雙層環(huán)模式秸稈壓塊機模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

徐弘博　胡志超　陳有慶

摘要：針對單層秸稈壓塊成型設(shè)備生產(chǎn)能力低、單位能耗大的問題，分析雙層環(huán)模式秸稈壓塊機的性能優(yōu)勢，并提出了一種改進的雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)。通過ANSYS軟件對改進前后的環(huán)模模塊進行應(yīng)力應(yīng)變分析，對比了?？讖较蚺c軸向的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。結(jié)果表明：改進后的雙層環(huán)模模塊具有更好的力學(xué)性能，為雙層甚至多層環(huán)模模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：秸稈壓塊機；環(huán)模；雙層結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號： S226.9 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0415-04

隨著人們對環(huán)境污染問題的關(guān)注程度不斷提高，如何正確處理農(nóng)作物秸稈已經(jīng)成為我國學(xué)者研究的焦點之一。秸稈壓塊成型技術(shù)的出現(xiàn)，為高效再利用秸稈資源提供了一條很好的途徑[1]。秸稈成型設(shè)備按照成型方式的不同具有多種結(jié)構(gòu)形式，其中環(huán)模輥壓式秸稈成型設(shè)備，相對于螺旋擠壓等成型方式，具有生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢[2]，是目前秸稈壓塊成型技術(shù)的主流研究對象。

目前，國內(nèi)秸稈成型設(shè)備普遍存在的問題之一是生產(chǎn)能力偏低、單位能耗過大[3]。根據(jù)能耗比模型理論[4]，增大產(chǎn)量可以降低成型的能耗比。針對單層環(huán)模設(shè)備大型化呈現(xiàn)的種種約束，雙層出料口結(jié)構(gòu)的環(huán)模式秸稈壓塊機因其能成倍地提高產(chǎn)量，成為秸稈成型設(shè)備大型化的發(fā)展趨勢。環(huán)模在工作過程中受物料擠壓和穩(wěn)定升高的影響，極易磨損，為改善環(huán)模的力學(xué)性能，提高使用壽命，國內(nèi)學(xué)者對環(huán)模結(jié)構(gòu)進行了大量分析優(yōu)化與試驗驗證[5-6]，但均是針對單層環(huán)模結(jié)構(gòu)，對雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)的研究十分匱乏。本研究對雙層環(huán)模的模塊進行建模，并提出一種改進的雙層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)，通過有限元軟件ANSYS進行靜力學(xué)仿真，反映其工作過程中的應(yīng)力與應(yīng)變分布情況，并與普通的雙層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)進行對比，證實改進型的雙層環(huán)模模塊具有更加合理的力學(xué)特性，為雙層甚至多層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計與發(fā)展提供參考。

1 環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

雙層環(huán)模與單層環(huán)模具有相同的?？捉Y(jié)構(gòu)，不同點是雙層結(jié)構(gòu)在環(huán)模軸向進行了拓展，因此可以首先對單層環(huán)模的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，通過分析單層環(huán)模結(jié)構(gòu)在設(shè)備大型化方面存在的問題，來設(shè)計雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)。

1.1 單層環(huán)模結(jié)構(gòu)形式

本研究的單層環(huán)模由36塊結(jié)構(gòu)相同的模塊拼接組合而成，每個?？诪橹睆絛m=30 mm、長度I=140 mm的圓柱，?？浊岸嗽O(shè)有40°錐角用于使物料擠壓成型；環(huán)模內(nèi)徑d=620 mm，外徑D=900 mm，模塊厚度為60 mm。單個模塊與整體組合的單層環(huán)模結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 單層環(huán)模結(jié)構(gòu)的缺陷

單層環(huán)模結(jié)構(gòu)在技術(shù)上存在很多不足之處，從設(shè)備大型化的發(fā)展角度對比分析增加?？讓螌迎h(huán)模結(jié)構(gòu)的秸稈成型機帶來的問題。

問題1：造成模盤尺寸過大。模盤是環(huán)模模塊安裝的載

當(dāng)?？讛?shù)n由36個增加到60個時，可以繪制?？讛?shù)-模盤面積曲線。由圖2可知，模盤面積隨著?？讛?shù)的增加呈現(xiàn)二次上升曲線，?？讛?shù)越多，面積增加得越快。因此，當(dāng)要求設(shè)備產(chǎn)量較大時，就會造成模盤的加工成本和制造難度迅速上升；同時，較大的模盤尺寸對于安裝和運輸來說也造成了負擔(dān)。因此，單層出料孔的設(shè)計思路制約了環(huán)模式秸稈壓塊機的大型化發(fā)展。

問題2：造成設(shè)備堵機現(xiàn)象。市場上的現(xiàn)有設(shè)備將環(huán)模內(nèi)徑d作為模盤進料口直徑，這導(dǎo)致進料口面積與出料口面積比例嚴(yán)重失調(diào)。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，入料口的面積：

當(dāng)?？讛?shù)n由36個增加到60個時，繪制入料/出料面積比例圖，由圖3可以看出，入料通道的面積是出料孔面積總和的10倍以上，這使得物料進入模盤的速度遠大于設(shè)備的產(chǎn)出速度，而且隨著?？讛?shù)量的增加，入料通道面積與出料孔的面積比表現(xiàn)為線性增加，入料與出料速度比越發(fā)失調(diào)。在依靠人工上料的情況下，一旦控制不好入料量就會產(chǎn)生堵機現(xiàn)象，這種情況在實際生產(chǎn)中尤為常見，嚴(yán)重堵塞時甚至?xí)p害模盤內(nèi)的壓輥部件。

問題3：造成設(shè)備功率需求增大。根據(jù)設(shè)備的運作情況，可以將設(shè)備的功率消耗歸納于以下3個方面：擠壓成型過程中壓輥克服物料摩擦力的做功；克服設(shè)備轉(zhuǎn)動慣量所做的功；克服物料與環(huán)模摩擦發(fā)熱所做的功。增加模孔不但造成壓輥力臂的增大，同時也造成設(shè)備轉(zhuǎn)動慣量的增大，這勢必提高了設(shè)備的功率需求，對驅(qū)動元件的選型造成負擔(dān)。

由于雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)從模盤的軸向增加?？讛?shù)量，不改變模盤尺寸、入料口面積、壓輥力臂長度，能夠很好地避免上述問題，為秸稈壓塊成型設(shè)備大型化發(fā)展提供了合理的途徑。

1.3 雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)形式

雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)是由單層環(huán)模結(jié)構(gòu)沿模盤軸向拓展延伸而來的，同樣是組合式模塊結(jié)構(gòu)，?？椎慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)如圖4所示。

對雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，在每個?？壮尚蛪毫ο嗤臈l件下，雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)的模塊所承受的載荷在?？讖较虬l(fā)生疊加，工作應(yīng)力應(yīng)變比單層結(jié)構(gòu)要大，更容易發(fā)生磨損和斷裂失效，這是雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)不可避免的問題之一。因此，探索更加合理的雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實意義。

2 雙層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

2.1 模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)

模塊的結(jié)構(gòu)改進是減小環(huán)模磨損的手段之一，為了確定改進的目標(biāo)參數(shù)，首先要分析模塊的磨損機理。磨料磨損主要有以下幾個方面[7]：（1）塑性變形失效。環(huán)模材料表面受到擠壓發(fā)生塑性變形，被推到兩側(cè)材料被反復(fù)擠壓發(fā)生加工硬化或其他強化作用，最終剝落。（2）疲勞失效。環(huán)模工作時受到較大的交變接觸壓應(yīng)力，經(jīng)過一段時間的積累表面出現(xiàn)疲勞裂紋并逐漸擴大，最終導(dǎo)致疲勞破壞。（3）磨損失效。秸稈物料成型過程對模孔的擠壓磨損，導(dǎo)致?？鬃兇螅妆谧儽《l(fā)生的失效形式。

通過上述分析可以看出，減小環(huán)模工作時的應(yīng)力和應(yīng)變是模塊結(jié)構(gòu)改進的主要目標(biāo)，因此需要對環(huán)模模塊工作狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變進行分析。

2.2 雙層環(huán)模模塊力學(xué)仿真

通過ANSYS軟件對環(huán)模模塊工作部位進行靜力分析，求解出模塊工作狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變情況。模塊材料采用42CrMo，密度為7 870 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，采用Solid185網(wǎng)格類型對模塊模型進行網(wǎng)格劃分。

對環(huán)模模塊的工作情況進行分析可知，環(huán)模通過緊固螺栓固定在成型設(shè)備上，模塊嵌入機體中，上下表面卡入溝槽，因此外表面為固定約束。壓力作用在環(huán)模內(nèi)環(huán)表面、模孔表面，根據(jù)文獻報道[6，8-9]，對模型施加約束與載荷，對錐面由內(nèi)向外施加15～25 MPa的線性壓力載荷；對孔壁由內(nèi)向外施加 40～10 MPa 的線性壓力載荷；對環(huán)模內(nèi)環(huán)施加15 MPa的壓力載荷。約束與載荷施加示意見圖5。

通過求解得出雙層環(huán)模模塊的應(yīng)力與應(yīng)變云圖如圖6所示。

由圖6可以看出，最大應(yīng)力集中在錐面與?？捉唤犹幍乃街行牟课?，約為39.6 MPa，這是由于該處壁厚較薄，同時物料受到錐面成型作用在此處達到最大值而產(chǎn)生的；最大應(yīng)變位于上下2個?？族F面連線的中點位置，約為0.005 mm，這是由于中間位置沒有約束，上下模孔受到的擠壓位移在此處發(fā)生了疊加。

2.3 改進雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)分析與對比

為了提高雙層環(huán)模模塊的使用壽命，降低使用成本，提出了改進的雙層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)。

圖7為改進的雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)，將每個模塊的體積減小一半并沿模盤軸向錯開一個孔的位置，形成交錯排列的?？撞季郑@樣可以避免?？组_在同一側(cè)而產(chǎn)生應(yīng)力疊加問題，并且由于模塊體積減小，提高模塊加工質(zhì)量，降低加工成本。同時，模塊之間的相互作用可以抑制形變量的擴展。

采用相同邊界條件對交錯式雙層模塊結(jié)構(gòu)進行有限元分析，得到圖8所示的分析結(jié)果。

由應(yīng)力應(yīng)變云圖可以發(fā)現(xiàn)改進后的雙層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)減小了上下?？椎膽?yīng)力應(yīng)變疊加作用，為了更加準(zhǔn)確地評判改進后模塊與原始模塊之間的區(qū)別，沿模孔徑向與軸向取一系列特征點加以對比分析。應(yīng)力與應(yīng)變情況分別見圖9、圖10。

由應(yīng)力對比圖可以看出，在?？椎妮S線方向改進模塊與原始模塊的應(yīng)力變化情況呈現(xiàn)相同規(guī)律，都在錐面與?？捉唤缣庍_到最大值，并向物料出口呈現(xiàn)減小趨勢，而改進模塊的應(yīng)力水平小于原始模塊的應(yīng)力水平；在?？椎膹较蛏?，改進后的模塊應(yīng)力變化相對平滑，?？字虚g處（90°）的峰值小于原始模塊的應(yīng)力峰值。改進模塊在單側(cè)（180°）發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是由上下模孔的非對稱性導(dǎo)致的。

由應(yīng)變對比圖可以看出，在?？椎妮S線方向改進后的模塊應(yīng)變量始終小于原始模塊；在?？椎膹较蛲瑯邮歉倪M后的模塊應(yīng)變量較小，這是由于改進后的模塊將自身應(yīng)變轉(zhuǎn)移到了2個模塊之間，使得應(yīng)變量無法得到擴展。事實上，改進后的模塊最大應(yīng)變量只有原始模塊最大應(yīng)變量的30%，充分體現(xiàn)了改進后模塊的優(yōu)秀結(jié)構(gòu)特點。

3 結(jié)論

通過對單層環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計，從設(shè)備大型化角度探討單層環(huán)模結(jié)構(gòu)存在的缺陷，分析了雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)勢。針對已有的雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)，提出一種改進的結(jié)構(gòu)形式，通過計算?？纵S向與徑向的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，對比了改進前后雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)所具有的不同力學(xué)特性，結(jié)果表明改進后的環(huán)模結(jié)構(gòu)在應(yīng)力與應(yīng)變水平方面均低于原始的環(huán)模結(jié)構(gòu)，驗證了改進的雙層環(huán)模結(jié)構(gòu)在消除應(yīng)力疊加，延長環(huán)模模塊使用壽命方面具有的優(yōu)勢。本研究從環(huán)模模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度為秸稈成型設(shè)備大型化的發(fā)展提供了新的思路。

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