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        雙層環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

        2016-10-20 15:57:28徐弘博胡志超陳有慶
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年7期
        關(guān)鍵詞:雙層結(jié)構(gòu)環(huán)模優(yōu)化設(shè)計(jì)

        徐弘博 胡志超 陳有慶

        摘要:針對單層秸稈壓塊成型設(shè)備生產(chǎn)能力低、單位能耗大的問題,分析雙層環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)的性能優(yōu)勢,并提出了一種改進(jìn)的雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)。通過ANSYS軟件對改進(jìn)前后的環(huán)模模塊進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析,對比了模孔徑向與軸向的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。結(jié)果表明:改進(jìn)后的雙層環(huán)模模塊具有更好的力學(xué)性能,為雙層甚至多層環(huán)模模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

        關(guān)鍵詞:秸稈壓塊機(jī);環(huán)模;雙層結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì)

        中圖分類號: S226.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號:1002-1302(2016)07-0415-04

        隨著人們對環(huán)境污染問題的關(guān)注程度不斷提高,如何正確處理農(nóng)作物秸稈已經(jīng)成為我國學(xué)者研究的焦點(diǎn)之一。秸稈壓塊成型技術(shù)的出現(xiàn),為高效再利用秸稈資源提供了一條很好的途徑[1]。秸稈成型設(shè)備按照成型方式的不同具有多種結(jié)構(gòu)形式,其中環(huán)模輥壓式秸稈成型設(shè)備,相對于螺旋擠壓等成型方式,具有生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢[2],是目前秸稈壓塊成型技術(shù)的主流研究對象。

        目前,國內(nèi)秸稈成型設(shè)備普遍存在的問題之一是生產(chǎn)能力偏低、單位能耗過大[3]。根據(jù)能耗比模型理論[4],增大產(chǎn)量可以降低成型的能耗比。針對單層環(huán)模設(shè)備大型化呈現(xiàn)的種種約束,雙層出料口結(jié)構(gòu)的環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)因其能成倍地提高產(chǎn)量,成為秸稈成型設(shè)備大型化的發(fā)展趨勢。環(huán)模在工作過程中受物料擠壓和穩(wěn)定升高的影響,極易磨損,為改善環(huán)模的力學(xué)性能,提高使用壽命,國內(nèi)學(xué)者對環(huán)模結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量分析優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證[5-6],但均是針對單層環(huán)模結(jié)構(gòu),對雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)的研究十分匱乏。本研究對雙層環(huán)模的模塊進(jìn)行建模,并提出一種改進(jìn)的雙層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu),通過有限元軟件ANSYS進(jìn)行靜力學(xué)仿真,反映其工作過程中的應(yīng)力與應(yīng)變分布情況,并與普通的雙層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比,證實(shí)改進(jìn)型的雙層環(huán)模模塊具有更加合理的力學(xué)特性,為雙層甚至多層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與發(fā)展提供參考。

        1 環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

        雙層環(huán)模與單層環(huán)模具有相同的??捉Y(jié)構(gòu),不同點(diǎn)是雙層結(jié)構(gòu)在環(huán)模軸向進(jìn)行了拓展,因此可以首先對單層環(huán)模的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),通過分析單層環(huán)模結(jié)構(gòu)在設(shè)備大型化方面存在的問題,來設(shè)計(jì)雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)。

        1.1 單層環(huán)模結(jié)構(gòu)形式

        本研究的單層環(huán)模由36塊結(jié)構(gòu)相同的模塊拼接組合而成,每個??诪橹睆絛m=30 mm、長度I=140 mm的圓柱,??浊岸嗽O(shè)有40°錐角用于使物料擠壓成型;環(huán)模內(nèi)徑d=620 mm,外徑D=900 mm,模塊厚度為60 mm。單個模塊與整體組合的單層環(huán)模結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        1.2 單層環(huán)模結(jié)構(gòu)的缺陷

        單層環(huán)模結(jié)構(gòu)在技術(shù)上存在很多不足之處,從設(shè)備大型化的發(fā)展角度對比分析增加??讓螌迎h(huán)模結(jié)構(gòu)的秸稈成型機(jī)帶來的問題。

        問題1:造成模盤尺寸過大。模盤是環(huán)模模塊安裝的載

        當(dāng)??讛?shù)n由36個增加到60個時(shí),可以繪制??讛?shù)-模盤面積曲線。由圖2可知,模盤面積隨著??讛?shù)的增加呈現(xiàn)二次上升曲線,??讛?shù)越多,面積增加得越快。因此,當(dāng)要求設(shè)備產(chǎn)量較大時(shí),就會造成模盤的加工成本和制造難度迅速上升;同時(shí),較大的模盤尺寸對于安裝和運(yùn)輸來說也造成了負(fù)擔(dān)。因此,單層出料孔的設(shè)計(jì)思路制約了環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)的大型化發(fā)展。

        問題2:造成設(shè)備堵機(jī)現(xiàn)象。市場上的現(xiàn)有設(shè)備將環(huán)模內(nèi)徑d作為模盤進(jìn)料口直徑,這導(dǎo)致進(jìn)料口面積與出料口面積比例嚴(yán)重失調(diào)。通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),入料口的面積:

        當(dāng)??讛?shù)n由36個增加到60個時(shí),繪制入料/出料面積比例圖,由圖3可以看出,入料通道的面積是出料孔面積總和的10倍以上,這使得物料進(jìn)入模盤的速度遠(yuǎn)大于設(shè)備的產(chǎn)出速度,而且隨著??讛?shù)量的增加,入料通道面積與出料孔的面積比表現(xiàn)為線性增加,入料與出料速度比越發(fā)失調(diào)。在依靠人工上料的情況下,一旦控制不好入料量就會產(chǎn)生堵機(jī)現(xiàn)象,這種情況在實(shí)際生產(chǎn)中尤為常見,嚴(yán)重堵塞時(shí)甚至?xí)p害模盤內(nèi)的壓輥部件。

        問題3:造成設(shè)備功率需求增大。根據(jù)設(shè)備的運(yùn)作情況,可以將設(shè)備的功率消耗歸納于以下3個方面:擠壓成型過程中壓輥克服物料摩擦力的做功;克服設(shè)備轉(zhuǎn)動慣量所做的功;克服物料與環(huán)模摩擦發(fā)熱所做的功。增加模孔不但造成壓輥力臂的增大,同時(shí)也造成設(shè)備轉(zhuǎn)動慣量的增大,這勢必提高了設(shè)備的功率需求,對驅(qū)動元件的選型造成負(fù)擔(dān)。

        由于雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)從模盤的軸向增加??讛?shù)量,不改變模盤尺寸、入料口面積、壓輥力臂長度,能夠很好地避免上述問題,為秸稈壓塊成型設(shè)備大型化發(fā)展提供了合理的途徑。

        1.3 雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)形式

        雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)是由單層環(huán)模結(jié)構(gòu)沿模盤軸向拓展延伸而來的,同樣是組合式模塊結(jié)構(gòu),模孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變,雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        對雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn),在每個模孔成型壓力相同的條件下,雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)的模塊所承受的載荷在模孔徑向發(fā)生疊加,工作應(yīng)力應(yīng)變比單層結(jié)構(gòu)要大,更容易發(fā)生磨損和斷裂失效,這是雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)不可避免的問題之一。因此,探索更加合理的雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        2 雙層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

        2.1 模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)

        模塊的結(jié)構(gòu)改進(jìn)是減小環(huán)模磨損的手段之一,為了確定改進(jìn)的目標(biāo)參數(shù),首先要分析模塊的磨損機(jī)理。磨料磨損主要有以下幾個方面[7]:(1)塑性變形失效。環(huán)模材料表面受到擠壓發(fā)生塑性變形,被推到兩側(cè)材料被反復(fù)擠壓發(fā)生加工硬化或其他強(qiáng)化作用,最終剝落。(2)疲勞失效。環(huán)模工作時(shí)受到較大的交變接觸壓應(yīng)力,經(jīng)過一段時(shí)間的積累表面出現(xiàn)疲勞裂紋并逐漸擴(kuò)大,最終導(dǎo)致疲勞破壞。(3)磨損失效。秸稈物料成型過程對模孔的擠壓磨損,導(dǎo)致模孔變大,孔壁變薄而發(fā)生的失效形式。

        通過上述分析可以看出,減小環(huán)模工作時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變是模塊結(jié)構(gòu)改進(jìn)的主要目標(biāo),因此需要對環(huán)模模塊工作狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。

        2.2 雙層環(huán)模模塊力學(xué)仿真

        通過ANSYS軟件對環(huán)模模塊工作部位進(jìn)行靜力分析,求解出模塊工作狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變情況。模塊材料采用42CrMo,密度為7 870 kg/m3,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,采用Solid185網(wǎng)格類型對模塊模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

        對環(huán)模模塊的工作情況進(jìn)行分析可知,環(huán)模通過緊固螺栓固定在成型設(shè)備上,模塊嵌入機(jī)體中,上下表面卡入溝槽,因此外表面為固定約束。壓力作用在環(huán)模內(nèi)環(huán)表面、??妆砻?,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[6,8-9],對模型施加約束與載荷,對錐面由內(nèi)向外施加15~25 MPa的線性壓力載荷;對孔壁由內(nèi)向外施加 40~10 MPa 的線性壓力載荷;對環(huán)模內(nèi)環(huán)施加15 MPa的壓力載荷。約束與載荷施加示意見圖5。

        通過求解得出雙層環(huán)模模塊的應(yīng)力與應(yīng)變云圖如圖6所示。

        由圖6可以看出,最大應(yīng)力集中在錐面與模孔交接處的水平中心部位,約為39.6 MPa,這是由于該處壁厚較薄,同時(shí)物料受到錐面成型作用在此處達(dá)到最大值而產(chǎn)生的;最大應(yīng)變位于上下2個模孔錐面連線的中點(diǎn)位置,約為0.005 mm,這是由于中間位置沒有約束,上下??资艿降臄D壓位移在此處發(fā)生了疊加。

        2.3 改進(jìn)雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)分析與對比

        為了提高雙層環(huán)模模塊的使用壽命,降低使用成本,提出了改進(jìn)的雙層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)。

        圖7為改進(jìn)的雙層環(huán)模結(jié)構(gòu),將每個模塊的體積減小一半并沿模盤軸向錯開一個孔的位置,形成交錯排列的模孔布局,這樣可以避免??组_在同一側(cè)而產(chǎn)生應(yīng)力疊加問題,并且由于模塊體積減小,提高模塊加工質(zhì)量,降低加工成本。同時(shí),模塊之間的相互作用可以抑制形變量的擴(kuò)展。

        采用相同邊界條件對交錯式雙層模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,得到圖8所示的分析結(jié)果。

        由應(yīng)力應(yīng)變云圖可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的雙層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)減小了上下??椎膽?yīng)力應(yīng)變疊加作用,為了更加準(zhǔn)確地評判改進(jìn)后模塊與原始模塊之間的區(qū)別,沿??讖较蚺c軸向取一系列特征點(diǎn)加以對比分析。應(yīng)力與應(yīng)變情況分別見圖9、圖10。

        由應(yīng)力對比圖可以看出,在??椎妮S線方向改進(jìn)模塊與原始模塊的應(yīng)力變化情況呈現(xiàn)相同規(guī)律,都在錐面與??捉唤缣庍_(dá)到最大值,并向物料出口呈現(xiàn)減小趨勢,而改進(jìn)模塊的應(yīng)力水平小于原始模塊的應(yīng)力水平;在模孔的徑向上,改進(jìn)后的模塊應(yīng)力變化相對平滑,??字虚g處(90°)的峰值小于原始模塊的應(yīng)力峰值。改進(jìn)模塊在單側(cè)(180°)發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象,這是由上下模孔的非對稱性導(dǎo)致的。

        由應(yīng)變對比圖可以看出,在模孔的軸線方向改進(jìn)后的模塊應(yīng)變量始終小于原始模塊;在??椎膹较蛲瑯邮歉倪M(jìn)后的模塊應(yīng)變量較小,這是由于改進(jìn)后的模塊將自身應(yīng)變轉(zhuǎn)移到了2個模塊之間,使得應(yīng)變量無法得到擴(kuò)展。事實(shí)上,改進(jìn)后的模塊最大應(yīng)變量只有原始模塊最大應(yīng)變量的30%,充分體現(xiàn)了改進(jìn)后模塊的優(yōu)秀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

        3 結(jié)論

        通過對單層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),從設(shè)備大型化角度探討單層環(huán)模結(jié)構(gòu)存在的缺陷,分析了雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)勢。針對已有的雙層環(huán)模結(jié)構(gòu),提出一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式,通過計(jì)算模孔軸向與徑向的應(yīng)力應(yīng)變分布情況,對比了改進(jìn)前后雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)所具有的不同力學(xué)特性,結(jié)果表明改進(jìn)后的環(huán)模結(jié)構(gòu)在應(yīng)力與應(yīng)變水平方面均低于原始的環(huán)模結(jié)構(gòu),驗(yàn)證了改進(jìn)的雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)在消除應(yīng)力疊加,延長環(huán)模模塊使用壽命方面具有的優(yōu)勢。本研究從環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度為秸稈成型設(shè)備大型化的發(fā)展提供了新的思路。

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