韋 山 （安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車學(xué)院，安徽 蕪湖241000；上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，上海200240）

農(nóng)林生物質(zhì)能有很高的開發(fā)潛力，是未來能源利用的重要途徑。生物質(zhì)顆粒成型機(jī)是生物質(zhì)物料固化成型的一個(gè)主要技術(shù)。目前研究的生物質(zhì)固化成型設(shè)備主要有螺桿擠壓式成型機(jī)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)和輥壓式顆粒成型機(jī)等4種形式，以輥壓式顆粒成型機(jī)應(yīng)用最為廣泛。

文獻(xiàn) ［1］對(duì)環(huán)模生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的顆粒成型進(jìn)行了試驗(yàn)研究；文獻(xiàn) ［2］用熱重分析儀對(duì)玉米秸稈、木屑、混合木屑3種生物質(zhì)成型顆粒燃料進(jìn)行了理論分析；文獻(xiàn) ［3］針對(duì)模輥式成型機(jī)在生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料過程中存在能耗高等問題，以玉米秸稈為原料，研究了成型機(jī)模輥間隙、主軸轉(zhuǎn)速和?？字睆降葏?shù)對(duì)生產(chǎn)率、噸燃料能耗、顆粒燃料的成型率、機(jī)械耐久性和顆粒密度等的影響，得出了滿意的結(jié)果。下面，筆者研究了一款生物質(zhì)顆粒機(jī)的設(shè)計(jì)，并針對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元分析和實(shí)物驗(yàn)證。

圖1 生物質(zhì)顆粒機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1 總體結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)顆粒機(jī)主要由物料喂入、傳動(dòng)系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)和平模機(jī)構(gòu)等部件組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 生物質(zhì)顆粒機(jī)的技術(shù)參數(shù)

2 主要部件設(shè)計(jì)

1）平模的設(shè)計(jì)分析 平模作為顆粒機(jī)成型作業(yè)的心臟，在設(shè)計(jì)中一定要考慮到：①平模應(yīng)具有較強(qiáng)的強(qiáng)度和耐磨性以及耐腐蝕性；②充分考慮平模材質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)物料成型的影響，其中包括平?？卓仔?、?？组g距、平模圓周速度、?？状植诙鹊?，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由文獻(xiàn) ［4］獲知，通常情況下生產(chǎn)小尺寸生物質(zhì)顆粒，平模表面邊沿的線速度為2～5m／s。生產(chǎn)較大尺寸時(shí)，應(yīng)將平模表面的速度限制在4～8m／s。由于本設(shè)計(jì)為生產(chǎn)小尺寸生物質(zhì)顆粒，故平模表面邊沿的最佳線速度選用2～5m／s。

取D=500mm，通過大量試驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)平模厚度為25mm時(shí)較理想，故取平模有效厚度L=25mm。

2）壓輥的設(shè)計(jì) 對(duì)于生物質(zhì)顆粒機(jī)來說顆粒機(jī)壓輥的尺寸是其諸多基本參數(shù)中最為重要的，而選擇最佳的壓輥徑比λ（λ=r／R，r為壓輥的半徑，R為平模半徑）是設(shè)計(jì)顆粒機(jī)

壓輥的關(guān)鍵問題，也是設(shè)計(jì)和改進(jìn)顆粒機(jī)的重要理論依據(jù)，從顆粒機(jī)工作時(shí)有關(guān)參數(shù)之間的幾何關(guān)系加以研究，可得這些參數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示。圖2中，h0表示壓輥所能攫取的物料層厚度；攫取角α0表示壓輥的一條半徑OA的切線AB和平模上表面相交所成的角∠ABC；h為模輥間隙。

圖2 壓輥某一截面上平模工作區(qū)工況圖

由此可取壓輥所能攫取物料層的不同厚度h0和壓輥的一條半徑的切線和平模上表面相交所成的攫取角α0得出λ的不同取值。物料與鋼材的摩擦角一般在20～25°之間，而攫取角α0為物料與壓輥的摩擦角和物料與平模的摩擦角之和。取α0=40°，h0=20mm時(shí)，為λ的理論最佳值，即λ=0．842。

3 平?？偝捎邢拊治?/h2>

1）建立有限元模型 使用Catia軟件繪制的平?？偝山Y(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)主要由壓輥、平模、動(dòng)力軸和軸承等相關(guān)部件組成。動(dòng)力傳動(dòng)軸選用45鋼，材料的屈服強(qiáng)度為600MPa，彈性模量為209GPa，泊松比為0．269。壓輥材料選用耐磨性、強(qiáng)度好的42CrMoTi，彈性模量為205．8GPa，泊松比為0．293。

2）網(wǎng)格劃分 在Ansys／Workbench的DM模塊中對(duì)平模機(jī)構(gòu)進(jìn)行前處理，全部采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，共劃分節(jié)點(diǎn)1914440，單元572547。六面體網(wǎng)格在對(duì)于計(jì)算的準(zhǔn)確性上可以有很大提高，劃分后的網(wǎng)格圖如圖4所示。

3）加載和約束 根據(jù)平模運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在中心軸處添加約束，僅保留繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，添加轉(zhuǎn)速為104r／min。

圖3 平模總成三維模型圖

圖4 平?？偝删W(wǎng)格圖

4）靜力學(xué)分析 完成壓輥材料、約束、載荷等設(shè)置和有限元網(wǎng)格劃分后，即進(jìn)行有限元分析，得到壓輥三維應(yīng)力及等效應(yīng)力。同時(shí)為了判斷材料是否發(fā)生永久變形，對(duì)可延展材料按照最大等效應(yīng)力失效原理計(jì)算安全系數(shù)。圖5為壓輥靜力學(xué)分析結(jié)果，由圖5可知，壓輥機(jī)構(gòu)在極限工況下受力為179．24MPa，變形量為 0．037mm，靜力學(xué)結(jié)果顯示設(shè)計(jì)符合材料和機(jī)構(gòu)的要求。同時(shí)通過對(duì)結(jié)果分析可以得知，壓輥總成應(yīng)力較大，是整個(gè)產(chǎn)品容易壞的部件。

5）疲勞分析 疲勞失效是壓輥產(chǎn)生破壞的主要原因。當(dāng)壓輥在接受循環(huán)接觸應(yīng)力作用時(shí)，永久性累計(jì)損傷會(huì)在局部產(chǎn)生，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，接觸表面發(fā)生麻點(diǎn)、淺層或深層剝落。

從圖6有限元分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，安全系數(shù)較低的地方發(fā)生在壓輥2側(cè)，為2．4。圖7顯示的是600h的軸承安全壽命，看出最低的安全系數(shù)只有0．8，說明在缺少潤(rùn)滑和冷卻條件下，軸承的壽命嚴(yán)重降低，在實(shí)際使用過程中，軸承運(yùn)行600h就需要更換，后續(xù)的工作將針對(duì)這個(gè)問題作進(jìn)一步改進(jìn)。

圖5 平?？偝伸o力學(xué)分析結(jié)果

圖6 壓輥疲勞系數(shù)云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7 軸承疲勞系數(shù)云圖

對(duì)研制成功的樣機(jī)，進(jìn)行了生物質(zhì)顆粒生產(chǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象為竹粉，經(jīng)測(cè)試竹粉顆粒含水率為8．3%，顆粒成型率為96%，成品顆粒堅(jiān)實(shí)度為91．7%，并且顆粒機(jī)的噸耗電量為59．8kW·h／t，成產(chǎn)率高達(dá)524kg／h。

5 結(jié) 語

通過對(duì)壓輥的理論計(jì)算分析，從理論上說明了設(shè)計(jì)的正確性。通過對(duì)壓輥進(jìn)行有限元分析，得出了壓輥在極限工況下應(yīng)力、應(yīng)變和平均疲勞系數(shù)，驗(yàn)證了壓輥機(jī)構(gòu)的合理性。通過樣機(jī)的生產(chǎn)試驗(yàn)表明，采用這種結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)顆粒機(jī)的能耗低、產(chǎn)量大、產(chǎn)品生物質(zhì)顆粒品質(zhì)高。

［1］杜德利，王鎮(zhèn) ．生物質(zhì)致密成型產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用 ［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（增1）：146-150．

［2］王久臣，戴林，田宜水，等 ．中國(guó)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析 ［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（9）：276-282．

［3］陳義厚，周思柱 ．三錐輥式平模制粒機(jī)的設(shè)計(jì)與研究 ［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（11）：126-128．

［4］霍麗麗，侯書林，田宜水，等 ．生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)壓輥磨損失效分析 ［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（7）：102-106．

［5］孫清，白紅春，趙旭，等 ．蜂窩狀生物質(zhì)燃料固化成型有限元分析 ［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（2）：107-109．

［6］孫啟新，張仁儉，董玉平 ．基于ANSYS的秸稈類生物質(zhì)冷成型仿真分析 ［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（12）：130-134．

［7］劉超，董玉平，吳云玉 ．基于ANSYS的生物質(zhì)液壓成型模具錐角優(yōu)化 ［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（12）：125-129．

［8］霍麗麗，田宜水，孟海波，等 ．模輥式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)性能試驗(yàn) ［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（12）：121-125．

［9］王翠蘋，李定凱，王鳳印，等 ．生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒特性的試驗(yàn)研究 ［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，32（10）：174-177．

［10］姚宗路，田宜水，孟海波，等 ．生物質(zhì)固體成型燃料加工生產(chǎn)線及配套設(shè)備 ［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（9）：280-285．

［11］杜紅光，董玉平，王慧，等 ．生物質(zhì)冷壓成型模具摩擦熱分析 ［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（9）：58-62．

［12］霍麗麗，孟海波，田宜水，等 ．粉碎秸稈類生物質(zhì)原料物理特性試驗(yàn) ［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（17）：189-194．