基于SIMULATION的制粒機環(huán)模數(shù)值模擬及設計優(yōu)化

徐煒 陸敏 周梅英 劉春華 談曉東

（江蘇正昌糧機科研所，江蘇 溧陽 213300）

制粒是將粉料通過機械或化學的方法，將其聚合成型的過程。飼料制成顆粒后有提高飼料的消化吸收轉化率，防止動物挑食，殺滅沙門氏菌，便于貯存和運輸?shù)戎T多優(yōu)點。制粒工藝主要是通過制粒機這種關鍵設備實現(xiàn)的。常見的制粒機有螺旋擠壓式、平模式、環(huán)模式等結構形式，因環(huán)模制粒機制粒質量好,顆粒硬度高,所以適用性最廣且最為普遍。本文重點對SZLH428普通畜禽料制粒機的環(huán)模進行分析和優(yōu)化。

1 環(huán)模制粒機工作原理

1.1 制粒原理

粉料進入制粒室，在高速旋轉的環(huán)模帶動下，粉料由于離心力的作用緊貼環(huán)模內壁并隨環(huán)模一起轉動從而被帶入到環(huán)模與壓輥之間的楔形區(qū)域，在受到環(huán)模和壓輥的擠壓后成型為顆粒并從環(huán)模的孔中擠出，在環(huán)模外部切刀的作用下被切成短小顆粒，從而完成制粒過程，如圖1和圖2所示。

圖1 制粒室內部結構

圖2 制粒原理

1.2 環(huán)模

環(huán)模是周身布滿圓孔的環(huán)類零件，其材質、尺寸參數(shù)、加工質量對顆粒質量和生產(chǎn)效率有著重要的影響。環(huán)模是易損件且在實際工作中受力情況復雜，新疆農(nóng)業(yè)大學的鄧勇認為，環(huán)模失效的原因主要為磨損和疲勞斷裂，其中以磨損失效為主要形式。但經(jīng)過大量實踐證明，多數(shù)環(huán)模在磨損失效之前就應力性破損，所以本文著重從環(huán)模工作受力方面進行研究。

2 環(huán)模有限元仿真分析

本研究對象為SZLH428普通畜禽料制粒機環(huán)模，其相關參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)模參數(shù)

2.1 建模

環(huán)模結構相對復雜，在建模時去掉部分螺紋孔、倒角、圓角等對分析結果影響不大的細節(jié)且忽略所有?？讕淼挠绊憽：喕蟛捎肧IMULATION軟件進行三維實體單元網(wǎng)格劃分，并在局部細化網(wǎng)格。劃分節(jié)點總數(shù)61218個，單元總數(shù)37408個，劃分最小單元1.71 mm，最大單元20.1 mm，雅克比4，網(wǎng)格品質高。其網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 環(huán)模網(wǎng)格劃分

2.2 載荷分析

環(huán)模主要受電機的驅動力矩M，壓輥的擠壓力N以及物料的摩擦力F，如圖4所示。

圖4 環(huán)模受力情況

假設環(huán)模是勻速轉動，合力矩為0，根據(jù)公式

式中：M——電機的驅動力矩(N·m)；

P——主電機功率(kW)；

f——粉料與環(huán)模的摩擦因子，取0.3；

n——環(huán)模轉速(r/min)；

R——環(huán)模內半徑(mm)。

計算得 N=193771 N，F(xiàn)=58131 N，M=26740 N·m

對于環(huán)模內表面的一點，在一個轉動周期內，除驅動力矩M是長期存在外，N與F只會出現(xiàn)兩次，是典型的周期性接觸應力問題，見圖5。

圖5 接觸應力圖解

根據(jù)接觸應力（赫茲應力）公式：

式中：b——接觸帶半寬（mm）；

L——接觸線長，即環(huán)模寬度（mm）；

R1——壓輥半徑（mm），取110；

R2——環(huán)模半徑（mm），取230；

μ1、μ2——材料泊松比，此處都取0.3；

E1、E2——材料彈性模量，取E1=E2（N/m2）。

由此可計算出b=1.853 mm，2b=3.706 mm，即可確定擠壓力N的受力區(qū)域。

最大接觸應力

計算得 σmax=458.72 MPa≤[σHLP]≈1500 MPa；

同時 σmax≤[σ-1]≈566 MPa。

式中：[σHLP]為許用線接觸強度；[σ-1]為 10-7循環(huán)次數(shù)下材料的疲勞強度極限。

最大切應力 τ45°≈0.33σmax=151.38 MPa，出現(xiàn)位置坐標為z=0.786b=1.46 mm，y=0處。周期性接觸應力會引起環(huán)模的接觸疲勞破壞。圖6為環(huán)模載荷圖。

圖6 環(huán)模載荷

2.3 結果及分析

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)模非正常破裂主要有如下三種形式：

①傳動鍵槽根部開裂并伴有鍵槽頂部剝落現(xiàn)象，見圖7；

②環(huán)模法蘭面45°縱深裂紋，見圖8；

③突發(fā)性斷裂，見圖9。

圖7 傳動鍵槽根部開裂并伴有頂部剝落現(xiàn)象

圖8 45°方向縱深裂紋

圖9 突發(fā)性斷裂

主要原因分析如下：

①環(huán)模主要靠鍵槽驅動，鍵槽根部存在嚴重的應力集中現(xiàn)象，見圖10和圖11。

圖10 VonMises應力云圖

圖11 鍵槽處VonMises應力云圖

鍵槽根部存在應力集中，平均應力約352 MPa，鍵槽頂部出現(xiàn)最大應力，其值約為804.7 MPa。

圖12 合位移云圖

②圖13顯示了環(huán)模受擠壓部位的應力分布，擠壓處的平均應力約為348 MPa。

圖13 受擠壓處應力云圖

受擠壓部位的平均應力值小于材料的屈服強度（約835 MPa），但卻接近材料的疲勞強度極限（循環(huán)下約566 MPa），因此對此環(huán)模進行疲勞分析。

環(huán)模彎矩

如圖14所示。

圖14 環(huán)模彎矩

材料的S-N曲線如圖15所示。

圖15 合金鋼的S-N曲線

循環(huán)次數(shù)107次，加載比率-0.572。

在經(jīng)歷最多2231次循環(huán)后，環(huán)模受擠壓部位即出現(xiàn)疲勞破壞。

③對于突發(fā)性的環(huán)模破裂，主要是由于制粒室內進入了金屬塊或石塊等雜物而造成的，在設備運行前注意清理雜物即可。

圖16 疲勞壽命

3 優(yōu)化方案

①鍵槽根部倒圓角R3，鍵槽頂部倒角C3，如圖17所示。

圖17 鍵槽處優(yōu)化方案

圖18 優(yōu)化后的VonMises應力云圖

優(yōu)化后，鍵槽部位最大應力值僅為419.6 MPa，為原最大應力的52.1%，根部平均應力為280 MPa，僅為原來的79.5%。

②改善熱處理工藝，嚴格控制熱處理工藝質量，精確把握滲碳碳勢、淬回火溫度和時間，控制合金鋼表面硬度不超過62HRC（有理論認為，對于合金鋼，接觸疲勞壽命在一定范圍內隨硬度的增加而增加，但在62HRC處出現(xiàn)拐點）。

③改善環(huán)模加工質量，特別是鍵槽處和內表面的粗糙度要盡可能低，建議在模孔終擴后加一道精修內面的工序。

④優(yōu)化顆粒壓制生產(chǎn)工藝，重視粉料配方中油脂的添加和作用，油脂可在兩接觸體之間形成流體動壓油膜，能顯著增加疲勞壽命，但要注意油脂的腐蝕性，否則可能反而會降低其疲勞壽命。

4 小結

環(huán)模作為制粒機上昂貴的易損件，其材質成分、熱處理工藝、結構參數(shù)、加工質量對制粒機效能的發(fā)揮有著關鍵的影響，如何降低環(huán)模非正常破損率，延長其使用壽命，一直是一個困撓企業(yè)的難題。實踐證明，一個普通畜禽料制粒機環(huán)模的使用壽命若延長100 h，即可為一個小型飼料加工企業(yè)帶來數(shù)十萬的經(jīng)濟效益。通過對環(huán)模的研究可以得到如下結論。

①應力集中和接觸疲勞破壞是環(huán)模破損的主要原因所在，利用有限元分析技術優(yōu)化結構參數(shù)，改善熱處理及加工工藝可以有效減少環(huán)模破損率，延長環(huán)模使用壽命。

②優(yōu)化粉料配方也可以提高環(huán)模的使用壽命。

③本研究中忽略了?？讕淼挠绊?，實際上?？椎某叽?、分布情況、總數(shù)對環(huán)模強度亦有影響，且可以推斷是負面影響。鑒于研究?？讓τ诃h(huán)模強度的影響時運算量過于龐大(約4500個模孔),計算機配置要求過高，所以相關討論會在日后的研究中逐漸完善。

④環(huán)模磨損模型的建立及分析亦是后續(xù)研究的內容之一。

[1]成大先.機械設計手冊第五版（第一卷）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[2]趙少汴，王忠保.抗疲勞設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[3]趙明生，等.機械工程師手冊第二版（基礎理論卷）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[4]曹康，金征宇，等.現(xiàn)代飼料加工技術[M].上海：上?？茖W技術文獻出版社，2003.

[5]鄧勇，史建新，董富民.環(huán)模制粒機中環(huán)模的有限元分析[J].飼料加工，2004(4)：21-22.

[6]饒應呂.飼料加工工藝與設備[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1996.

[7]過世東，王會兵，熊易強.實驗室大豆皮制粒的研究[J].飼料工業(yè)，2001(22)：5-7.

[8]鄧勇.環(huán)模制粒機的有限元分析及試驗研究[D].新疆農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文，2004.

[9]施水娟，武凱，蔣愛軍.制粒過程中環(huán)模力學模型的建立及有限元分析[J].機械設計與制造，2011(1)：38-40.