生物質(zhì)顆粒機關(guān)鍵部件設(shè)計及有限元分析

韋 山 （安徽工程大學(xué)機械與汽車學(xué)院，安徽 蕪湖241000；上海交通大學(xué)機械與動力學(xué)院，上海200240）

農(nóng)林生物質(zhì)能有很高的開發(fā)潛力，是未來能源利用的重要途徑。生物質(zhì)顆粒成型機是生物質(zhì)物料固化成型的一個主要技術(shù)。目前研究的生物質(zhì)固化成型設(shè)備主要有螺桿擠壓式成型機、機械驅(qū)動活塞式成型機、液壓驅(qū)動活塞式成型機和輥壓式顆粒成型機等4種形式，以輥壓式顆粒成型機應(yīng)用最為廣泛。

文獻 ［1］對環(huán)模生物質(zhì)顆粒燃料成型機的顆粒成型進行了試驗研究；文獻 ［2］用熱重分析儀對玉米秸稈、木屑、混合木屑3種生物質(zhì)成型顆粒燃料進行了理論分析；文獻 ［3］針對模輥式成型機在生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料過程中存在能耗高等問題，以玉米秸稈為原料，研究了成型機模輥間隙、主軸轉(zhuǎn)速和?？字睆降葏?shù)對生產(chǎn)率、噸燃料能耗、顆粒燃料的成型率、機械耐久性和顆粒密度等的影響，得出了滿意的結(jié)果。下面，筆者研究了一款生物質(zhì)顆粒機的設(shè)計，并針對其關(guān)鍵部件進行了有限元分析和實物驗證。

圖1 生物質(zhì)顆粒機結(jié)構(gòu)示意圖

1 總體結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)顆粒機主要由物料喂入、傳動系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)和平模機構(gòu)等部件組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 生物質(zhì)顆粒機的技術(shù)參數(shù)

2 主要部件設(shè)計

1）平模的設(shè)計分析 平模作為顆粒機成型作業(yè)的心臟，在設(shè)計中一定要考慮到：①平模應(yīng)具有較強的強度和耐磨性以及耐腐蝕性；②充分考慮平模材質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對物料成型的影響，其中包括平?？卓仔?、?？组g距、平模圓周速度、?？状植诙鹊?，以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。

由文獻 ［4］獲知，通常情況下生產(chǎn)小尺寸生物質(zhì)顆粒，平模表面邊沿的線速度為2～5m／s。生產(chǎn)較大尺寸時，應(yīng)將平模表面的速度限制在4～8m／s。由于本設(shè)計為生產(chǎn)小尺寸生物質(zhì)顆粒，故平模表面邊沿的最佳線速度選用2～5m／s。

取D=500mm，通過大量試驗，認為當(dāng)平模厚度為25mm時較理想，故取平模有效厚度L=25mm。

2）壓輥的設(shè)計 對于生物質(zhì)顆粒機來說顆粒機壓輥的尺寸是其諸多基本參數(shù)中最為重要的，而選擇最佳的壓輥徑比λ（λ=r／R，r為壓輥的半徑，R為平模半徑）是設(shè)計顆粒機

壓輥的關(guān)鍵問題，也是設(shè)計和改進顆粒機的重要理論依據(jù)，從顆粒機工作時有關(guān)參數(shù)之間的幾何關(guān)系加以研究，可得這些參數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示。圖2中，h0表示壓輥所能攫取的物料層厚度；攫取角α0表示壓輥的一條半徑OA的切線AB和平模上表面相交所成的角∠ABC；h為模輥間隙。

圖2 壓輥某一截面上平模工作區(qū)工況圖

由此可取壓輥所能攫取物料層的不同厚度h0和壓輥的一條半徑的切線和平模上表面相交所成的攫取角α0得出λ的不同取值。物料與鋼材的摩擦角一般在20～25°之間，而攫取角α0為物料與壓輥的摩擦角和物料與平模的摩擦角之和。取α0=40°，h0=20mm時，為λ的理論最佳值，即λ=0．842。

3 平?？偝捎邢拊治?/h2>

1）建立有限元模型 使用Catia軟件繪制的平?？偝山Y(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)主要由壓輥、平模、動力軸和軸承等相關(guān)部件組成。動力傳動軸選用45鋼，材料的屈服強度為600MPa，彈性模量為209GPa，泊松比為0．269。壓輥材料選用耐磨性、強度好的42CrMoTi，彈性模量為205．8GPa，泊松比為0．293。

2）網(wǎng)格劃分 在Ansys／Workbench的DM模塊中對平模機構(gòu)進行前處理，全部采用六面體網(wǎng)格進行劃分，共劃分節(jié)點1914440，單元572547。六面體網(wǎng)格在對于計算的準確性上可以有很大提高，劃分后的網(wǎng)格圖如圖4所示。

3）加載和約束 根據(jù)平模運動狀態(tài)在中心軸處添加約束，僅保留繞軸線轉(zhuǎn)動的自由度，添加轉(zhuǎn)速為104r／min。

圖3 平?？偝扇S模型圖

圖4 平?？偝删W(wǎng)格圖

4）靜力學(xué)分析 完成壓輥材料、約束、載荷等設(shè)置和有限元網(wǎng)格劃分后，即進行有限元分析，得到壓輥三維應(yīng)力及等效應(yīng)力。同時為了判斷材料是否發(fā)生永久變形，對可延展材料按照最大等效應(yīng)力失效原理計算安全系數(shù)。圖5為壓輥靜力學(xué)分析結(jié)果，由圖5可知，壓輥機構(gòu)在極限工況下受力為179．24MPa，變形量為 0．037mm，靜力學(xué)結(jié)果顯示設(shè)計符合材料和機構(gòu)的要求。同時通過對結(jié)果分析可以得知，壓輥總成應(yīng)力較大，是整個產(chǎn)品容易壞的部件。

5）疲勞分析 疲勞失效是壓輥產(chǎn)生破壞的主要原因。當(dāng)壓輥在接受循環(huán)接觸應(yīng)力作用時，永久性累計損傷會在局部產(chǎn)生，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，接觸表面發(fā)生麻點、淺層或深層剝落。

從圖6有限元分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，安全系數(shù)較低的地方發(fā)生在壓輥2側(cè)，為2．4。圖7顯示的是600h的軸承安全壽命，看出最低的安全系數(shù)只有0．8，說明在缺少潤滑和冷卻條件下，軸承的壽命嚴重降低，在實際使用過程中，軸承運行600h就需要更換，后續(xù)的工作將針對這個問題作進一步改進。

圖5 平?？偝伸o力學(xué)分析結(jié)果

圖6 壓輥疲勞系數(shù)云圖

4 試驗驗證

圖7 軸承疲勞系數(shù)云圖

對研制成功的樣機，進行了生物質(zhì)顆粒生產(chǎn)試驗。試驗對象為竹粉，經(jīng)測試竹粉顆粒含水率為8．3%，顆粒成型率為96%，成品顆粒堅實度為91．7%，并且顆粒機的噸耗電量為59．8kW·h／t，成產(chǎn)率高達524kg／h。

5 結(jié) 語

通過對壓輥的理論計算分析，從理論上說明了設(shè)計的正確性。通過對壓輥進行有限元分析，得出了壓輥在極限工況下應(yīng)力、應(yīng)變和平均疲勞系數(shù)，驗證了壓輥機構(gòu)的合理性。通過樣機的生產(chǎn)試驗表明，采用這種結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)顆粒機的能耗低、產(chǎn)量大、產(chǎn)品生物質(zhì)顆粒品質(zhì)高。

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