秸稈壓縮制粒雙模擠壓成型過程模擬及分析

石洋洋，盧曉江，楚曉婷

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

我國農(nóng)作物秸稈每年的產(chǎn)量達(dá)9億噸，占全球秸稈總量的 20%,[1]，但大部分都遭到了浪費(fèi)，因此將這些秸稈擠壓成型作為生物質(zhì)能源就顯得特別重要[2].擠壓成型后的燃料顆粒在其密度、強(qiáng)度以及燃燒性等方面都比生物質(zhì)原料有了很大的提升[3]．

針對(duì)不同的生物質(zhì)原料，Rumpf[4]根據(jù)顆粒之間的相互作用力提出了 5種生物質(zhì)顆粒間的黏結(jié)力類型和黏結(jié)方式：自由移動(dòng)液體表面張力和毛細(xì)壓力、非自由移動(dòng)黏結(jié)劑作用的黏結(jié)力、固體粒子間的充填和嵌合、顆粒橋連、靜電引力．Lindeley等[5]認(rèn)為，成型燃料的物理特性受溫度、壓力和含水量等因素的影響，但成型燃料內(nèi)部的成型機(jī)制都可以用 Rumpf提出的理論來解釋．

生物質(zhì)擠壓成型設(shè)備根據(jù)機(jī)械的作用原理可分為 3大類：螺旋擠壓成型設(shè)備、活塞沖壓成型設(shè)備、壓輥碾壓成型設(shè)備．螺旋擠壓成型機(jī)的缺點(diǎn)在于其能耗大，設(shè)備磨損嚴(yán)重，維修周期很短，此外，它對(duì)生物質(zhì)原料含水率、粒度等的參數(shù)要求較高，因此阻礙了它的商業(yè)化進(jìn)程[6]；活塞沖壓成型機(jī)由于活塞每次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)只能對(duì)物料進(jìn)行一次擠壓，因此效率很低，產(chǎn)量較低[7]；壓輥碾壓成型機(jī)由于其壓模形狀的不同，可以將其分為平模和環(huán)模兩種形式，又稱雙模成型機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡單、產(chǎn)量高、可優(yōu)化性強(qiáng)，因此易于規(guī)?；a(chǎn)和推廣．

平模和環(huán)模成型機(jī)兩者各有利弊，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇[8]．為了找到最佳的工藝條件和參數(shù)，以往的模式是通過不斷地實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)來找到某種經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律．這樣的模式不僅周期長，而且投資比較大；同時(shí)，由于影響因素較多，實(shí)際的生產(chǎn)情況往往比較復(fù)雜，使得在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中找到的最佳工藝參數(shù)和條件在大批量生產(chǎn)中也未必準(zhǔn)確；此外，也無法進(jìn)行一些極限條件下的實(shí)驗(yàn)．通過數(shù)值模擬卻可以很好地解決以上問題，而且節(jié)省大量的人力和物力，方便快捷地為生產(chǎn)和設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持．

本文從應(yīng)力分布入手，利用數(shù)值模擬方法對(duì)生物質(zhì)燃料環(huán)模擠壓過程顆粒應(yīng)力以及?？椎氖芰M(jìn)行模擬和研究，目的是探究秸稈擠壓成型后的成品出現(xiàn)裂紋和松弛的現(xiàn)象與哪些因素有關(guān)，繼而加以改善，從而為提高產(chǎn)品品質(zhì)提供理論依據(jù)．并且，將生物質(zhì)影響因素進(jìn)行了力學(xué)表征，從微觀力學(xué)模擬角度對(duì)生物質(zhì)影響因素進(jìn)行分析，從模擬角度為工程化研究提供參考．

1 雙模擠壓成型過程模擬及分析

1.1 原料的相關(guān)參數(shù)

本文采用秸稈類生物質(zhì)作為研究對(duì)象，可以將其視作“可壓縮的連續(xù)體”，并且具有均質(zhì)、各向同性的特點(diǎn)[9]．根據(jù)文獻(xiàn)[9–10]可得秸稈類生物質(zhì)的相關(guān)物料參數(shù)見表1．

表1 相關(guān)材料屬性參數(shù)Tab. 1 Property parameters of the related material

1.2 環(huán)模幾何模型的建立與網(wǎng)格的劃分

1.2.1 模型的建立

環(huán)模制粒機(jī)的環(huán)模固定在螺旋輸送器上旋轉(zhuǎn)，壓輥則固定在距環(huán)模內(nèi)表面一定距離處，送料器將物料送入環(huán)模內(nèi)部，物料緊貼于高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)模內(nèi)表面跟隨環(huán)模一起轉(zhuǎn)動(dòng)，通過模輥間的物料及摩擦力使安裝在環(huán)模內(nèi)的壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)，將物料從環(huán)?？字袛D出，再被置于環(huán)模外表面的切刀切成一定長度的顆粒燃料．圖1為環(huán)模制粒機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖[9]．其中環(huán)模的三維視圖見圖 2．可以看出環(huán)模是圓周對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行模擬時(shí)，不需要對(duì)整個(gè)環(huán)模進(jìn)行模擬，只需要對(duì)環(huán)模中的一個(gè)?？走M(jìn)行模擬即可．考慮到ANSYS在模擬擠壓這類接觸問題時(shí)所占用的資源較大，因此在模擬建模的時(shí)候應(yīng)該使模型盡量減少所占資源，根據(jù)?？椎膶?duì)稱性，可以將模型設(shè)置為?？椎囊话?，這樣既簡化了模型，也能滿足研究所需．

圖1 環(huán)模制粒機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 1 Structure of the ring mold extruder

圖2 環(huán)模三維視圖Fig. 2 Three-dimensional view of the ring mold

環(huán)模的結(jié)構(gòu)形式采取圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)，模孔的直徑為3.5,mm，數(shù)量為1個(gè)，壓輥與環(huán)模相對(duì)位置是相互接觸的．采用自底向上方法進(jìn)行建模，即先點(diǎn)后面，具體模型見圖 3．?dāng)D壓模型中 A1部分是模型中等效的秸稈物料，A2和 A3分別對(duì)應(yīng)的是環(huán)模?？椎谋Ｐ蛥^(qū)和擠壓區(qū)．對(duì)應(yīng)于雙腔造粒機(jī)的擠壓過程則是秸稈物料經(jīng)過兩個(gè)小的壓輥預(yù)壓之后，被預(yù)壓為模型中的 A1部分之后被擠壓進(jìn)入到 A3中，最后經(jīng)A2區(qū)保型之后被擠壓出來．

圖3 擠壓模型Fig. 3 Extrusion mode

1.2.2 網(wǎng)格的劃分

由于該模型的形狀比較規(guī)則，因此選用映射網(wǎng)格劃分方法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分．根據(jù)生物質(zhì)顆粒和模具材質(zhì)的性質(zhì)不同，劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì) A1劃分的精細(xì)一點(diǎn)，A2和A3劃分的粗糙一點(diǎn)，具體尺寸采用A1為0.1,mm，A2和A3為5,mm．

1.3 秸稈壓縮成型過程中顆粒和模孔受力的數(shù)值模擬分析

1.3.1 秸稈被擠壓的不同時(shí)刻的流變規(guī)律分析

為了使擠壓過程中物料的顆粒變化更加明顯地顯示出來，在進(jìn)行后處理時(shí)需要首先對(duì)模型進(jìn)行軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)，使其呈現(xiàn)三維視圖，具體操作是依次選擇PlotCtrls(顯示控制)—Style(模式)—Symmetry Expansion(對(duì)稱擴(kuò)張)—2D AX-Symmetric(對(duì)稱旋轉(zhuǎn))．這樣可以更清楚地通過網(wǎng)格的變形觀察秸稈材料擠壓過程的流變情況．

圖4匯總了不同時(shí)刻的擠壓情況與節(jié)點(diǎn)位移，可說明物質(zhì)的流變情況．

圖4 不同時(shí)刻物料的擠壓情況Fig. 4 Material extrusion at different time

t＝T/4,是物料在?？字斜粩D壓的初始階段，從網(wǎng)格變化情況可以看出物料橫向發(fā)生了較大的彎曲變形，且在靠近?？妆诿娴淖兓黠@，這是因?yàn)槟＞咝螤畹母淖兗芭c物料顆粒之間存在著摩擦力，這也正是顆粒間出現(xiàn)剪應(yīng)力的緣故．從 t＝T/2,到 t＝T的擠壓過程可以看出物料縱向向下有一個(gè)突出的弧度，這是因?yàn)榭拷？椎奈锪吓c孔壁之間的接觸摩擦使得兩側(cè)物料移動(dòng)的較慢，而中心受摩擦力影響較小，物料從中線向外的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度依次減慢，造成了物料底端的彎弧出現(xiàn)．這一彎弧隨著擠壓的進(jìn)行逐漸平穩(wěn)，在t＝T時(shí)刻物料被擠出，這個(gè)彎弧最終穩(wěn)定．從這 4個(gè)時(shí)間段物料的網(wǎng)格變化情況看，網(wǎng)格被擠壓后發(fā)生了明顯變形，在物料兩側(cè)的變形最明顯，初始階段物料與模具的錐面接觸少，受到的摩擦力較小，此時(shí)的剪應(yīng)力也較?。S著擠壓的進(jìn)行，物料與錐面的接觸越來越多，受擠壓的程度也逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致剪應(yīng)力增大，使得網(wǎng)格變形變得更加明顯．這些力的變化與網(wǎng)格的明顯變形，說明在擠壓過程中存在著應(yīng)力集中的問題．

1.3.2 生物質(zhì)被擠壓過程的應(yīng)力分布分析

進(jìn)一步對(duì)物料和模具進(jìn)行應(yīng)力分析，探究物料在?？讛D壓過程中應(yīng)力對(duì)物料成型和模具的影響，結(jié)果見圖5．

圖5 擠壓過程中物料的徑向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力Fig. 5 Radial stress，axial stress and shear stress of the material in the process of extrusion

圖 5(a)和圖 5(b)的徑向和軸向應(yīng)力分布表明，物料的尾端和模具出口處應(yīng)力比較大，這種局部的徑向應(yīng)力過大會(huì)造成成品橫向裂紋，從這一點(diǎn)可以清楚地解釋圖4中t＝T時(shí)刻物料尾部網(wǎng)格出現(xiàn)橫向膨脹的現(xiàn)象，有效地減少這種局部徑向應(yīng)力是提高成品品質(zhì)的重要手段．圖 5(b)中應(yīng)力在軸線方向上的差異較大，這種應(yīng)力的不均勻性會(huì)導(dǎo)致成品擠出后產(chǎn)生縱向裂紋，對(duì)應(yīng)于圖4中t＝T時(shí)刻，物料被擠出后縱向方向上的網(wǎng)格相比擠壓過程中的網(wǎng)格稀疏了．由圖5(c)剪應(yīng)力的變化可以看出，開始擠壓時(shí)材料的應(yīng)力差異較小，當(dāng)接觸到錐形面時(shí)，應(yīng)力急劇加大，且靠近孔壁處的力大于物料中心處，當(dāng)擠壓到錐面與保型區(qū)交界處時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到最大值，繼續(xù)擠壓剪應(yīng)力變得相對(duì)穩(wěn)定．產(chǎn)生這種應(yīng)力變化的情況是因?yàn)樵跀D壓初期主要是材料內(nèi)部的壓縮，在錐形面上壓實(shí)的過程中，擠壓力在不斷增多，導(dǎo)致摩擦也隨之增大，當(dāng)進(jìn)入到保型區(qū)后材料與孔壁的摩擦將逐漸趨于穩(wěn)定，所以剪應(yīng)力也變得相對(duì)穩(wěn)定．這種局部剪應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致成品開裂現(xiàn)象．

由此可見，可以通過有限元分析擠壓過程中徑向、軸向應(yīng)力及剪應(yīng)力的分布情況，從而對(duì)成品的品質(zhì)進(jìn)行初步評(píng)估，即通過分析建立軸向、徑向應(yīng)力分布和剪應(yīng)力的力學(xué)變化與成品品質(zhì)之間的關(guān)系，進(jìn)而將力的分布情況轉(zhuǎn)化成評(píng)定成品品質(zhì)指標(biāo)的參數(shù)．根據(jù)這一指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以大大減少實(shí)驗(yàn)成本．

通過流變規(guī)律分析可知，物料中心處流動(dòng)速率較邊緣處大，很好地解釋了物料出模后彎弧的形成原因，同時(shí)解釋了物料的松弛原因，并提出通過增加保型區(qū)長度的方法減少松弛．通過對(duì)物料軸向、徑向應(yīng)力分布以及剪應(yīng)力的分布情況，分析了物料產(chǎn)生裂紋等破壞的原因，提出可以通過模擬建立對(duì)成品品質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)，從而減少實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，降低成本．

2 主要影響因素的有限元模擬及分析

由于在模擬過程中發(fā)現(xiàn)了物料回彈和應(yīng)力集中的情況，首先對(duì)擠壓區(qū)與保型區(qū)之間的連接處進(jìn)行光滑過渡處理，以保證擠壓的數(shù)值模擬在較為真實(shí)有效的環(huán)境中進(jìn)行；其次，為了研究成型壓力的影響，將其轉(zhuǎn)換為模具錐度的影響，通過不同錐度之間的受力以及應(yīng)力集中情況等的對(duì)比，選擇合適的錐度．

2.1 擠壓區(qū)與保型區(qū)連接處的模擬與分析

物料在擠壓區(qū)以及保型區(qū)的連接處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中和物料回彈情況，尤其以摩擦應(yīng)力的情況最為明顯，且摩擦應(yīng)力經(jīng)歷了先增大后減小的過程，使得模具受力不均勻，導(dǎo)致局部損害嚴(yán)重，影響模具的使用壽命，而且會(huì)對(duì)物料成型品質(zhì)產(chǎn)生非常大的影響．為了解決這一問題，本文對(duì)模具擠壓區(qū)和保型區(qū)連接處采取一個(gè)過渡階段，即用圓角來代替之前的直角連接，以減少摩擦應(yīng)力保護(hù)模具，增加模具使用壽命并使得物料擠壓過程的變化更加均勻和平穩(wěn)[11]．

對(duì)比優(yōu)化前后(圖 6和圖 7)可以看出：(1)優(yōu)化后摩擦應(yīng)力的最大值減小，由 0.777×109,Pa減小到0.739×109,Pa，這對(duì)減少模具的磨損非常有利，不僅增加了模具的壽命，而且使得擠壓過程中的摩擦應(yīng)力更加集中，成型效果更好；(2)摩擦應(yīng)力最大的地方發(fā)生了變化，原因是模具進(jìn)行圓弧優(yōu)化，使得物料能夠在模具擠壓的過程中平穩(wěn)過渡，而當(dāng)物料脫離開模具的瞬間，由于失去了約束，物料的回彈和膨脹會(huì)使得在出口處與模具形成一個(gè)較大的擠壓力，使得最終的摩擦應(yīng)力增大，而出料口的磨損則可以通過加長保型區(qū)得到緩解，這樣就很好地解決了模具內(nèi)部磨損嚴(yán)重的問題．

圖6 直角模型摩擦應(yīng)力等值曲線圖Fig. 6 Contour curve of the friction stress of the right angle die

圖7 圓角模型摩擦應(yīng)力等值曲線圖Fig. 7 Contour curve of the friction stress of the rounded angle

2.2 模具錐度的模擬與分析

由文獻(xiàn)[12]可知，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采取的對(duì)比研究中，模具的錐度主要是分為 30°、45°、60°三個(gè)等級(jí)，并得到了以下結(jié)論：當(dāng)模具錐度由30°到45°時(shí)，最大壓縮密度增加，但是比能耗在減小；而當(dāng)模具錐度由45°增加到 60°時(shí)，最大壓縮密度增大，比能耗卻增大．綜合考量后認(rèn)為 45°是最優(yōu)方案．為了更好地驗(yàn)證其中的受力以及壓縮情況，可以應(yīng)用ANSYS進(jìn)行一系列驗(yàn)證和分析，通過對(duì)最大的壓縮密度情況即最大的壓縮徑向位移量來對(duì)應(yīng)其最大壓縮密度情況．

為了更好地理解不同錐度對(duì)擠壓成型過程中塑性變形的情況，在后處理的過程中得出了不同錐度情況下的等效應(yīng)變圖，如圖8所示．

由圖8中不同錐度時(shí)的最大變形量可以得到：當(dāng)錐度從 30°變?yōu)?45°時(shí)，變形量的增幅較大，由 0.135變?yōu)?0.709；但是當(dāng)錐度達(dá)到 60°的時(shí)候變形量變?yōu)?.742，變形較??；從整體的變形量看，顯然 60°錐度的模具能夠產(chǎn)生的最大應(yīng)變最大，效果也最好[13]．但是不能從單一的方面來決定最終模具錐度的選擇，還應(yīng)當(dāng)從能耗以及產(chǎn)品品質(zhì)等方面綜合考慮．從圖8中可以明顯看到在 30°和 60°錐度的模具中，物料的內(nèi)部變形存在非常不穩(wěn)定的區(qū)域，而這種不均勻或者變化非常明顯的區(qū)域會(huì)直接導(dǎo)致生物質(zhì)燃料產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，這直接影響了最終的成型效果，因此應(yīng)選定45°的模具錐度．

圖8 錐度分別為30°、45°、60°時(shí)的等效應(yīng)變圖Fig. 8 Contour curve of the equivalent strain with model tapers of 30°，45° and 60°，respectively

3 結(jié) 論

(1)在擠壓過程中物料的流變速率在徑向方向上不一致；流變速率不一致導(dǎo)致物料在擠壓過程中存在大的拉應(yīng)力以及物料顆粒出模后殘余應(yīng)力；拉應(yīng)力以及殘余應(yīng)力造成了成品出現(xiàn)裂紋和松弛．

(2)將模具擠壓區(qū)和保型區(qū)的連接處采用圓弧過渡后，不僅擠壓成型過程中的最大摩擦應(yīng)力變小，而且最大摩擦應(yīng)力的位置也發(fā)生了變化，從而提高了模具的使用壽命；并且由于摩擦應(yīng)力的分布趨于均勻會(huì)使得成型物料品質(zhì)更好．

(3)雖然 60°模具錐角的應(yīng)變最大，但是與 45°相比增幅不大，而從30°到45°的等效應(yīng)變?cè)龇^大，因此45°的模具錐度更加適合．

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