秸稈環(huán)模式壓塊機(jī)模具優(yōu)化研究

李海英，趙榮煊，滕軍華，張　滔

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山　063000)

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秸稈環(huán)模式壓塊機(jī)模具優(yōu)化研究

李海英，趙榮煊，滕軍華，張?zhí)?/p>

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山063000)

摘要：針對(duì)秸稈環(huán)模式壓塊機(jī)的主要構(gòu)件環(huán)模模具在使用中出現(xiàn)的磨損問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。根據(jù)模具的工作原理，應(yīng)用UG和ANSYS軟件對(duì)模具進(jìn)行建模與靜力學(xué)分析，得出秸稈與模具應(yīng)力與應(yīng)變模擬分布情況。依據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)模具進(jìn)行4種組合的倒角分析，得到了不同倒角時(shí)模具與秸稈的應(yīng)力與應(yīng)變分布云圖，分析了模具與秸稈接觸間應(yīng)力和應(yīng)變趨勢(shì)及與倒角變化之間的關(guān)系，并對(duì)優(yōu)化前與優(yōu)化后的模具進(jìn)行疲勞分析，模擬出安全系數(shù)云圖。結(jié)果表明：模具在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變集中現(xiàn)象，集中區(qū)域容易造成模具損壞；模具倒角處理后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變集中區(qū)域隨著倒角半徑的增大而分散；當(dāng)?shù)菇墙咏趫A形時(shí)模具優(yōu)化效果最好，模具整體安全系數(shù)提高，具有較好的實(shí)用性能，為環(huán)模結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：環(huán)模模具；倒角；疲勞分析；有限元模擬；秸稈

0引言

秸稈作為可再生的生物質(zhì)資源，取之不盡用之不竭；但作為燃料有密度小、質(zhì)地疏松、不便運(yùn)輸?shù)热毕?，?yán)重制約了生物質(zhì)能的健康發(fā)展。利用生物質(zhì)固化成型技術(shù)，可將廢棄的秸稈回收、加工制成具有一定密度、便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)纳镔|(zhì)固體燃料[1-2]。環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)作為生物質(zhì)固化成型的主要設(shè)備，具有產(chǎn)量高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[3]。作為壓塊型設(shè)備關(guān)鍵部件的環(huán)模，其壽命是影響環(huán)模壓塊機(jī)推廣的關(guān)鍵因素。

秸稈原料與環(huán)模模具之間的相互作用力是影響環(huán)模使用壽命的重要因素，因此對(duì)秸稈與環(huán)模進(jìn)行數(shù)值分析具有重要的意義[4]。為了提高壓塊機(jī)環(huán)模模具的使用壽命，分析模具在擠壓秸稈過(guò)程中的受力情況是非常必要。目前，主要的研究集中在對(duì)環(huán)模壓塊機(jī)的模具結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)秸稈壓塊機(jī)?？着c倒角之間的受力變化關(guān)系、疲勞分析較少。為此，本文在研究壓塊機(jī)環(huán)模結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，研究環(huán)模模具在壓塊過(guò)程中與秸稈之間相互的受力，明確環(huán)模模具受力部位與受力分布情況，并對(duì)其優(yōu)化；運(yùn)用UG和ANSYS軟件，研究模具在工作過(guò)程中的應(yīng)力及應(yīng)變分布，同時(shí)模擬模具不同倒角的應(yīng)力應(yīng)變情況，為提高環(huán)模使用壽命，優(yōu)化環(huán)模結(jié)構(gòu)提供一定的依據(jù)。

1壓塊機(jī)環(huán)模結(jié)構(gòu)及工作原理

唐山新順達(dá)農(nóng)機(jī)裝備有限公司生產(chǎn)的9Y-70型環(huán)模秸稈壓塊機(jī)由固定的單列方?？篆h(huán)模和2個(gè)嚙合的偏心壓輪組構(gòu)成。環(huán)模是由單個(gè)“工”字形模具拼接成，?？淄ǔ榉叫?，截面積的邊長(zhǎng)一般約為40mm，環(huán)模一周有32個(gè)?？?。壓塊機(jī)環(huán)模如圖1、圖2所示，采用42CrMo合金鋼鍛造而成。

圖1　環(huán)模模具

圖2　環(huán)模示意圖

工作時(shí)，粉碎后的秸稈經(jīng)過(guò)喂料口進(jìn)入環(huán)模與兩個(gè)偏心輪壓輪組成的成型腔中，隨著主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)兩個(gè)壓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)；壓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)將秸稈推壓進(jìn)環(huán)模腔和表面的溝槽中，由于兩個(gè)偏心壓輪沿著環(huán)模溝槽內(nèi)切公轉(zhuǎn)和摩擦自轉(zhuǎn)，將物料擠壓進(jìn)環(huán)?？字?；兩個(gè)偏心壓輪每完成1個(gè)周期的公轉(zhuǎn)，就將環(huán)模溝槽內(nèi)的物料擠壓進(jìn)?？變?nèi)，形成秸稈壓塊的一個(gè)簡(jiǎn)單壓層；隨著偏心壓輪的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)及秸稈的不間斷擠壓，接連地形成秸稈壓層，擠入?？字?，秸稈在?？字胁粩鄶D壓最終成型[5]。

2成型受力分析

秸稈在環(huán)模?？變?nèi)的擠壓成型過(guò)程是環(huán)模壓塊機(jī)工作的主要過(guò)程，也是環(huán)模模具磨損的主要過(guò)程。其受力主要為秸稈在模具內(nèi)與?？椎哪Σ亮烷_口角形成的擠壓力，共同作用實(shí)現(xiàn)秸稈的壓縮變形[6]。根據(jù)作用力與反作用力間的關(guān)系，秸稈受到的推力主要是作用在偏心輪上，所以推力的大小直接影響著秸稈與模具的擠壓力、摩擦力的大小；而秸稈與模孔壁的摩擦力影響著秸稈的成型及?？妆诘哪p，對(duì)壓塊機(jī)環(huán)模的使用壽命影響很大。成型過(guò)程力學(xué)分析如圖3所示[7]。

P.擠壓力　FN.內(nèi)壁對(duì)原料正壓力　Ff.原料與內(nèi)壁摩擦力

由環(huán)模的截面圖分析可知：在水平方向上的受力為

P=Ffcosθ+FNsinθ

PnSmax=Ff(D2-d2)cosθ+2FN(D+d)Lsinθ

式中Pn—對(duì)原料的單位擠壓力；

Smax—?？走M(jìn)口端面積；

ε—側(cè)壓系數(shù)；

μ—摩擦因數(shù)。

由式(4)可看出：秸稈性能參數(shù)為ε、μ，成型壓力主要克服摩擦力，當(dāng)其它參數(shù)給定時(shí)，開口角度θ的大小是影響環(huán)模模孔磨損的關(guān)鍵因素[8]。

3壓縮成型過(guò)程的有限元分析

3.1幾何建模

選用秸稈壓塊環(huán)模成型機(jī)作為研究對(duì)象，如圖4所示。

圖4　模具幾何模型

ANSYS要求導(dǎo)入的模型參數(shù)應(yīng)與建模軟件中的單位統(tǒng)一，本文采用的單位都是mm。采用UG三維軟件進(jìn)行建模，將其模型導(dǎo)入ANSYS有限元軟件中進(jìn)行分析。由于環(huán)模屬于環(huán)狀，因此可以選擇一個(gè)環(huán)模孔作為研究對(duì)象；同時(shí)模孔又具有軸對(duì)稱的特征，關(guān)于兩個(gè)坐標(biāo)面對(duì)稱，為了減少計(jì)算的時(shí)間，因此只需要取出1/4進(jìn)行分析即可，如圖5所示。

圖5　簡(jiǎn)化幾何模型

環(huán)模模具采用42CrMo，彈性模量為2.06GPa，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為6.2E+08Pa；秸稈的彈性模量1.6GPa，泊松比為0.3。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)模型適當(dāng)簡(jiǎn)化，模具簡(jiǎn)化為剛形體，秸稈為塑性體，忽略其內(nèi)部的物理、化學(xué)反應(yīng)。

網(wǎng)格劃分是有限元分析的必不可少的一部分，由于秸稈成型過(guò)程中產(chǎn)生大變形的塑性變形，因此對(duì)網(wǎng)格劃分的疏密程度要求較高。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度和正確性，不合理的網(wǎng)格不僅導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、結(jié)果精度差，甚至可能導(dǎo)致無(wú)法求解。本文為了對(duì)節(jié)點(diǎn)的分布進(jìn)行有效控制，采用對(duì)這兩個(gè)物體按照掃描方式劃分網(wǎng)格，對(duì)模具與秸稈的接觸表面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，同時(shí)結(jié)合手動(dòng)控制相關(guān)邊界處的單元長(zhǎng)度。劃分網(wǎng)格總數(shù)為21 168，節(jié)點(diǎn)數(shù)為93 742，網(wǎng)格劃分效果如圖6所示。

(a)　結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

(b)　網(wǎng)格質(zhì)量

3.2邊界條件及求解

對(duì)模型施加邊界條件，秸稈和?？捉佑|的各個(gè)面的接觸定義為摩擦接觸，秸稈物料和環(huán)模模具相互接觸、相互擠壓，在此過(guò)程中秸稈發(fā)生較大的變形，很明顯這是一對(duì)剛?cè)峤佑|[9-10]。

本文主要是模擬秸稈成型過(guò)程中環(huán)模模具應(yīng)力、應(yīng)變分布，環(huán)模模具為剛性體作為目標(biāo)面，秸稈模型為柔性體作為接觸面，摩擦因數(shù)取0.2，建立接觸對(duì)。秸稈物料被擠壓時(shí)發(fā)生很大的幾何變形和塑性變形，環(huán)模模具發(fā)生忽略不計(jì)的彈性變形如圖6所示。因此，根據(jù)ANSYS中的規(guī)定，秸稈與模具不能發(fā)生互相滲透，可傳遞法向壓縮力和切向摩擦力，但不能傳遞法向拉伸力。

如圖7所示，接觸的細(xì)節(jié)面板設(shè)置如下：

1)說(shuō)明接觸類型是帶摩擦的接觸，摩擦因數(shù)是0.2，是非對(duì)稱接觸；

2)指明法向接觸面的剛度因子是0.1。

圖7接觸設(shè)置

Fig.7Contact establishment

由于本例是非線性問(wèn)題，在大變形問(wèn)題的摩擦接觸中，使用增強(qiáng)拉格朗日法(Augmented Lagrange)，這是因?yàn)樵鰪?qiáng)拉格朗日公式增加了額外的控制自動(dòng)減少滲透功能。

如圖8所示，進(jìn)行求解設(shè)置如下：

1)意味著只有一個(gè)載荷步，該載荷步也只有一個(gè)載荷子步，關(guān)閉了自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，該載荷步結(jié)束的時(shí)間是100步；

2)是打開大變形開關(guān)[11]。

圖8　求解設(shè)置

3.3結(jié)果與分析

3.3.1應(yīng)力應(yīng)變分析

由模擬結(jié)果可以看出：在環(huán)模的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖中最大應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)模模具的拐角處，?？鬃畲髴?yīng)力為104.66MPa。根據(jù)所選環(huán)模材料的物理參數(shù)可知：環(huán)模所受最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于其材料的彈性極限，故壓縮成型過(guò)程中環(huán)模是比較安全的。同時(shí)，出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)域，也就是這個(gè)區(qū)域最容易發(fā)生磨損、破壞。從秸稈的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)看，秸稈邊緣受到模具接觸而產(chǎn)生摩擦力影響速度較慢。因此，在成型塊的截面上存在剪切應(yīng)力，由圖9可以看出：模具最大應(yīng)力出現(xiàn)在模孔截面拐角處,有限模擬與理論分析相吻合。應(yīng)力沿軸向不均勻分布且越與進(jìn)料口接近所受到的應(yīng)力越大，導(dǎo)致環(huán)?？椎墓战翘幰壮霈F(xiàn)磨損，應(yīng)力集中對(duì)構(gòu)件的疲勞壽命影響很大，使模具產(chǎn)生疲勞裂紋。

圖9　應(yīng)力場(chǎng)模擬

通過(guò)對(duì)環(huán)模模具部分進(jìn)行ANSYS分析可知：在壓塊過(guò)程中，環(huán)模受到秸稈的擠壓和摩擦力的雙重作用， 會(huì)產(chǎn)生微量的應(yīng)變。應(yīng)變量的大小影響模具的磨損程度，模擬結(jié)果如圖10所示。模具應(yīng)變是最大的為0.000 566 03mm/mm。應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力云圖相近，應(yīng)力、應(yīng)變集中區(qū)域都是在模具的拐角處，進(jìn)一步證明了這個(gè)區(qū)域是環(huán)模模具磨損最大的區(qū)域。

圖10　應(yīng)變場(chǎng)模擬

3.3.2模型優(yōu)化

根據(jù)對(duì)模具的實(shí)際運(yùn)行狀況的模擬，秸稈在成型過(guò)程中產(chǎn)生較大的擠壓力，由于作用力與反作用力，模具同時(shí)也受到較大的擠壓力。綜上分析可得：為減輕秸稈成型過(guò)程中環(huán)模模孔棱角處應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)模孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)閱讀與環(huán)模數(shù)值模擬相關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，提出對(duì)環(huán)模的改進(jìn)模擬。對(duì)模孔棱角進(jìn)行倒圓處理，對(duì)模具應(yīng)力和應(yīng)變集中的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并求解。該過(guò)程與未進(jìn)行倒角處理的模型完全相同，圖11～圖14所示為應(yīng)力場(chǎng)模擬。

圖11　倒角半徑為5mm應(yīng)力場(chǎng)模擬

圖12　倒角半徑為10mm應(yīng)力場(chǎng)模擬

圖13　倒角半徑為15mm應(yīng)力場(chǎng)模擬

圖14　倒角半徑為20 mm應(yīng)力場(chǎng)模擬

通過(guò)應(yīng)力云圖分析表明：應(yīng)力沿軸向不均勻分布且越與進(jìn)料口接近所受到的應(yīng)力越大；模具的最大應(yīng)力一般集中在環(huán)?？椎墓战翘帲瑢?huì)造成該處出現(xiàn)磨損。應(yīng)力集中對(duì)構(gòu)件的疲勞壽命影響很大，使模具產(chǎn)生疲勞裂紋。未經(jīng)過(guò)優(yōu)化過(guò)的?？?，倒角半徑為0mm應(yīng)比較集中，最大應(yīng)力為104.66MPa。隨著倒角半徑的逐漸增大，從5、10、15、20mm應(yīng)力69集中現(xiàn)象分散，最大應(yīng)力也在同時(shí)減少。

圖15～圖18為應(yīng)變場(chǎng)模擬圖。通過(guò)對(duì)模塊的環(huán)模部分進(jìn)行ANSYS分析，在不同加載倒角環(huán)模的受力都有所減小，可知在壓塊過(guò)程中環(huán)模受到物料的擠壓和摩擦力的作用下，會(huì)有應(yīng)變產(chǎn)生。

圖15　倒角半徑為5mm應(yīng)變場(chǎng)模擬

圖16　倒角半徑為10mm應(yīng)變場(chǎng)模擬

圖17　倒角半徑為15mm應(yīng)變場(chǎng)模擬

圖18　倒角半徑為20mm應(yīng)變場(chǎng)模擬

應(yīng)變量的大小影響模具的磨損程度。模擬結(jié)果表明：未經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理過(guò)的模具，應(yīng)變是最大的為0.000 566 03mm/mm，隨著倒角半徑的增加，應(yīng)變先是逐漸減小，最小的應(yīng)變范圍出現(xiàn)在倒角為20mm，接近于圓形。

對(duì)環(huán)模成型過(guò)程中應(yīng)力有限元模擬，結(jié)果表明：秸稈致密成型過(guò)程對(duì)環(huán)模最大的應(yīng)力集中產(chǎn)生于棱角處，而對(duì)?？讓?shí)施棱角倒圓，應(yīng)力集中情況得到明顯改善；圓角的半徑越大，最大與最小的應(yīng)力值指差最小，最小值為22.786MPa。另外，對(duì)環(huán)模模具進(jìn)行了應(yīng)變分析，結(jié)果表明：由于秸稈成型過(guò)程中與?？妆诿鏀D壓，環(huán)模產(chǎn)生應(yīng)力形變，應(yīng)力最大同時(shí)又是應(yīng)力集中的部位形變量是最大的；就局部和整體而言，倒角的環(huán)模應(yīng)變場(chǎng)分布較為平緩，最大應(yīng)變量為0.000 118 63mm/mm，比未倒角的環(huán)模形變量減少0.000 447 4mm/mm，因此更能延長(zhǎng)環(huán)模的使用壽命。

根據(jù)上述模擬得出表1，并繪制出擬合曲線如圖19所示。其應(yīng)力變化隨著倒角半徑的增加而減少，而應(yīng)變與倒角之間不成線性關(guān)系。當(dāng)?shù)菇前霃椒秶鸀?～13.5時(shí)，物料接觸面上的應(yīng)力應(yīng)變分布更為均勻合理，可以有效緩解模孔棱角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。比較優(yōu)化后與優(yōu)化前的模具可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的模具在與秸稈物料接觸的整個(gè)接觸面上，應(yīng)變分散同時(shí)應(yīng)變量也在減小，應(yīng)力分布更為均勻合理。因此，倒圓角是改善環(huán)模模孔應(yīng)力集中的一種行而有效的方法。

表1　應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系

圖19　應(yīng)力與應(yīng)變曲線

3.4疲勞分析

當(dāng)模具受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，在應(yīng)力值始終沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就有可能發(fā)生破壞。秸稈對(duì)模具應(yīng)力波動(dòng)的每個(gè)周期都會(huì)或多或少地?fù)p壞物體，在循環(huán)一定數(shù)量的周期之后，模具會(huì)變得越來(lái)越衰弱。

根據(jù)模擬得出來(lái)的結(jié)果，對(duì)其環(huán)模進(jìn)行疲勞分析，如圖20和圖21所示。

圖20　未優(yōu)化模具安全系數(shù)圖

圖21　優(yōu)化后模具安全系數(shù)圖

由此可知：優(yōu)化后的明顯比優(yōu)化前的模具安全系數(shù)高；優(yōu)化前模具出現(xiàn)了非常低的安全系數(shù)SF值，該值出現(xiàn)在模具的拐角處區(qū)域，說(shuō)明該區(qū)域在工作中極易出現(xiàn)磨損，從而導(dǎo)致模具失效；優(yōu)化后模具安全系數(shù)SF值在1～4之間，很明顯在拐角處無(wú)較低安全系數(shù)SF值，相對(duì)優(yōu)化前的模具安全系數(shù)有了較大的提高。

4結(jié)論

分析了秸稈壓塊環(huán)模機(jī)的成型過(guò)程，研究了環(huán)模的受力，并應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS數(shù)值模擬了成型過(guò)程中環(huán)模的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。結(jié)果表明：環(huán)?？讬M截面倒角對(duì)秸稈壓塊機(jī)模孔使用壽命影響較大，且拐角處應(yīng)力最大。為了減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)?？讓?shí)施棱角倒圓處理。結(jié)果表明：倒角接近于圓形時(shí)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的模具，棱角處的應(yīng)力不僅減小而且分散，集中情況得到明顯改善，可以有效緩解?？桌饨翘幍膽?yīng)力集中現(xiàn)象，為以后改善環(huán)模的磨損、延長(zhǎng)環(huán)模的使用壽命提供理論依據(jù)。

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Design of the Divided No-till Wheat Planter Stalks Ring Pattern Briquetting Machine Mold Bevel Edge Optimization Research

Li Haiying, Zhao Rongxuan, Teng Junhua, Zhang Tao

(College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000,China)

Abstract：In view of the straw stalk ring pattern briquetting machine primary member ring mold, the attrition question which appears in the use, carries on optimized processing to it. According to the mold principle of work, carries on the modelling and the statics analysis using UG and the ANSYS software to the mold, obtains the straw stalk and the mold stress and the strain simulation distributed situation. Based on the analogue result, carries on 4 kind of combinations to the mold the bevel edge analyses, obtained when the different bevel edge mold and straw stalk stress and strain distributed cloud chart. Has analyzed the mold and the straw stalk contact the stress and the strain tendency as well as with the bevel edge change between relations before, and to optimizes carries on the fatigue analysis after the optimized mold, simulates the safety coefficient cloud chart. The result indicated that, the mold easy to appear the stress, the strain centralism phenomenon in the use process, the centralized region easy to create the mold damage.After mold bevel edge processing, discovered the stress, the strain concentrate the region to increase along with the bevel edge radius disperse, when the bevel edge approaches in the circular the mold optimizes the effect to be best. The mold whole safety coefficient enhances, has the good practical performance, carried on the structure for the link mold further to optimize has provided the basis.

Key words：ring mold; chamfer angle; fatigue analysis; finite element modeling; stalks

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0065-07

中圖分類號(hào)：S817.11+5；TK6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李海英(1971-),女，河北唐山人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhguijie@vip.sina.com。通訊作者：趙榮煊(1988-)，男，河北秦皇島人，碩士研究生，(E-mail)291462226@qq.com。

基金項(xiàng)目：河北省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(14227309D)

收稿日期：2015-06-29