牟海晶 ，戚 麟 ，何慧聰 ，楊春龍 ，袁 豪 ，郭明強(qiáng) ，崔有正

（齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

秸稈本身存在著纖維素難降解、密度小、不易存儲(chǔ)及運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題，秸稈處理常采用的方式是直接堆放或是露天焚燒，該方法會(huì)污染環(huán)境、造成資源浪費(fèi)。如何有效地利用秸稈資源成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，秸稈粉碎顆粒成型機(jī)為解決秸稈資源的浪費(fèi)和環(huán)境問(wèn)題提供了一種選擇，為生物質(zhì)能的發(fā)展提供了一種新的途徑和思路。秸稈粉碎顆粒成型機(jī)是一種用于將秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行粉碎和成型的設(shè)備[1-2]。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家在這一領(lǐng)域取得了一些成果[3-5]。目前國(guó)內(nèi)的秸稈粉碎顆粒成型機(jī)主要分為機(jī)械式和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化式兩種類(lèi)型，并且均取得了較好成果[6-9]。本研究設(shè)計(jì)了一款秸稈粉碎顆粒成型一體機(jī)，機(jī)具包括秸稈粉碎裝置、顆粒成型裝置和傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。

1 秸稈粉碎顆粒成型機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

秸稈粉碎顆粒成型機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用一體化設(shè)計(jì)方案，將粉碎和成型的結(jié)構(gòu)組合在一起，實(shí)現(xiàn)一體化操作。圖1 和圖2 分別為秸稈粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖、顆粒成型裝置結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖1 秸稈粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 顆粒成型裝置結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 工作流程設(shè)計(jì)

秸稈粉碎顆粒成型機(jī)工作原理：通過(guò)粉碎和成型兩個(gè)主要步驟對(duì)秸稈材料進(jìn)行處理。將秸稈從進(jìn)料口放入粉碎裝置后，電機(jī)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的多刀片切刀組將秸稈材料在短時(shí)間內(nèi)徹底粉碎處理。粉碎后的秸稈材料通過(guò)輸送管道被輸送到顆粒成型裝置內(nèi)。成型裝置主要由環(huán)模、壓輥等機(jī)構(gòu)組成。環(huán)模固定，壓輥由電機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)減速器減速后增大扭矩，壓輥沿環(huán)模表面滾動(dòng)，將被粉碎的秸稈材料壓縮，通過(guò)環(huán)模的成型孔擠出為條狀，形成生物質(zhì)顆粒。秸稈粉碎顆粒成型機(jī)的總體工作流程如圖3所示。

圖3 秸稈粉碎顆粒成型機(jī)總體工作流程

2 有限元模型的建立

對(duì)機(jī)具關(guān)鍵零部件展開(kāi)強(qiáng)度、剛度分析是一項(xiàng)重要工作，為滿(mǎn)足此項(xiàng)工作要求，選取秸稈粉碎顆粒成型機(jī)中的三個(gè)主要零件（即大齒輪、輸出軸、環(huán)模）展開(kāi)分析。運(yùn)用SolidWorks 三維建模軟件分別建立上述三個(gè)零件的數(shù)字化模型。為提高仿真時(shí)的效率，對(duì)三個(gè)零件外部的非必要特征進(jìn)行簡(jiǎn)化[10-11]，進(jìn)而將其導(dǎo)入ANSYS Workbench 軟件，并對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行材料設(shè)置，大齒輪和輸出軸均采用45 鋼（調(diào)質(zhì)），環(huán)模采用40Cr，具體材料屬性參數(shù)設(shè)置如表1 所示。同時(shí)完成相關(guān)零件載荷及約束條件的施加。

表1 各零件的材料屬性

進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)大齒輪和環(huán)模的模型采用四面體網(wǎng)格劃分方法，輸出軸采用六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分方法。為了提高有限元結(jié)果的準(zhǔn)確性，經(jīng)過(guò)調(diào)整，將網(wǎng)格大小定義為4 mm，經(jīng)過(guò)劃分得到三種零件的有限元模型，如圖4所示。

圖4 三種零件的有限元模型

3 秸稈粉碎顆粒成型機(jī)關(guān)鍵部件有限元分析

3.1 大齒輪的靜力學(xué)分析

1）大齒輪總變形分析結(jié)果。由圖5 總變形分布云圖可知，當(dāng)齒輪嚙合時(shí)，齒頂部總變形量最大，其仿真數(shù)值為0.004 818 4 mm，變形數(shù)值較小，對(duì)齒輪嚙合時(shí)的影響不大。

圖5 大齒輪總變形分布云圖

2）大齒輪等效應(yīng)力分析結(jié)果。由圖6 等效應(yīng)力分布云圖可知，當(dāng)齒輪嚙合時(shí)，齒根部的等效應(yīng)力最大，其數(shù)值為24.797 MPa，低于45 鋼（調(diào)質(zhì)）的許用應(yīng)力146 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖6 大齒輪等效應(yīng)力分布云圖

3.2 輸出軸的靜力學(xué)分析

1）輸出軸總變形分析結(jié)果。由圖7 總變形分布云圖可知，當(dāng)輸出軸工作受力時(shí)，鍵槽底部總變形量最大，其仿真數(shù)值為0.014 593 mm，變形數(shù)值較小，對(duì)齒輪嚙合時(shí)沒(méi)有太大的影響。

圖7 輸出軸總變形分布云圖

2）輸出軸等效應(yīng)力分析結(jié)果。由圖8 等效應(yīng)力分布云圖可知，在工作狀態(tài)下，鍵槽根的等效應(yīng)力是最大的，為41.588 MPa，比45 鋼（調(diào)質(zhì)）的許用應(yīng)力低，在工作狀態(tài)下，它對(duì)系統(tǒng)的影響很小，可以安全、穩(wěn)定地工作，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 輸出軸等效應(yīng)力分布云圖

3.3 環(huán)模的靜力學(xué)分析

1）環(huán)?？傋冃畏治鼋Y(jié)果。由圖9 總變形分布云圖可知，當(dāng)環(huán)模工作受力時(shí)，孔周?chē)目傋冃瘟孔畲?，其仿真?shù)值為0.017 563 mm，變形數(shù)值較小，對(duì)齒輪嚙合時(shí)的影響不大。

圖9 環(huán)模總變形分布云圖

2）環(huán)模等效應(yīng)力分析結(jié)果。由圖10 等效應(yīng)力分布云圖可知，在壓力輥?zhàn)颖粩D壓時(shí)，齒根部的等效應(yīng)力是最大的，為60.667 MPa，低于40Cr 的許用應(yīng)力211.1 MPa，在工作中，對(duì)系統(tǒng)的影響很小，它可以安全、穩(wěn)定地工作，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖10 環(huán)模等效應(yīng)力分布云圖

通過(guò)有限元分析可知，以上部件的各危險(xiǎn)區(qū)域的變形均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從而保證了部件在設(shè)備對(duì)應(yīng)的位置上能夠正常工作，不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度失效。

4 結(jié)論

1）將粉碎和成型這兩個(gè)過(guò)程在一個(gè)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，可以達(dá)到節(jié)能、減排和提高工作效率的目的。

2）秸稈粉碎顆粒成型機(jī)大齒輪、輸出軸、環(huán)模三個(gè)部件的應(yīng)力應(yīng)變均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度失效，表明了設(shè)計(jì)的合理性。

3）秸稈粉碎和顆粒成型技術(shù)，可以有效解決秸稈資源的浪費(fèi)和環(huán)境問(wèn)題，為生物質(zhì)能的發(fā)展提供一種新的途徑和思路。