柱塞式環(huán)模顆粒成型機仿真與試驗

■寧廷州　俞國勝　王青宇　程子洋　陳忠加　周　瑩（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

柱塞式環(huán)模顆粒成型機仿真與試驗

■寧廷州俞國勝王青宇程子洋陳忠加周瑩
（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

基于工程設(shè)計軟件SolidWorks建立了柱塞式環(huán)模顆粒成型機成型機構(gòu)三維實體模型，采用內(nèi)置插件Motion對該成型機成型機構(gòu)進行了運動軌跡仿真分析，探索該成型機結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，尋求較優(yōu)環(huán)模?？组_口錐度，仿真結(jié)果表明，環(huán)模模孔開口錐度以60°為佳。同時，以木屑為原料進行了生物質(zhì)物料成型試驗，測試了該成型機的各項試驗指標(biāo)。試驗結(jié)果表明：該成型機的生產(chǎn)率為250 kg/h，能耗為43.2 kW·h/t，成型顆粒密度為1.2 g/cm3，成型顆粒直徑為8 mm，成型率為95%，工作噪聲為85 db，各項指標(biāo)均達到設(shè)計要求，實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

生物質(zhì)；成型機；開口錐度；仿真；能耗

基于普通生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機成型能耗高［1-4］的問題，研究一種低能耗的生物質(zhì)成型系統(tǒng)尤為必要，柱塞式環(huán)模顆粒成型機結(jié)合活塞沖壓式成型機和模輥式成型機兩者的優(yōu)點，利用壓輥上均勻分布的一系列柱塞與環(huán)模?？紫鄧Ш?，摒棄了傳統(tǒng)生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機利用壓輥外曲面而導(dǎo)致的關(guān)鍵部件磨損嚴(yán)重、能耗損失的問題［5］。

柱塞式環(huán)模顆粒成型機運行過程中壓輥柱塞和環(huán)模?？紫嗷Ш希魤狠伾系闹荒芎铜h(huán)模上的?？诇?zhǔn)確嚙合，不僅不能實現(xiàn)對生物質(zhì)物料的壓縮成型，還會因柱塞與?？椎母缮娑鴮?dǎo)致機器發(fā)生故障。因此，除保證柱塞壓輥與環(huán)模的正確嚙合以外，環(huán)模?？组_口錐度及其大小對成型機能否正常運行也至關(guān)重要。

本研究基于工程設(shè)計軟件SolidWorks建立了柱塞式環(huán)模顆粒成型機成型機構(gòu)的三維實體模型，采用內(nèi)置插件Motion對該成型機的成型機構(gòu)進行了運動軌跡仿真分析［6-7］，探索該成型機結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，尋求較優(yōu)環(huán)模?？组_口錐度，最后以木屑為原料進行了生物質(zhì)物料成型試驗，測試了該成型機的各項試驗指標(biāo)。

1　結(jié)構(gòu)和工作原理

柱塞式環(huán)模顆粒成型機主要由成型機構(gòu)、傳動機構(gòu)、進料裝置和箱體等組成（見圖1）。其中成型機構(gòu)由柱塞式壓輥、環(huán)模、壓輥齒輪、環(huán)模齒輪和惰齒輪等組成（見圖2）。工作原理［8-9］：動力直接傳遞到壓輥軸上，通過壓輥齒輪、惰齒輪和環(huán)模齒輪的嚙合運行實現(xiàn)環(huán)模和壓輥的正確嚙合和同方向轉(zhuǎn)動。生物質(zhì)松散物料經(jīng)進料口進入環(huán)模后，在其自身重力和旋轉(zhuǎn)離心力的共同作用下進入環(huán)?？?，壓輥上的柱塞逐漸嚙合壓入相對應(yīng)的環(huán)模成型孔，之后又逐漸分離，每轉(zhuǎn)一圈，環(huán)模上?？字械奈锪隙家?jīng)過填充、柱塞擠壓和保型三個過程，按此不斷循環(huán)，松散的生物質(zhì)物料最終在環(huán)?？字幸粚右粚又旅艹尚蜑榫哂幸欢芏群烷L度的顆粒，當(dāng)顆粒狀燃料擠出環(huán)?？椎竭_一定長度時，在外部切刀的作用下將其剪斷。固定在環(huán)模上的刮刀可以有效去除粘結(jié)在環(huán)模上的物料。

圖1整機結(jié)構(gòu)

圖2工作原理

2　仿真分析

2.1仿真參數(shù)與過程［10-11］

①根據(jù)設(shè)計要求，柱塞式環(huán)模顆粒成型機傳動比關(guān)系式滿足下式：

式中：i——傳動比；

n1——柱塞式壓輥轉(zhuǎn)速（r/min）；

n2——環(huán)模轉(zhuǎn)速（r/min）；

D1——柱塞式壓輥嚙合圓直徑（mm）；

D2——環(huán)模嚙合圓直徑（mm）；

N1——柱塞數(shù)；

N2——?？讛?shù)。

根據(jù)（1）式可得到表1中的參數(shù)，根據(jù)表1參數(shù)，通過工程設(shè)計軟件SolidWorks建立柱塞式環(huán)模顆粒成型機成型機構(gòu)三維實體簡化模型（圖3）。

表1 仿真參數(shù)

圖3　成型機構(gòu)三維實體模型

②在裝配體界面，將‘SolidWorks Motion’插件載入，進行柱塞式壓輥與環(huán)模的運動仿真。

③取運動平面壓輥柱塞最大直徑剖面端部的兩個關(guān)鍵點（見圖4）的運動軌跡作為壓輥柱塞與環(huán)?？资欠癜l(fā)生干涉的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2仿真結(jié)果分析

2.2.1壓輥柱塞相對于環(huán)模?？椎倪\動軌跡

圖4 柱塞關(guān)鍵點

仿真結(jié)果（見圖5）表明，壓輥柱塞上的兩個關(guān)鍵點相對于環(huán)模?？椎倪\動軌跡均為余擺線，且運動跡都在環(huán)模模孔內(nèi)側(cè)，不存在交叉重疊的地方，故輥柱塞與環(huán)模模孔不發(fā)生干涉；同時，仿真結(jié)果表環(huán)模?？组_口錐度的大小對運動軌跡也有較大影響若環(huán)模模孔開口錐度太小，不僅壓輥柱塞與其發(fā)生涉，而且也不便于較多物料流入環(huán)模?？讌⑴c壓縮型，因此有待探究較優(yōu)環(huán)模模孔開口錐度。

2.2.2環(huán)模模孔開口錐度研究

在保證環(huán)模?？组L徑比不變的情況下，在不同模?？组_口錐度θ下的運行情況進行了仿真，結(jié)果圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)環(huán)模?？组_口錐度小于等于15°時，壓輥柱塞兩關(guān)鍵點運動軌跡均與環(huán)模模孔發(fā)生干涉，因此必須保證環(huán)模?？组_口錐度大于15°，但是當(dāng)環(huán)模?？组_口錐度大于等于85°時，相鄰兩環(huán)模?？走M料口加工工藝發(fā)生重疊，不便于加工，同時會導(dǎo)致環(huán)模?？讖姸冉档?。由于物料是在其自身重力和旋轉(zhuǎn)離心力的共同作用下進入環(huán)模模孔，因此，環(huán)模模孔開口錐度太小，物料將較難進入環(huán)模?？?，故為確保較多的物料能夠進入環(huán)模?？讌⑴c壓縮成型，取環(huán)模?？组_口錐度60°時為佳。

3　試驗

3.1試驗原料與儀器

為測試柱塞式環(huán)模顆粒成型機的各項試驗指標(biāo)，采用顆粒度在1 mm左右，含水率為15%左右的木屑為原料進行了生物質(zhì)物料成型試驗，成型試驗如圖7所示，成型燃料如圖8所示。

圖5　壓輥柱塞相對于環(huán)模?？走\動軌跡

圖6　不同環(huán)模?？组_口錐度下的仿真結(jié)果

圖7成型試驗

圖8成型燃料

3.2試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表2所示。

表2 測試項目與結(jié)果

試驗結(jié)果表明，該成型機的各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求，該成型機能夠滿足生產(chǎn)需要，實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

4　結(jié)論

通過工程設(shè)計軟件SolidWorks的Motion模塊對柱塞式環(huán)模顆粒成型機成型機構(gòu)進行了運動軌跡仿真分析，結(jié)果表明：為避免壓輥柱塞與環(huán)模?？装l(fā)生干涉，且能夠使較多的生物質(zhì)物料進入環(huán)模?？讌⑴c壓縮成型，柱塞式環(huán)模顆粒成型機環(huán)模?？组_口錐度取60°為佳。

以木屑為原料進行生物質(zhì)成型試驗，測試了柱塞式環(huán)模顆粒成型機的各項試驗指標(biāo)。試驗結(jié)果表明，該成型機的生產(chǎn)率為250 kg/h，能耗為43.2 kW·h/t，成型顆粒密度為1.2 g/cm3，成型顆粒直徑為8 mm，成型率為95%，工作噪聲為85 db，該成型機的各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求，能夠滿足生產(chǎn)需要，實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

［1］叢宏斌，趙立欣，姚宗路，等.生物質(zhì)環(huán)模成型機產(chǎn)能與能耗分析［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44（11）：144-149.

［2］Mani S，Tabil L G，Sokhansanj S.Specific energy requirement for compacting corn stover［J］.Bioresource Technology，2006，97（12）：1420-1426.

［3］Holm J K，Henriksen U B，Hustad J E，et al.Toward an Understanding of Controlling Parameters in Softwood and Hardwood Pellets Production［J］.Energy&Fuels，2006，20（6）：2686-2694.

［4］胡建軍，沈勝強，雷廷宙，等.秸稈顆粒成型機噸料電耗影響因素的試驗研究［J］.太陽能學(xué)報，2007，28（12）：1350-1353.

［5］袁大龍，俞國勝.基于Pro/Mechanica的新型生物質(zhì)顆粒成型機箱體結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化［J］.林業(yè)與木工機械，2013，41（10）：21-25.

［6］張晉西，郭學(xué)琴，張甲瑞.基于SolidWorks與COSMOSMotion的汽車轉(zhuǎn)向及行駛運動仿真［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2010，4 （24）：13-16.

［7］劉天祥，宋廣明，王明，等.基于COSMOS Motion水稻栽植機秧針軌跡的運動分析［J］.機械工程師，2009（2）：102-103.

［8］李震，俞國勝，陳忠加，等.齒輥式環(huán)模生物質(zhì)成型機研制和試驗研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46（5）：220-225.

［9］德雪紅，俞國勝，翟曉敏，等.內(nèi)嚙合式生物質(zhì)環(huán)模成型模具的關(guān)鍵技術(shù)［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，35（5）：128-132.

［10］袁大龍.生物質(zhì)常溫柱塞式環(huán)模顆粒成型機研究及設(shè)計［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2014.

［11］張晉西，蔡維，譚芬.SolidWorks Motion機械運動仿真實例教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013：79-85.

（編輯：崔成德，cuichengde88@sina.com）

Simulation and experiment on ring die granular forming machine with plungers

Ning Tingzhou，Yu Guosheng，Wang Qingyu，Cheng Ziyang，Chen Zhongjia，Zhou Ying

Forming mechanisms of the ring die granular forming machine with plungers were modeled，assembled and simulated by SolidWorks Motion，simulation results showed that the opening taper of the ring die die hole is advisable when it's 60°.Sawdust was used as raw material for the biomass material forming test，experimental results showed that the productivity of the forming machine is 250 t/h，energy consumption is 43.2 kW·h/t，density of forming grain is 1.2 g/cm3，diameter of forming grain is 8 mm，forming rate is 95%，and working noise is 85 db.All the indexes meet the design requirements，and realize continuous and stable production.

biomass；forming machine；opening taper；simulation；energy consumption

10.13302/j.cnki.fi.2016.05.002

S816.34

A

1001-991X（2016）05-0005-04

寧廷州，博士，研究方向為生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化裝備。

2015-12-07

國家“十二五”科技支撐計劃項目‘輕便低能耗可移動生物質(zhì)燃料成型系統(tǒng)研發(fā)’［2012BAD30B0205］