環(huán)模秸稈壓塊機(jī)環(huán)?？仔蛢?yōu)選與試驗(yàn)

段 建，陳樹人

(1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

?

環(huán)模秸稈壓塊機(jī)環(huán)模孔型優(yōu)選與試驗(yàn)

段 建1，陳樹人2

(1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

環(huán)?？讘?yīng)力集中是影響環(huán)模秸稈壓塊機(jī)模孔壽命和壓塊成型品質(zhì)的重要因素。為此，對錐面孔型進(jìn)行改進(jìn)，提出了凸曲面和凹曲面兩種新型環(huán)?？?。同時(shí)，運(yùn)用ANSYS軟件對3種?？壮尚瓦^程進(jìn)行分析，研究不同孔型對等效應(yīng)力及摩擦應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：成型階段錐面?？?、凹曲面?？准巴骨婺？鬃畲蟮刃?yīng)力分別為20.5、22.3、19.4MPa，最大摩擦應(yīng)力分別為3.62、3.60、2.15MPa；整個(gè)成型過程中凸曲面?？紫啾儒F面和凹曲面?？啄Σ翍?yīng)力較小且隨位移變化較為平穩(wěn)，成型腔與保型腔連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象基本不存在。試驗(yàn)驗(yàn)證表明：凸曲面?？壮瞿：蟮慕斩拤簤K耐久性和成型品質(zhì)都較優(yōu)，成型密度為1.029kg/m3，松弛比為1.099，為合理設(shè)計(jì)?？讖亩岣邏簤K品質(zhì)和?？讐勖峁┮欢▍⒖?。

秸稈壓塊機(jī)；環(huán)?？仔停粌?yōu)選

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源豐富[1]，但由于其材質(zhì)密度較低且分散廣，收集運(yùn)輸難度大、成本高，對其高效與規(guī)模利用較為困難。秸稈固化成型是綜合利用秸稈資源的一種有效途徑，秸稈經(jīng)壓縮致密成型，其密度相比原料得到大幅提升，燃燒熱值較高，方便儲(chǔ)存和運(yùn)輸[2]。環(huán)模壓塊機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是?？锥?、壓縮室接觸面積大及?？篆h(huán)狀徑向輻射，尤其是立式環(huán)模壓塊機(jī)具有原料分布均勻、結(jié)構(gòu)緊湊、產(chǎn)量高、能耗較低和易于維修等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前固化成型設(shè)備發(fā)展的主流方向。但目前應(yīng)用最為廣泛的錐型環(huán)?？?，存在成型腔和保型腔連接處應(yīng)力集中，導(dǎo)致壓塊成型品質(zhì)不高、?？滓啄p的問題，制約了環(huán)模秸稈壓塊機(jī)進(jìn)一步推廣使用[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對環(huán)模秸稈壓塊機(jī)錐型?？讘?yīng)力集中導(dǎo)致易磨損、成型品質(zhì)不高等問題進(jìn)行了諸多研究，主要是對?？族F角度、倒角、加襯套等進(jìn)行優(yōu)化分析[4-10]，但都只在一定程度上降低錐角處應(yīng)力大小，?？壮尚颓缓捅Ｐ颓贿B接處應(yīng)力集中的問題仍沒得到徹底解決。

本文提出凸曲面和凹曲面兩種新型孔型[11]，運(yùn)用ANSYS軟件對3種環(huán)模孔型成型過程進(jìn)行分析，對優(yōu)選的環(huán)?？仔瓦M(jìn)行試驗(yàn)與對比分析，為徹底消除環(huán)模秸稈壓塊機(jī)?？走B接處應(yīng)力集中及提高壓塊品質(zhì)和模孔壽命提供一定參考。

1 建立有限元模型

1.1 幾何模型

按秸稈成型過程的不同受力情況，?？卓煞譃轭A(yù)壓腔、成型腔和保型腔3部分。選取成型腔和保型腔作為研究對象。根據(jù)生產(chǎn)及試驗(yàn)情況，取成型秸稈長60mm，模孔錐角為5.71°[7]，?？状笮《嗣嬷睆椒謩e為34mm和28mm，錐長為30mm，保型腔30mm(整長138mm)。選用凹曲面模孔和凸曲面?？椎脑瓌t為取上述錐角度，同時(shí)不與上下孔壁發(fā)生干涉且曲率最大的凹、凸曲面，據(jù)此建立幾何模型如圖1所示。

1.2 材料屬性和單元類型

選用水稻秸稈作為研究對象，建立水稻秸稈、環(huán)模塊和接觸對3種材料性能參數(shù)，如表1所示[12-15]。

綜合考慮環(huán)?？椎慕Y(jié)構(gòu)及秸稈壓縮成型大變形的特點(diǎn)，單元類型采用二維節(jié)點(diǎn)單元PLANE42的高級(jí)單元PLANE82單元，該單元既能用作平面單元，也能用作軸對稱單元，還可選擇不同的輸出選項(xiàng)；能在不損失精度的情況下允許不規(guī)則形狀的存在，可以較好地模擬秸稈成型過程?？紤]秸稈固化成型時(shí)擠壓摩擦大變形的特點(diǎn)，選擇TARGET169單元可較好地模擬復(fù)雜的目標(biāo)形狀，還能進(jìn)行非線性分析。因CONTAl72有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，可用來表示與TARGET169定義的目標(biāo)面之間的接觸和滑移狀態(tài)，故選用CONTAl72作為接觸單元來模擬水稻秸稈與?？椎哪Σ两佑|。

磁共振成像不受外界因素干擾，所得圖像的組織分辨率高，任意方位均能取得胎頭成像，病灶與周圍組織關(guān)系顯示清晰，產(chǎn)前畸形的檢出率極高。未來將其應(yīng)用在胎兒顱腦發(fā)育，功能及疾病發(fā)病原因的研究中，會(huì)取得顯著的進(jìn)展。

1.成型秸稈 2.環(huán)?？?3.環(huán)模塊

材料參數(shù)單位數(shù)值水稻秸稈松裝密度ρkg/m3100內(nèi)摩擦角φ(°)30．5凝聚力CkPa36．03切變模量GGPa0．3泊松比λ10．35環(huán)模塊彈性模量EGPa208泊松比λ20．29接觸對摩擦因數(shù)μ0．3

1.3 載荷及邊界條件

在秸稈左側(cè)Y軸上的節(jié)點(diǎn)施加X方向上的對稱約束，在秸稈上表面沿Y軸負(fù)方向施加100mm的位移載荷[7-8]。由于環(huán)模塊通過上下壓板邊沿固定其徑向方向位移，再通過螺栓與壓塊機(jī)本體相連，因此對環(huán)模塊外表面約束X方向上的自由度及下端面進(jìn)行固定約束。秸稈壓縮成型涉及的分析內(nèi)容較為復(fù)雜，是大變形非線性接觸問題，計(jì)算收斂較為困難，求解前在ANSYS界面對話框中做相應(yīng)設(shè)置可以促進(jìn)計(jì)算收斂。在求解對話框選項(xiàng)中打開自動(dòng)步長，在非線性分析對話框選項(xiàng)中打開線性搜索和變形預(yù)測，選擇Full N-R求解器進(jìn)行運(yùn)算求解，采用非平衡載荷進(jìn)行線性求解；對其收斂性進(jìn)行驗(yàn)證，不收斂則對剛度矩陣作適當(dāng)修正，重新評估不平衡載荷，再進(jìn)行求解，這種迭代不斷循環(huán)一直持續(xù)到求解收斂。

2 有限元計(jì)算與分析

2.1 不同?？椎刃?yīng)力

3種?？椎牡刃?yīng)力如圖2所示。選取成型壓塊處于成型腔階段，此時(shí)3種?？椎刃?yīng)力都達(dá)到最大值，錐面?？椎刃?yīng)力為20.5MPa，凹曲面?？椎刃?yīng)力為22.3MPa，凸曲面?？椎刃?yīng)力為19.4MPa。這是因?yàn)槌尚颓惶幊尚蛪簤K隨著塑性變形的增加，擠壓力增大，摩擦力迅速增大，等效應(yīng)力也處于最大值。對比可發(fā)現(xiàn)：凹曲面?？缀湾F面模孔等效應(yīng)力較大。這是因?yàn)槟？壮尚颓慌c保型腔連接處的?？仔螤钔蛔?，阻礙秸稈移動(dòng)，使得應(yīng)力在?？咨戏植疾痪鶆?、造成局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致?？壮尚颓缓捅Ｐ颓贿B接處的磨損較大，嚴(yán)重影響環(huán)模的使用壽命；凸曲面?？椎刃?yīng)力最小，這是因?yàn)橥姑婺？壮尚颓慌c保型腔采用的是弧線光滑過渡，從而有效地避免了模孔形狀上的突變，使得連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象基本不存在。

(a)錐面模孔 (b)凹曲面?？?(c)凸曲面?？?/p>

圖2 不同?？椎刃?yīng)力

Fig.2 Equivalent stress of different ring die holes

2.2 不同?？啄Σ翍?yīng)力與位移關(guān)系

對3種?？壮尚蛪簤K右下方節(jié)點(diǎn)(188節(jié)點(diǎn))在成型過程中的摩擦應(yīng)力與位移關(guān)系進(jìn)行對比。不同?？椎哪Σ翍?yīng)力與位移關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3可以看出：不同模孔在成型過程中摩擦應(yīng)力與位移關(guān)系并不一樣，但曲線的變化趨勢大致相同。在成型初始階段，由于秸稈變形較大且秸稈本身流動(dòng)性差和相互牽連，摩擦應(yīng)力較小且呈現(xiàn)出不規(guī)則的較快增長趨勢；當(dāng)秸稈成型壓塊移動(dòng)到成型腔附近時(shí)，作用在成型腔壁面上的側(cè)壓力達(dá)到最大，受到的摩擦應(yīng)力最大，之后側(cè)壓力開始逐漸減少，摩擦應(yīng)力迅速下降并趨于穩(wěn)定，出模孔后摩擦應(yīng)力迅速減小到零。這主要是因?yàn)槌尚烷_始時(shí)以擠壓致密為主，摩擦應(yīng)力增長速度較快，隨著塑性變形的增加，擠壓力不斷增大，摩擦應(yīng)力迅速增大[7-8]。在成型腔處，由于環(huán)模孔壁側(cè)壓力的增加，摩擦應(yīng)力達(dá)到最大值，經(jīng)過成型腔區(qū)域后，側(cè)壓力減小，摩擦應(yīng)力逐漸下降；錐面?？啄Σ翍?yīng)力最大值為3.62MPa；凹曲面?？鬃畲竽Σ翍?yīng)力為3.60MPa；凸曲面?？啄Σ翍?yīng)力最大值為2.15MPa，低于錐面和凹曲面模孔，這是由于錐面和凹曲面?？自诮粎R處形狀突變，應(yīng)力較為集中。另外，從整個(gè)成型過程來看，凸曲面?？椎哪Σ翍?yīng)力相比錐面和凹曲面模孔較小且隨著位移的變化較為平穩(wěn)，應(yīng)力在環(huán)?？咨戏植季鶆?。由分析可知：采用凸曲面型?？祝诔尚颓慌c保型腔連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象基本不存在，摩擦應(yīng)力變化平緩、分布合理，提高了成型穩(wěn)定性，降低了?？啄p。

3 試驗(yàn)

通過以上分析可以看出：在?？灼渌鼌?shù)相同的前提下，凸曲面?？纵^之錐面和凹曲面模孔更優(yōu)。為了進(jìn)一步對比優(yōu)選的環(huán)?？仔蛯簤K成型品質(zhì)和成型密度的影響，選擇凸曲面?？缀湾F面?？走M(jìn)行對比試驗(yàn)。在江蘇圓通農(nóng)機(jī)科技有限公司生產(chǎn)9JYK-2000A型環(huán)模秸稈壓塊機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)采用的環(huán)模壓塊機(jī)除環(huán)?？仔筒煌?，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同；試驗(yàn)所需秸稈粒度、喂入量、含水率、主軸轉(zhuǎn)速、成型溫度及模輥間隙也完全相同。試驗(yàn)以水稻秸稈為原料，粉碎粒度30～100mm，含水率18%～25%，主軸轉(zhuǎn)速165r/min、成型溫度80～90℃、模輥間隙3mm、初始密度約100kg/m3。

圖3 不同?？啄Σ翍?yīng)力與位移關(guān)系

3.1 成型壓塊外形對比分析

3.2 成型壓塊性質(zhì)對比分析

成型壓塊耐久性和松弛密度是判斷壓塊物理特性的兩個(gè)重要指標(biāo)[16-17]。物理特性是成型壓塊的重要性質(zhì)，它對成型壓塊能否滿足運(yùn)輸要求、貯藏條件和使用要求具有直接的影響[18]。

Ⅰ —凸曲面?？?Ⅱ—錐面?？?/p>

圖4 成型壓塊外形對比圖

Fig.4 Comparison the shape of briquetting

3.2.1 松弛密度對比分析

松弛密度是指成型壓塊出?？缀螅趦?nèi)部應(yīng)力松弛及外部彈性變形共同作用下，密度有所下降， 之后趨于恒定時(shí)的密度。出模密度與松弛密度的比值稱為松弛比。依照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法》來測量秸稈壓塊的松弛密度。具體做法：將凸曲面?？缀湾F面?？壮瞿：蟮乃窘斩拤簤K，在自然狀態(tài)下風(fēng)干24h，利用電子秤測量秸稈壓塊的質(zhì)量，再用游標(biāo)卡尺分別沿90度方向測量秸稈壓塊長度2次，在秸稈壓塊的兩端和中間處沿90度方向各測一次，總計(jì)測得壓塊直徑6次，取平均值。壓塊松弛密度[18]為

(1)

式中ρ—秸稈壓塊松弛密度(g/cm3)；

m—秸稈壓塊質(zhì)量(g)；

Dem—秸稈壓塊直徑平均值(cm)；

L—秸稈壓塊長度(cm)。

運(yùn)用上述公式對以上測得的壓塊數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到了兩種不同孔型的出模壓塊松弛密度，如表2所示。

表2 不同?？讓λ沙诿芏扔绊?/p>

由表2可以看出：在試驗(yàn)條件相同的情況下，凸曲面?？壮瞿：蟮某尚蛪簤K與錐面?？壮瞿：蟮某尚蛪簤K相比，松弛密度增大，松弛比減小，成型壓塊成型密度較好，便于運(yùn)輸和儲(chǔ)藏。

3.2.2 抗?jié)B水性對比分析

耐久性反映成型壓塊的粘結(jié)性能，決定成型壓塊的使用和貯藏性能，抗?jié)B水性是衡量耐久性的重要性能指標(biāo)[7]。分別將凸曲面模孔和錐面?？壮瞿：蟮某尚蛪簤K樣品置于25℃的水面下10mm，持續(xù)時(shí)間30s，觀察吸水現(xiàn)象。錐面?？壮瞿：蟮某尚蛪簤K具有較強(qiáng)吸水性，體積膨脹快，不能保持初始形狀，松散、開裂嚴(yán)重，已不能構(gòu)成整體；凸曲面?？壮瞿：蟮某尚蛪簤K表現(xiàn)出較弱吸水性，體積膨脹緩慢，外形變化不大，有一定硬度，基本能維持初始形狀。圖5為凸曲面?？缀湾F面?？壮瞿：蟪尚蛪簤K吸水后的特征對比圖。由圖5可見，凸曲面模孔能較大提高成型壓塊的成型品質(zhì)和成型密度。

Ⅰ—凸曲面模孔 Ⅱ —錐面?？?/p>

4 結(jié)論

1)環(huán)模孔型是影響?？讐勖年P(guān)鍵參數(shù)，影響成型過程中的等效應(yīng)力及摩擦應(yīng)力，在?？灼渌鼌?shù)相同的情況下，凸曲面?？纵^之錐面和凹曲面?？赘鼉?yōu)。

2)成型階段錐面模孔、凹曲面模孔及凸曲面?？鬃畲蟮刃?yīng)力分別為20.5、22.3、19.4MPa，最大摩擦應(yīng)力分別為3.62、3.60、2.15MPa。整個(gè)成型過程中，凸曲面?？紫啾儒F面和凹曲面模孔摩擦應(yīng)力較小且隨位移變化較為平穩(wěn)，成型腔與保型腔連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象基本不存在。

3)不同環(huán)模孔型對成型壓塊的成型密度和成型品質(zhì)影響顯著。相對于錐面模孔，采用凸曲面?？壮瞿：蟮慕斩挸尚蛪簤K耐久性和成型品質(zhì)都較優(yōu)，成型密度為1.029kg/m3，松弛比為1.099，宜于使用、存儲(chǔ)和運(yùn)輸。

4)本文僅對錐面和凸曲面兩種環(huán)模孔型應(yīng)力進(jìn)行對比，從試驗(yàn)角度對兩種?？资褂脡勖湍p機(jī)理進(jìn)行比較分析需要進(jìn)一步深入研究。

[1] 崔明,趙立欣,田宜水,等.中國主要農(nóng)作物秸稈資源能源化利用分析評價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(12):291-296.

[2] 張曉文,趙改賓,楊仁全,等.農(nóng)作物秸稈在循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的綜合利用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(S1):107-109.

[3] 張煒,吳勁鋒.環(huán)模制粒機(jī)中環(huán)模結(jié)構(gòu)型孔的有限元分析[J].中國農(nóng)機(jī)化,2009(2):83-85.

[4] 李海英,趙榮煊,騰軍華,等.秸稈環(huán)模式壓塊機(jī)模具優(yōu)化研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(5):65-71.

[5] 周亮,孫宇,武凱,等.環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)模具有限元分析及錐角優(yōu)化[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(6):224-232.

[6] 袁曉明,徐靜云,韓秀榮,等.ANSYS的生物質(zhì)成型機(jī)環(huán)模結(jié)構(gòu)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(6):239-242.

[7] 劉超,董玉平,吳云玉.基于ANSYS的生物質(zhì)液壓成型模具錐角優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(12):125-129.

[8] 劉超.基于ANSYS的生物質(zhì)成型流變規(guī)律及進(jìn)料螺桿模態(tài)特性研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2010.

[9] 姚宗路,趙立欣,田宜水,等.立式環(huán)模生物質(zhì)成型機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(11):139-143.

[10] 賈劍,陸萍,董玉平,等.基于ANSYS帶襯套生物質(zhì)成型有限元分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010, 32(6):45-48.

[11] 陳樹人,段建.一種雙環(huán)模生物質(zhì)顆粒成型機(jī)：中國，CN103861527A[P].2013-12-23.

[12] 徐微.新型液壓活塞式秸稈成型機(jī)改進(jìn)研究[D].長春:吉林大學(xué),2012.

[13] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[14] 陳海濤,黃振華,房欣,等.含水率對水稻秸稈流動(dòng)力學(xué)特性的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,44(11):90-94.

[15] 霍麗麗,孟海波,田宜水,等.粉碎秸稈類生物質(zhì)原料物理特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(11):189-195.

[16] 王建祥,蔡紅珍.生物質(zhì)壓縮成型燃料的物理品質(zhì)及成型技術(shù)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008,30(1):203-205.

[17] 盛奎川,吳杰.生物質(zhì)成型燃料的物理品質(zhì)和成型機(jī)理的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(2):242-245.

[18] 陳樹人,段建,姚 勇,等.環(huán)模式成型機(jī)壓縮水稻稈成型工藝參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(22):32-41.

Optimization and Test for Pass of Circular Mold Straw Briquetting Machine

Duan Jian1, Chen Shuren2

(1.Yangzhou Polytechinic Institute, Yangzhou 225127, China；2.Key Laboratory of Morden Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Stress concentration of ring die hole is the important factor for effect the life for die hole of circular mold briquetting machine and the quality of briquetting, this paper propose two kinds of ring die holes with convex surface and concave surface to improved the cone pass. Use ANSYS software to analyze the forming process for three kinds of mold holes, study on the influence of the equivalent stress and friction stress of different passes. The result indicate that the forming stage of conical die hole and concave die hole and the convex surface die hole maximum equivalent stress are respectively 20.5MPa,22.3MPa,19.4MPa,the maximum friction stress are respectively 3.62MPa,3.60MPa,2.15MPa, the friction stress of concave die hole than convex surface and conical die hole is smaller and displacement relatively stable in the forming process, the stress concentration phenomenon of the forming cavity and the retaining cavity is almost non-existent. the test verificate that the durability and quality of straw briquetting with forming from the die hole of convex surface are optimum, the molding density is 1.029kg.m-3,the relax ratio is 1.099, in order to provide reference for the reasonable design of die hole and improve the quality of briquetting and the life of the die.

straw briquetting machine; pass of die hole; optimization

2015-12-28

農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2013GB2C100182)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2013412)

段 建(1989-),男，江西萍鄉(xiāng)人，助教，碩士，(E-mail) ujsjduan@163.com。

陳樹人(1965-)，男，湖南攸縣人，教授，(E-mail) srchen@ujs.deu.cn。

S817.11+9

A

1003-188X(2017)02-0215-05