制粒機(jī)是飼料加工的主要機(jī)械之一，環(huán)模是制粒機(jī)的關(guān)鍵零部件，其打孔率決定了飼料加工的產(chǎn)量和生產(chǎn)成本。為了降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，很多學(xué)者對(duì)環(huán)模進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)對(duì)飼料制粒機(jī)壓輥線磨損度進(jìn)行了理論研究；文獻(xiàn)分析得到了3種類型環(huán)模孔沿軸向路徑的應(yīng)力與變形分布，找到了環(huán)模孔倒角與環(huán)模孔軸向路徑的應(yīng)力與變形的影響關(guān)系。文獻(xiàn)研究了環(huán)模孔受力簡(jiǎn)化模型，并基于簡(jiǎn)化模型對(duì)環(huán)模孔口進(jìn)行了有限元受力分析。但對(duì)于環(huán)模上打孔的數(shù)量多少，目前主要采用經(jīng)驗(yàn)類比的方法，無(wú)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。如采用有限元分析，由于大量孔的存在，環(huán)模的有限元分析難以實(shí)現(xiàn)，而采用等效彈性模量方法使得環(huán)模的有限元分析變?yōu)榭赡堋５刃椥阅Ａ糠椒ㄔ诙嗫撞牧系牧W(xué)分析中應(yīng)用較多，如金屬蜂窩夾芯板、非規(guī)則多孔介質(zhì)材料、金屬拱形波紋屋面和水力壓裂中多孔巖體的力學(xué)分析中均有報(bào)道，但對(duì)環(huán)模這種多孔零件尚無(wú)報(bào)道。
為此，本文從環(huán)模的受力和等效彈性模量的角度出發(fā)，采用有限元方法對(duì)制粒機(jī)環(huán)模進(jìn)行設(shè)計(jì)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果可靠性。
1、制粒機(jī)環(huán)模受力分析
顆粒飼料的加工中，環(huán)模制粒機(jī)是關(guān)鍵的核心設(shè)備，環(huán)模（如圖l所示）是壓制顆粒飼料的核心工作部件，其工作性能直接影響制粒的質(zhì)量以及生產(chǎn)率，同時(shí)環(huán)模也是制粒機(jī)中最易磨損的部件之一。為了保證顆粒產(chǎn)品的性能，必須研究環(huán)模結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。研究環(huán)模和壓輥之間的載荷分析對(duì)環(huán)模和壓輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。
假如電機(jī)滿負(fù)荷工作，以1個(gè)環(huán)模和2個(gè)壓輥的系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，如圖2所示。
環(huán)模受到的轉(zhuǎn)矩為
T=9546p/n
轉(zhuǎn)換為環(huán)模驅(qū)動(dòng)力為
Q= 2TR=吾=9 549 xPD (2)
壓輥的擠壓力為
F=q/f=9546p/ndf (3)
式中P-電機(jī)傳遞給環(huán)模的功率；
D-環(huán)模內(nèi)徑；
n一環(huán)模轉(zhuǎn)速；
f-飼料與環(huán)模的摩擦因數(shù)。
作用在環(huán)模上的面積力p為
式中 R-環(huán)模半徑；
r-孔半徑；
θ一環(huán)模壓力角；
a一環(huán)模開孔率；
h-環(huán)模厚度。
2、環(huán)模等效模型的彈性模量確定
采用有限元分析方法分析環(huán)模在均勻載荷與非均勻載荷時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度情況，可以對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算和分析方法設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正，增加開孔率；但直接對(duì)多孔環(huán)模進(jìn)行有限元分析對(duì)計(jì)算機(jī)提出了很高要求，甚至由于多孔的割裂作用，不能得到所需要的解。采用等效彈性模量方法將多孔結(jié)構(gòu)的環(huán)模等價(jià)于一個(gè)實(shí)心環(huán)模可使得問(wèn)題變得可解。
以蝦料環(huán)模為例，采用傳統(tǒng)的計(jì)算和分析方法設(shè)計(jì)，其直徑420mm，孔徑1.8mm，共有313 840孔，開孔率19.6%。圖3為取含有9個(gè)孔的環(huán)模部分結(jié)構(gòu)，將其等價(jià)為均質(zhì)體單元，如圖4所示。
在圖3所示的結(jié)構(gòu)單元的：方向施加拉力載荷P，對(duì)于圖3有
為了驗(yàn)證等效彈性模量的有效性，分別建立圖3和圖4的有限元分析模型，結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出，原始模型和等效模型的應(yīng)力和變形幾乎相等，可以說(shuō)等效模型有效。
3、環(huán)模等效模型有限元分析
根據(jù)上面分析，多孔環(huán)模可以等效一個(gè)實(shí)心的環(huán)模。為研究問(wèn)題的方便，載荷只考慮靜載荷。在環(huán)模和物料接觸的圓柱內(nèi)表面施加載荷，如圖7所示。
本文研究?jī)?nèi)直徑420mm，孔徑1.8mm，有效寬度185mm的蝦料環(huán)模，所用材料為42CrMo。材料參數(shù)如表1所示。
模型材料等效彈性模量E= 19 400MPa。在環(huán)模一端施加固定約束，在兩個(gè)壓輥?zhàn)饔脜^(qū)域施加均布載荷，如圖8所示。劃分單元大小為10。僅考慮壓輥和環(huán)摸接觸處的壓力，忽略孔內(nèi)壓力和摩擦力。設(shè)線速度大小為Im/s，壓力載荷大小為=129 916N，載荷作用面積為2 492mm2，將載荷轉(zhuǎn)換成均布面載荷，大小為52. 116MPa。
依次改變環(huán)模的彈性模量，進(jìn)行有限元分析，求解應(yīng)力和應(yīng)變，得到環(huán)模的應(yīng)力圖和依彈性模量大小排列的應(yīng)變等值線圖，這里只給出一種彈性模量下的應(yīng)力和應(yīng)變圖，如圖9和圖10所示。
從應(yīng)力圖9中看出，大部分材料所受應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力；可以說(shuō)當(dāng)前環(huán)模模孔尺寸下，環(huán)模的材料強(qiáng)度有很多贅余，可以提高現(xiàn)有環(huán)模的開孔率；從變形圖中看出，變形不大。從應(yīng)力、應(yīng)變圖中提取最大應(yīng)力和最大應(yīng)變值列入表2，根據(jù)表2中內(nèi)容繪制的彈性模量和應(yīng)力和應(yīng)變線性關(guān)系如圖11和圖12所示。從圖11看出環(huán)模最大應(yīng)力與彈性模量大小無(wú)關(guān)，而最大應(yīng)變受彈性模量影響，且成線性關(guān)系，如圖12所示。
4、環(huán)模結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化
關(guān)于環(huán)模應(yīng)變大小的確定，目前無(wú)依據(jù)可查，在本文中做這樣一個(gè)嘗試，即給定一個(gè)應(yīng)變值，從圖12中找出對(duì)應(yīng)的環(huán)模等效彈性模量，進(jìn)一步確定開孔率。這樣的結(jié)果，環(huán)模既能滿足強(qiáng)度要求，也能滿足應(yīng)變要求，同時(shí)又能提高開孔率。比如環(huán)模允許變形為4. 736E - 02mm，彈性模量為190GPa，應(yīng)力為51. 36MPa。根據(jù)公式(7)來(lái)確定的環(huán)模有效面積為382.5mm2。進(jìn)～步確定在原始單元上可打孔的數(shù)量為12個(gè)，比原型環(huán)模在同樣面積上多打孔3個(gè)；從整體上看，比原環(huán)模孔數(shù)量13 840多出4 613，提高出孔率為23%。
5、結(jié)論
本文給出環(huán)模受力的解析表達(dá)，定義了環(huán)模的等效彈性模量，驗(yàn)證了等效彈性模量的有效性。對(duì)環(huán)模等效模型的受力和變形進(jìn)行了分析，得出應(yīng)力和應(yīng)變與彈性模量之間的關(guān)系。根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變與彈性模量之間的關(guān)系和環(huán)模等效彈性模量公式，對(duì)現(xiàn)有環(huán)模結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的環(huán)模在保證強(qiáng)度的前提下，比原型環(huán)模多打孔4136個(gè)，提高出孔率23%，為提高顆粒料產(chǎn)量提供設(shè)計(jì)依據(jù)。
