環(huán)模成型機(jī)楔形區(qū)的離散元研究

0 引言

隨著社會的發(fā)展，近年來溫室效應(yīng)和霧霾現(xiàn)象日益加劇，因此，從環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源角度出發(fā)，開發(fā)和探索新型能源已成為我國乃至全世界的重要工作。和其他新型能源相比，生物質(zhì)能是一種典型綠色無污染的可再生能源，我國作為農(nóng)產(chǎn)大國，生物質(zhì)資源量十分豐富

。沙柳，作為防沙造林樹種之一，在我國西北部的沙漠地區(qū)儲量豐富，且具有“平茬復(fù)壯”的生物習(xí)性，每3年左右平茬一次，平茬后會更加茂盛。沙柳3年成材，越砍越旺，這是沙柳的本性。平茬后的沙柳是生產(chǎn)生物質(zhì)能的良好原料

。

環(huán)模成型機(jī)是生物質(zhì)致密成型的主要設(shè)備，具有能耗低、效率高、耐磨損等特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究，但對楔形區(qū)物料致密成型的研究較少。陳忠加等

提出了一種柱塞式平模生物質(zhì)致密成型方法，并設(shè)計(jì)了樣機(jī)，以不同顆粒度玉米秸稈和刺槐為原料，在原料含水率為15%，斜盤轉(zhuǎn)速為50 r·min

，原料溫度為室溫的條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明柱塞式平模生物質(zhì)成型方法可行。寧廷州等

設(shè)計(jì)了對輥柱塞式成型機(jī)，通過正交試驗(yàn)得到成型機(jī)的較優(yōu)成型參數(shù)為含水率15%，成型模具長徑比5.25，主軸轉(zhuǎn)速47.25 r·min

。李震等

運(yùn)用流變學(xué)理論建立物料在楔形區(qū)內(nèi)的速度方程，通過Fluent軟件對塑性流動建立模擬仿真，得出物料在楔形區(qū)域內(nèi)速度矢量圖及速度和壓力云圖。L.A.Rolfe等

研究表明，環(huán)模轉(zhuǎn)速提高可降低物料高度，進(jìn)而減小擠壓物料的力，導(dǎo)致成型質(zhì)量下降，而顆粒的溫度有所提高，能耗增大。

根據(jù)重慶市傳統(tǒng)商貿(mào)流通業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，建議在全市批發(fā)行業(yè)、零售行業(yè)、住餐行業(yè)、對外貿(mào)易、生活服務(wù)、商務(wù)服務(wù)、物流行業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等八大行業(yè)中實(shí)施“+電子商務(wù)”創(chuàng)新應(yīng)用。

沙柳細(xì)枝顆粒的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性，粉碎后呈離散狀態(tài)，采用離散單元方法研究其致密成型過程更接近實(shí)際

。本文以沙柳顆粒為研究對象，建立環(huán)模成型機(jī)楔形區(qū)的離散元模型，通過顆粒間的壓縮力、法向力及扭矩分析3種模輥間隙(1.5 mm、2 mm、2.5 mm)下燃料的成型品質(zhì)和模輥磨損情況，以顆粒間的粘結(jié)效果作為成型品質(zhì)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以顆粒與模輥間碰撞的法向力作為磨損情況的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。模擬結(jié)果可以為生物質(zhì)固化成型技術(shù)的發(fā)展提供依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

離散單元法(Discrete Element Method, DEM)是Cundall于1971年根據(jù)單元之間的相互作用和牛頓運(yùn)動定律，提出的一種散粒體顆粒細(xì)觀力學(xué)分析方法

。顆粒模型有軟球模型和硬球模型2種

。由于沙柳顆粒的粘彈特性，致密成型過程中顆粒間產(chǎn)生顯著的塑形變形，因此，顆粒模型選用軟球模型來描述，如圖1所示。采用Hertz-Mindlin(no-slip)作為顆粒間的接觸模型

。

2 離散元仿真

2.1 材料參數(shù)

沙柳細(xì)枝顆粒致密成型后的燃料物理特性見表3。從表3中可以看出，模輥間隙為1.5 mm時(shí)成型質(zhì)量最好，為1.099 g·cm

；模輥間隙為2.5 mm時(shí)，成型質(zhì)量最差，為1.037 g·cm

。這一結(jié)論也與壓縮力和扭矩變化相吻合。

沙柳細(xì)枝顆粒致密成型過程中環(huán)模楔形區(qū)壓縮力隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。不同模輥間隙下，壓縮力變化趨勢幾乎相同，主要經(jīng)歷致密階段、壓縮階段和保壓階段。致密階段時(shí)，顆粒間空隙較大，壓縮力主要消除顆粒間空隙；壓縮階段時(shí)，顆粒間粘結(jié)力增大，形成強(qiáng)力鏈，壓縮力急劇增加；保壓階段時(shí)，顆粒已形成棒狀燃料，壓縮力保持不變。模輥間隙為1.5 mm時(shí)，壓縮力較大，顆粒間產(chǎn)生較強(qiáng)的力鏈，粘結(jié)力使顆粒成型品質(zhì)較好。模輥間隙為2.5 mm時(shí)，壓縮力較小，顆粒間產(chǎn)生較弱的力鏈，粘結(jié)效果較差，成型品質(zhì)相對較差。

2.2 離散元模型創(chuàng)建

離散元模型建立后設(shè)置沙柳顆粒和模具的材料參數(shù)和接觸參數(shù)。環(huán)模以28 rad·s

的速度勻速轉(zhuǎn)動，運(yùn)動時(shí)間為80 s。仿真網(wǎng)格尺寸為3

(最小顆粒半徑)。軟件開始模擬后，后處理功能需記錄壓縮力、扭矩、法向力等數(shù)據(jù)，記錄次數(shù)是每隔1 s記錄一次。

沙柳細(xì)枝顆粒粉碎后粒徑大小不盡相同，粒徑不僅對成型燃料品質(zhì)有影響，還會影響壓縮過程中消耗的能量。根據(jù)實(shí)際粉碎后的篩分結(jié)果，模擬時(shí)，選用粒徑為0.2～1 mm，用球形顆粒近似代替原物料，顆粒工廠采用隨機(jī)方式生成顆粒，生成完畢且達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)入待壓縮狀態(tài)。根據(jù)模型幾何參數(shù)和約束條件建立的顆粒致密過程離散元模型如圖2所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 壓縮力分析

我國的普通制造業(yè)已經(jīng)無法滿足日益提高的航空航天科技需求了，所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法逐漸在該領(lǐng)域嶄露頭角。航空制造業(yè)往往需要很多頂尖科技產(chǎn)業(yè)共同參與才能研發(fā)新型產(chǎn)品，在如今這日益增長的需求之下，我國的航空航天部門開始探究結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在未來生產(chǎn)設(shè)計(jì)上的可行性。

3.2 燃料成型品質(zhì)

離散元仿真分析中需要設(shè)置沙柳顆粒和成型模具的材料參數(shù)，以及沙柳顆粒與沙柳顆粒、沙柳顆粒與成型模具碰撞時(shí)的接觸參數(shù)。參照參考文獻(xiàn)和標(biāo)定試驗(yàn)，分析出沙柳顆粒和成型模具的材料參數(shù)和接觸參數(shù)

。表1是材料參數(shù)，表2是接觸參數(shù)。

3.3 扭矩分析

圖4顯示的是沙柳細(xì)枝顆粒致密成型過程中楔形區(qū)扭矩隨時(shí)間變化驅(qū)勢。由圖可知，不同模輥間隙的扭矩變化趨勢無顯著性差異，主要經(jīng)歷保持穩(wěn)定和劇烈變化2個(gè)階段。壓縮前期，顆粒靜止堆積時(shí)只受向下的重力作用，顆粒間空隙較大，幾乎沒有扭矩產(chǎn)生；壓縮進(jìn)行到中后期時(shí)，顆粒在模輥的擠壓力下間隙逐漸消除，顆粒間相互粘結(jié)在一起，形成弱力鏈，隨著粘結(jié)力逐漸增大，弱力鏈轉(zhuǎn)變成強(qiáng)力鏈，在力鏈作用下，顆粒在楔形區(qū)內(nèi)發(fā)生運(yùn)動，軌跡大致呈現(xiàn)螺旋狀，扭矩也會產(chǎn)生波動，顆粒間的粘結(jié)作用隨擠壓過程不斷增加，所以扭矩呈現(xiàn)出波動增長趨勢。模輥間隙為1.5 mm時(shí)，顆粒間的扭矩變化劇烈，扭矩值較大，顆粒產(chǎn)生較大塑性變形，顆粒間粘結(jié)力增加，形成強(qiáng)力鏈，成型品質(zhì)相對較好；而模輥間隙為2.5 mm時(shí)，扭矩值較小，顆粒產(chǎn)生的塑性變形也較小，成型品質(zhì)相對較差。

3.4 壓輥磨損情況

不同模輥間隙下壓輥受到顆粒的法向力如圖5所示。經(jīng)后處理建立柵格倉計(jì)算顆粒與壓輥碰撞的法向力。模輥直徑為1.5 mm時(shí)，顆粒與壓輥的最大法向力為978 N，壓輥磨損量最大；模輥直徑為2.0 mm時(shí)，顆粒與壓輥的最大法向力為891 N；模輥直徑為2.5 mm時(shí)，顆粒與壓輥的最大法向力為806 N，壓輥磨損量相對較小。

4 結(jié)論

環(huán)模作為常用的生物質(zhì)成型設(shè)備，模輥間隙對成型燃料質(zhì)量有較大影響，為分析燃料的成型品質(zhì)和模輥的磨損情況，采用離散元方法模擬環(huán)模楔形區(qū)的致密成型過程，得到擠壓過程中顆粒軌跡受到扭矩影響關(guān)系，隨扭矩變化，扭矩由準(zhǔn)直線狀逐漸變?yōu)椴▌釉鲩L。模輥間隙為1.5 mm時(shí)，壓縮力最大，扭矩最大，成型質(zhì)量最大，成型品質(zhì)較好。模輥間隙為2.5 mm時(shí)，成型品質(zhì)較差。

第一，公路橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)水平的缺失。公路橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜與繁瑣，有關(guān)部門在對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)需要運(yùn)用具有現(xiàn)代化技術(shù)水平的設(shè)備和高素質(zhì)的工作人員；與此同時(shí)，公路橋梁的養(yǎng)護(hù)工作還需要技術(shù)人員定期對其進(jìn)行檢查及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中的安全隱患并采取有效的措施進(jìn)行管理。但是大多數(shù)工作人員在實(shí)際工作中很少會高效完成工作。其主要有以下原因：一方面是公路橋梁養(yǎng)護(hù)設(shè)備的配備不足，工作人員對于公路橋梁中的問題經(jīng)常會出現(xiàn)檢測不到位的現(xiàn)象；另外一方面是公路橋梁養(yǎng)護(hù)人員的施工技術(shù)水平不夠，這些因素經(jīng)常引起公路橋梁養(yǎng)護(hù)的安全隱患[2]。

微電網(wǎng)技術(shù)涉及先進(jìn)的電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)等,世界范圍內(nèi)尚無統(tǒng)一、規(guī)范的微電網(wǎng)體系技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。目前,微電網(wǎng)的發(fā)展還存在諸多瓶頸。

通過分析壓輥與顆粒碰撞的法向力，得到模輥間隙越小，法向力越大，會增大顆粒與壓輥及環(huán)模間的摩擦，造成壓輥和環(huán)模磨損，減少其使用壽命。

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