王述洋　王輝　李姊靜

摘要：針對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)模具磨損過快、壽命短、成本高、更換頻率過快等缺點(diǎn)，通過對(duì)幾種不同入口錐度的活動(dòng)模具進(jìn)行建模、靜力學(xué)分析，比較不同入口錐度活動(dòng)模具節(jié)點(diǎn)位移云圖和應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，選出最合適的入口錐度，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。對(duì)擠壓過程進(jìn)行有限元分析，揭示成型過程中應(yīng)力、應(yīng)變等變化過程，為生物質(zhì)成型機(jī)模具設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；模具；錐度；應(yīng)力；有限元分析

中圖分類號(hào)： TK64 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）07-0365-04

當(dāng)今世界上的化石能源石油、煤炭等儲(chǔ)量越來越少，而我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越快，對(duì)能源的需求則越來越大，2014年中國(guó)原油進(jìn)口量超過3 100億kg，進(jìn)口煤炭2 910億kg。所以，生物質(zhì)利用技術(shù)受到了國(guó)家的高度重視，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)在關(guān)于“‘十二五生物質(zhì)致密成型燃料發(fā)展規(guī)劃”中提出，到 2020年，使秸稈致密燃料成為普遍使用的一種優(yōu)質(zhì)燃料[1]，每年消耗致密燃料500億kg，代替 300億kg煤，我國(guó)擁有豐富的秸稈等生物質(zhì)，充分利用可代替化石燃料，實(shí)現(xiàn)可再生能源利用，保護(hù)環(huán)境，防止霧霾。但是，秸稈等生物質(zhì)燃料存在自然堆積密度低、雜亂、松散、收集困難、儲(chǔ)運(yùn)費(fèi)用過高等問題[2]，生物質(zhì)致密成型技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵，生物質(zhì)平模成型機(jī)是生物質(zhì)成型的重要設(shè)備[3]，而模具則是成型機(jī)核心部件，它決定了產(chǎn)品質(zhì)量、成型效率以及生產(chǎn)成本，本研究對(duì)不同錐度的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，選出最佳錐度，并對(duì)成型過程進(jìn)行非線性靜力學(xué)分析，觀察平模成型過程中應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律。

1 生物質(zhì)成型機(jī)工作原理

生物質(zhì)平模致密成型機(jī)由儲(chǔ)料室、直壓輥-壓輥架系統(tǒng)、活動(dòng)模具、平模盤、主傳動(dòng)軸、減速器和動(dòng)力系統(tǒng)等組成。動(dòng)力通過帶輪傳遞給減速器，通過減速器變向后帶動(dòng)主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)壓輥架旋轉(zhuǎn)，壓輥架上安裝2個(gè)對(duì)稱直壓輥。在加工過程中，生物質(zhì)原料充滿壓輥與平模盤的間隙，直壓輥在生物質(zhì)原料對(duì)其摩擦力作用下自轉(zhuǎn)，并實(shí)現(xiàn)原料的平鋪；在直壓輥將生物質(zhì)原料壓入到活動(dòng)模具中，完成致密成型加工[4]。據(jù)研究，成型壓力在40 MPa以上，顆粒燃料的密度可達(dá)1 000 kg/m3。

直壓輥在旋轉(zhuǎn)過程中把秸稈等生物質(zhì)壓入模具，原料與模具之間產(chǎn)生摩擦力以及模具對(duì)原料的壓縮力，直壓輥在平模無孔處也進(jìn)行壓縮和摩擦，不必要的磨損和能耗浪費(fèi)縮短了模具的使用壽命。針對(duì)這些缺點(diǎn)，通過對(duì)不同錐度的模具進(jìn)行受力分析，并對(duì)成型過程進(jìn)行模擬仿真，選出最優(yōu)的錐度模具，提高它的使用壽命、降低能耗、提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量（圖1、圖2）。

2 成型機(jī)模具分析及仿真結(jié)果

成型機(jī)模具是擠壓成型過程中的關(guān)鍵部件，在工作過程中，套筒承受著壓輥對(duì)生物質(zhì)的壓力，因此對(duì)成型機(jī)模具進(jìn)行應(yīng)力分析可得到模具的變形和受力情況，結(jié)果如圖3所示。

2.1 受力分析

能夠完成生物質(zhì)成型過程需要滿足：

2.2 有限元分析

（1）在SolidWorks三維軟件中建立入口錐度分別為30°、45°、60°的活動(dòng)模具，如圖4所示，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench模塊中對(duì)其進(jìn)行節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力以及應(yīng)變分析。（2）網(wǎng)格劃分以及施加約束和載荷?；顒?dòng)模具材料選定為45鋼，其性能參數(shù)為：彈性模量E=210 GPa、密度ρ=7.8 g/cm3、泊松比 μ=0.29。劃分網(wǎng)格時(shí)設(shè)定劃分網(wǎng)格單元大小為5 mm，總共生成節(jié)點(diǎn)數(shù)14 421個(gè)，單元數(shù)7 934個(gè)。（3）求解分析。本研究對(duì)不同入口錐度活動(dòng)模具的節(jié)點(diǎn)位移以及活動(dòng)模具應(yīng)力變化云圖進(jìn)行分析比較，其求解結(jié)果如圖5至圖10所示。

由節(jié)點(diǎn)位移云圖可知，隨著模具入口錐度增加，節(jié)點(diǎn)位移不斷增大，沿中心軸線自上而下逐漸增大。3種不同入口錐度對(duì)活動(dòng)模具節(jié)點(diǎn)位移影響較大，即當(dāng)入口錐度為30°時(shí)，活動(dòng)模具節(jié)點(diǎn)最大位移為0.260 29 mm；當(dāng)入口錐度為45°時(shí)，模具節(jié)點(diǎn)最大位移為0.278 72 mm；當(dāng)入口錐度為60°時(shí)，活動(dòng)模具節(jié)點(diǎn)最大位移為0.333 56 mm，3種不同入口錐度對(duì)活動(dòng)模具節(jié)點(diǎn)位移的影響從大到小依次為60°>45°>30°。由應(yīng)力分布云圖可知，隨著入口錐度增加，活動(dòng)模具所受最大應(yīng)力不斷增大，沿中心軸線由下至上逐漸增大，且在模具上端圓臺(tái)端面處所受應(yīng)力最大。當(dāng)入口錐度為30°時(shí)，模具所受最大應(yīng)力為215.7 MPa；當(dāng)入口錐度為45°時(shí)，模具所受最大應(yīng)力238.44 MPa；當(dāng)入口錐度為60°時(shí)，模具所受最大應(yīng)力為289.52 MPa。當(dāng)活動(dòng)模具入口錐度為30°時(shí)，節(jié)點(diǎn)位移以及最大應(yīng)力最小，此時(shí)其結(jié)構(gòu)最優(yōu)。

3 致密成型過程有限元分析

生物質(zhì)在平模成型機(jī)模具中被擠壓過程中，生物質(zhì)和活動(dòng)模具之間的接觸屬于剛體-柔體面-面的接觸，這是高度非線性的，為了高效的計(jì)算過程和準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，須要建立合理的有限元模型。線性的有限元法進(jìn)行非線性的問題數(shù)值模擬計(jì)算中最有效的方法之一，在擠壓成型過程中，非線性接觸包括幾何非線性、材料非線性和邊界非線性等，非線性問題正常是用一系列帶校正系數(shù)的線性方法來近似求解，常把載荷分解成一系列的載荷增量，然后在多個(gè)載荷步內(nèi)或者是1個(gè)載荷步中多個(gè)子步上施加載荷增量。

3.1 建立模型

生物質(zhì)致密成型過程是非線性的，屬于接觸問題分析，接觸類型為摩擦，通過Solidworks建立三維模型，模具的錐度為30°，為了便于研究問題、簡(jiǎn)化模型，選擇模具和生物質(zhì)的1/2作為研究對(duì)象，導(dǎo)入到ANSYS Workbench中[5-6]。

3.2 設(shè)置材料屬性建立接觸對(duì)

生物質(zhì)原料與活動(dòng)模具之間的接觸為柔性—?jiǎng)傂悦娼佑|，將活動(dòng)模具表面定義為目標(biāo)面，秸稈原料表面定義為接觸面，接觸對(duì)摩擦系數(shù)為0.19。確定材料參數(shù)，選用玉米秸稈為研究對(duì)象[7-8]，玉米秸稈應(yīng)力和應(yīng)變的表達(dá)式為：

σeq=104.9（0.36+ε）3.18。

式中：σeq代表材料等效應(yīng)力；ε代表等效應(yīng)變。

選定的玉米秸稈和活動(dòng)模具的參數(shù)見表3。

3.3 網(wǎng)格劃分

生物質(zhì)擠壓成型過程屬于非線性應(yīng)變，對(duì)網(wǎng)格密度要求較高，采用Automatic Method方式，因?yàn)樵趬嚎s成型過程中，玉米秸稈存在塑性變形，網(wǎng)格劃分要比活動(dòng)模具更細(xì)密，秸稈單位尺寸設(shè)置為2 mm，活動(dòng)模具單位尺寸設(shè)置為4 mm，效果如圖11所示。

3.4 施加載荷約束并求解

對(duì)活動(dòng)模具下端及右側(cè)施加固定約束，左側(cè)施加對(duì)稱約束；秸稈上端施加沿Y軸方向的位移約束，左側(cè)施加對(duì)稱約束。生物質(zhì)原料受到沿Y軸負(fù)方向載荷10 MPa，模具上表面受到壓力555 Pa，為保證分析結(jié)果的收斂，打開Analysis setting 選項(xiàng)，其中Number of Sunsteps設(shè)置為15，Step End Time設(shè)置為10，Large Deflection 設(shè)置為on以激活大應(yīng)變效應(yīng)，點(diǎn)擊Solution（B6） 選擇Solve（求解）進(jìn)行求解，具體結(jié)果如圖12至圖17所示。

通過圖12、圖13可看到，生物質(zhì)成型過程中所受應(yīng)力最大的地方是活動(dòng)模具上端錐面，最大應(yīng)力為96.49 MPa，節(jié)點(diǎn)總位移最大為0.053 854 mm；由圖14、圖15可知，生物質(zhì)原料與活動(dòng)模具接觸對(duì)間應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)間滑移量沿錐面接觸面向下逐漸增加，在錐面與圓柱面接口處最大，此時(shí)接觸對(duì)間應(yīng)力值為96.524 MPa，摩擦應(yīng)力物料在壓力的作用下進(jìn)入活動(dòng)模具，與模具壁產(chǎn)生摩擦，生物質(zhì)被壓縮進(jìn)模具，當(dāng)物料進(jìn)入錐形區(qū)時(shí)，摩擦力增大，并在錐形角處摩擦力值達(dá)到最大，達(dá)到16.592 MPa； 秸稈原料與模具錐面接觸處的應(yīng)變達(dá)到最大值

0.038 415 mm時(shí)，因?yàn)槭芗魬?yīng)力的影響秸稈原料中部位置應(yīng)變較??；y方向應(yīng)變的最大值在模具錐面與下部連接處，為 0.039 428 mm，此處摩擦力最大，磨損最嚴(yán)重，最小值位于模具入口物料處。

4 結(jié)論

生物質(zhì)成型過程中，活動(dòng)模具容易磨損或變形，會(huì)降低生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)成本，為了提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，通過對(duì)活動(dòng)模具的受載荷情況進(jìn)行靜力學(xué)分析以及成型過程進(jìn)行仿真分析，對(duì)不同錐度活動(dòng)模具應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行分析，得到成型過程中等效應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移、接觸摩擦力以及x、y方向的應(yīng)變情況。通過對(duì)比活動(dòng)模具入口錐度分別為 30°、45°、60°

應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移云圖可知，節(jié)點(diǎn)位移以及最大應(yīng)力最小，此時(shí)其結(jié)構(gòu)最優(yōu)。對(duì)生物質(zhì)致密成型的節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，生物燃料和活動(dòng)模具之間的摩擦力作用造成應(yīng)力分布不均、出現(xiàn)裂紋等缺陷，在模具錐形腔錐角處，其節(jié)點(diǎn)位移和等效應(yīng)力達(dá)到最大。通過分析可知，不同位移的接觸摩擦力和接觸壓力不同，在活動(dòng)模具錐形角處最大，然后向下慢慢變小，趨于穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳忠加，俞國(guó)勝，王青宇，等. 柱塞式平模生物質(zhì)成型機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（19）：31-38.

[2]宮 娜，孫嘉燕，王述洋. 田間秸稈收集處理新技術(shù)的研究與探索[J]. 森林工程，2013，29（6）：92-94+101.

[3]陳艷霞. ANSYS Workbench15.0有限元分析[D]. 北京：電子工業(yè)出版社，2015

[4]王鳳輝，常 龍，李 游. 秸稈壓縮成型過程仿真分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014（12）：58.

[5]谷志新，鄭文超，趙 林. 秸稈燃料平模成型機(jī)平模?？追抡嫜芯縖J]. 生物質(zhì)化學(xué)工程，2013（3）：44-47.

[6]杜曉龍，葛正浩，李成平，等. 秸稈燃料成型機(jī)平模的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及壽命分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014（11）：241-243.

[7]丁 寧，邢艷碩，孫 勇，等. 玉米秸稈致密成型燃料擠壓過程有限元分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014（2）：48-51.

[8]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.