對輥制粒機壓輥的有限元分析及優(yōu)化

李延民，蔡志源，霍征征，劉國寧

（1.鄭州大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南鄭礦機器有限公司，河南 鄭州 450007）

1 引言

對輥制粒機通過擠壓制粒的方式完成制粒過程，具有成粒性好，生產(chǎn)效率高，設(shè)備維護(hù)便捷等優(yōu)點，近年來已成為陶粒成型過程中的主要設(shè)備。

國內(nèi)外學(xué)者在擠壓制粒技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究，例如：文獻(xiàn)［1-2］建立了木質(zhì)粉體在直孔內(nèi)擠壓的力學(xué)模型，推導(dǎo)出了直孔入口處擠壓力的方程式，并通過單孔制粒實驗裝置進(jìn)行了實驗驗證。文獻(xiàn)［3］通過試驗對擠壓制粒過程中的流變學(xué)特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［4］分析了環(huán)模制粒機物料特性及結(jié)構(gòu)參數(shù)對能耗的影響。文獻(xiàn)［5］基于響應(yīng)面法對環(huán)模制粒參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)［6］深入分析了制粒機漏油的各影響因素并提出了相應(yīng)的解決方案。由于粉體擠壓成型過程十分復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域的交叉應(yīng)用，具有較高的技術(shù)難度，關(guān)于擠壓成型的機理、工藝及設(shè)備等方面仍存在相當(dāng)一部分技術(shù)規(guī)律尚不明確［7］。

雖然目前在擠壓制粒機理方面已有一定的研究成果，但對輥制粒機由于其出現(xiàn)的時間還較短，對該設(shè)備的研究還很不足。為提高對輥制粒機壓輥的使用壽命，深入分析了壓輥的受力狀況，建立了壓輥的力學(xué)模型，之后進(jìn)一步通過有限元軟件Abaqus探究了壓輥的應(yīng)力分布情況，在此基礎(chǔ)上，對壓輥長徑比及支撐方式進(jìn)行了優(yōu)化，為改善壓輥受力狀況提供了可靠依據(jù)。

2 對輥制粒機結(jié)構(gòu)及工作原理

本研究中的對輥制粒機三維模型，如圖1所示。其中初始模型中壓輥外徑為D=610mm，軸向?qū)挾葹長=700mm，厚度為24mm，壓輥上布有錯位排布的?？?。

圖1 對輥制粒機三維模型Fig.1 Three Dimensional Model of Roller Granulator

對輥制粒機傳動簡圖，如圖2所示。工作時，驅(qū)動電機經(jīng)皮帶傳動裝置、減速機、聯(lián)軸器帶動定軸壓輥轉(zhuǎn)動，定軸壓輥又通過物料間接將動力傳遞給移動壓輥，從而使兩壓輥實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動。移動壓輥兩側(cè)的軸承座上連接有彈簧，提供制粒過程所需的橫向擠壓力。制粒過程，如圖3所示。物料由上方入料口進(jìn)入，落入兩壓輥之間，隨著壓輥的轉(zhuǎn)動，物料受到的擠壓力逐漸增大，在此過程中逐漸壓實，當(dāng)物料與壓輥之間的擠壓力足夠克服模孔對物料的阻力時，物料將從?？變?nèi)穿過進(jìn)入壓輥內(nèi)部實現(xiàn)制粒過程，制成的顆粒從壓輥兩側(cè)落入配套輸送裝置。

圖2 對輥制粒機傳動簡圖Fig.2 Drive Diagram of Roller Granulator

圖3 制粒過程示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Granulation Process

3 建立壓輥表面的力學(xué)模型

3.1 制粒成型原理

仿真結(jié)果，如圖8所示。為能清楚的說明問題，將壓輥軸向設(shè)為Z軸，方向從支撐側(cè)指向另一側(cè)，于是支撐側(cè)為Z=0，另一側(cè)為Z=700。

(1)智慧城市感知質(zhì)量、智慧城市發(fā)展水平與智慧城市建設(shè)滿意度呈現(xiàn)正相關(guān)(H1，H2)得到驗證，且在0.05水平下是顯著的。這表明智慧城市感知質(zhì)量與智慧城市發(fā)展水平的提高會較大程度地提高居民的生活服務(wù)水平，對市民對智慧城市建設(shè)的滿意度有較大影響。

圖4 制粒原理示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Granulation Principle

變形壓緊區(qū)：在兩壓輥的擠壓作用下，變形壓緊區(qū)內(nèi)物料之間的空隙逐漸減小，接觸表面積不斷增大，在此區(qū)域內(nèi)物料的致密度將大大提高。

為方便不同區(qū)域的受力加載，首先在壓輥表面建立變形壓緊區(qū)及擠壓成型區(qū)對應(yīng)的印記面，然后按照式（6）通過自定義函數(shù)的方式進(jìn)行加載，初始模型中壓輥為單邊支撐，相當(dāng)于懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此將壓輥左端面完全約束。有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果及施加的邊界條件，如圖7所示。

首先對對輥制粒機在變形壓緊區(qū)的一小段物料進(jìn)行受力分析（由于物料自重影響較小，故不再考慮），如圖5所示。引兩壓輥表面將物料攫入擠壓成型區(qū)的臨界點A、B兩點的切線交與點C。

在進(jìn)行遺址保護(hù)時，首先是要深化遺址保護(hù)意識。但是僅僅依靠市民自身的行為是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，政府在對市民進(jìn)行宣傳教育時也要加大對遺址的保護(hù)力度，健全地震遺址的法律保護(hù)，嚴(yán)懲破壞遺址的行為。對有損毀風(fēng)化的遺址建筑進(jìn)行加固，切實保護(hù)地震遺址。

圖5 攫取角計算原理圖Fig.5 Schematic Diagram of Grab Angle Calculation

提取有限元分析結(jié)果中位于壓輥兩側(cè)及壓輥中間的模孔的等效應(yīng)力最大值，如圖10所示。

將物料攫入擠壓成型區(qū)的力為：

取物料與壓輥之間的摩擦系數(shù)為f，則：

設(shè)在變形壓緊區(qū)內(nèi)的壓力呈線性變化［9］。另外，對輥制粒機在運行過程中，物料堆積量最多不能超過壓輥最高處，以最大量為例進(jìn)行分析，則壓輥外表面擠壓力分布情況，如圖6所示。

由于壓輥模型比較復(fù)雜，無法直接經(jīng)過計算得出最優(yōu)長徑比，以往對長徑比的選擇都是基于經(jīng)驗，而通過有限元軟件的分析比較，就可以得到一個更為可靠的結(jié)果。

3.2 壓輥受力模型

在制粒過程中，兩壓輥通過物料傳遞壓力與轉(zhuǎn)矩，根據(jù)作用力與反作用力原理，可知兩壓輥輥面的受力情況是對稱的，因此只對一個壓輥進(jìn)行分析即可。

對輥制粒機兩壓輥間的橫向擠壓力由彈簧提供，并沒有采用使兩個壓輥都固定的方式，這是為了當(dāng)物料中混入了較大的硬質(zhì)顆粒時，能夠使彈簧因壓力過大而及時收縮，以便硬質(zhì)顆?？梢詮妮侀g通過，避免壓輥卡死。

課程導(dǎo)師作為輔導(dǎo)員的有效補充，一般協(xié)同開展大學(xué)生教育工作，因此兩者工作定位應(yīng)該呈現(xiàn)錯位、交叉和融合的整體特點[5]。筆者一直擔(dān)任相關(guān)專業(yè)的課程導(dǎo)師職責(zé)，每周有一次教學(xué)任務(wù)，在課間休息時會與學(xué)生們溝通業(yè)余活動等問題，通過溝通拉近師生距離；此外，課程導(dǎo)師有開展班風(fēng)學(xué)風(fēng)建設(shè)、班級學(xué)生日常管理工作、就業(yè)指導(dǎo)和服務(wù)工作等職責(zé)，平時學(xué)生不管遇到什么問題，都會積極地通過各種方式與課程導(dǎo)師交流。課程導(dǎo)師制度改變了傳統(tǒng)的授課方式，實現(xiàn)了師生雙贏，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

因此理想的彈簧彈力應(yīng)當(dāng)是剛好平衡物料對壓輥的橫向作用力，而不使兩棍間產(chǎn)生多余的壓力導(dǎo)致更多的磨損和能量損耗。分析中將彈簧彈力視為理想值，這樣輥面受力將只考慮由物料對輥面產(chǎn)生的壓力及摩擦力。

設(shè)?？兹肟谔帞D壓力為PJ時，可使物料擠入?？?，則擠壓成型區(qū)內(nèi)壓輥表面各位置處受到的壓力都應(yīng)該等于PJ，因此在擠壓成型區(qū)內(nèi)壓輥表面各位置處的壓力基本相等，而在變形壓緊區(qū)，物料所受到的壓力逐漸增加，但還不足以克服模孔孔壁對物料所產(chǎn)生的摩擦阻力，其中在接近擠壓成型區(qū)的位置處，其壓力與擠壓成型區(qū)基本相同。

物料從變形壓緊區(qū)被攫入擠壓成型區(qū)的條件是F推≥F阻，即：

圖6 擠壓力分布示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Extrusion Pressure Distribution

由幾何知識易知擠壓成型區(qū)對應(yīng)的圓心角α=β/2，設(shè)壓輥表面任意點圓心角為θrad，則擠壓力P表達(dá)式為：

根據(jù)摩擦力與擠壓力的關(guān)系即可得到摩擦力的分布情況，對擠壓力與摩擦力的水平分力在壓輥表面（0～π/2）之間的區(qū)域進(jìn)行積分求和，即可得到理論上彈簧所需的預(yù)緊力大小。

4 初始模型有限元分析

4.1 有限元模型建立

通過SolidWorks 建立壓輥的三維模型，將文件保存為Parasolid格式后，在Abaqus中將模型導(dǎo)入，由于壓輥上存在大量的?？准澳？椎菇?，因此只能采用四面體網(wǎng)格劃分。將布種參數(shù)調(diào)整為10，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格數(shù)目為606419，節(jié)點數(shù)為1000512。

對壓輥進(jìn)行有限元分析所需的模型相關(guān)參數(shù)，如表1所示。其中擠壓成型區(qū)壓力PJ為根據(jù)已知條件按照文獻(xiàn)［10］中的方法，通過FLUENT軟件進(jìn)行單?？讛D壓過程仿真得到。

作為天津市市場和質(zhì)量監(jiān)督管理委員會的直屬單位，天津市醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心是中國合格評定國家認(rèn)可委、國家食品藥品監(jiān)督管理總局、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等部門認(rèn)可授權(quán)的一所綜合性醫(yī)療器械及制藥裝備檢驗檢測機構(gòu)，是全國十個國家級醫(yī)療器械檢測中心之一。

表1 模型相關(guān)參數(shù)Tab.1 Model Related Parameters

擠壓成型區(qū)：在此區(qū)域內(nèi)，由于物料已具有很高的致密度，隨著壓輥的轉(zhuǎn)動，中間物料已基本不再發(fā)生回流現(xiàn)象，且此區(qū)域向下是封閉的，物料間壓力會迅速增加，當(dāng)受到的擠壓力超過?？卓妆趯ζ洚a(chǎn)生的摩擦阻力時，物料即被壓入?？?。

圖7 壓輥網(wǎng)格及邊界條件示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Roller Mesh and Boundary Conditions

4.2 有限元結(jié)果與分析

根據(jù)物料在擠壓成型過程中的不同狀態(tài)，可將對輥制粒機上物料進(jìn)入?？浊八鶎賲^(qū)域分為兩個區(qū)：變形壓緊區(qū)和擠壓成型區(qū)［8］，如圖4所示。

圖8 有限元仿真結(jié)果Fig.8 Finite Element Simulation Results

由圖中可以看出初始模型的最大應(yīng)力為65.99MPa，發(fā)生在靠近支撐端擠壓成型區(qū)與變形壓緊區(qū)交界線上的?？椎牡菇翘?。取此交界線上所有的?？咨系牡刃?yīng)力最大值，如圖9所示。

檔案數(shù)據(jù)獲取和整理是在大數(shù)據(jù)背景下必不可少的工作。其中，檔案數(shù)據(jù)獲取是整個檔案管理工作的根本，只有獲取有效的檔案數(shù)據(jù)才能對檔案內(nèi)容進(jìn)行分析和整理，并對檔案進(jìn)行管理及保護(hù)。目前，電子檔案在保護(hù)技術(shù)上存在缺陷，計算機在傳輸信息的過程中若出現(xiàn)了漏洞，就會導(dǎo)致檔案信息泄漏。

高中化學(xué)教材上有很多關(guān)于環(huán)境污染的問題，這符合我國傳統(tǒng)的“天人合一”的理念與思想。數(shù)千年時間下來，中華民族的和諧文化深入人心，如儒家的“天人合一”，道家的“無為而治”等，這些都強調(diào)人與自身和諧共存，不能為了滿足自己而肆無忌憚的破壞環(huán)境，打破人與自然的和諧。同時還可以將一些環(huán)境問題講給學(xué)生，樹立關(guān)愛自然、保護(hù)自然的觀念，充分尊重自然發(fā)展規(guī)律，現(xiàn)實生活中實現(xiàn)保護(hù)環(huán)境，樹立可持續(xù)發(fā)展理念，促進(jìn)與提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

圖9 ?？讘?yīng)力圖Fig.9 Die Hole Stress Diagram

由圖9中可以看出，壓輥兩側(cè)的?？讘?yīng)力大，內(nèi)部?？讘?yīng)力小，尤其是最兩側(cè)的兩個?？讘?yīng)力變化梯度最大，這是由于開孔區(qū)與無孔區(qū)交界處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中。雖然其應(yīng)力還遠(yuǎn)沒有達(dá)到壓輥材料的許用應(yīng)力，但由于壓輥受循環(huán)應(yīng)力作用，每次應(yīng)力循環(huán)都會對壓輥造成輕微損傷，當(dāng)這些損傷不斷積累到一定程度時，就會在壓輥的表面或內(nèi)部發(fā)生裂紋擴展直至斷裂，因此應(yīng)力大小與壓輥使用壽命密切相關(guān)，在應(yīng)力大的地方將會更早地發(fā)生斷裂。在實際應(yīng)用中，壓輥往往在兩側(cè)?？滋幨紫劝l(fā)生裂紋擴展及斷裂，這與此分析中的結(jié)果相一致。

壓輥最大變形為0.3215mm，發(fā)生在無支撐側(cè)變形壓緊區(qū)與擠壓成型區(qū)交界位置，這是因為壓輥支撐方式類似為懸臂支撐結(jié)構(gòu)。由于陶粒成型所用的物料具有較高的流動性，壓輥少量的變形對制粒過程的影響并不顯著。

5 壓輥的優(yōu)化分析

由于壓輥所受應(yīng)力大小對其使用壽命影響較大，而壓輥的少量變形對制粒過程影響輕微，因此選取壓輥的最大應(yīng)力作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行下面的優(yōu)化分析。

5.1 長徑比優(yōu)化

由壓輥的制粒機理易知開孔率不變時，壓輥直徑增大或開孔區(qū)長度增長，擠壓成型區(qū)也會成比例增大，因此理論上對輥制粒機生產(chǎn)率與壓輥直徑大小和開孔區(qū)長度都成正比。所以對于同樣的生產(chǎn)率要求，在不改變其他條件的情況下，可以有不同的長徑比選擇。實踐經(jīng)驗表明，壓輥長徑比過大或過小都會造成壓輥較早發(fā)生斷裂，因此推測存在一個最優(yōu)的長徑比，在同樣的生產(chǎn)率要求下，可使壓輥的最大應(yīng)力達(dá)到最小。

由上式可知，物料與壓輥間的摩擦系數(shù)f越大，則物料從變形壓緊區(qū)進(jìn)入擠壓成型區(qū)的攫取角β也就越大，于是擠壓成型區(qū)也就越大。

在理論生產(chǎn)率相同的情況下（即壓輥直徑與有效開孔區(qū)軸向長度之積不變），于初始模型的基礎(chǔ)上（壓輥兩側(cè)的無孔區(qū)長度均為65mm，開孔率為0.55）通過改變直徑得到不同的長徑比來進(jìn)行比較分析，共分析了9個模型（包括初始模型）。模型參數(shù)，如表2所示。

表2 不同長徑比模型參數(shù)Tab.2 Model Parameters Under Different Length-Diameter Ratios