基于ABAQUS的兩種環(huán)模制粒有限元分析

■寧廷州 俞國(guó)勝 楊惠嬌 金 實(shí)

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

環(huán)模制粒，即松散物料經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)擠壓而制備成顆粒，是國(guó)際上制粒成型的主流技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于飼料加工、生物質(zhì)固化成型、制藥等領(lǐng)域。在生物質(zhì)固化成型方面，該技術(shù)可以將農(nóng)作物秸稈、木屑等廢棄物經(jīng)過(guò)壓縮而制備成生物質(zhì)燃料，生物質(zhì)燃料燃燒能夠有效避免由于秸稈焚燒而造成的環(huán)境污染問(wèn)題，是當(dāng)前發(fā)展?jié)崈裟茉吹闹匾侄巍?/p>

目前，環(huán)模制粒裝備普遍存在關(guān)鍵部件磨損嚴(yán)重、能耗高以及產(chǎn)量低等問(wèn)題，阻礙了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，如何降低環(huán)模制粒的能耗，對(duì)提高我國(guó)環(huán)模制粒裝備的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)飼料產(chǎn)業(yè)、生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)和其他相關(guān)綠色裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以降低環(huán)境污染和推動(dòng)三農(nóng)建設(shè)均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究基于非線性有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)傳統(tǒng)環(huán)模制粒和柱塞式壓輥環(huán)模制粒分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，找出傳統(tǒng)環(huán)模制粒能耗高的原因，為制粒技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 環(huán)模制粒過(guò)程

傳統(tǒng)環(huán)模制粒的工作原理如圖1所示。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)環(huán)模以一定的轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，物料在自身重力和旋轉(zhuǎn)離心力的作用下進(jìn)入制粒室，隨之物料被攫入工作區(qū)，壓輥在工作區(qū)摩擦力的作用下與環(huán)模同方向旋轉(zhuǎn)。隨著模輥的不斷旋轉(zhuǎn)，攫入的物料也不斷向前推進(jìn)，擠壓力和物料密度隨之增加。當(dāng)環(huán)模擠壓力大于物料與環(huán)?？變?nèi)壁摩擦力時(shí)，具有一定黏結(jié)力和密度的物料就被擠進(jìn)環(huán)?？變?nèi)。隨著擠壓力的不斷增加，溫度也越來(lái)越高，物料中的木質(zhì)素在相當(dāng)溫度下被分解，充當(dāng)著黏結(jié)劑的作用，將物料黏結(jié)在一起。由于模輥的不斷旋轉(zhuǎn)，物料也不斷地被擠進(jìn)環(huán)模孔內(nèi)，環(huán)?？變?nèi)已經(jīng)成型的物料被連續(xù)擠出環(huán)?？?，在外部切刀的作用下，物料被剪斷，折成具有一定密度和長(zhǎng)度的顆粒。

圖1 傳統(tǒng)環(huán)模制粒工作原理

柱塞式壓輥環(huán)模制粒的工作原理如圖2所示。動(dòng)力直接傳遞到壓輥軸上，通過(guò)壓輥齒輪、惰齒輪和環(huán)模齒輪的嚙合，實(shí)現(xiàn)環(huán)模和壓輥的同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。生物質(zhì)松散物料經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入環(huán)模后，在其自身重力和旋轉(zhuǎn)離心力的共同作用下進(jìn)入環(huán)模孔，壓輥上的柱塞依次壓入對(duì)應(yīng)的環(huán)模孔，之后又逐漸分離，每轉(zhuǎn)一圈，?？字械奈锪隙家?jīng)過(guò)填充、柱塞擠壓和保型3個(gè)過(guò)程，經(jīng)過(guò)不斷循環(huán)，松散的生物質(zhì)物料最終在環(huán)?？字幸粚右粚又旅艹尚?。當(dāng)成型狀燃料擠出環(huán)?？走_(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，外部切刀將其剪斷。固定在環(huán)模上的刮刀可以有效去除粘結(jié)在環(huán)模上的物料。

圖2 柱塞式壓輥環(huán)模制粒工作原理

2 模型建立

為使數(shù)值模擬結(jié)果具有可比性，將傳統(tǒng)環(huán)模制粒按柱塞式壓輥環(huán)模制粒的位置關(guān)系和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行建模（見(jiàn)圖3），且二者使用相同的物料、網(wǎng)格技術(shù)、接觸條件和邊界條件。

圖3 二維數(shù)值模擬模型

ABAQUS/Explicit應(yīng)用顯式求解技術(shù)，計(jì)算功能強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于求解塑性成型、材料退化、高速動(dòng)力和復(fù)雜接觸等高度非線性問(wèn)題。本研究基于ABAQUS/Explicit求解，使用Cunningham試驗(yàn)中的微晶纖維素作為模擬對(duì)象，其DPC模型參數(shù)及其帽蓋硬化特性曲線分別如表1和圖4所示。

表1 DPC模型參數(shù)

圖4 帽蓋硬化特性曲線

3 結(jié)果與分析

圖5顯示，傳統(tǒng)環(huán)模制粒最大應(yīng)力值為80.28 MPa，發(fā)生在壓輥與環(huán)模未開(kāi)孔的位置，表明該位置處產(chǎn)生了較大的能耗；而柱塞式壓輥環(huán)模制粒最大應(yīng)力值僅為4.32 MPa，且發(fā)生在靠緊壓輥柱塞的底部以及環(huán)?？椎闹?chē)@對(duì)進(jìn)入環(huán)?？椎奈锪蠀⑴c壓縮成型極為有利，因此減少了制粒過(guò)程中壓輥與環(huán)模未開(kāi)孔處的能耗損失。

圖6顯示，兩種環(huán)模制粒的等效塑性應(yīng)變PEEQ均大于0，表明物料在壓縮過(guò)程中發(fā)生了塑性變形，不同的是，傳統(tǒng)環(huán)模制粒物料的最大等效塑性應(yīng)變發(fā)生在壓輥與環(huán)模未開(kāi)孔的位置，而柱塞式壓輥環(huán)模制粒的最大等效塑性應(yīng)變發(fā)生在壓輥柱塞的底部以及環(huán)模孔的周?chē)?/p>

圖5 兩種環(huán)模制粒Mises應(yīng)力云圖

圖6 兩種環(huán)模制粒技術(shù)等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)論

相比傳統(tǒng)環(huán)模制粒技術(shù)，由于柱塞式壓輥環(huán)模制粒技術(shù)綜合了活塞沖壓式成型技術(shù)和傳統(tǒng)環(huán)模制粒技術(shù)，使得進(jìn)入環(huán)?？椎奈锪细菀装l(fā)生塑性變形，從而有效避免了壓輥與環(huán)模未開(kāi)孔接觸處的能耗損失問(wèn)題。

（參考文獻(xiàn)12篇，刊略，需者可函索）