0、引 言
環(huán)模輥壓式成型機(jī)由于能耗低、產(chǎn)量大、顆粒燃料品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，成為未來生物質(zhì)固化成型的主要成型設(shè)備。環(huán)模是環(huán)模輥壓式成型機(jī)的核心工作部件，加工成本高、工作壽命低等問題嚴(yán)重阻礙了環(huán)模壓輥式成型機(jī)的推廣。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)生物質(zhì)環(huán)模輥壓式成型機(jī)的研究在某些方面還處于試驗(yàn)階段，還沒有為環(huán)模加工、制造提供有力的理論依據(jù)。
本文借助Pro/Engineer實(shí)現(xiàn)環(huán)模三維建模，應(yīng)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了環(huán)模溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)及位移分布規(guī)律，為優(yōu)化環(huán)模材料選擇、制造工藝控制缺陷、保證模具強(qiáng)度、提高模具壽命提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)環(huán)模輥壓式成型機(jī)的研究與生產(chǎn)都有很好的應(yīng)用價(jià)值和參考價(jià)值。
1、數(shù)值模擬
基于溫度場(chǎng)求解時(shí)對(duì)材料熱物性參數(shù)取值、初始條件、邊界條件等處理原則，利用分塊模型化的特點(diǎn)，選取環(huán)模1/36模型進(jìn)行有限元分析。
1.1建模
圖1是環(huán)模的1/36幾何模型，對(duì)實(shí)際加工時(shí)存在的倒角、圓角、退刀槽進(jìn)行了簡(jiǎn)化。
1.2網(wǎng)格劃分
環(huán)模網(wǎng)格劃分如圖2所示，對(duì)環(huán)模采用自由網(wǎng)格劃分，單元邊長(zhǎng)為0.005。
1.3單元選擇
本文采用ANSYS中THERMAL模塊中的SOL-Ⅱ)70單元進(jìn)行環(huán)模的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬。SOUD70單元是個(gè)三維熱實(shí)體單元，具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有溫度一個(gè)自由度。該單元可用于三維的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的熱分析問題，并可補(bǔ)償由于恒定速度場(chǎng)質(zhì)量輸運(yùn)帶來的熱流損失。如果包含熱實(shí)體單元的模型還需進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可被一個(gè)等效的結(jié)單元(如SOUD45)所代替。
1.4基本方程
對(duì)于在高溫條件下工作的結(jié)構(gòu)，必須考慮溫度的影響。隨著溫度的升高，金屬材料的屈服極限有所降低，硬化特性也有所減小，逐漸接近理想塑性材料。同時(shí)材料參數(shù)彈性模量、泊松比、溫度膨脹系數(shù)等也隨溫度升高而有所變化，對(duì)于本課題研究的環(huán)模而言，應(yīng)變?cè)隽堪◤椥詰?yīng)變?cè)隽俊⑺苄詰?yīng)變?cè)隽亢蜔釕?yīng)變?cè)隽�。但由于其工作環(huán)境的溫度使材料參數(shù)變化甚微，故認(rèn)為環(huán)模材料的參數(shù)保持不變。
在考慮溫度影響的經(jīng)典熱彈塑性理論中，應(yīng)變?cè)隽靠杀硎緸椋?br />
1.5邊界條件
溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的邊界條件（本文所研究環(huán)模的溫度場(chǎng)分布情況）：環(huán)模的內(nèi)表面（與物料、壓輥接觸的面）作為熱流面，熱量以熱流密度(heat flux)的形式傳給環(huán)模，除了軸對(duì)稱面其他面與周圍空氣接觸，導(dǎo)致部分熱量散失，這種傳熱方式為對(duì)流( conv-ection)。
耦合場(chǎng)數(shù)值模擬的邊界條件：考慮到環(huán)模在穩(wěn)態(tài)工作下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，把環(huán)模與軸承的接觸面采用固定約束，由于數(shù)值模擬的環(huán)模模型為實(shí)際模型的1/36，所以對(duì)環(huán)模的兩側(cè)面采用對(duì)稱約束。
1.6材料參數(shù)
環(huán)模所用材料是42CrMo，該材料調(diào)質(zhì)后具有較高的疲勞極限，能抗多次沖擊，低溫沖擊韌性良好，足以滿足環(huán)模的摩擦大、易變形、沖擊次數(shù)多等特點(diǎn)。
2、數(shù)值模擬結(jié)果
2.1溫度場(chǎng)
圖3所描述的是不同�？组L(zhǎng)徑比的環(huán)模在成型過程中的溫度場(chǎng)分布情況。從3種�？组L(zhǎng)徑比的環(huán)模溫度場(chǎng)分布情況來看，環(huán)模工作表面的中心部位（壓輥和環(huán)模接觸的中間部位）溫度都達(dá)到了300qC以上，該溫度不僅可以達(dá)到軟化生物質(zhì)原料中木質(zhì)素的目的，而且可使軟化程度加劇進(jìn)而液化，此時(shí)的木質(zhì)素具有很好的黏結(jié)作用，可作為較好的黏結(jié)劑。因此，此刻只需對(duì)生物質(zhì)原料施加較小的壓力，即可得到與環(huán)模�？紫嗤螤畹某尚彤a(chǎn)品，因而成型設(shè)備消耗的能量較小。溫度分布中的最高溫度�？组L(zhǎng)徑比為6:1時(shí)最高，5:1時(shí)次之，4:1時(shí)最低。環(huán)模溫度不宜過低或過高，如果過低，沒有達(dá)到生物質(zhì)原料中木質(zhì)素的軟化點(diǎn)，木質(zhì)素起不到黏結(jié)作用；如果過高，生物質(zhì)中的木質(zhì)素將炭化，從而阻礙熱量的傳遞，內(nèi)部的木質(zhì)素?zé)o法軟化，最終使傳熱費(fèi)時(shí)耗能。
如圖4所示，不同�？组L(zhǎng)徑比的環(huán)模在不同寬度方向上溫度沿徑向的分布。整體來看，環(huán)模的溫度隨半徑的增大逐漸降低，這和實(shí)際情況相吻合，這主要是因?yàn)榄h(huán)模的熱量主要來源于環(huán)模、壓輥及物料之間的摩擦，并且發(fā)生在環(huán)模內(nèi)環(huán)面。由圖4可知，在寬度z=0時(shí)溫度最高，寬度z=0.125和寬度：= - 0.125的溫度變化曲線基本重合，這說明環(huán)模兩端的溫度變化幾乎相同；�？组L(zhǎng)徑比為4:1時(shí)，由于�？组L(zhǎng)度較短，且摩擦產(chǎn)生的熱量由中心向四周輻射，溫度沿徑向并不是按嚴(yán)格的遞減趨勢(shì)分布，所以z=0的曲線波動(dòng)較大。
從環(huán)模的徑向來看，溫度呈不規(guī)則的層狀分布，環(huán)模的工作表面溫度最高，這有利于加熱生物質(zhì)原料中的木質(zhì)素，隨著環(huán)模半徑的增大，溫度逐漸降低，在環(huán)模的端面，溫度達(dá)到最低，此處不是環(huán)模的工作區(qū)域，只是作為環(huán)模的一個(gè)散熱面，用來使環(huán)模的多余熱量對(duì)流到空氣中，從而使環(huán)模達(dá)到一個(gè)熱平衡狀態(tài)，富通新能源生產(chǎn)銷售的
秸稈壓塊機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等環(huán)模成型機(jī)專業(yè)壓制生物質(zhì)成型燃料。
2.2耦合場(chǎng)
圖5反映了不同�？组L(zhǎng)徑比的環(huán)模在成型過程中的應(yīng)力場(chǎng)分布情況，在環(huán)模的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖中可以看到，最大應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)模端面法蘭盤聯(lián)接處，也就是說這里最容易發(fā)生破壞。從環(huán)模整體結(jié)構(gòu)來看，它相當(dāng)于懸臂梁通過法蘭盤結(jié)構(gòu)安裝在軸承上，由理論力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)得知，最大應(yīng)力應(yīng)該出現(xiàn)在此處，數(shù)值模擬與理論分析相吻合。同時(shí)，還可以看出在環(huán)模的工作表面上應(yīng)力分布不均勻，中間的應(yīng)力比兩邊大，這說明環(huán)模在受到壓輥的擠壓力和物料的摩擦力后，工作表面磨損不均勻，會(huì)導(dǎo)致環(huán)模的工作表面凹凸不平，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致物料流動(dòng)受阻，出料量下降，導(dǎo)致環(huán)模停止工作。中間應(yīng)力比兩邊應(yīng)力大，說明環(huán)模中間磨損會(huì)比兩邊大，最終導(dǎo)致環(huán)模成腰鼓形，失效報(bào)廢。環(huán)模的�？讘�(yīng)力也較大，說明環(huán)模在成型過程中，物料在通過�？壮尚蜁r(shí)，�？壮惺茌^大的摩擦力，致使�？自诠ぷ饕欢螘r(shí)間后，孔內(nèi)壁磨損較大，孔徑增大，所生產(chǎn)的顆粒成型產(chǎn)品直徑超過規(guī)定值而失效。
成型過程中，物料在通過�？壮尚蜁r(shí)，給了模孔較大的摩擦力，致使�？自诠ぷ饕欢螘r(shí)間后，孔內(nèi)壁磨損較大，孔徑增大，所生產(chǎn)的顆粒成型產(chǎn)品直徑超過規(guī)定值而失效。
圖6所示的是不同�？组L(zhǎng)徑比環(huán)模在不同寬度方向上的應(yīng)力沿徑向分布曲線。從圖中可以看出，在3組曲線中，環(huán)模應(yīng)力隨半徑的增大逐漸減小，這是因?yàn)殡S著半徑增大，環(huán)模越來越厚，橫截面積增大，直接導(dǎo)致應(yīng)力減小。z= 0.125比Z=-0.125沿徑向上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力大，這與理論分析相吻合，這主要是因?yàn)閆= 0.125的環(huán)模端是固定端，z=- 0.125的環(huán)模端是自由端，而環(huán)模此時(shí)相當(dāng)于懸臂梁，故固定端應(yīng)力較自由端大。環(huán)模的最大應(yīng)力在�？组L(zhǎng)徑比4:1時(shí)最大，6:1時(shí)次之，5:1時(shí)最小，說明�？组L(zhǎng)徑比4:1環(huán)模最容易損壞，�？组L(zhǎng)徑比5:1環(huán)模壽命最長(zhǎng)。該圖所示的應(yīng)力曲線是熱．應(yīng)力耦合場(chǎng)作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，包含溫度產(chǎn)生的應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力曲線變化不均勻。
3、結(jié)論
綜上所述，可以看出環(huán)模溫度隨半徑增大而降低，環(huán)模兩端溫度變化幾乎相同。在3種模孔長(zhǎng)徑比中，模孔長(zhǎng)徑比為5：1的環(huán)模的溫度場(chǎng)情況對(duì)加熱生物質(zhì)原料中的木質(zhì)素更有利于成型。最大應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)模端面法蘭盤聯(lián)接處。環(huán)模進(jìn)行針對(duì)性地設(shè)計(jì)和優(yōu)化，為延長(zhǎng)環(huán)模使用壽命，提高成型機(jī)產(chǎn)量，降低能耗提供了重要的理論依據(jù)。
富通新能源生產(chǎn)銷售秸稈壓塊機(jī)、木屑顆粒機(jī)等環(huán)模式木屑顆粒機(jī)，同時(shí)我們還大量銷售楊木木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
