國內(nèi)外學(xué)者針對環(huán)模制粒成型技術(shù)進行了大量研究，取得了一批研究成果，為高效節(jié)能制粒技術(shù)的研究提供了一定的研究基礎(chǔ)。本節(jié)從成型機理、制粒生產(chǎn)率、制粒能耗、顆粒質(zhì)量、制粒穩(wěn)定性及核心部件壽命等幾個方面對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行綜述。
1、擠壓成型機理擠壓機理的研究主要集中在三個方面：環(huán)模制粒擠壓成型力學(xué)模型的研究；環(huán)模制粒擠壓成型壓縮過程的研究；環(huán)模制粒擠壓成型過程粉體顆粒間內(nèi)部結(jié)合機制的研究。
針對環(huán)模制粒擠壓成型力學(xué)模型，在國外，丹麥技術(shù)大學(xué)開展的“制粒過程基礎(chǔ)性研究”項目(EFP-2005 Project(33031-037》對于木質(zhì)粉體制粒進行了一系列基礎(chǔ)性研究，項目組成員Holm等建立了木質(zhì)粉體在環(huán)�？變�(nèi)擠壓的力學(xué)模型，推導(dǎo)出了擠壓力的方程式，并分別用小型試驗制粒機和單孔制粒單元試驗裝置進行了試驗驗證；為了解決力學(xué)模型關(guān)系式中三個變量（泊松比、摩擦系數(shù)和預(yù)加作用力）相互耦合而難以確定的難題，又對力學(xué)模型方程進行了改進。在國內(nèi)，曹康對制粒的機理、工藝進行了全面的論述，對擠壓區(qū)的受力狀況進行了比較詳細的力學(xué)分析；張維果、吳勁鋒通過對不同粒度的苜蓿草粉進行壓縮實驗，得到了顆粒擠出力與粉體粒度、密度之間的關(guān)系，并建立了數(shù)學(xué)模型；周曉杰、王春光采用電測技術(shù)，選擇初始密度和壓縮速度為試驗因素，對苜蓿草徑向力進行測試研究，獲得了壓縮密度、初始密度和壓縮速度對苜蓿草徑向壓縮力的影響規(guī)律；武凱針對粉體環(huán)模制粒成型理論進行了一系列研究，建立了環(huán)模制粒擠壓過程完整的力學(xué)模型及扭矩模型。
針對粉體物料的壓縮過程，楊明韶等開展了秸稈類物料開式壓縮實驗，對其流變學(xué)特性進行了研究；白煒等進行了三種秸稈顆粒冷態(tài)壓縮成型的開式實驗研究，將其壓縮成型特性曲線定義為松散、過渡、壓緊和推移四個價段，并對前三個階段進行了回歸分析；孫啟新等將生物質(zhì)成型過程劃分為松散、壓緊和固化三個階段），認為固化過程是塑性變形和黏性變形的結(jié)合；對于成型過程中物料的變化規(guī)律，Rehkuglar等利用流變力學(xué)模型進行了分析；董玉平、回云埔則應(yīng)用有限元軟件模擬了成型過程的應(yīng)力應(yīng)變和溫度場，證明存在適宜的溫度使原料流動性增強，成型更加容易。
針對粉體顆粒間內(nèi)部結(jié)合機制，Lindley將成型物內(nèi)部的黏結(jié)力類型和黏結(jié)方式分成五類：固體顆粒橋接或架橋、非自由移動黏結(jié)劑作用的黏結(jié)力、自由移動液體的表面張力和毛細壓力、粒子間的分子吸引力或靜電引力、固體粒子間的充填或嵌合，認為生物質(zhì)燃料特性可以用上述的一種或幾種黏結(jié)類型來解釋其內(nèi)部的成型機制；田瀟瑜研究表明，秸稈燃料的內(nèi)部結(jié)合形式主要為機械鑲嵌和天然黏結(jié)劑黏結(jié)；Kaliyan利用電子掃描顯微鏡(SEM)觀察了不同方式制出的玉米秸稈顆粒和柳枝稷顆粒，發(fā)現(xiàn)顆粒之間的結(jié)合方式主要是固體橋接，并且通過紫外熒光照片發(fā)現(xiàn)固體橋接主要是由天然黏合劑（纖維素、蛋白質(zhì)）形成，因此提出了有必要調(diào)節(jié)物料的水分含量和制粒溫度來使得這些黏合劑融化，進而形成質(zhì)量更好的顆粒；霍麗麗研究表明，玉米秸稈等生物質(zhì)燃料（環(huán)模成型）的微觀成型機理為分層間斷性壓縮，分為中心層、過渡層和表層，層與層間距為25～40Um；吳云玉則研究了生物質(zhì)顆粒微觀成型機理，建立了微觀接觸幾何模型，認為壓輥對原料的正壓力F與生物質(zhì)顆粒表面斜角al的余弦成正比。
2、制粒成型生產(chǎn)率
針對提高制粒成型生產(chǎn)率的研究主要集中在兩個方面，一方面是針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)提出參數(shù)選擇、優(yōu)化規(guī)范，另一方面是通過新的結(jié)構(gòu)提升制粒效率。
針對制粒機結(jié)構(gòu)參數(shù)對制粒生產(chǎn)率的影響，陳炳偉指出，環(huán)模和壓輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對環(huán)模制粒機的生產(chǎn)效率影響很大，選用大直徑環(huán)模和壓輥可以提高制粒生產(chǎn)率，但壓輥數(shù)目與模輥直徑比有相互制約的關(guān)系，因此單純增加壓輥個數(shù)并不一定能提高環(huán)模制粒機的生產(chǎn)效率。王敏、李艷聰研究了環(huán)模轉(zhuǎn)速與制粒生產(chǎn)率之間的關(guān)系：王敏研究表明，環(huán)模制粒機的生產(chǎn)率與環(huán)模的轉(zhuǎn)速沒有嚴格的正反比關(guān)系，環(huán)模存在最佳轉(zhuǎn)速范圍對應(yīng)最高的生產(chǎn)率；而李艷聰則通過實驗研究了環(huán)模線速度和飼料加工產(chǎn)量之間的關(guān)系，得出制粒機產(chǎn)量與環(huán)模線速度之間存在拐點，即對應(yīng)特定的物料，制粒機采用合理的線速度可使得制粒產(chǎn)量最大。環(huán)模表面開孔率方面，高放研究表明，環(huán)模開孔率直接影響到制粒機的生產(chǎn)效率，理論上，環(huán)模表面的開孔率越大，制粒機的生產(chǎn)率越高，但是開孔率的大小也直接影響到加工的難易程度及環(huán)模的強度，因此在保證環(huán)模有足夠的強度及加工容易的情況下，應(yīng)盡可能地提高環(huán)模開孔率。輥模間隙也影響到環(huán)模制粒機的生產(chǎn)效率，林云鑒研究表明，輥模間隙過大時，物料打滑，生產(chǎn)率降低；而當(dāng)間隙過小時，粉料經(jīng)擠壓溫升加劇，水分蒸發(fā)較快，使物料干結(jié)堵塞�？�，生產(chǎn)率也降低。此外，Blank對制粒過程進行了優(yōu)化分析，研究了如何在保證加工質(zhì)量的前提下提高加工效率；Wuc28]建立了環(huán)模制粒生產(chǎn)率模型，對影響生產(chǎn)率的各因素進行了分析。
除了針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)參數(shù)對制粒機生產(chǎn)率的研究外，專利文獻中提出了多種新型結(jié)構(gòu)以提高制粒效率。方亨志提出了一種帶切線攪拌槳的混合制粒機，在攪拌機構(gòu)中設(shè)置了攪拌槳和傳動裝置，并將攪拌槳按其圓周的切線方向均勻分布放置，可以提高物料的混合效果，并提高生產(chǎn)率；邁斯特提出在制粒機中使用切割轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子的外周面上布有切割的刀片都由一驅(qū)動系統(tǒng)帶動旋轉(zhuǎn)，在制粒過程中對顆�？梢赃M行及時地定向切割，有助于效率的提高；某公司提出了兩種高效率制粒機：環(huán)模和壓輥可同時轉(zhuǎn)動的制粒機）和雙環(huán)模內(nèi)置式制粒機，環(huán)模、壓輥同時轉(zhuǎn)動可減小堵機概率，進而提升效率，而雙環(huán)模內(nèi)置式制粒機增置了內(nèi)環(huán)模，在內(nèi)環(huán)模壁上同樣設(shè)有若干徑向的�？�，這樣兩個環(huán)模都可以進行制粒，工作效率得到提高；某廠提出在生物質(zhì)顆粒制粒機中使用過盈連接的雙層環(huán)模來增強環(huán)模疲勞強度，可壓制木質(zhì)顆粒以及在重載荷下連續(xù)運轉(zhuǎn)，進而可提升生產(chǎn)效率；某公司所提出的雙環(huán)模式制粒機是將兩只環(huán)模安裝在主被動軸上，兩者之間形成壓力角相向轉(zhuǎn)動，生產(chǎn)效率可成倍提高；張惠明提出了一種壓輥式碾壓制粒機：在機架上設(shè)置了左右滑動的滑模，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)顆粒的密度和長短，具有較高的生產(chǎn)率；尼羅有限公司提出在壓實制粒機中設(shè)置水平放置的旋轉(zhuǎn)滾筒，其中心軸偏心，工作時多個壓實裝置傳遞力量給顆粒以取得高的壓實效果，可進行連續(xù)壓實，效率較高。
3、制粒成型能耗
如何降低制粒能耗是國內(nèi)外研究的熱點，制粒能耗的降低不應(yīng)以降低顆粒質(zhì)量為代價，因此研究環(huán)模制粒能耗實際上也就是研究在保證顆粒質(zhì)量的前提下如何降低單位產(chǎn)量能耗，即在提高顆粒質(zhì)量和降低能耗之間尋求一種平衡。
由于影響環(huán)模制粒機能耗、產(chǎn)量及顆粒質(zhì)量的因素很多（如物料含水量、顆粒大小及分布、添加劑、環(huán)模尺寸、�？壮叽�、壓輥尺寸、環(huán)模轉(zhuǎn)速、進料速度、制粒間隙等），且這些參數(shù)間大多存在耦合關(guān)系，進行制粒系統(tǒng)整體優(yōu)化非常困難。國內(nèi)外開展的相關(guān)研究主要集中于工藝參數(shù)及物料理化參數(shù)的優(yōu)化，且大多只是對其中一兩個因素進行理論分析和實驗研究。
林云鑒等分別利用實驗室制粒系統(tǒng)和飼料廠制粒系統(tǒng)，考察了制粒工藝參數(shù)（水分、長徑比、模輥間隙）的改變對生產(chǎn)率、電耗、飼料顆粒質(zhì)量的影響，為含谷物高的配合飼料的制粒工藝參數(shù)的選擇提供了參考依據(jù)；王敏分析了模輥間隙大小對制粒性能（生產(chǎn)率、電耗和顆粒加工質(zhì)量）的影響，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)增大環(huán)模、壓輥的間隙，會增大黏料層厚度，進而使得生產(chǎn)率下降、噸電耗上升，但加工質(zhì)量會有所提高；Rolfe研究表明，環(huán)模轉(zhuǎn)速的提高使物料高度減小，進而擠壓物料的力減小，但是顆粒的溫度提高了，制粒過程消耗的機械能增加，綜合這些結(jié)果，制粒的能耗表現(xiàn)為增大；武凱根據(jù)建立的能耗模型分析了環(huán)模速度對制粒能耗的影響，結(jié)果表明，隨著模速的提升，制粒能耗逐漸攀升；Tabil等建立了能耗與顆粒耐久性間的關(guān)系模型；Nielsen等對不同材質(zhì)的木屑顆粒進行了實驗對比分析，分析了提取物的含量對制粒機的能耗的影響，結(jié)果表明，樹脂、脂肪族化合物、固醇等可以減小物料被擠壓入�？字械牧�，降低制粒機的能耗，但木屑的保壓時間對擠壓力及制粒機的能耗影響不明顯；Mehrdad等對木屑水分含量、木質(zhì)材料新鮮程度等不同參數(shù)下的物料作了制粒過程的對比試驗，發(fā)現(xiàn)在工藝過程中優(yōu)化這些參數(shù)可以提高顆粒品質(zhì)和降低能耗；Nielsenc對不同制粒特性的木屑進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)加工橫向纖維方向的生物質(zhì)物料時產(chǎn)量高、能耗低。
在工藝技術(shù)與結(jié)構(gòu)技術(shù)改進方面，某公司提出了一種飼料制粒專用潤滑液及其制備方法，將一種具有潤滑、黏合和誘食三種功能的專用潤滑液加人物料中，制造顆粒可以顯著地降低能耗；施迎春提出了一種生物質(zhì)顆粒燃料制取工藝，使用該工藝的制粒機采用相向旋轉(zhuǎn)并外切的雙環(huán)模，環(huán)模上布有若干壓制通孔，孔心均指向圓心，該結(jié)構(gòu)可使單位能耗大幅減少；某公司發(fā)明了一種環(huán)模和壓輥間隙調(diào)整裝置：由于壓輥裝置安裝在偏心軸上，轉(zhuǎn)動活動花板可自由調(diào)整模輥間隙，調(diào)節(jié)方便、制粒穩(wěn)定，有助于降低能耗；鄭忠義提出在異形組合式環(huán)模中將成型孔的出料口做成圓形或矩形擴孔出料口，并使用了環(huán)式腰帶連接件，擠壓制粒時�？撞灰锥氯山档湍芎牡睦速M；尹小林提出，在節(jié)能型環(huán)模滾輪擠壓成型機中采用齒輪控制環(huán)模和滾輪之間的滾動，不需要經(jīng)常性地調(diào)整間隙，可減少堵塞現(xiàn)象，提升制粒穩(wěn)定性，進而可以降低能耗；某公司提出在壓輥殼的圓周方向開設(shè)弧形凹槽，弧形槽沿殼體軸向由兩端向中間延伸呈弧狀，可解決現(xiàn)有技術(shù)中殼體易磨損、卷料性差的難題，保證殼體磨損均勻而且不易堵塞，有助于達到節(jié)能的目標；陳康海提出，采用新型刀片緊靠在環(huán)�？壮隽峡�，致使切割的顆粒端面整齊、使用物料減少，返回料也會隨著減少，進而可有效降低能耗。
4、成型顆粒質(zhì)量
制粒成型質(zhì)量直接影響顆粒的存放、運輸、熱值等指標，國內(nèi)外有關(guān)制粒成型質(zhì)量的研究主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝參數(shù)對顆粒質(zhì)量的影響方面。
Kaliyan等指出，原料特性、預(yù)處理過程和成型設(shè)備都會影響成型產(chǎn)品的強度和耐久性；并就物料理化性質(zhì)、水分含量、添加劑、制粒機參數(shù)及制粒工藝參數(shù)對顆粒質(zhì)量的影響進行了綜述，為制粒參數(shù)的選擇提供了參考。
Obidzinskir54]應(yīng)用實驗型制粒機研究了制粒機結(jié)構(gòu)參數(shù)（環(huán)模孑L徑長度、模輥間隙）對飼料顆粒質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，隨著孔徑長度和模輥間隙的增加，顆粒密度和動態(tài)耐久性也隨之增加，且顆粒質(zhì)量與動態(tài)耐久性之間存在線性關(guān)系；Colovicc55]對三種具有不同長徑比的制粒機制粒過程進行研究，結(jié)果表明，隨著長徑比的增大，顆粒硬度、能耗和顆粒耐久性都會隨之增大，且增加水分含量可以有效地降低能耗，但同時也可能使得顆粒耐久性下降；Hernandez等應(yīng)用單元制粒裝置研究了羊飼料制粒的最佳參數(shù)（含水量、溫度及長度），并進行了實際生產(chǎn)驗證，結(jié)果表明，此種選擇優(yōu)化參數(shù)的方法簡便易行；Tumuluru利用單孔制粒單元和實驗性制粒機對影響小麥基底型酒糟顆粒質(zhì)量的相關(guān)因素（水分含量、溫度和環(huán)�？壮叽纾┻M行了實驗研究，建立了回歸模型并進行了數(shù)據(jù)分析，并且提出了相關(guān)優(yōu)化參數(shù)。
Caronec58]研究了制粒工藝參數(shù)（壓力和溫度）和物料性質(zhì)（水分含量和顆粒大小）對橄欖樹枝條顆粒的質(zhì)量（密度和耐久性）的影響，結(jié)果表明，溫度影響最大，其次是水分含量和顆粒大小，影響最小的是擠壓力；Relova就加勒比松制粒過程中顆粒尺寸、水分含量和擠壓壓力對顆粒質(zhì)量的影響進行了研究，結(jié)果表明，擠壓力影響最大、水分含量次之、顆粒尺寸最小，且當(dāng)擠壓力增大到一定程度后繼續(xù)增加對顆粒質(zhì)量影響不大；黃曉鵬等試驗得到，對苜蓿制粒密度影響的強弱依次為擠出力、含水率、草粉粒度；Mani等研究得出，成型壓力、顆粒尺寸和含水率對小麥和玉米秸稈的成型密度均有影響；陳曉青研究表明，含水率和進料速度還對玉米秸稈成型燃料裂紋的形成有較大影響；廖娜指出，玉米秸稈等生物質(zhì)燃料的松弛特性與原料的木質(zhì)素含量相關(guān)。
其他相關(guān)的研究結(jié)論包括：壓力是決定生物質(zhì)燃料品質(zhì)的主要參數(shù)；增加成型壓力和保壓時間以及加入添加劑會提高燃料品質(zhì)；成型溫度越高，燃料的抗跌碎和抗?jié)B水能力越差；等等。
5．制粒穩(wěn)定性與核心部件壽命
環(huán)模制粒穩(wěn)定性，既指制粒過程穩(wěn)定、顆粒質(zhì)量有保證，又指制粒機運行穩(wěn)定，關(guān)鍵部件可靠性高。從制粒機實際運行情況來看，我國制粒機相對于國外同類產(chǎn)品而言依然存在關(guān)鍵部件使用壽命低，振動、噪聲大等問題。作為環(huán)模制粒機關(guān)鍵部件，環(huán)模、壓輥工作時長期承受壓力和物料摩擦，工作條件惡劣，容易失效，是目前環(huán)模制粒成型設(shè)備存在的主要問題。環(huán)模與壓輥的失效形式以結(jié)構(gòu)破壞和過度磨損為主，與材料、結(jié)構(gòu)、熱處理方式及物料特性、生產(chǎn)條件密切相關(guān)。目前，對于環(huán)模、壓輥壽命的研究主要集中在結(jié)構(gòu)受力分析、摩擦磨損機理分析、模具材料、模具結(jié)構(gòu)、熱處理工藝等方面。
張煒等對三種不同倒角的環(huán)模結(jié)構(gòu)型孔進行了有限元靜力分析，認為60°倒角孔的變形小，結(jié)構(gòu)最好；申樹云等通過受力分析得出生物質(zhì)成型機�？椎淖罴验L徑比為5：1；劉超等研究了生物質(zhì)模具錐角與應(yīng)力的關(guān)系，認為最佳錐角取值為5. 5°～6. 0°;鄧勇等對制粒機環(huán)模進行了均勻載荷和非均勻載荷的有限元分析，得出了非均勻載荷是導(dǎo)致環(huán)模兩端磨損嚴重的重要原因；施水娟等建立了環(huán)模擠壓力學(xué)模型，并進行了數(shù)值模擬分析，研究表明，環(huán)模與壓輥的兩側(cè)變形大，中間變形小，環(huán)模與壓輥受到了不均勻載荷的作用；武凱等對制粒過程中�？讛D壓過程進行了仿真分析，得出結(jié)論：相比于錐面孔口，使用曲面孔口可以減少磨損。
張煒、吳勁鋒對苜蓿草粉制粒機環(huán)模失效行為進行了研究，認為環(huán)模磨損失效與疲勞失效存在一定關(guān)系，隨著磨損的加劇，環(huán)模的模孔內(nèi)壁壁厚發(fā)生變化，降低了環(huán)模的抗疲勞能力，環(huán)模表面在疲勞剝落和顯微切削兩種磨損機制作用下產(chǎn)生表面的材料流失，最終導(dǎo)致環(huán)模的磨損失效；吳勁鋒建立了環(huán)模結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)理模型，并利用苜蓿草粉進行試驗得到影響磨損各因素的強弱順序依次為轉(zhuǎn)速、物料顆粒尺寸和載荷，指出環(huán)模磨損主要是由塑性變形和顯微切削兩種磨損機制造成的，植物纖維與金屬間相互作用的摩擦力是造成該類磨損的主要原因，生物質(zhì)成型模具以磨料磨損為主，苜蓿等生物質(zhì)原料對金屬表面的磨損為硬、軟磨粒共同作用的結(jié)果；孔雪輝對生物質(zhì)環(huán)模的磨損問題進行了研究，建立了�？椎牡饶p優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；霍麗麗指出，壓輥磨損除了由于原料中含有硅酸鹽成分、雜質(zhì)、水分等易加速腐蝕、磨損的物質(zhì)外，物料的不均勻分布也是十分重要的影響因素，研究表明，進料側(cè)壓輥面比其他位置表面多磨損約40%。
針對環(huán)模的磨損問題，朱濱峰等研究了一種新型預(yù)應(yīng)力環(huán)模，使環(huán)模的淬硬部分受到一種預(yù)應(yīng)力，以抵消環(huán)模工作時壓輥對它施加的部分或全部應(yīng)力，進而降低環(huán)模工作時的總應(yīng)力，提高環(huán)模的使用壽命；楊毅指出，為提高模具壽命，應(yīng)確保材料的Cr含量在12. 5%以上；孫晶鋒等對45鋼、9SiCr和60SiMn試樣進行磨料（紫花苜蓿）磨損試驗，結(jié)果表明，9SiCr韌性和磨損性能最好；陳志光等通過試驗表明，4Cr13環(huán)模經(jīng)低溫碳氮共滲、真空高壓氣淬后，其使用壽命顯著提高，并指出增加模具硬度可提高其耐磨性能，但太硬容易發(fā)生脆性斷裂，設(shè)計時應(yīng)同時考慮材料的硬度和韌性。此外，羅銳指出，環(huán)�？椎亩氯皶r清理，否則不僅影響制粒機的生產(chǎn)率、顆粒質(zhì)量，還會影響制粒機的使用壽命；姚修偉指出，提高環(huán)模的開孔率可以很大程度上提高制粒機的生產(chǎn)率，但是孔的數(shù)量多，勢必使孔之間的間距減小，環(huán)模的強度和耐磨性不但差，而且易斷裂，環(huán)模的使用壽命大大縮短。
制粒過程穩(wěn)定性方面的研究主要集中在如何實現(xiàn)物料均布、如何實現(xiàn)制粒機的防滑防堵等方面。目前研究成果主要是在制粒機結(jié)構(gòu)方面進行設(shè)計和改進，并以專利的形式展示出來。在實現(xiàn)物料均布方面，有強制喂料裝置、勻料裝置和旋轉(zhuǎn)進料裝置；在防滑防堵方面，提出對壓輥表面形狀進行改進，設(shè)計了防滑壓輥殼以提高物料攫取能力，避免物料在壓縮情況下向兩側(cè)滑動；并通過增加限高板的方式來限制物料高度進而避免制粒機堵機。
綜上，環(huán)模制粒成型技術(shù)是一種先進的顆粒成型工藝技術(shù)，集成了機械工程、粉體力學(xué)等多學(xué)科知識，在生物質(zhì)固化成型、飼料加工等國民經(jīng)濟重要技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。當(dāng)前，環(huán)模制粒成型技術(shù)基礎(chǔ)理論體系的不完備嚴重制約了我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，研究環(huán)模制粒機理、技術(shù)與裝備對發(fā)展清潔能源、促進三農(nóng)發(fā)展、降低環(huán)境污染具有非常重要的理論意義與實用價值。
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