中圖分類號：TP23；S818.1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-0864（2025）07-0083-07

Research and Manufacture of Intelligent Adjustment Mechanism for Ring Die Granulator Die Roll Gap

GE Zhenghao ¹ ，GAO Chuang'，WANG Tedong'，SU Jingbo2， ZHANG Xiaoliang'，TANG Zhixiong' （1.College of MechanicalandElectrical Enginering，Shaanxi UniversityofScience amp; Technology，Xi'an71o21，China; 2.Jiangsu Speed MachineryCo.，Ltd.，Jiangsu Changzhou213166，China）

Abstract：Previously，the gap ofthe ring die granulator couldonlybe adjusted statically when manuall adjusted. The adjustment accuracy was low and time-consuming，and efective monitoring of the entire processing process could notbeachieved.Aimingatthis problem，an inteligent adjustment mechanism forthe gap of the ring die granulator was proposed.The mechanism improved the structural performance of the existing granulation system to make up for the shortcomings of the previous manual adjustment of the gap of the ring die granulator.Firstly，the mold roler gap adjustment mechanism ofthe SPZL6OO twin-rollgranulator was designed.Secondly，the mathematical model ofthe intellgentadjustment mechanismof the dieroll gap was established.Finally，the prototype was tested. Theresults showed that the experimental measurement gap was almost completely coincident with the theoretical gap，indicating that the accuracyof the gap inteligent adjustment system was high.When the detection speed input was 400r?min^-1 ，the system completed the gap adjustment within 6.O s，and the system response was effcient. The mechanism enhanced the safety factor and intellgence of production，improved the continuous competitiveness of products，which had reference significance for other granulators.

Key words：granulator;gap adjustment；intelligent adjustment；prototype experiment

環(huán)模制粒是一種常見的制粒成型技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、制藥、畜牧等領(lǐng)域的固體制劑制備中。環(huán)模制粒機具有較高的成型效率，成為現(xiàn)階段制粒成型技術(shù)的主流設(shè)備2。制粒機工作環(huán)境惡劣且復(fù)雜，容易在工作一段時間后就造成打滑堵機，進一步損壞制粒機結(jié)構(gòu)零部件[3]。制粒機發(fā)生堵機的原因主要包括環(huán)模開孔率4蒸汽質(zhì)量、調(diào)質(zhì)手段5、蒸汽添加量以及模輥間隙。前4個影響因素都有科學(xué)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與工藝指標(biāo)加以限制，但在實際加工時模輥間隙并沒有嚴(yán)格的工藝標(biāo)準(zhǔn)，是通過操作者根據(jù)經(jīng)驗進行手動調(diào)整。人工手動調(diào)節(jié)模輥間隙時，間隙大小不易把握，運轉(zhuǎn)過程中磨損導(dǎo)致輥模間隙變化影響制粒效率。間隙較大時，環(huán)模與壓輥之間的物料層厚度過大，壓輥易發(fā)生打滑堵機；間隙較小則會加速環(huán)模壓輥磨損。人工調(diào)節(jié)既保證不了調(diào)整精度，又浪費了大量的生產(chǎn)時間，且不能實現(xiàn)對整個加工過程的有效監(jiān)測。

環(huán)模制粒機主要包括三輥式制粒機、雙輥式制粒機以及雙環(huán)模制粒機。雙輥式制粒機憑借其優(yōu)越的產(chǎn)品性能得到廣泛應(yīng)用。雙輥式環(huán)模制粒系統(tǒng)主要由螺旋喂料器8、調(diào)質(zhì)器、制粒機3部分組成。針對目前環(huán)模制粒機間隙調(diào)整方面的不足，本研究針對SPZL600型雙輥制粒機（江蘇思貝德機械有限公司）設(shè)計，提出一種環(huán)模制粒機模輥間隙智能調(diào)整機構(gòu)，對現(xiàn)有制粒系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)性能改進，不僅能節(jié)約生產(chǎn)時間，降低勞動強度和生產(chǎn)成本，還能增強安全系數(shù)與智能化程度，更能進一步提升產(chǎn)品的持續(xù)競爭力。

1材料與方法

1.1制粒機總體結(jié)構(gòu)與工作原理

制粒機整機工作過程如下，在電機的驅(qū)動下，環(huán)模組件旋轉(zhuǎn)，在環(huán)模旋轉(zhuǎn)的同時，壓輥作為從動輪跟隨轉(zhuǎn)動，處于模輥之間的物料在擠壓力的作用下被擠出?？?，經(jīng)制粒機切刀切割形成顆粒料[9。環(huán)模與壓輥的工作情況如圖1所示，壓輥在環(huán)模驅(qū)動下通過與物料間摩擦力的作用以一定角速度沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。物料擠壓區(qū)內(nèi)物料空間體積在壓輥轉(zhuǎn)動過程中被逐步壓縮，最后克服物料與環(huán)?？妆谥g的摩擦力將物料擠壓出環(huán)模[]

注：1—壓輥;2—物料層；3—環(huán)模。

Note：1—Pressureroller;2—Material layer;3—Ringmode.

圖1制粒原理

Fig.1Principle diagram of granulation

1.2模輥間隙智能調(diào)整機構(gòu)設(shè)計

模輥間隙智能調(diào)整機構(gòu)整體設(shè)計如圖2所示，在制粒機主軸后端布置動力源；在制粒機主軸中心打通孔布置傳動細軸；在制粒機前板布置間隙調(diào)整機構(gòu)與固定殼體。在制粒機主軸后側(cè)連接潤滑塊，在主軸與主軸盤以及偏心軸上打潤滑油孔，經(jīng)自動注油機實現(xiàn)主軸軸承與偏心軸軸承的定時潤滑[]。

注：1—間隙調(diào)整機構(gòu)；2—潤滑油孔；3—主軸；4—傳動細軸；5—潤滑塊;6—動力源。

Note：1—Gap adjustment mechanism；2—Lubricating oil hole;3—Spindle；4—Transmission fine shaft； ^5- Lubrication block;6—Power source.

圖2間隙調(diào)整機構(gòu)整體模型

Fig.2Overall model of the gap adjustment mechanism

間隙調(diào)整機構(gòu)設(shè)計如圖3所示，動力源所輸出的扭矩經(jīng)傳動細軸做一級動力傳輸，經(jīng)蝸桿蝸輪機構(gòu)做二級動力傳輸，蝸輪與推桿之間經(jīng)絲杠機構(gòu)做三級動力傳輸，結(jié)合曲柄推桿機構(gòu)驅(qū)動偏心輪轉(zhuǎn)動，壓輥嵌套在偏心輪上，通過控制偏心輪的偏心距來調(diào)控壓輥與環(huán)模之間的間隙調(diào)整范圍。具體實現(xiàn)如下，動力源驅(qū)動設(shè)置在制粒機中空主軸內(nèi)的傳動細軸，傳動細軸通過花鍵傳動連接蝸桿，蝸桿兩側(cè)分別設(shè)有與蝸桿嚙合傳動的蝸輪，主軸前端的主軸盤上分別轉(zhuǎn)動設(shè)置有相對于主軸中心對稱的1對壓輥，壓輥中心安裝有偏心軸，偏心

注：1—偏心輪；2—絲杠推桿；3—蝸桿；4—蝸輪；5—球軸承；6—曲柄；7—壓輥;8—傳動細軸；9—動力源。

Note：1—Eccentric wheel；2—Screw push rod；3—Worm;4——Worm gear；5—Ball bearing；6—Crank；7—Pressureroller;8—Transmission fine shaft;9—Power source.

圖3模輥間隙調(diào)整機構(gòu)

Fig.3Die roller gap adjustment mechanism

軸前端安裝有曲柄，曲柄與蝸輪之間設(shè)有絲杠推桿，絲杠推桿一端與曲柄鉸接，另一端插入蝸輪內(nèi)孔并通過螺紋與蝸輪傳動連接，由此推動偏心軸相對于環(huán)模內(nèi)圈作向內(nèi)或向外的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)壓輥與環(huán)模之間間隙的實時調(diào)節(jié)與在線自動調(diào)節(jié)[]。

由于推桿的軸向平動與曲柄的定軸轉(zhuǎn)動存在干擾，勢必會產(chǎn)生運動死點。所以需要設(shè)計間隙補償機構(gòu)，既要能實現(xiàn)其間隙調(diào)整的工作性能，同時要便于精確控制。環(huán)模顆粒機內(nèi)部工作環(huán)境惡劣復(fù)雜（高溫高壓、潮濕、物料堆積），因此設(shè)計機構(gòu)也要便于密封，以保證其工作性能與使用壽命。本研究采用單向推力球軸承使得蝸輪本身有一定的擺動范圍來補償間隙。該方案既簡化了機構(gòu)設(shè)計，又不影響傳動鏈的布置，使得推桿與蝸輪在傳遞轉(zhuǎn)矩的同時，也能滿足推桿小角度的擺動，協(xié)調(diào)了運動軌跡，剛性體的組合也便于實現(xiàn)對工作過程的精確控制。

氣壓馬達驅(qū)動裝置以空氣作為介質(zhì)，不存在污染問題和異味問題，且可以提供較大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，有一定的緩沖余量，故動力源采用氣動馬達裝置驅(qū)動。氣動馬達最終選用XS-PVM-4AM，輸出功率為 0.5kW ，馬達輸出轉(zhuǎn)速 150r?min^-1 。

最終經(jīng)理論計算，蝸輪蝸桿部分主要設(shè)計參數(shù)為：蝸桿采用ZI形式；中心距為 50mm ；傳動比為62；模數(shù)為1.25。主要機構(gòu)設(shè)計參數(shù)為：絲桿采用 Tr24×5 ；偏心軸偏心距 9mm ；曲柄旋轉(zhuǎn)半徑88mm 。

1.3模輥間隙調(diào)整理論模型的建立

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，環(huán)模半徑 R1=275mm ，壓輥殼半徑 R2=132.5mm ，兩偏心軸間中心距 300mm ，如圖4所示。得出偏心軸旋轉(zhuǎn)角度與模輥間隙數(shù)學(xué)理論關(guān)系如式（1）所示。

式中， H 為模輥間隙， mm;L 為壓輥殼圓心與環(huán)模圓心距離， mm ： a 為壓輥殼圓心的豎直位置，mm;b 為壓輥殼圓心的水平位置， mm;c 為偏心軸偏心距， mm;β 為旋轉(zhuǎn)過程中偏心軸旋轉(zhuǎn)角度， （^°） 0

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，曲柄旋轉(zhuǎn)半徑 R3=88mm ，蝸輪蝸桿中心距 _AD=50mm ，偏心軸中心距蝸桿中心距離 CD=150mm ，如圖5所示，構(gòu)建輔助點E，使得AE垂直BE，即得出推桿長度與偏心軸旋轉(zhuǎn)角度數(shù)學(xué)理論關(guān)系如式（②所示。

式中， AB 為推桿長度 ，mm;β 為偏心軸旋轉(zhuǎn)角度， （^°） 。

根據(jù)蝸輪蝸桿傳動比 （i） 為62，設(shè)氣動馬達轉(zhuǎn)數(shù)為 N_I（r） ，則蝸桿轉(zhuǎn)數(shù)為 N_?I（r） ，可知蝸輪轉(zhuǎn)數(shù)N₂=N_I/62 。結(jié)合式（2）及絲杠參數(shù)，可得到推桿長度與蝸桿轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)學(xué)理論關(guān)系如下。

AB=154.73849+5N_I/62

1.4模輥間隙調(diào)整的控制設(shè)計

控制系統(tǒng)包括2種控制模式，即點動控制與轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制。點動控制主要通過操作人機交互界面對系統(tǒng)進行控制，可實現(xiàn)在環(huán)模與壓輥更換時的間隙調(diào)整，設(shè)計目標(biāo)在15s內(nèi)完成最大間隙值 1.0mm 的調(diào)整。

轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制主要根據(jù)采集到的壓輥轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，設(shè)置閾值范圍為環(huán)模接觸線速度的 90%～95% 。具體為：當(dāng)檢測到壓輥轉(zhuǎn)速低于環(huán)模接觸線速度的 90% 時，系統(tǒng)開始自動調(diào)節(jié)間隙，使模輥間隙減小，馬達保持恒定轉(zhuǎn)速持續(xù)調(diào)整，直至轉(zhuǎn)速滿足特定區(qū)間為止。當(dāng)檢測到的轉(zhuǎn)速高于環(huán)模接觸線速度的 95% 時，自適應(yīng)調(diào)節(jié)間隙，使模輥間隙增大，馬達恒速輸出，直至轉(zhuǎn)速滿足特定區(qū)間為止。

V=X₁D/d

式中， V 為環(huán)模接觸線速度， r?min^-1 X₁ 為環(huán)模轉(zhuǎn)速， r?min^-1;D 為環(huán)模直徑， mm;d 為壓輥直徑， mm 。

2 結(jié)果與分析

2.1模輥間隙擬合關(guān)系式分析

結(jié)合公式（1）＼～（3），用MATLAB進行數(shù)據(jù)整理繪圖，并對繪制的曲線圖進行二次項的擬合，結(jié)果

如圖6所示，根據(jù)圖中擬合結(jié)果可得到氣動馬達轉(zhuǎn)數(shù)與模輥間隙函數(shù)關(guān)系，如式（5）所示。

h=0.996 1-0.002 802x-4.752×10^-6x²

式中， x 為馬達轉(zhuǎn)數(shù)， r：h 為模輥間隙， mm 。

對擬合的關(guān)系式進行誤差分析，計算相關(guān)結(jié)果如表1所示，理論間隙與擬合關(guān)系式計算所得擬合間隙誤差均小于 0.005mm ，完全在可接受的范圍之內(nèi)，故用擬合關(guān)系式來代替原始幾何參數(shù)切實可行。

2.2模輥間隙智能調(diào)整系統(tǒng)準(zhǔn)確性分析

將試驗樣機安裝完畢，進行調(diào)試。通過點動方式控制馬達轉(zhuǎn)數(shù)，結(jié)合理論間隙推導(dǎo)公式，用塞尺對實際間隙進行測量，得到模輥間隙試驗結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，通過選用的塞尺規(guī)格，測量得到樣機實際間隙與人機界面顯示間隙

基本一致。

對上述試驗數(shù)據(jù)進行可視化處理，由圖7可以更加直觀地看出，理論間隙與人機交互界面顯示試驗測量間隙幾乎完全重合，說明誤差對實際工況的影響可以忽略，符合實際工況，完全符合設(shè)計目標(biāo)。

2.3模輥間隙智能調(diào)整系統(tǒng)響應(yīng)速率分析

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：壓輥速度上限 600r?min^-1 速度下限 0r?min^-1 ，環(huán)模直徑 550mm ，壓輥直徑265mm 。以大豬配合飼料作為試驗原料[12]，配方成分占比如下：大豆粕 12% ，木薯塊 20% ，棉粕3% ，酒糟蛋白飼料（distillersdriedgrainswithsolubles，DDGS）一級 5% ，玉米二級 16% ，高粱30% ，小麥三級 10% ，稀釋預(yù)混料 4% 。豬料試驗樣機孔徑 3.0mm ，孔數(shù)13298，開孔率 32% ，滿負荷喂料量值 15t?h^-1 。通過點動控制方式點動間隙調(diào)整，設(shè)定環(huán)模轉(zhuǎn)速為 290r?min^-1 ，壓輥轉(zhuǎn)速571r?min^-1 。根據(jù)控制設(shè)計方案，正常壓輥轉(zhuǎn)速區(qū)間選定為（542，572） r?min^-1 。設(shè)定模輥間隙取值范圍為 0.0～0.5mm ，監(jiān)測并記錄不同間隙下環(huán)模制粒機壓輥的轉(zhuǎn)速（表3）并對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行三次多項式擬合，結(jié)果如圖8所示，根據(jù)擬合結(jié)果可得到壓輥轉(zhuǎn)速和模輥間隙函數(shù)關(guān)系，如式（6）所示。

V=450.200+3234h-2.019×

10⁴h²+2.382×10⁴h³

式中， V 為壓輥轉(zhuǎn)速， r?min^-1 ： h 為模輥間隙， mm 。

某時刻壓輥轉(zhuǎn)速傳感器測得的平均壓輥轉(zhuǎn)速為 400r?min^-1 ，根據(jù)式（6可求得對應(yīng)的模輥間隙值為 0.237mm ，設(shè)定的轉(zhuǎn)速區(qū)間最低轉(zhuǎn)速為542r?min^-1 ，此時對應(yīng)的模輥間隙值為 0.1644mm 。選用氣動馬達轉(zhuǎn)速為 150r?min^-1 ，當(dāng)檢測轉(zhuǎn)速值為 400r?min^-1 時，可得到轉(zhuǎn)數(shù)與時間關(guān)系，如式（7）所示。

x=201.8657+2.5t

式中， Ψ_t 為時間， s;x 為所需馬達轉(zhuǎn)數(shù)，r。

根據(jù)公式（5）＼～（7）得到自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖9示，可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，當(dāng)檢測轉(zhuǎn)速輸入為 400r?min^-1 時，自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)在 6.0s 內(nèi)完成間隙調(diào)整來避免壓輥打滑與制粒機堵機，符合實際生產(chǎn)工況與設(shè)計時間響應(yīng)需求。

3討論

模輥間隙是環(huán)模制粒機發(fā)生堵機的主要原因之一，實際加工飼料過程中模輥間隙并沒有嚴(yán)格的工藝標(biāo)準(zhǔn)，都是操作者根據(jù)經(jīng)驗進行手動調(diào)整。手動調(diào)整既保證不了精度，又浪費了大量時間，還不能實現(xiàn)對整個加工過程的有效監(jiān)測。在模輥間隙智能調(diào)整方面，國外已研制出氣動間隙可調(diào)節(jié)裝置，但目前處于技術(shù)保密狀態(tài)。我國針對間隙調(diào)整的系統(tǒng)化研究較少，華晨光等[3設(shè)計集感知擠壓力與調(diào)整為一體的模輥間隙自動調(diào)整機構(gòu)，但擠壓力感知結(jié)構(gòu)在巨大擠壓力下易損壞，后期維修調(diào)整復(fù)雜。因此，開發(fā)模輥間隙智能調(diào)整機構(gòu)已經(jīng)成為飼料行業(yè)的迫切需求。

本研究針對SPZL600型雙輥制粒機提出一種環(huán)模制粒機模輥間隙智能調(diào)整機構(gòu)。首先，設(shè)計了模輥間隙智能調(diào)整機構(gòu)，經(jīng)過三級傳動實現(xiàn)對模輥間隙的實時調(diào)整；其次，建立了模輥間隙智能調(diào)整機構(gòu)數(shù)學(xué)模型；最后，根據(jù)數(shù)學(xué)模型設(shè)計調(diào)整機構(gòu)控制方案，選取壓輥的轉(zhuǎn)速信號作為系統(tǒng)輸入量，控制整個自適應(yīng)調(diào)整過程，環(huán)模制粒機發(fā)生物料堵塞時，壓輥轉(zhuǎn)速急速下降，監(jiān)測到的轉(zhuǎn)速信號傳輸至主控制器，主控制器通過與特定閾值對比形成判斷，從而通過計算后驅(qū)動間隙調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)模輥間隙的自適應(yīng)調(diào)整。本研究提出的環(huán)模制粒機模輥間隙智能調(diào)整機構(gòu)，增強了生產(chǎn)安全系數(shù)與智能化程度，提升了產(chǎn)品的持續(xù)競爭力，對其他制粒機具有借鑒意義。

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