生物質(zhì)柱塞環(huán)模制粒機漸開線柱塞試驗與分析

■劉 濤 趙阿康 德雪紅

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

中國作為一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，每年的農(nóng)作物產(chǎn)量大約為4.33 億噸。利用生物質(zhì)固化成型技術(shù)將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為固體顆粒，不僅可用于發(fā)電，還可用于替代化石燃料為工廠或家庭提供燃料，極大提高了生物質(zhì)原料的利用效率[1]。

生物質(zhì)環(huán)模制粒機是一種生物質(zhì)能源處理設(shè)備[2]，主要以農(nóng)林生產(chǎn)廢棄物（如木屑、秸稈、稻殼、樹皮等生物質(zhì)）為原料，經(jīng)過粉碎、干燥到達(dá)制粒條件要求，將其固化成形為高密度的顆粒燃料[3]。成型后的顆粒燃料密度大、體積小、耐燃燒，便于儲存和運輸。成型后密度為1.1～1.5 g/cm3，熱值可達(dá)14.23～20.09 kJ，是高揮發(fā)的固體燃料。相較于傳統(tǒng)礦物質(zhì)燃料，成型后的顆粒燃料可以有效減少硫元素的排放，因此對減少環(huán)境污染和實施“碳中和”戰(zhàn)略具有重要意義。

現(xiàn)有生物質(zhì)環(huán)模制粒機大多是由飼料制粒機改造而來，尚存在部分飼料環(huán)模制粒機的局限性[4]。柱塞式生物質(zhì)環(huán)模制粒機作為新型制粒機，相較于傳統(tǒng)壓輥式制粒機具有生產(chǎn)效率高、成型質(zhì)量好和能源消耗低等優(yōu)勢[5-6]，但作為關(guān)鍵部件的圓柱柱塞存在磨損速度較快、制造成本較高、更換困難等問題。

針對當(dāng)前存在的生物質(zhì)柱塞環(huán)模制粒機柱塞部件磨損過快的問題，本研究采用回轉(zhuǎn)漸開線輪廓曲線方式建立柱塞，通過分析柱塞在嚙合工作時關(guān)鍵結(jié)點應(yīng)力、應(yīng)變分布狀況，以改善柱塞受力狀況，減少柱塞磨損，提高柱塞與環(huán)模嚙合效率。

1 柱塞環(huán)模制粒機成型原理及影響因素

1.1 核心成型結(jié)構(gòu)組成

生物質(zhì)柱塞環(huán)模制粒機成型結(jié)構(gòu)主要由固定環(huán)模、壓輥、分布在壓輥上的漸開線柱塞、中心軸、壓輥固定板組成，其中核心部件為漸開線柱塞、環(huán)模和壓輥，如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)柱塞環(huán)模制粒機核心部件

1.2 基本工作原理

將烘干、粉碎的生物質(zhì)原料加入到制粒機環(huán)模中，通過齒輪傳動將電機動力傳遞到中心軸，壓輥固定板與中心軸連接，壓輥體與壓輥固定板通過壓輥軸連接，來實現(xiàn)壓輥體上柱塞和環(huán)模成型孔相互嚙合。

在柱塞與環(huán)模成型孔嚙合的過程中柱塞將生物質(zhì)物料推入成型孔中，而柱塞與環(huán)模成型孔每嚙合一次，壓入成型孔的物料都要經(jīng)過填充、擠壓，最后一層層堆積成為圓柱狀的棒料，被擠出環(huán)模成型孔之外，待其到達(dá)指定長度后被切斷刀切斷[7]。

1.3 影響制粒成型因素

生物質(zhì)物料的含水率是影響制粒效果的重要因素之一[8-9]。含水率過高或過低都不利于顆粒成型。當(dāng)含水率過高時，加熱過程中產(chǎn)生的水蒸氣不能順利排出，易造成表面開裂，嚴(yán)重時產(chǎn)生爆鳴等危害；當(dāng)含水率過低時，一方面是因為微量水分對木質(zhì)素的軟化、塑化有促進(jìn)作用，降低其熔融溫度[10]；另一方面是因為水分可作為潤滑劑，使粒子間摩擦變小，流動性增強，促進(jìn)相互嵌合，故過低的含水率會起到抑制作用。

成型孔內(nèi)壁粗糙程度也影響顆粒成型效果，成型孔內(nèi)壁粗糙度越低，物料在成型孔內(nèi)越易擠壓成型，生產(chǎn)效率高，表面質(zhì)量好。但成型孔內(nèi)壁粗糙度過低，孔壁與物料間摩擦過小，反而不利于顆粒成型。

2 柱塞受力分析

2.1 柱塞漸開線輪廓曲線方程及建立

對于柱塞的輪廓建立方式采用回轉(zhuǎn)漸開線成型方式[11]，直角坐標(biāo)系下的參數(shù)方程為：

式中：xi——漸開線曲線橫坐標(biāo)；

yi——漸開線曲線縱坐標(biāo)；

rk——基圓半徑（mm）；

uk——展開角（°）+壓力角（°）；

αk——壓力角（°）；

?k——展開角（°）。

取標(biāo)準(zhǔn)漸開線部分輪廓，將標(biāo)準(zhǔn)漸開線柱塞頂高降低。對于降低漸開線柱塞頂高來說，可減小柱塞表面滑動率、柱塞和成型孔磨損影響，以達(dá)到提高柱塞彎曲強度及壽命的目的[12]。柱塞漸開線輪廓見圖2，相關(guān)參數(shù)見表1。

圖2 漸開線柱塞輪廓

表1 漸開線柱塞尺寸參數(shù)

2.2 漸開線型柱塞受力分析

柱塞與環(huán)模成型孔的嚙合類似齒輪嚙合機理，對單個柱塞與環(huán)模成型孔嚙合時進(jìn)行受力分析，柱塞和成型孔在M點嚙合接觸時產(chǎn)生阻抗力（Fn），F(xiàn)t和Fr分別為軸向和徑向分力，如圖3所示。

圖3 單個柱塞與環(huán)模成型孔嚙合受力分析

式中：Fn——柱塞和成型孔在M點嚙合接觸時產(chǎn)生的阻抗力；

Ft——軸向分力；

Fr——徑向分力；

β——Fn與Ft夾角。

壓輥體在旋轉(zhuǎn)工作過程中受到的軸向分力Ft產(chǎn)生的阻抗力矩為：

式中：T——軸向分力Ft產(chǎn)生的阻抗力矩（N·m）；

r——壓輥半徑（mm）；

x——M點與壓軸外徑的軸向距離（mm）。

壓輥可提供的最大壓縮力是一定的，而制粒成型所需擠壓力隨成型孔內(nèi)顆粒受到的摩擦力而改變。制粒初始，成型孔內(nèi)物料壓縮變形小，擠壓力同樣也??；隨著成型孔內(nèi)物料不斷被壓入填充，并被柱塞擠壓變形，顆粒的密度與壓縮率逐步增大，所需的擠壓力亦增大。對成型孔中物料采用微元法分析，將壓縮物料按軸向分為無數(shù)微段，其中任一微段為dx，內(nèi)部成型壓力P（x），則微段摩擦力df為：

式中：D——成型孔直徑（mm）；

ε——物料側(cè)壓系數(shù)，與物料泊松比有關(guān)；

μ——成型孔摩擦系數(shù)。

成型孔內(nèi)摩擦力為

式中：H——成型孔高度（mm）。

基于赫茲接觸理論對柱塞與環(huán)模成型孔接觸進(jìn)行分析[13-14]，柱塞環(huán)模接觸幾何關(guān)系模型如圖4所示。

分別將漸開線柱塞、環(huán)模的接觸面認(rèn)為球和圓柱凹面,半徑分別為R1和R2，其中R2為環(huán)模成型孔圓角半徑，故橢圓方程系數(shù)A、B為：

由于環(huán)模和柱塞選用同種材料，E1、E2相等，μ1、μ2同為0.3，則最大應(yīng)力δmax、接觸相對位移δ為:

式中：μ1、μ2——環(huán)模、漸開線柱塞的材料泊松比；

E1、E2——漸開線柱塞、環(huán)模材料彈性模量；

F——柱塞與環(huán)模成型孔嚙合時M 點的阻抗力Fn、分力Ft。

n1、n2、n3、n4查表[15]得到，分別為2.557 0、0.511 0、0.764 7、0.750 9。

3 有限元模擬分析

為驗證以上模型，基于Abaqus 有限元分析軟件進(jìn)行分析[16]，使用SoildWorks軟件進(jìn)行建模，以STP格式導(dǎo)入Abaqus 有限元分析軟件，模擬其在嚙合時的受力狀況，對其應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析驗證。

3.1 模型建立

為分析制粒機環(huán)模和柱塞在嚙合時的受力狀態(tài)，環(huán)模與柱塞材料選擇42CrMo。該材料具有良好的綜合力學(xué)性能，經(jīng)過熱處理后硬度高，制造模具強度高、耐磨性好，可滿足環(huán)模制造要求，常用于制造木屑、秸稈等生物質(zhì)物料噸模制粒機[17-18]，性能見表2。

表2 環(huán)模、柱塞材料（42CrMo）特性

3.2 網(wǎng)格劃分

利用SoildWorks 軟件對環(huán)模和壓輥體建模，切分裝配體得到有限元簡化模型，將其導(dǎo)入Abaqus中。

將環(huán)模網(wǎng)格單元設(shè)置為修正的二次四面體單元C3D10M，相較于C3D10 單元計算易收斂。柱塞壓輥網(wǎng)格單元類型設(shè)置為8 個結(jié)點的六面體三維減縮積分單元C3D8RT 單元，其中環(huán)模的結(jié)點總數(shù)為111 846個，單元總數(shù)為75 382個；整個壓輥體結(jié)點總數(shù)為22 264 個，單元總數(shù)為18 960 個，裝配體網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖5。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.3 應(yīng)力、應(yīng)變分析

Mises 應(yīng)力云圖如圖6 所示，柱塞與環(huán)模凹槽孔表面進(jìn)入嚙合狀態(tài)時柱塞根部受到的Mises 應(yīng)力最大，隨著嚙合的進(jìn)行而逐漸減小，直到柱塞和環(huán)模內(nèi)孔脫開嚙合逐漸消失，由于柱塞和成型孔輪廓均為漸開線，類似于漸開線內(nèi)齒輪嚙合，受力分布均勻。

圖6 應(yīng)力結(jié)果

應(yīng)變結(jié)果如圖7所示，產(chǎn)生的真實應(yīng)變（LE）近似為0，表明柱塞發(fā)生的真實應(yīng)變?yōu)樾?yīng)變，最大應(yīng)變區(qū)同樣是在環(huán)模與柱塞處于即將進(jìn)入嚙合狀態(tài)區(qū)域，隨著嚙合逐漸減少，退出嚙合時消失。應(yīng)變最大區(qū)域與應(yīng)力最大區(qū)域近乎相同，且發(fā)生最大應(yīng)變處于許用范圍，滿足使用要求。

圖7 應(yīng)變結(jié)果

4 模型運行試驗驗證

4.1 試驗條件

試驗條件為室溫環(huán)境，采用熔融沉積成型方式對模型進(jìn)行制造，部件材料采用聚乳酸（PLA 型）材料，打印填充密度為80%，試驗設(shè)備為自行組件，如圖8所示。

圖8 試驗設(shè)備

試驗硬件：42BYGH34S型步進(jìn)電機、KH-01型步進(jìn)電機控制器、TB6600型步進(jìn)電機驅(qū)動器、LRS-350-24型24 V開關(guān)電源、MV-VD200SC型工業(yè)相機。

4.2 試驗方法

試驗中采用指定控制電機運行轉(zhuǎn)數(shù)，來模擬環(huán)模顆粒機實際運轉(zhuǎn)情況，對漸開線柱塞和圓柱柱塞進(jìn)行機械耐久性測試。設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為80 r/min，每2 000 r 停機測量壓輥幾何參數(shù)。利用工業(yè)相機對磨損后壓輥拍攝，使用Image plus pro 軟件對圖像進(jìn)行測量，提取幾何特征，通過幾何面積測定兩類柱塞機械耐久性。

機械耐久性計算公式為：

式中：S0——柱塞初始面積（mm2）；

S*——嚙合N次后柱塞面積（mm2）。

4.3 試驗結(jié)論與分析

在室溫條件下，設(shè)置主軸運轉(zhuǎn)10 000 r，兩類壓輥體同時與環(huán)模相互嚙合。試驗結(jié)果表明漸開線柱塞和圓柱柱塞機械耐久性分別為87.15%和82.32%，試驗結(jié)果見表3。

表3 試驗結(jié)果

上述試驗結(jié)果表明，同等型號柱塞，漸開線柱塞優(yōu)于圓柱柱塞。漸開線柱塞相較于圓柱柱塞根部粗壯，強度高且傳動平穩(wěn)；與環(huán)模嚙合時產(chǎn)生沖擊更小；漸開線形有助于避免干涉，使噪聲減低，有利于減小主軸振動，延長環(huán)模等關(guān)鍵部件壽命，降低運行成本。兩類柱塞在不同運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)下磨損曲線如圖9所示。

圖9 兩類柱塞在不同運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)下的磨損曲線

5 結(jié)論

通過將仿真結(jié)果同試驗結(jié)果對比分析可知，所建立漸開線齒廓可以較好地與環(huán)模嚙合，證實了漸開線柱塞方案的可行性，可替代圓柱柱塞。

相同條件下漸開線柱塞機械耐久度優(yōu)于圓柱柱塞，試驗運行過程中漸開線柱塞與環(huán)模內(nèi)孔的接觸始終為圓弧線性接觸，故磨損較為均勻；圓柱柱塞在初始階段磨損較為迅速，隨著頂部端面圓角擴大，磨損開始趨于緩和，磨損速度仍舊大于漸開線柱塞，此過程圓柱柱塞與環(huán)模內(nèi)孔的接觸由點接觸逐漸演變?yōu)閳A弧線接觸，但接觸區(qū)域仍舊小于漸開線柱塞。

提出的新型柱塞方案，對提高柱塞、環(huán)模等關(guān)鍵部件機械耐久度、降低運行維護(hù)成本和減少生物質(zhì)制粒機能耗具有重要意義。