饲料粉体旋转挤压成型机理与关键技术研究

摘要

环模制粒成型技术（旋转挤压成型技术）是当前国际制粒领域的主流技术，广泛应用于饲料工业、可再生生物质能源产业和制药产业等领域。环模制粒机作为饲料加工机械的四大主机之一，在很大程度上直接决定了饲料产品的质量和生产成本。虽然中国已成为世界第一饲料生产大国，但旋转挤压成型技术的基础理论研究相对匮乏，旋转挤压成型装备的性能与国外先进技术水平仍有一定差距。本文以提高旋转挤压生产效率，改善制品颗粒质量和延长模具使用寿命为目标，采用理论分析与试验研究相结合的方法，围绕饲料旋转挤压成型机理、制品颗粒质量模型以及摩擦磨损机理等一系列关键技术问题进行深入研究，促进高效节能制粒技术与装备的发展。 本文主要完成了以下几方面的研究工作: 分析了环模制粒过程，深入研究了旋转挤压成型机理。分析了物料层在模辊作用下的变化规律，确定了物料的攫取条件，建立了旋转挤压过程产量模型;分别利用连续介质力学方法和离散元方法研究了物料在模孔中的挤压成型机理，建立了模孔内的挤出成型压强模型，揭示了纤维朝向性和泊松比等物料特性参数、摩擦系数和长径比等模孔结构参数以及模孔尺寸和粒子尺寸等离散特征参数对模孔内挤出成型压强的影响规律;对饲料旋转挤压过程中压紧变形区和挤压成型区进行了精确的力学分区和计算，分析了物料在模辊工作区的受力状态，建立了旋转挤压成型过程的驱动扭矩模型和能耗模型，揭示了辊模直径比、物料初始密度、压制应力以及物料与模辊的摩擦角等参数对扭矩和能耗的影响规律。以上研究为旋转挤压成型装备的结构与工艺优化提供了有效的参考和理论依据，也为挤压成型相关机理的进一步研究奠定了理论基础。 分析了目前广泛使用的单孔挤压试验装置在模拟挤压成型过程中存在的问题和不足，提出了多孔挤压成型模拟试验装置的设计需求，并据此研发了一套完整的多孔挤压试验平台。基于该试验平台对挤压成型过程进行模拟试验研究，通过分析模拟试验过程中挤压力曲线的变化规律，探讨了挤压成型机理;利用多孔挤压试验平台模拟不同工艺参数下的制粒过程，获得了模孔长径比、原料含水率和模具温度等因素对挤压成型过程中挤出力的影响规律;根据多孔挤压试验平台获得挤出力计算挤出成型压强，对相应工艺参数条件下环模制粒过程的驱动扭矩进行了计算和验证，结果表明多孔挤压试验平台的模拟试验结果可为环模制粒工艺优化提供有效的参考。 基于多孔挤压试验平台，结合响应面试验设计方法对制粒过程进行了试验研究，建立了挤出力预测模型和颗粒质量（颗粒密度、颗粒含水率和颗粒抗张强度）模型，并以满足颗粒质量要求下挤出力最小为目标，对工艺参数进行了优化和验证，结果表明，挤出力、颗粒密度、颗粒含水率和抗张强度回归模型具有较高的可靠性，预测误差分别为3.60％、1.54％、2.19％和6.0％。挤出力模型和颗粒质量模型的建立，为改善环模压辊受力状态和提高颗粒质量提供了有效的参考依据。 通过磨损生产试验研究了饲料旋转挤压成型装备的核心部件（环模）的磨损机理。针对模孔直径较小磨损量测量难度大的问题，提出了一种基于圆弧测量的直径拟合方法，获得了环模各磨损面的磨损量变化规律，表明模孔内壁的磨损量变化规律呈指数形式减小，与模孔内压强的变化规律保持一致。利用扫描电镜观察了环模内壁、模孔倒角和模孔内壁等磨损表面的微观磨损形貌，从微观层面分析了各磨损面的磨损机理。以上研究结果表明，环模的磨损机制主要为抛光磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等多种磨损形式共存，不同磨损表面上起主导作用的磨损机制有所不同。该部分研究结论可为制粒工艺和环模加工工艺的优化提供理论依据，对提高环模制粒机的稳定性和延长环模使用寿命具有指导意义。 基于以上研究结果提出了环模制粒装备性能提升的改进措施，对改进前后的环模制粒机生产性能和制品颗粒质量进行了测试和对比分析，表明改进后的制粒装备产量提升了15.77％，吨电耗降低了10.13％，制品颗粒成型率、耐久性、抗张强度和堆积密度分别提高了6.07％、4.06％、3.81％和4.45％。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1论文的研究背景及意义

1．2旋转挤压成型技术概述

1．2．1制粒技术发展简介

1．2．2旋转挤压成型技术工艺与装备

1．3国内外相关技术研究现状

1．3．1挤压成型机理研究现状

1．3．2挤压成型过程模拟研究现状

1．3．3旋转挤压成型工艺参数优化及颗粒质量研究现状

1．3．4旋转挤压成型模辊磨损失效研究现状

1．3．5旋转挤压成型技术存在的问题

1．4论文研究的主要内容

2饲料旋转挤压成型过程分析与成型机理研究

2．1引言

2．2饲料旋转挤压成型过程分析

2．2．1饲料旋转挤压成型粘结机理

2．2．2饲料旋转挤压成型攫取条件分析

2．2．3饲料旋转挤压成型物料高度分析

2．2．4饲料旋转挤压成型物料压缩速度分析

2．2．5饲料旋转挤压成型产量模型的构建

2．3模孔内挤压成型机理分析与建模

2．3．1基于连续介质力学方法的挤压成型模孔力学模型

2．3．2基于离散元方法的挤压成型模孔力学模型

2．4模辊工作区挤压成型机理研究

2．4．1饲料旋转挤压成型力学分区

2．4．2饲料旋转挤压成型过程模辊受力分析

2．4．3饲料旋转挤压成型能耗模型构建

2．5小结

3多孔挤压试验平台的研发

3．1引言

3．2多孔挤压试验平台设计

3．2．1挤压试验平台需求分析

3．2．2多孔挤压试验平台的设计与研发

3．3多孔挤压试验平台的验证

3．3．1多孔挤压成型试验影响因素分析

3．3．2试验结果与分析

3．3．3基于多孔挤压试验装置的扭矩及能耗计算

3．3．4现场扭矩测试试验

3．4小结

4基于多孔挤压平台的制粒过程试验研究

4．1引言

4．2制粒过程多参数建模试验方案设计

4．2．1响应曲面试验设计方法

4．2．2试验变量及评价指标

4．2．3原料制备及试验条件

4．3饲料旋转挤压成型挤出力模型

4．3．1饲料旋转挤压成型响应面试验

4．3．2饲料旋转挤压成型挤出力回归模型

4．3．3各试验因素对饲料旋转挤压成型挤出力的影响分析

4．4饲料旋转挤压成型制品质量模型

4．4．1饲料旋转挤压成型制品密度模型

4．4．2饲料旋转挤压成型制品含水率模型

4．4．3饲料旋转挤压成型制品抗张强度模型

4．5各回归模型预测精度检验

4．6小结

5饲料旋转挤压成型模具磨损机理研究

5．1引言

5．2磨损类型

5．3旋转挤压成型模具磨损机理

5．3．1环模磨损试验

5．3．2环模磨损宏观分析

5．3．3环模磨损微观分析

5．3．4环模磨损优化改进建议

5．4小结

6饲料旋转挤压成型装备性能提升研究

6．1引言

6．2环模制粒机装备性能与制品质量测试方法

6．2．1环模制粒机装备性能测试方法

6．2．2制品质量测试方法

6．3环模制粒机性能提升

6．3．1环模制粒机工艺参数分析与改进措旌

6．3．2改进前后的环模制粒机性能与制品质量测试

6．4小结

7总结与展望

7．1研究总结

7．2创新点

7．3研究展望

致谢

参考文献

附录