□ 郭洋波

清華大學(xué)天津高端裝備研究院洛陽(yáng)先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地 河南洛陽(yáng) 471000

1 存在的問題

近年來,環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)在生產(chǎn)秸稈顆粒成形燃料方面得到廣泛應(yīng)用。環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)的特點(diǎn)是自動(dòng)化程度高,單機(jī)產(chǎn)量大,適合規(guī)?；鳂I(yè)。另一方面,環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)存在一些技術(shù)難題,主要是關(guān)鍵部件耐磨性差,易磨損部件更換頻繁,降低了實(shí)際生產(chǎn)效率[1]。擠壓輪是環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)的主要易磨損部件,對(duì)擠壓輪磨損特點(diǎn)和磨損機(jī)理進(jìn)行研究,有助于對(duì)擠壓輪易磨損成因的認(rèn)識(shí)。筆者主要通過有限元模擬方法對(duì)環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)擠壓輪的受力情況進(jìn)行研究,利用顯微鏡觀察擠壓輪表面,進(jìn)一步對(duì)擠壓輪的磨損特點(diǎn)和磨損機(jī)理進(jìn)行分析,為提高擠壓輪的耐磨性提供理論依據(jù)。

2 環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)擠壓成形過程

環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)的擠壓成形建立在秸稈顆粒存在間隙的基礎(chǔ)上。秸稈顆粒在一定溫度、濕度、摩擦力、擠壓力的共同作用下,間隙縮小,直至發(fā)生塑性變形,最終形成一定密度和強(qiáng)度的塊狀物。根據(jù)秸稈顆粒在擠壓過程中的不同狀態(tài),可以將秸稈顆粒受擠壓分為三個(gè)區(qū)域:供料區(qū)、變形區(qū)、擠壓成形區(qū)[2]。環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)擠壓原理如圖1所示。

在供料區(qū),秸稈顆粒剛進(jìn)入待擠壓狀態(tài),基本不受機(jī)械外力,貼近環(huán)模內(nèi)壁。在變形區(qū),隨著擠壓輪的轉(zhuǎn)動(dòng),秸稈顆粒受到擠壓輪的擠壓作用,產(chǎn)生相對(duì)位移。隨著擠壓力的進(jìn)一步增大,秸稈顆粒間的空隙減小,秸稈顆粒產(chǎn)生一定變形。在擠壓成形區(qū),模具與擠壓輪之間的間隙很小,擠壓力急劇增大,秸稈顆粒間的接觸面積進(jìn)一步增大。在一定溫度和濕度下,秸稈顆粒發(fā)生粘結(jié),并被壓入錐形環(huán)?？字?。秸稈顆粒最終以高密度塊狀形態(tài)從錐形環(huán)模孔中擠出成形[3]。

3 有限元建模

在環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)擠壓秸稈顆粒過程中,擠壓輪的受力是很復(fù)雜的。筆者主要分析擠壓輪在變形區(qū)和擠壓成形區(qū)的受力變化,應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件模擬擠壓輪與秸稈顆粒間的擠壓過程,分析、掌握擠壓輪上的應(yīng)力分布特點(diǎn)。在有限元模擬分析中,將秸稈顆粒作為一種生物質(zhì)特性進(jìn)行定義分析,并假定秸稈顆粒處于最佳含水率和恒定溫度的理想成形狀態(tài)。秸稈顆粒經(jīng)過變形區(qū)和擠壓成形區(qū),擠壓力急劇增大,秸稈顆粒的密度也急劇增大,幾乎粘在一起形成團(tuán)狀物,可以在宏觀上將秸稈顆粒視為連續(xù)體介質(zhì)。根據(jù)生物質(zhì)成形的有限元特點(diǎn),可以將擠壓輪對(duì)秸稈顆粒的擠壓過程定義為彈塑性模型進(jìn)行模擬分析[4]。

基于環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立秸稈顆粒擠壓模型,將環(huán)模簡(jiǎn)化為圓環(huán)結(jié)構(gòu),將秸稈顆粒簡(jiǎn)化為弧形結(jié)構(gòu),將擠壓輪簡(jiǎn)化為圓盤結(jié)構(gòu)。模型建立后,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為節(jié)約計(jì)算機(jī)資源,提高計(jì)算效率,建模時(shí)只建立1/2環(huán)模,即半個(gè)圓環(huán)[5]。暫時(shí)不考慮環(huán)模上的應(yīng)力分布,將環(huán)模定義為剛體。在劃分網(wǎng)格時(shí),對(duì)環(huán)模僅采用軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能生成自由網(wǎng)格。因?yàn)樾枰攸c(diǎn)分析秸稈顆粒和擠壓輪的受力情況,所以對(duì)秸稈顆粒和擠壓輪的網(wǎng)格劃分需要人為設(shè)定網(wǎng)格參數(shù),盡可能將秸稈顆粒和擠壓輪的網(wǎng)格劃分細(xì)密一些。在此,將秸稈顆粒橫向劃分為10份,縱向劃分為20份,擠壓輪劃分網(wǎng)格定義的最小單元尺寸為0.01 mm。最終網(wǎng)格劃分后模型如圖2所示。

ANSYS軟件是世界上應(yīng)用最廣泛的有限元分析軟件,用戶可以使用其自帶的LS-DYNA模塊模擬生產(chǎn)實(shí)踐中的各種非線性接觸問題。在ANSYS軟件中,可以定義點(diǎn)面接觸、面面接觸、自動(dòng)接觸、侵蝕接觸、剛體接觸等多種接觸類型[6]。在定義接觸前,對(duì)模型創(chuàng)建組件,定義環(huán)模為組件1,秸稈顆粒為組件2,擠壓輪為組件3。共需定義兩組接觸,一組為環(huán)模和秸稈顆粒的接觸,另一組為擠壓輪和秸稈顆粒的接觸。對(duì)于環(huán)模、秸稈顆粒、擠壓輪之間的復(fù)雜接觸問題,通常接觸類型可以選擇自動(dòng)接觸。對(duì)環(huán)模、秸稈顆粒、擠壓輪的自由度進(jìn)行約束。秸稈顆粒在擠壓過程中動(dòng)力的主要來源是擠壓輪的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),考慮到擠壓輪既要繞環(huán)模中心線公轉(zhuǎn),又要在擠壓過程中因受到與秸稈顆粒間摩擦力的作用而自轉(zhuǎn),由此對(duì)擠壓輪僅限制軸向移動(dòng)這一自由度。擠壓過程中,環(huán)模固定不動(dòng),秸稈顆粒因受到擠壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性力會(huì)有微小移動(dòng),可以忽略不計(jì),由此約束環(huán)模和秸稈顆粒的所有自由度。

4 分析結(jié)果

擠壓過程應(yīng)力分布如圖3所示,可以看到秸稈顆粒在經(jīng)歷供料區(qū)、變形區(qū)、擠壓成形區(qū)時(shí),所受擠壓應(yīng)力逐漸增大,并伴隨發(fā)生彈塑性變形,變形越來越大。

秸稈顆粒擠壓成形過程中,秸稈顆粒被卷入環(huán)模與擠壓輪之間的間隙,同時(shí)受到擠壓輪的擠壓力,從環(huán)模中擠出。環(huán)模與擠壓輪之間的間隙越大,擠壓輪與秸稈顆粒間的擠壓力作用越小,秸稈顆粒被壓緊的程度就越小,擠壓輪與秸稈顆粒之間承受的載荷也就越小。反之,環(huán)模與擠壓輪之間的間隙越小,兩者之間承受的載荷就越大。秸稈顆粒在擠壓過程中,逐步經(jīng)歷供料區(qū)、變形區(qū)、擠壓成形區(qū)。在這一過程中,擠壓輪與環(huán)模之間的間隙逐漸變小,秸稈顆粒承受的擠壓應(yīng)力逐漸增大,并最終在擠壓成形區(qū)達(dá)到最大值1.162×107Pa。

通過有限元分析秸稈顆粒與擠壓輪的擠壓過程,為深入了解擠壓輪磨損失效的成因奠定了基礎(chǔ)。在生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)擠壓輪磨損失效外觀長(zhǎng)期觀察,發(fā)現(xiàn)擠壓輪磨損最嚴(yán)重區(qū)域經(jīng)常為擠壓輪外圓周邊緣棱角附近,照片如圖4所示。基于理想狀態(tài)擠壓過程考慮,假設(shè)秸稈顆粒進(jìn)入供料區(qū)后在擠壓輪與環(huán)模之間的間隙軸向上分布是均勻的,那么擠壓輪外圓周面在同一軸向上的兩端部區(qū)域和中間區(qū)域?qū)⒊惺芫容d荷,這種情況并不會(huì)造成擠壓輪外圓周面出現(xiàn)明顯的磨損不均問題[7],由此說明秸稈顆粒在擠壓過程中分布均勻的假設(shè)是不成立的。擠壓過程秸稈顆粒應(yīng)力分布如圖5所示,可以看到秸稈顆粒在軸向上分布并不均勻,兩側(cè)多,中間少。造成這種現(xiàn)象的原因是秸稈顆粒進(jìn)入擠壓成形區(qū)后,中間區(qū)域的秸稈顆粒被壓緊,一部分秸稈顆粒因受到擠壓力的作用而被推擠到兩側(cè)。

秸稈顆粒在受到擠壓力后向擠壓輪兩側(cè)移動(dòng)堆積,擠壓輪兩側(cè)的秸稈顆粒擠壓更為緊密,造成擠壓輪兩側(cè)的擠壓力相比中間區(qū)域更大,擠壓輪兩側(cè)承受的擠壓應(yīng)力也更大。擠壓過程擠壓輪應(yīng)力分布如圖6所示。根據(jù)阿查德磨損定律,材料的磨損率與作用載荷成正比[8],這也就解釋了擠壓輪邊緣兩端磨損比中間區(qū)域更為嚴(yán)重的原因,與擠壓輪實(shí)際磨損情況相符。

5 擠壓輪磨損機(jī)理

被擠壓的秸稈為顆粒狀,擠壓輪在工作過程中對(duì)秸稈顆粒有擠壓變形甚至碾碎作用,產(chǎn)生的擠壓力較大,如此秸稈顆粒自然對(duì)擠壓輪有磨損作用,這種磨損的機(jī)理主要是秸稈顆粒被碾碎為細(xì)小磨粒,造成磨粒磨損[9]。磨粒磨損是由秸稈顆粒在擠壓輪表面發(fā)生微觀切削作用引起的,秸稈顆粒再受到法向載荷,被壓入擠壓輪表面,同時(shí)存在相對(duì)滑動(dòng)?；瑒?dòng)摩擦力在擠壓輪表面產(chǎn)生劃痕[10]。松散的秸稈顆粒屬于自由磨料,當(dāng)秸稈顆粒受到巨大的擠壓力而不能再被壓縮時(shí),就會(huì)形成堅(jiān)硬且更細(xì)小的顆粒物,這種極細(xì)小顆粒物類似金屬磨粒,在擠壓輪表面產(chǎn)生切削與耕犁效果。擠壓輪表面劃痕如圖7所示,耕犁如圖8所示。

秸稈顆粒在受到擠壓輪擠壓時(shí),同時(shí)承受垂直于作用面的法向力和與擠壓輪相切的切向力。法向力的作用使秸稈顆粒對(duì)擠壓輪表面有粘附作用,切向力作用使秸稈顆粒在擠壓輪表面沿切向產(chǎn)生滑移,這兩種作用使擠壓輪表面產(chǎn)生一定的塑性變形。秸稈顆粒所產(chǎn)生的棱角相比金屬刀具要鈍得多,秸稈顆粒粘附擠壓輪表面的角度不同,擠壓輪表面產(chǎn)生溝犁變形的方向也不同,具有不確定性。秸稈顆粒會(huì)推擠擠壓輪表面金屬材料,使金屬材料堆積在運(yùn)動(dòng)方向的正前方,也會(huì)使金屬材料耕犁到溝槽的兩側(cè)或單側(cè),由此產(chǎn)生擠壓輪表面劃痕雜亂無章的現(xiàn)象。

擠壓輪在工作時(shí)受到秸稈顆粒的摩擦力作用,引起自轉(zhuǎn)。秸稈顆粒與擠壓輪的接觸面是不連續(xù)的,接觸面在法向載荷作用下相互壓入或壓平,擠壓輪在接觸區(qū)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力和變形。擠壓輪在自轉(zhuǎn)過程中,接觸面表層材料承受交變載荷作用。在反復(fù)擠壓過程中,擠壓輪表面材料在交變載荷作用下逐漸出現(xiàn)裂紋,進(jìn)而產(chǎn)生疲勞斷裂,形成磨屑[11]。擠壓輪長(zhǎng)期工作,表面金屬材料將被逐步破壞流失,最終形成凹坑,如圖9所示。由此可見,疲勞磨損也是擠壓輪磨損的主要形式之一。

除磨粒磨損和疲勞磨損外,擠壓輪還存在一定的腐蝕磨損和沖蝕磨損。被擠壓的秸稈顆粒具有一定的濕度,存儲(chǔ)一段時(shí)間后可能會(huì)分解出酸性或堿性物質(zhì),對(duì)擠壓輪表面產(chǎn)生一定腐蝕。秸稈顆粒被螺旋送料器送入擠壓區(qū)域時(shí),有一定的線速度和角速度,對(duì)擠壓輪表面有較小的沖擊,長(zhǎng)期工作會(huì)使擠壓輪表面材料流失。當(dāng)然,腐蝕磨損和沖蝕磨損相對(duì)微弱,不是擠壓輪磨損的主要機(jī)理。

6 結(jié)論

筆者針對(duì)環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)擠壓輪磨損,應(yīng)用有限元軟件模擬擠壓輪與秸稈顆粒擠壓過程,利用顯微鏡觀察擠壓輪磨損形貌,分析擠壓輪磨損機(jī)理,得到以下結(jié)論:

(1) 擠壓過程有限元模擬表明,擠壓輪依次經(jīng)歷供料區(qū)、變形區(qū)、擠壓成形區(qū),在這一過程中,擠壓輪的擠壓力由小變大;

(2) 擠壓輪邊緣相比中間區(qū)域磨損嚴(yán)重,原因是秸稈顆粒在軸向分布不均勻;

(3) 擠壓輪的磨損機(jī)理主要是磨粒磨損和疲勞磨損,還存在一定的腐蝕磨損和沖蝕磨損。