平模成型機(jī)壓輥的特性分析

李 濱，譚敏堯

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

生物質(zhì)燃料平模成型機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省鋼材，制造容易，造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于壓制纖維質(zhì)的體積質(zhì)量小、體積大的原料。由于平模成型機(jī)對(duì)原料粉碎粒度和含水率要求不高，所以平模成型機(jī)非常適合廣大農(nóng)村的小規(guī)模靈活生產(chǎn)使用。直輥平模成型機(jī)的壓輥在平板上作圓周運(yùn)動(dòng)，因此，直輥按軸向接觸點(diǎn)的線速度是不等的，這將造成顆粒成品質(zhì)量的不均和壓模壓輥的磨損不均勻，增加設(shè)備能耗，并在生產(chǎn)過程中發(fā)出過大噪音，因此作為平模成型機(jī)的重要工作和磨損部件，對(duì)壓輥特性分析很有必要。

1 平模成型機(jī)的工作原理

平模成型機(jī)的平模板固定，上面配置2個(gè)壓輥，工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸經(jīng)差速器減速至主軸，進(jìn)而帶動(dòng)壓輥隨主軸共轉(zhuǎn)、且在摩擦力的作用下自轉(zhuǎn)，完成對(duì)物料的擠壓成型。在平模與壓輥的強(qiáng)烈擠壓作用下，物料逐漸被壓實(shí)，擠入平模的?？字?，并在?？字胁粩嗍艿胶髷D入的物料的壓力而穿出?？讛D出成型。物料被擠出?？缀?，由切刀切割成一定長(zhǎng)度的顆粒，最后從出料口滾出。更換不同孔徑的模板可壓制不同直徑的成型燃料。小型平模成型機(jī)無需配備加熱裝置，靠工作過程中擠壓、摩擦產(chǎn)生的熱能使物料溫度升高，軟化，進(jìn)而形成符合要求的生物質(zhì)燃料［1－2］。

2 壓輥的滑動(dòng)作用

平模成型機(jī)壓輥的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速較低，這使工作中的壓輥對(duì)物料有較強(qiáng)的攫取力，并且降低了打滑的可能性［3］。

但是在實(shí)際工作中壓輥在平模板上并非整體做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從其軸向上看，壓輥在運(yùn)動(dòng)過程中一直伴隨著滑動(dòng)，而這種滑動(dòng)作用的產(chǎn)生與物料的種類無關(guān)，是由平模成型機(jī)的工作原理所決定的?；瑒?dòng)作用的存在，固然會(huì)在一定程度上加快壓輥平模板的磨損，但在客觀上卻增加了成型機(jī)的擠壓性能，使平模成型機(jī)在加工含粗纖維較多的生物質(zhì)原料方面成為佼佼者［4－5］。下面將從運(yùn)動(dòng)分析和受力分析方面對(duì)滑動(dòng)作用進(jìn)行討論。

以圖1所示的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的壓輥為例，平模成型機(jī)工作時(shí)，壓輥上必定存在一條純滾動(dòng)的圓周線H。在純滾動(dòng)線H內(nèi)側(cè)，壓輥轉(zhuǎn)速相對(duì)較快，對(duì)物料產(chǎn)生超前性的滑動(dòng)，稱之為滑轉(zhuǎn)滾動(dòng);在純滾動(dòng)線H外側(cè)，壓輥轉(zhuǎn)速相對(duì)較慢，對(duì)物料產(chǎn)生滯后性滑動(dòng)，稱之為滑移滾動(dòng)。

圖1 壓輥受力情況圖Fig.1 The force of the roller

壓輥與物料的任意接觸點(diǎn)A，其受力如圖1所示，因壓輥擠壓物料而受到物料對(duì)其的反作用力N，N的大小隨攫取角α變化而變化，但其方向總是沿半徑指向壓輥圓心;壓輥與物料之間還可能存在摩擦力F，F(xiàn)必定沿接觸點(diǎn)的切線方向，但其指向有待討論確定。

當(dāng)平模成型機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，壓輥處于平衡狀態(tài)，建立圖1所示的柱坐標(biāo)系，以壓輥中心軸為Z軸，壓輥?zhàn)钔饨孛鎴A心為Z軸的O點(diǎn)，以豎直方向半徑為Y軸。因平模壓輥的自轉(zhuǎn)是從動(dòng)的，故不存在驅(qū)動(dòng)力矩，其自身力矩之和為零，可以得到壓輥力矩平衡方程［6］:

假設(shè)純滾動(dòng)線H的Z坐標(biāo)為z0，則公式 (1)可寫作:

顯然，公式 (2)左側(cè)表示滑移滾動(dòng)區(qū)合力矩，右側(cè)表示滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)的合力矩，兩個(gè)合力矩等大反向。在滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)，壓輥因轉(zhuǎn)速較快，相對(duì)于物料摩擦力F方向沿切線指向上，合力矩方向?yàn)轫槙r(shí)針，則由力矩平衡關(guān)系可推得，公式 (2)左邊描述的滑移滾動(dòng)區(qū)所受合力矩必定為逆時(shí)針方向，因此該區(qū)內(nèi)的接觸點(diǎn)所受摩擦力F方向應(yīng)沿切線指向下方。

在確定了壓輥的受力狀況后，就可對(duì)物料進(jìn)行受力分析，物料受力情況如圖2所示，對(duì)于壓輥擠壓物料的任意一點(diǎn)B，物料受到壓輥對(duì)其施加的壓力N'和摩擦力F'，分別與N和F為反作用力。在與平模板接觸的平面上，物料受到水平方向上的摩擦力F水和豎直方向上的支持力N豎，則物料的受力平衡方程為［7］:

圖2 物料受力情況圖Fig.2 The force of material

在滑移滾動(dòng)區(qū)，物料所受摩擦力F′沿切線指向右上方;在滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)，物料所受摩擦力F′沿切線指向左下方，在純滾動(dòng)區(qū)，F(xiàn)為零。從上述的壓輥運(yùn)動(dòng)情況和物料受力情況我們可以作出以下分析。

從公式 (2)到公式 (4)可以得出，與純滾動(dòng)相比，滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)和滑移滾動(dòng)的產(chǎn)生就是將作用力在豎直方向和水平方向進(jìn)行了重新分配。在滑移滾動(dòng)區(qū)內(nèi)，摩擦力F′沿切線指向上，由公式 (3)可知，物料在水平方向上受力增大，因此在水平方向上對(duì)物料的擠壓作用增強(qiáng)。在滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)內(nèi)，摩擦力F′沿切線向下，由公式 (4)可知，物料在豎直方向上受力增大，豎直方向的擠壓作用增強(qiáng)。由此可知，兩種滑動(dòng)作用產(chǎn)生的效果并不是消極的。

由運(yùn)動(dòng)分析知，在滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)，壓輥產(chǎn)生超前性滑動(dòng)，因此對(duì)平模徑向上單位長(zhǎng)度的物料而言，在壓輥上的擠壓行程增加，這相當(dāng)于在豎直方向增加了物料的預(yù)壓縮行程。在滑移滾動(dòng)區(qū)，壓輥產(chǎn)生滯后性滑動(dòng)，對(duì)于平模徑向上單位長(zhǎng)度的物料，在平模上的擠壓行程增加，相當(dāng)于在水平方向上增長(zhǎng)了預(yù)壓縮行程。這就是平模成型機(jī)模板厚度遠(yuǎn)薄于環(huán)模厚度的原因了。

從公式 (3)和公式 (4)可以看出，兩種滑動(dòng)作用導(dǎo)致了摩擦力的產(chǎn)生，摩擦力使壓輥和物料之間產(chǎn)生了兩種剪切作用?；D(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)的超前性滑動(dòng)使壓輥在豎直方向?qū)ξ锪袭a(chǎn)生了較強(qiáng)的剪切作用，這種剪切作用越靠近模板中心越明顯?；茲L動(dòng)區(qū)的滯后性滑動(dòng)使磨輥在水平方向?qū)ξ锪袭a(chǎn)生了較強(qiáng)的剪切作用，這種剪切作用越遠(yuǎn)離模板中心越明顯。試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，平模的中間幾圈?？壮隽峡?，越是里圈和外圈的模孔，出料越慢，且顆粒越堅(jiān)硬，品質(zhì)越好，這是因?yàn)槟０鍍?nèi)側(cè)和外側(cè)的物料受較大剪切力，原料粒子能充分充填、嵌合［8－9］。

滑移滾動(dòng)和滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)的存在會(huì)導(dǎo)致壓輥平模等零件的磨損程度增加，在設(shè)計(jì)時(shí)可將平模設(shè)計(jì)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，能夠正反使用，這將有效降低易損件成本。同時(shí)，對(duì)壓輥外形進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)成圓錐臺(tái)，達(dá)到壓輥寬度范圍內(nèi)線速度一致，這樣大大提高了壓輥對(duì)物料的附著效果，避免了磨損不均勻，經(jīng)試驗(yàn)，用平模直輥與平模錐輥壓制同一成分的物料，結(jié)果表明，平模直輥式壓輥的品質(zhì)不如錐輥式壓輥制料的光滑、整齊，而且其密度小于平模錐輥式壓制的物料的密度。

3 錐輥動(dòng)力學(xué)分析

平模成型機(jī)的主軸OZ以電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)壓輥以勻角速度ωt繞鉛垂軸OZ進(jìn)動(dòng)。壓輥是以自轉(zhuǎn)軸ζ為回轉(zhuǎn)軸的均質(zhì)圓錐臺(tái)剛體，其質(zhì)量為m，半徑為R，對(duì)回轉(zhuǎn)軸的慣性半徑為ρ，OC長(zhǎng)為l，設(shè)ζ軸與Z軸的夾角即章動(dòng)角為θ，為了使轉(zhuǎn)速一定的壓輥產(chǎn)生最大的壓力，θ角應(yīng)取何值?

3.1 對(duì)平模成型機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)力分析

顯然，壓輥是在繞O點(diǎn)作定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。假設(shè)壓輥沿底盤作純滾動(dòng)，則接觸點(diǎn)D速度為零，DO就是瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，取過定點(diǎn)且與壓輥主軸方向一致的固連系 ［O，e1，e2，e3］，即Oξηζ系如圖所示。壓輪進(jìn)動(dòng)角速度為ωt，則其自轉(zhuǎn)角速度ωs與ω分別為:

由于壓輥是在作規(guī)則進(jìn)動(dòng)，根據(jù)賴柴定理，作用在壓輪上外力的主矩為:

式中:J2為壓輥對(duì)η軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J3為壓輥對(duì)ζ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

將 (7)式投影到ξ軸 (ξ軸垂直于紙面向外)，得:

圖3 成型部件的剖面簡(jiǎn)圖Fig.3 The cross-section diagram of forming part

將ωs代入 (8)式，得

3.2 產(chǎn)生最大擠壓力的條件

作用在壓輥上的外力有其重力P、物料對(duì)壓輥的作用力FN及主軸通過壓輥架對(duì)壓輥的拉力，將物料對(duì)其的靜摩擦力和滾動(dòng)摩阻力偶忽略，則外力對(duì) ξ軸的力矩為［10］:

由公式 (5)和公式 (6)兩式解得底盤的法向反力為:，得以下兩個(gè)三角方程:

由于均質(zhì)壓輥對(duì)過O點(diǎn)主慣量為:

將公式 (14)代入公式 (13)式后得:

故公式 (12)與公式 (15)是產(chǎn)生最大擠壓力時(shí)章動(dòng)角θ應(yīng)滿足的方程。公式 (8)的解為:

對(duì)于公式 (15)，在給出平磨機(jī)的有關(guān)參數(shù)后，則可計(jì)算出數(shù)值解。如取R=0.125m，ρ=0.1m，l=0.185m，則解得:

4 結(jié)論

(1)在滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)內(nèi)，壓輥的滑動(dòng)作用在豎直方向上對(duì)物料增加了預(yù)壓縮行程;在滑移滾動(dòng)區(qū)內(nèi)，壓輥的滑動(dòng)作用在水平方向上增加了物料的預(yù)壓縮行程，這就是平模成型機(jī)模板厚度遠(yuǎn)小于環(huán)模厚度的主要原因。

(2)滑動(dòng)作用產(chǎn)生的摩擦力使壓輥和物料之間產(chǎn)生了剪切作用，這樣原料粒子能充分充填、嵌合并使粗纖維含量較大的物料仍然能夠被充分地揉碎、嵌合，進(jìn)而成型，且顆粒越堅(jiān)硬，品質(zhì)越好。

(3)在忽略模板對(duì)壓輥的靜摩擦力和滾動(dòng)摩阻力偶的情況下，公式 (13)是使平模成型機(jī)產(chǎn)生最大壓力章動(dòng)角時(shí)應(yīng)該滿足的方程;公式 (11)是計(jì)算壓輥壓力的公式，根據(jù)成型機(jī)的不同參數(shù)，則可利用公式 (13)計(jì)算其最佳章動(dòng)角，從而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(4)若考慮壓輥受到的滾動(dòng)摩阻力偶矩Mmax，由于Mmax=－FNδe3，式中的δ是滾動(dòng)摩阻系數(shù)，它與壓輥和物料的硬度等因素有關(guān)，Mmax在ξ軸的投影為零，它不影響θ與FN的計(jì)算。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］黎粵華，王述洋．生物質(zhì)生物質(zhì)燃料平模固化成型機(jī)壓輥特性分析［J］．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22(6):47 －49．

［2］俞國(guó)勝，候 孟．生物質(zhì)成型燃料加工裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J］．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2009，37(2)，4-8

［3］陳義厚，周思柱．三錐輥式平模制粒機(jī)的設(shè)計(jì)與研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(11):126－128．

［4］周云飛．董希斌．伐區(qū)剩余物收集成型設(shè)備壓縮裝置的研究［J］．森林工程，2010，26(2):39 －41．

［5］趙明杰，吳德勝．平模制粒機(jī)在生物質(zhì)成型方面的應(yīng)用［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械，2008(5):67 －69．

［6］張吉鴻．平模顆粒機(jī)模輥設(shè)計(jì)探討［J］．山西農(nóng)機(jī)，2002(16):90－92．

［7］Lee G，Kwak D，Kim S．Analysis and design of flat-die hot extrusion process-1:three-dimensional finite element analysis［J］．International Journal of Mechanical Sciences，2002，44(5):915-934．

［8］Smith I E，Probert S D，Stokes R F，et al．The briquetting of wheat straw［J］．Journal of Agricultural Engineering Research，1977，22(2):105-111．

［9］Béreaux Y，Charmeau J，Moguedet M．A simple model of throughput and pressure development for single screw［J］．Journal of Materials Processing Technology，2009，209(1):611-618．

［10］侯東生．碾磨機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，22(6):116－117．

［11］申樹云，董玉平．生物質(zhì)顆粒成型機(jī)的環(huán)模特性研究［J］．太陽能學(xué)報(bào)，2010，31(1):132 －136．