ANSYS的生物質(zhì)成型機環(huán)模結(jié)構(gòu)分析.docx

ansys的生物質(zhì)成型機環(huán)模結(jié)構(gòu)分析 袁 曉 明 ， 徐 靜 云 ， 韓 秀 榮 ， 葛翔 ， 王 宏 宇( 江 蘇 大 學(xué) 機 械 工 程 學(xué) 院 ， 江 蘇 鎮(zhèn) 江 2 1 2 0 1 3 )摘 要: 根據(jù)生物質(zhì)壓塊環(huán)模成型機的成型過 程 和 機 理 分 析 ，研究了環(huán)模的受力狀況 ，分析了物料變化對攫入 角 選 取 的 影 響 ; 建立了環(huán)模擠壓力學(xué)模型 ，借 助 ansys 有 限 元 分 析 軟件對環(huán)?？走M行了力學(xué)分析 。 研 究 結(jié) 果 表 明 ，環(huán)模錐形孔對生物質(zhì)原料的 成 型 影 響 較 大 ，且 在 錐 點 處 y 向 應(yīng) 力 最 大 ，減小應(yīng)力的最佳開孔角度為 9 1 4 。 該研究能夠為改善生物質(zhì)壓塊成型機環(huán)模的受力狀況 、降低環(huán)模的磨損 、延長環(huán)模的使用壽命提供理論依 據(jù) 。關(guān)鍵詞: 生物質(zhì); 環(huán)模; 應(yīng)力; ansys中圖分類號: tk64文獻標(biāo)識碼: a文章編號: 1003 188x(2015)06 0239 04doi:10.13427/ki.njyi.2015.06.058引言壽命等方面提供一定的理論依據(jù)。01固化成型過程分析生物質(zhì)是一種清潔 能 源，是可再生和環(huán)境 友 好 型能源。利用好生物質(zhì)資 源，既有利于緩解能源緊張的 問題，又 能減少溫室氣體，保 護 生 態(tài) 環(huán) 境1 4。 生 物 質(zhì)固體燃料是利用新技術(shù)及專用設(shè)備將 農(nóng) 作 物 ( 如 秸 稈、木 屑、樹 皮、干 草 等 ) 壓縮炭化成型的新型 燃 料。 我國作為農(nóng) 業(yè) 大 國，秸稈等農(nóng)作物資源十分豐富，而 且產(chǎn)量逐年遞增，以“秸稈能源”為代表的生物質(zhì)能源 將會成為 一 種 發(fā)展前景非?？捎^的替代能 源5。因 此，大力研究 農(nóng) 作 物 秸稈生物質(zhì)固化成型相關(guān)技術(shù)， 對于開發(fā)和利用生物質(zhì)能源具有很大的現(xiàn)實意義6。生物質(zhì)固 化成型技術(shù)在生物質(zhì)能源的 利 用 方 式 上與傳統(tǒng)技術(shù)有所不同，將松散的生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為 高密度的成型燃料，成為一種有效利用生物質(zhì)能源的 方法之一。在目前的生物質(zhì)固化成型機中，生 物 質(zhì) 壓 塊環(huán)模輥壓 式 成 型 技術(shù)是常用的技術(shù)之 一6; 但 是， 作為固化 成型機的關(guān)鍵部件環(huán)模與壓輥的使用壽 命短、造價高，已 成 為 生物質(zhì)材料固化成型技術(shù)發(fā)展 的瓶頸之一7。為此，通過分析生物質(zhì)壓塊環(huán)模成型 機的成型過 程 和 機 理，研究環(huán)?？椎氖芰顩r，確 定 環(huán)?？椎淖罴验_孔角度，可為改善生物質(zhì)固化成型機 環(huán)模的受力狀況、降低環(huán)模的磨損和延長環(huán)模的使用 固化成型 機 在 工 作 時，由 電 機 帶 動 環(huán) 模 旋 轉(zhuǎn)，物料與環(huán)模之 間 的 摩 擦 力 和物料與壓輥之間的摩擦力 使得壓輥自 轉(zhuǎn)，如 圖 1 所 示。工 作 時，調(diào) 制 好 的 物 料 在環(huán)模與壓輥間形成的楔形空間受到擠壓力作用，隨 著物料的不 斷 進 入，擠壓力也不斷增加; 當(dāng) 擠 壓 力 能 夠足以克服物料與環(huán)模?？變?nèi)壁之間的摩擦力時，物 料將被逐漸擠入環(huán)模 孔 內(nèi); 最后物料成條柱狀從環(huán)模 孔擠出，再由裝在環(huán)模外面的固定切刀切成一定長度 的壓塊。圖 1 環(huán)模壓輥工作原理fig 1 working principle of ring die and impressing roller在環(huán)模成型過程中，根據(jù)生物質(zhì)物料在 壓 制 區(qū) 所 受壓輥的壓 緊 力 不 同，可將壓制區(qū)分為供料區(qū)、變 形 壓緊區(qū)和擠壓成型區(qū)，如圖 1 所示。生物質(zhì)物料在這3 個區(qū)域的受力狀況是不同的，分析如下:1) 供料區(qū): 物 料 處 于 自 然 松 散 狀 態(tài)，只 隨 壓 輥 的 自轉(zhuǎn)向前移 動，物 料 不 斷 地 匯 聚，堆積于環(huán)模與壓輥 之間，但此時 并 沒 有進入環(huán)模?？變?nèi); 隨 著 更 多 物 料收稿日期: 2014 06 23基金項目: “十二五”國家科技支撐計劃項 目 ( 2011 bad20 b08 ) ; 江 蘇 大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金項目( 11 a359 )作者 簡 介: 袁 曉 明 ( 1975 ) ，男，江 蘇 大 豐 人，實 驗 師，博 士 研 究 生， ( e mail) yuanxm1975 mail ujs edu cn。通訊作者: 王 宏 宇 ( 1974 ) ，男，山 西 懷 仁 人，副 教 授，博 士，( e mail) wangdoudou1974 163 com。2392015 年 6 月農(nóng) 機 化 研 究第 6 期不斷向前移動，使得供料區(qū)內(nèi)先進入的物料在擠壓力 的作用下不斷補給進新形成的變形壓緊區(qū)。2) 變形壓 緊 區(qū): 隨 著 環(huán) 模和壓輥的旋轉(zhuǎn)，物 料 開 始逐漸隨著壓輥的自轉(zhuǎn)而同步向前運動; 在 運 動 過 程 中，由于壓緊 區(qū) 的 斷 面面積在逐漸減小，使 得 物 理 層 不斷被壓縮，且物料在擠壓力的作用下產(chǎn)生不可逆的 塑性變形; 此 時，物 料 內(nèi)部的作用力還不足以克服環(huán) 模?？變?nèi)壁的摩擦力 作 用。因 此，在此過程中物料仍 未進入環(huán)模?？變?nèi)。3) 擠壓成型區(qū): 隨著環(huán)模與壓輥之間的間隙越來 越小，物料受 到 的 擠 壓 力 急 劇 增 大; 此時物料發(fā)生了 變形，而且接 觸 表 面 積也在不斷增大，使 得 物 料 在 擠 壓力作用下 被 壓 入 環(huán) 模 模 孔 內(nèi); 同 時，物 料 內(nèi) 部 產(chǎn) 生 了塑、彈性變形，且粘性 增 加，物料就能容易地被擠壓 成塊。在該擠 壓 成 型 區(qū)，物料被壓入環(huán)模孔內(nèi)，由 于 物料內(nèi)部產(chǎn) 生 塑 性、彈 性 變 形，使得物料與環(huán)?？椎?內(nèi)壁產(chǎn)生很強的作用力，引起環(huán)?？椎哪p。由圖 2 可知，將物料攫入變形壓緊區(qū)的條件為= 2 q ，f2 = 1 nf1其中，1 為物料與壓輥作用的摩擦系數(shù); 2 為物料與環(huán)模內(nèi)表面作用的摩擦因數(shù)。另外，物料進入變形壓緊區(qū)時受 到 阻 力 nsin 。 為保證物料能被壓輥擠入變形壓緊區(qū)，必 須 滿 足 的 條 件為( 1)1 ncos + 2 q nsinq 為物料對環(huán)模的擠壓力，它應(yīng)滿足的條件為( 2)q= ncos + nsin將式( 2) 代入式( 1) 中，可得到1 ncos + 2 ( ncos + 1 nsin ) nsin整理可得1 + 2tan ( 3)1 1 2由式( 3) 可知，攫入角 和物料與壓輥、物料與環(huán)模內(nèi)表面的摩擦系數(shù)有關(guān)。對于不同的物料，摩 擦 因 數(shù)不同，則攫入角大小也不同。2環(huán)模成型孔受力分析根據(jù)壓塊環(huán)模成型機成型過程的分析可知，物 料在環(huán)模?？?中 的成型過程是最重要的工作過程。在此過程中，物料與環(huán)模?？字g的摩擦力和壓輥與環(huán) 模?？组_口角之間形成的擠壓力是實現(xiàn)物料被壓縮、 形成變形的主要因素。根據(jù)力的作用關(guān)系，物 料 與 環(huán) 模?？變?nèi)壁 之間的摩擦力 影響著物料的出模質(zhì)量和 環(huán)模模孔內(nèi)壁的磨損情況，對 壓塊成型機的使用壽 命、成型壓塊的質(zhì)量都有著很大的影響。物料在 3 個區(qū)域所受的外力不同，進 而 環(huán) 模 沿 各 個方向 所受的作用力也不相同。下 面 分 別 對 位 于 3 個區(qū)域的環(huán)模內(nèi)表面受力情況加以分析。2 1供料區(qū)受力分析在該區(qū)域，生物質(zhì)物料處于自然松 散 的 狀 態(tài)，在 環(huán)模回轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心 力 作 用 下，生物質(zhì)秸稈物料僅 僅緊貼于 環(huán) 模 內(nèi) 圈 上，因 此 供 料區(qū)環(huán)?？變?nèi)壁不受 力。圖 2 物料受力示意圖fig 2 force analysis of materials擠壓成型區(qū)的受力分析物料在環(huán) 模?？變?nèi)的成型過程是環(huán)模壓 塊 成 型2 3機工作的最 主 要 過 程。為了得到物料位于擠壓成型 區(qū)的受力，先 對 孔 內(nèi)壁及物料進行受力分析，其 成 型 過程的受力情況如圖 3 所示。2 2變形壓緊區(qū)攫入角的確定物料在該區(qū)域受到擠壓力的作用，而 擠 壓 力 還 不8由分析可知 ，物料在成型過程中所受壓力為p22足以克服環(huán)模?？變?nèi)表面對物料的摩擦力，因 此 物 料未能被擠入模孔。為了分析 方 便，取物料的一部 分進行受力分析， 如圖 2 所 示。環(huán) 模、壓輥和物料間的作用力分別為:環(huán)模作用于物料的 正 壓 力 q; 物 料 與 環(huán) 模 孔 內(nèi) 表 面 之 間的摩擦力 f1 ; 壓 輥 回轉(zhuǎn)作用于物料的正壓力 n; 物 料與壓輥表面之間的摩擦力 f2 。( 2 dl + 1 d )p =( 4)cosd2d2其中， 為摩擦因數(shù)， 為側(cè)壓系數(shù)。由式( 4) 可看出，物料本身的性能參數(shù) 、 和環(huán) 模的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)都影響到所受到的壓力。當(dāng)其它參 數(shù)給定時，開口角度 的大小是影響環(huán)模?？啄p的 關(guān)鍵因素。2402015 年 6 月農(nóng) 機 化 研 究第 6 期時結(jié)合手動控制相關(guān)邊界處的單元長度4，9 10。網(wǎng)格劃分效果如圖 5 所示。圖 5 網(wǎng)格劃分結(jié)果fig 5 meshing resultsd ?？状蠖酥睆? d ?？仔《酥睆? f2 錐形區(qū)模孔內(nèi)壁對物料的摩擦力; f1 成型區(qū)?？變?nèi)壁對物料的摩擦 力; p2 錐形腔模孔內(nèi)壁對物 料施加的單位壓力; p1 成型區(qū)?？變?nèi)壁對物料施加的單位壓力; 模孔錐面開口角; l 保型區(qū)長度圖 3 成型過程受力示意圖fig 3 force analysis of molding process3 2結(jié)果與分析3 2 1應(yīng)力應(yīng)變分布圖 6 所示是擠壓變形后應(yīng)力的計算結(jié)果。圖 6 中負(fù)值表示壓應(yīng) 力，可 以 看 到，環(huán) 模 在 y 向 應(yīng) 力 的 最 大 值出現(xiàn)在錐 點 處，此處模具的摩擦力最大，磨 損 也 最 為嚴(yán)重。3壓縮成型過程的有限元分析3 1幾何建模選用生物質(zhì)壓塊環(huán)模成型機作為研究對象，如 圖4 所示。圖 6 y 向應(yīng)力分布圖fig 6 stress nephogram of the y axis在沿垂直方向( 即 y 軸負(fù)方向) 的擠壓過程中，成 型物料在擠壓力的作用下 逐 漸 向 下 移 動; 移 動 過 程 中，在環(huán)?？?錐 形 腔體的錐角處發(fā)現(xiàn)，位 移 發(fā) 生 了 比 較明顯的變化，移動物料受到了?？族F形腔錐角施加 的橫向側(cè)壓力。因此，在成型原料經(jīng)過環(huán)?？族F面過 程中，剪應(yīng)力 主 要 集中于錐點周圍的一定區(qū)域內(nèi)，隨 著擠壓和壓 縮 過 程 的 進 行，該剪應(yīng)力不斷增加，同 時 作用區(qū)域的面積也在 不 斷 增 大; 而當(dāng)壓縮物料在擠壓 力作用下通過環(huán)?？族F面后，其所受剪應(yīng)力逐漸減 小，同時作用 區(qū) 域 的面積也隨之變小，這 一 變 化 的 主 要原因在于環(huán)?？椎腻F面影響變小。根據(jù)上面的分析可 知，環(huán) 模 模 孔 的 錐 形 腔 的 錐 面 對生物質(zhì)物料的壓縮成型 的質(zhì)量影響比較大: 一 方面，該錐面的存在有利于促使生物質(zhì)物料在成型過程 圖 4 ?？讕缀文Ｐ蚮ig 4 geometric model of the die hole其中，環(huán)模 屬于環(huán)狀的對稱結(jié)構(gòu)，因 此 可 以 選 擇 其中一個環(huán) 模 孔 作 為 研 究 對 象; 同 時，環(huán) 模 孔 又 具 有 軸對稱的特征，本文取 1 /2 環(huán)模孔為研究對象。環(huán)模材料選用 42crmo，彈性模量 e = 2 06e11，泊松比 = 0 3，抗拉強 度 為 1 080mpa; 成型原料的彈性 模量 e = 1 6e10，泊松比 = 0 3。由于生物質(zhì)成型過 程中產(chǎn)生大變形的塑性 變 形，因此對網(wǎng)格劃分密度的 要求較高。本文選擇常用的自由劃分網(wǎng)格的方法，同2412015 年 6 月農(nóng) 機 化 研 究第 6 期中能獲得更大的壓應(yīng)力，因此更容易使物料致密壓縮 成型; 另一方 面，由 于 該壓應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在環(huán)模 模孔的錐角附近，對于 模 具 來 說，此處的摩擦力最大， 造成的磨損 也 是 最 為 嚴(yán) 重 的。在保證物料壓縮成型 質(zhì)量的同時，又 要 減 少 模 具 的 磨 損，因此必須合理地 設(shè)計環(huán)模?？族F形腔的開口度。4結(jié)論分析了生 物質(zhì)壓塊環(huán)模成型機的成型過 程 和 機理，研究了環(huán) 模 的 受 力，討論了物料變化對攫入角 選取的影響; 應(yīng)用 ansys 建立了有限元分析模型，并 對其進行了模擬分 析。結(jié) 果 表 明，環(huán)模錐形孔對生物 質(zhì)原料的成型 影 響 較 大，且 在 錐 點 處 y 向 應(yīng) 力 最 大; 為減小應(yīng)力，環(huán)模的開口最佳的角度應(yīng)選為 9 14。 該研究可為改善環(huán)模 的 磨 損、延長環(huán)模的使用壽命提 供理論依據(jù)。參考文獻:3 2 2環(huán)模開口度對環(huán)模磨損的影響環(huán)?？變?nèi)取 3 個 節(jié) 點，分別為錐面中心 a 節(jié) 點、錐點 b 節(jié)點和直孔中心 c 節(jié)點，如圖 6 所示。圖 7 為 a、b、c 等 3 個節(jié)點在加載周期內(nèi) von mises 應(yīng) 力 隨 開口角度變化的曲線。從 總 體 上 來 看，環(huán) 模 孔 錐 面 和 錐點處收到的力隨著開口角度的增加而增加，為 了 改 善環(huán)模的磨 損 情 況，開口角度不宜選得太大; 又 考 慮 到生物質(zhì)原料的壓縮成 型 效 果，環(huán)?？椎拈_口角度也 不宜太小，即錐面提供的側(cè)壓力要在保證環(huán)?？族F面 受損能力范圍內(nèi)盡可能大。1歐陽雙平，侯書林，趙立欣，等 生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模成型技術(shù)研究進展j 可再生能源，2011，29( 1) : 14 18ooi chin chin，kamal m siddiqui characteristics of some biomass briquettes prepared under modest die pressurej biomass and bioenergy，2000，18( 3) : 223 228jens k holm，uirik b henriksen，kim wand，et al ex- perimental verification of novel pellet model using a single pelleter unitj energy fuels，2007，21 ( 4 ) : 2446 2449周淑霞，董玉 平，蓋 超，等 基 于 ansys 的 生 物 質(zhì) 平 模 成型機主軸裂紋分析j 農(nóng) 機 化 研 究，2011，33 ( 7 ) : 65 68劉俊紅，王革華，張百良 生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)化的理性 思考j 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22( 10) : 138 141 陳樹人，段 建，姚 勇 環(huán)模式秸稈壓塊機 的設(shè)計與性能試 驗j 農(nóng)機化研究，2013，33( 11) : 140 143王野平，周 翰，李 翠 娟 圓錐模成型機的 受力及關(guān)鍵參數(shù) 分析j 機械設(shè)計，2012，29( 1) : 32 35王慧 基于生物質(zhì)碾壓成型機理的成型能耗影響因素研 究d 濟南: 山東大學(xué)，2011施水娟，武凱，蔣愛軍 制粒過程中環(huán)模力學(xué)模型的建立 及有限元分析j 機械設(shè)計與制造，2011( 1) : 38 40 張朝暉 ansys12 0 結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析m 北京: 機械工業(yè)出版社，2010234567圖 7 von mises 應(yīng)力與環(huán)模開口度的變化關(guān)系曲線fig 7 the change curve between the stress of von mises and the angle of ring die hile綜合考慮，選定環(huán)模孔的開口角度為 9 14 比較 適合。在此范圍 內(nèi)，環(huán)?？族F面和錐角的受力 相 對 穩(wěn) 定，有利于改善環(huán)模的磨損情況，而且錐面提供的側(cè)壓 力比較大，成型效果比較好。8910the structure analysis of biomass ing die based on ansysyuan xiaoming，xu jingyun，han xiurong，ge xiang，wang hongyu( school of mechanical engineering，jiangsu university，zhenj