，但使用時噸料生產成本高于不銹鋼環模，現也逐步淘汰；不銹鋼材料主要為4Cr13，這些材料的剛度和韌性都較好，熱處理是整體焠火，硬度大于HRC50，并具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，使用壽命較長，噸料環模費用zui低。下面就4Cr13材料環模每個加工工序對其質量影響說明：

a、環模材料成份

對于４Cr13材料的環模，其質量源頭必須從鋼錠開始：4Cr13鋼環模化學成分 （質量分數%）為: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；在實際使用中含Cr量12%左右的環模使用壽命比含Ｃr量14%的環模在其它處理相同的條件下，其使用壽命減小1/3以上；所以環模質量的源頭是從鋼淀開始，不僅要確保Cr含量13%以上，還要求大小形狀等符合鍛造。

b、環模鍛打質量

對于４Cr13材料的環模鍛造工藝要求為加熱溫度和時間合適,常見環模鍛造問題是：

１）、加熱溫度過高和時間過長,鍛坯呈黃白色,估計溫度超過1200℃,此時鍛坯易出現表層過燒,整體過熱,組織粗大晶粒不均勻現象;

２）、爐溫均勻性差。加熱過程中因溫度不均勻使鍛件過熱或局部過燒造成晶粒粗大、鍛坯的均質性差。鍛件尺寸越大 ,這種現象就越嚴重。在隨后的熱處理工藝中難以消除這種缺陷 ,也是造成環模開裂的常見原因。

３）、由于鑄錠中存在如偏析、非金屬夾雜物、疏松等缺陷 ,所以要通過鍛造變形來改善和消除 ,這是鍛件達到良好綜合力學性能的基礎。對于縱向橫向性能要求較高的鍛件，應當采用良好的組合鍛造工藝，單一的鍛打工藝難以保證質量。

４）、鍛后冷卻溫度、速度控制不好，如果冷卻速度非常緩慢 ,容易發生奧氏體再結晶 ,已經被鍛造中細化的晶粒會發生異常長大造成混晶，

５）、退火處理：應對環模毛坯的硬度加以控制，其硬度在HB170~220之間為宜，如果硬度過高，鉆孔時鉆頭易斷裂，并造成死孔，硬度過低則影響模孔的光潔度。

c、熱處理對環模質量的影響

4Cr13材料采用整體淬火工藝，淬火是把金屬成材或零件加熱到相變溫度以上，保溫后，使Ｃr合物溶于組織中，以大于臨界冷卻速度的急劇冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。淬火是為了得到馬氏體組織，再經回火后，使工件獲得良好的使用性能，以充分發揮材料的潛力。制孔后環模應在真空爐中加熱粹火。經真空熱處理的環模,能有效地保證模孔的光滑度（避免了模孔的氧化）。在圓周方向三等分處的每個部位，取不少于3點測硬度平均值，其各部位的硬度值之差應不大于HRC4。

３、環模孔結構、壓縮比、粗糙度及環模模孔加工設備

常見的環模模孔主要有直孔、帶減壓孔、外錐形孔和內錐形孔等。帶減壓孔又稱釋放孔，如圖２所示，不同的模孔形式適合不同種類的飼料原料或不同的飼料配方。同一環模中，越程槽邊上的直孔長度L與環模中心部位的直孔長度L也都不一樣。在壓棍對壓模的壓力和阻力一樣下，越程槽邊的物料容易擠出越程槽，而不進入模孔。所以一般在越程槽邊上兩排帶有減壓孔（或減壓孔長度M大于環模中心的模孔的M），并且*排減壓孔長度M大于第二排，使各模孔出料量*。模孔主要參數有：

d----模孔直徑、T----環模厚度、L----模孔有效厚度、M----減壓孔長度、a----模孔中心距、t----模孔間壁厚、D----環模直徑、E----環模有效寬度、

圖二、模孔圖

a、環模模孔各參數的作用與含義

環模壓縮比I=L/d，它是反映顆粒飼料擠壓強度的一個指標。壓縮比越大，擠出的顆粒飼料越結實。所以環模模孔d確定，飼料配方確定，即環模壓縮比I一定條件下，環模的有效厚度L=I＊d就確定了。

T為環模厚度，它的zui小值T1和環模受力有關，壓棍對環模的擠壓力越大，環模zui小厚度T1越大。當模孔有效厚度L<T1時，為保證環模強度，環模厚度必須T≥T1,所以有一減壓孔M=T-L，即帶減壓孔形環模；當環模有效厚度L≥T1時，一般環模厚度T=L，即直孔形環模;減壓孔孔徑比模孔直徑d大，物料通過減壓孔時不產生摩擦力。

導料錐孔：便于物料流入模孔，環模在使用過程中，導料錐孔磨損zui快，使用過程中須對導料錐孔進行修復。

外錐孔環模主要用于秸桿顆粒、木屑生物質顆粒中。模孔磨大時，模孔直徑d變大時，模孔的長度L也將變長，保證壓縮比I=L/d變化小，確保顆粒的硬度。

環模工作面積、孔的排列和開孔率

1）環模工作面積F=π＊D＊E，環模制粒機的設計功率和環模工作面積成正比，因此功率一定的制粒機，一般環模直徑D和環模有效寬度E成反比，在低產量的水產飼料制粒，為保證環模軸向出料均勻，減小環模有效寬度，則增大環模直徑D。

2）環模模孔按等邊三角形原則排孔。環模開孔率為ψ＝0.9＊（d/a）2=0.9＊[d/（d t）]2,開孔率越高，則出料多。另一方面，模孔間壁厚t越大，則環模強度越大，開孔率越小。對于合金鋼環模,采用表面滲碳焠火工藝，則模孔間壁厚t等于2倍滲硬層加中間軟層，軟層越小，環模越容易開裂，所以要選擇合適的壁厚t來保證環模強度和開孔率。從上面的公式可以看出，一般的規律是，模孔直徑越大，環模開孔率越高。開孔率越高，出料越通暢,但模孔壁厚t減小了，環模強度減小。所以一定要根據強度確定開孔率大小，擠壓力大的草料、秸桿料、木屑等物料環模的開孔率要比飼料環模小一點，保證環模強度，防止環模開裂。

b、粗糙度也是衡量環模質量的重要指標。在同樣的壓縮比下，粗糙度值越大，飼料擠出阻力越大，出料越困難，過大的粗糙度也影響顆粒表面的質量。合適的粗糙度值為應在0.8~1.6之間。在合適的壓縮比下，模孔粗糙度高的新模使用時，必須用帶有研磨砂的油性料研磨30分鐘以上使用，但是采用表面硬化處理的合金鋼環模，易磨掉硬化層，減少環模的使用壽命。現在環模生產制作中，一般在熱處理后加一精鉸工序，增加環模光潔度，保證環模一次出料。

c、環模模孔加工

圖三：環模制孔設備

環模模孔加工設備主要有：多頭鉆（多工位槍鉆）、單頭手工鉆、單頭自動鉆等設備，在設備加工過程中主要出現分度不勻和模孔傾斜問題，其中模孔傾斜又分成徑向向前傾斜、徑向向后傾斜、軸向傾斜三種。（見圖四）

圖四、不正常鉆孔

分度不均，模孔間厚薄不勻，薄的地方容易開裂。模孔軸向傾斜和模孔前傾不利于出料，模孔后傾并與擠壓力方向*，將有利于出料。這些缺陷可在制孔機設備上一次性調整好。

1）、單頭鉆：

單根鉆頭,當環模模孔傾斜時，傾斜方向*，可通過調整鉆座來調整即可。對于單頭鉆分度不均，有分度頭精度產生的不均、有輸入轉角產生的不均:

（1）、手工單頭鉆鉆φ2.5（圓周上兩孔間隔上4.654mm）模孔分度時，輸入一轉360度時，如果zui大手工誤差在±5度計算，兩孔在圓上的間隔zui大誤差4.654＊10/360=0.129mm，則兩孔間隔4.525≤a≤4.783mm,兩孔間壁厚2.025≤t≤2.283mm，產生薄厚誤差率0.129/2.154=6%。分度頭減速比（一般360左右）越大，誤差越小。

（2）、自動單頭鉆，輸入分度由步進電機控制，誤差小于手工的1%以上，對兩孔分度不均無影響。

（3）、分度頭精度自身精度，標準分度頭，一般精度高。

2）、多頭鉆：多根鉆頭鉆同一只環模，

（1）、每只鉆頭同樣有分度不均勻和模孔傾斜問題，誤差情況同單頭鉆。

（2）、多頭鉆的分度頭一般自制（齒盤蕀輪機構）,分度盤直徑為270mm，分度盤上產生0.05mm誤差，則在400mm直徑的環模上產生0.074mm的誤差（誤差放大了）。

（3）、兩只鉆頭之間的角度誤差。多頭鉆安裝時，兩只鉆頭安裝角度不可能達理論值，它們之間的角度誤差直接反映在它們鉆出的孔的分度上。如誤差15’,則在400mm直徑的環模上孔壁厚度誤差達：0.872mm;對于φ2.5（圓周上兩孔間隔上4.654mm）模孔，產生薄厚誤差率0.872/2.154=40%。遠大于手工單頭鉆。

3）、鉆頭組件：

有小鉆床改造和高速自動鉆，高速自動鉆轉速快、進給量小，轉孔質量好孔光潔度好，小鉆床改造的有手工鉆和改加步進電機的自動鉆，改加步進電機的自動鉆的進給量、排屑、進給深度等因素都自動控制，制造環模質量好。

所以多頭鉆鉆孔壁厚誤差因素遠比單頭鉆要復雜。鉆頭組件安裝精度差的，可能比手工鉆要差多；自動鉆比手工鉆質量好。

4、環模安裝方式（見圖五）

圖五：環模安裝方式圖

目現市場上環模安裝方式主要有：螺栓聯接安裝、錐面聯接安裝和抱箍聯接安裝。

螺栓聯接安裝方式簡單，環模不易傾斜，但同心度不好及環模螺栓孔和空軸傳動輪上的螺栓孔位置度不相配時，安裝后可能單只螺栓受力時，螺栓容易斷，選用環模時要求供應商保證螺孔的位置度，并且要求用轉模鉆孔。

錐面聯接安裝的環模定心性能好，傳遞扭矩大，環模固定螺栓不易剪斷，但使用中螺栓松動，傳動輪上的錐面磨損后，必須通知供應商環模上的錐面的大小頭直徑都放大一點，環模制作不能標準化。

抱箍聯接安裝具有錐面聯接的定心性能好，傳遞扭矩大等優良性能，是一種軸向錐面聯接方式；環模使用中擠壓力大，抱箍型聯接是對環模很好的加強，但整體抱箍在熱處理時抱箍根部應力大，環模容易開裂。改成熱壓鑲箍工藝后，熱處理時環模內應力小，熱處理后環模熱壓加箍，環模內生產預壓應力，和壓輥對環模的擠壓應力相抵消。箍材料為碳鋼，可降低不銹鋼材料成本。是一種較好的聯接方式。

5 環模的選用

不同廠家生產的環模其安裝方式、尺寸都不一樣。在實際使用中，用戶必須根據顆粒機廠名去選用。

碳鋼環模基本淘汰，20CrMoTi合金鋼材料價格低一點，但使用性能和使用壽命比4Cr13不銹鋼環模差，噸料價格也比不銹鋼高一點，特別用在魚飼料、萬壽菊顆粒、木屑顆粒、秸桿顆粒等的噸料環模價格比不銹鋼高得多。如SZLH350制粒機環模用在萬壽菊顆粒生產中，合金鋼環模使用壽命為400噸，噸料環模價格為5.9元；不銹鋼環模使用壽命約800-900噸左右，噸料環模價格為4.8-4.3元。并且不銹鋼使用性能比合金鋼好，使用過不銹鋼環模的制粒工一般不會再去用合金鋼環模。

同樣4Cr13材料Cr含量在12-14%之間，但使用中發現含Cr量在12%的環模使用壽命比含Cr量13.5%以上的環模壽命低25%左右。選用時須看看環模制造商坯料是不是整爐進貨及進貨質量。

關于制孔設備，手工鉆分度輸入誤差大，高減速比的分度機構也能保證分度的精度，但鉆孔速度控制不好，模孔粗糙度差；自動單頭鉆有高的分度精度、嚴格控制的鉆削速度和排屑機制，模孔質量好；雙頭或多頭自動鉆，模孔質量好，但分度精度和孔間壁厚均勻性受設備安裝精度影響大。

關于環模價格：環模價格分成坯料價格、金加工價格、制孔價格、熱處理價格、精鉸處理價格、管理費用、利潤。不同生產廠同一種材料坯料價格基本一樣，環模厚度45以下基本一樣，大孔徑環模環模厚度大于45mm要加材料費；金加工中產生的鐵屑可以抵消金加工費用；制孔費和孔多少有關，小孔徑環模模孔多，制孔費要高一點；熱處理價格按環模重量計，各廠家基本一樣；精鉸處理價格和環模上孔數有關，小孔徑環模孔多，價格高一點；管理費用，廠越大、環模做得越多，管理費用越低；對于利潤，各廠家各不一樣，有的利潤比環模成本高1-4倍，有的做的比較合理。

正確選用合適的模孔壓縮比。壓縮比大的環模，其形成的顆粒密度大，表面光潔。反之，會造成產品不夠結實，外觀松散，亦是造成產品含粉率高的原因之一。模孔大小和壓縮比主要根據用戶配方和飼料品種來決定的，對于環模壓縮比的選用，由于各家配方不一樣，采用的原料各異，同時制粒工藝也不同，具體合適的壓縮比還要靠各個飼料生產廠家在生產中摸索得到，這里只能根據以往的經驗給出一個大致的范圍。一般來說，畜禽類飼料宜選用8～13之間的壓縮比；魚類飼料宜選用11～16之間的壓縮比；蝦類飼料宜選用16～25之間的壓縮比；熱敏感類飼料宜選用7～9之間的壓縮比；牧草和秸稈類飼料宜選用5～7之間的壓縮比。使用一只環模后，飼料生產者也可根據飼料的外感來調整下一只環模的孔徑、壓縮比。

6 環模的使用和環模的保養

正確地調整環模和壓輥之間的工作間隙是環模使用的關鍵。一般來說，環模與壓輥之間的間隙在0.1～0.3mm之間為宜（新制粒機開機后壓棍在環模帶動下“似轉非轉"狀態）。間隙過大則由于環模和壓輥之間的擠壓力不足以克服物料通過模孔的摩擦力而造成塞機。間隙過小則容易損傷環模及壓輥。通常情況下，新壓輥和新環模相配宜采用稍大的間隙，舊壓輥和舊環模相配宜采用較小的間隙，大孔徑的環模宜選用稍大的間隙，小孔徑的環模宜選用稍小的間隙，容易制粒的物料宜取大間隙，難以制粒的物料宜取小間隙。對于操作者來說，要有實際的操作經驗，對環模間隙能夠熟練地進行選擇和調整。這一調整工作是比較難以掌握的，它需要靠制粒工通過*的生產實踐和認真探索才能熟練掌握。

一只環模可配3-4付壓棍殼使用，一般要求新環模要配新壓棍使用。壓輥跟環模配合前松后緊（因為環模前壓輥的料層比后壓輥的料層厚）。并要求供應商提供精鉸處理后的環模，保證新環模一次性出料，而不需要新購環模在開機前需要用油料進行“洗模"（油料中攙入20%～50%的細砂進行研磨后），以去除模孔中的毛刺。洗模對模孔硬化層有磨損，影響環模使用壽命。

當壓輥使用一段時間后，會出現如圖這樣現象，必定會影響它與環模的配合精度。應該用手砂輪機，把壓輥的凸緣部分磨平，以便于壓輥和環模的良好配合。

圖六：磨損后的壓棍修理

原料進制粒機前必須經過初清和磁選處理，減少鐵質壓入模孔。并要定期查看模孔，看有無堵模現象。及時沖出或鉆出被堵模孔。一個環模使用效果好與壞，除本身工藝質量決定外，要發揮其zui大的生產效率，離不開環模的維護保養。

a、日常維護中當需要更換環模時，應以非腐蝕性油料將原來的飼料擠出，以便再次使用時出料順暢，并能防止模孔腐蝕。

b、在生產過程中，一個環模必然會有堵塞、磨損、環模導料錐孔發生塑性變形成縮口。這樣的環模，如果不進行必要的維護保養，勢必造成產量下降，能耗增大，甚至壓不出料，出現堵機現象。因此，有上述現象發生時，有必要對環模進行一系列的維護保養工作：鉆模（把塞有鐵料或已塞死的模孔鉆透），磨模（把環模工作面出現有凸凹現象的地方磨平，這主要是物料中含有鐵塊、鐵珠或硬物造成的，用如圖七設備修復），修復導料錐孔等。修復時應注意環模工作內表面zui低處應高于越程槽底部2mm，并且修復后仍有壓輥偏心軸調節余量，否則環模就應該報廢。

磨平工作面　　　　　　　　　　　　　　　修導料錐孔機

圖七：定制420環模修復機

是制粒機的心臟部件，制粒機是顆粒機的心臟部件，認識環模的設計性能，正確的選用、合理的使用和有效的保養，充分發揮制粒機及其環模的性能，從而降低噸料成本，提高生產能力和顆粒質量，為整體提高生產線產量、創造更多的經濟效益作貢獻。