论文部分内容阅读
摘要：针对单层秸秆压块成型设备生产能力低、单位能耗大的问题，分析双层环模式秸秆压块机的性能优势，并提出了一种改进的双层环模结构。通过ANSYS软件对改进前后的环模模块进行应力应变分析，对比了模孔径向与轴向的应力应变分布情况。结果表明：改进后的双层环模模块具有更好的力学性能，为双层甚至多层环模模块的结构设计提供了新的思路。
关键词：秸秆压块机；环模；双层结构；优化设计
中图分类号： S226.9 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0415-04
随着人们对环境污染问题的关注程度不断提高，如何正确处理农作物秸秆已经成为我国学者研究的焦点之一。秸秆压块成型技术的出现，为高效再利用秸秆资源提供了一条很好的途径[1]。秸秆成型设备按照成型方式的不同具有多种结构形式，其中环模辊压式秸秆成型设备，相对于螺旋挤压等成型方式，具有生产率高、生产成本低的优势[2]，是目前秸秆压块成型技术的主流研究对象。
目前，国内秸秆成型设备普遍存在的问题之一是生产能力偏低、单位能耗过大[3]。根据能耗比模型理论[4]，增大产量可以降低成型的能耗比。针对单层环模设备大型化呈现的种种约束，双层出料口结构的环模式秸秆压块机因其能成倍地提高产量，成为秸秆成型设备大型化的发展趋势。环模在工作过程中受物料挤压和稳定升高的影响，极易磨损，为改善环模的力学性能，提高使用寿命，国内学者对环模结构进行了大量分析优化与试验验证[5-6]，但均是针对单层环模结构，对双层环模结构的研究十分匮乏。本研究对双层环模的模块进行建模，并提出一种改进的双层环模模块结构，通过有限元软件ANSYS进行静力学仿真，反映其工作过程中的应力与应变分布情况，并与普通的双层环模模块结构进行对比，证实改进型的双层环模模块具有更加合理的力学特性，为双层甚至多层环模模块结构的设计与发展提供参考。
1 环模模块结构设计与分析
双层环模与单层环模具有相同的模孔结构，不同点是双层结构在环模轴向进行了拓展，因此可以首先对单层环模的结构进行设计，通过分析单层环模结构在设备大型化方面存在的问题，来设计双层环模结构。
1.1 单层环模结构形式
本研究的单层环模由36块结构相同的模块拼接组合而成，每个模孔为直径dm=30 mm、长度I=140 mm的圆柱，模孔前端设有40°锥角用于使物料挤压成型；环模内径d=620 mm，外径D=900 mm，模块厚度为60 mm。单个模块与整体组合的单层环模结构如图1所示。
1.2 单层环模结构的缺陷
单层环模结构在技术上存在很多不足之处，从设备大型化的发展角度对比分析增加模孔对单层环模结构的秸秆成型机带来的问题。
问题1：造成模盘尺寸过大。模盘是环模模块安装的载
当模孔数n由36个增加到60个时，可以绘制模孔数-模盘面积曲线。由图2可知，模盘面积随着模孔数的增加呈现二次上升曲线，模孔数越多，面积增加得越快。因此，当要求设备产量较大时，就会造成模盘的加工成本和制造难度迅速上升；同时，较大的模盘尺寸对于安装和运输来说也造成了负担。因此，单层出料孔的设计思路制约了环模式秸秆压块机的大型化发展。
问题2：造成设备堵机现象。市场上的现有设备将环模内径d作为模盘进料口直径，这导致进料口面积与出料口面积比例严重失调。通过计算可以发现，入料口的面积：
当模孔数n由36个增加到60个时，绘制入料/出料面积比例图，由图3可以看出，入料通道的面积是出料孔面积总和的10倍以上，这使得物料进入模盘的速度远大于设备的产出速度，而且随着模孔数量的增加，入料通道面积与出料孔的面积比表现为线性增加，入料与出料速度比越发失调。在依靠人工上料的情况下，一旦控制不好入料量就会产生堵机现象，这种情况在实际生产中尤为常见，严重堵塞时甚至会损害模盘内的压辊部件。
问题3：造成设备功率需求增大。根据设备的运作情况，可以将设备的功率消耗归纳于以下3个方面：挤压成型过程中压辊克服物料摩擦力的做功；克服设备转动惯量所做的功；克服物料与环模摩擦发热所做的功。增加模孔不但造成压辊力臂的增大，同时也造成设备转动惯量的增大，这势必提高了设备的功率需求，对驱动元件的选型造成负担。
由于双层环模结构从模盘的轴向增加模孔数量，不改变模盘尺寸、入料口面积、压辊力臂长度，能够很好地避免上述问题，为秸秆压块成型设备大型化发展提供了合理的途径。
1.3 双层环模结构形式
双层环模结构是由单层环模结构沿模盘轴向拓展延伸而来的，同样是组合式模块结构，模孔的结构参数保持不变，双层环模结构如图4所示。
对双层环模结构进行观察可以发现，在每个模孔成型压力相同的条件下，双层环模结构的模块所承受的载荷在模孔径向发生叠加，工作应力应变比单层结构要大，更容易发生磨损和断裂失效，这是双层环模结构不可避免的问题之一。因此，探索更加合理的双层环模结构具有重要的现实意义。
2 双层环模模块结构分析与优化
2.1 模块结構优化目标
模块的结构改进是减小环模磨损的手段之一，为了确定改进的目标参数，首先要分析模块的磨损机理。磨料磨损主要有以下几个方面[7]：（1）塑性变形失效。环模材料表面受到挤压发生塑性变形，被推到两侧材料被反复挤压发生加工硬化或其他强化作用，最终剥落。（2）疲劳失效。环模工作时受到较大的交变接触压应力，经过一段时间的积累表面出现疲劳裂纹并逐渐扩大，最终导致疲劳破坏。（3）磨损失效。秸秆物料成型过程对模孔的挤压磨损，导致模孔变大，孔壁变薄而发生的失效形式。
通过上述分析可以看出，减小环模工作时的应力和应变是模块结构改进的主要目标，因此需要对环模模块工作状态的应力应变进行分析。 2.2 双层环模模块力学仿真
通过ANSYS软件对环模模块工作部位进行静力分析，求解出模块工作状态下的应力应变情况。模块材料采用42CrMo，密度为7 870 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，采用Solid185网格类型对模块模型进行网格划分。
对环模模块的工作情况进行分析可知，环模通过紧固螺栓固定在成型设备上，模块嵌入机体中，上下表面卡入沟槽，因此外表面为固定约束。压力作用在环模内环表面、模孔表面，根据文献报道[6，8-9]，对模型施加约束与载荷，对锥面由内向外施加15～25 MPa的线性压力载荷；对孔壁由内向外施加 40～10 MPa 的线性压力载荷；对环模内环施加15 MPa的压力载荷。约束与载荷施加示意见图5。
通过求解得出双层环模模块的应力与应变云图如图6所示。
由图6可以看出，最大应力集中在锥面与模孔交接处的水平中心部位，约为39.6 MPa，这是由于该处壁厚较薄，同时物料受到锥面成型作用在此处达到最大值而产生的；最大应变位于上下2个模孔锥面连线的中点位置，约为0.005 mm，这是由于中间位置没有约束，上下模孔受到的挤压位移在此处发生了叠加。
2.3 改进双层环模结构分析与对比
为了提高双层环模模块的使用寿命，降低使用成本，提出了改进的双层环模模块结构。
图7为改进的双层环模结构，将每个模块的体积减小一半并沿模盘轴向错开一个孔的位置，形成交错排列的模孔布局，这样可以避免模孔开在同一侧而产生应力叠加问题，并且由于模块体积减小，提高模块加工质量，降低加工成本。同时，模块之间的相互作用可以抑制形变量的扩展。
采用相同边界条件对交错式双层模块结构进行有限元分析，得到图8所示的分析结果。
由应力应变云图可以发现改进后的双层环模模块结构减小了上下模孔的应力应变叠加作用，为了更加准确地评判改进后模块与原始模块之间的区别，沿模孔径向与轴向取一系列特征点加以对比分析。应力与应变情况分别见图9、图10。
由应力对比图可以看出，在模孔的轴线方向改进模块与原始模块的应力变化情况呈现相同规律，都在锥面与模孔交界处达到最大值，并向物料出口呈现减小趋势，而改进模块的应力水平小于原始模块的应力水平；在模孔的径向上，改进后的模块应力变化相对平滑，模孔中间处（90°）的峰值小于原始模块的应力峰值。改进模块在单侧（180°）发生了应力集中现象，这是由上下模孔的非对称性导致的。
由应变对比图可以看出，在模孔的轴线方向改进后的模块应变量始终小于原始模块；在模孔的径向同样是改进后的模块应变量较小，这是由于改进后的模块将自身应变转移到了2个模块之间，使得应变量无法得到扩展。事实上，改进后的模块最大应变量只有原始模块最大应变量的30%，充分体现了改进后模块的优秀结构特点。
3 结论
通过对单层环模模块结构的设计，从设备大型化角度探讨单层环模结构存在的缺陷，分析了双层环模结构具有的优势。针对已有的双层环模结构，提出一种改进的结构形式，通过计算模孔轴向与径向的应力应变分布情况，对比了改进前后双层环模结构所具有的不同力学特性，结果表明改进后的环模结构在应力与应变水平方面均低于原始的环模结构，验证了改进的双层环模结构在消除应力叠加，延长环模模块使用寿命方面具有的优势。本研究从环模模块结构优化的角度为秸秆成型设备大型化的发展提供了新的思路。
参考文献：
[1]张百良，樊峰鸣，李保谦，等. 生物质成型燃料技术及产业化前景分析[J]. 河南农业大学学报，2005，39（1）：111-115.
[2]严永林. 生物质固化成型设备的研究[J]. 林业机械与木工设备，2003，31（12）：19-21.
[3]姚宗路，赵立欣，田宜水，等. 立式环模生物质成型机设计与试验[J]. 农业机械学报，2013，44（11）：139-143.
[4]霍丽丽，赵立欣，田宜水，等. 生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型[J]. 农业工程学报，2013，39（9）：200-206.
[5]付 敏，梁 栋，范德林. 秸秆压块机环模工作受力分析与仿真研究[J]. 安徽农业科学，2013，41（28）：11559-11562.
[6]周 亮，孙 宇，武 凯，等. 环模式秸秆压块机模具有限元分析及錐角优化[J]. 农机化研究，2014（6）：224-227，232.
[7]王辉，曹明宇，陈再良，等. 4Cr13钢饲料机环模的失效分析[J]. 金属热处理，2003，28（6）：54-57.
[8]武 凯，施水娟，彭斌彬，等. 环模制粒挤压过程力学建模及影响因素分析[J]. 农业工程学报，2010，26（12）：142-147.
[9]孙启新，张仁俭，董玉平. 基于ANSYS的秸秆类生物质冷成型仿真分析[J]. 农业机械学报，2009，40（12）：130-134.
关键词：秸秆压块机；环模；双层结构；优化设计
中图分类号： S226.9 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0415-04
随着人们对环境污染问题的关注程度不断提高，如何正确处理农作物秸秆已经成为我国学者研究的焦点之一。秸秆压块成型技术的出现，为高效再利用秸秆资源提供了一条很好的途径[1]。秸秆成型设备按照成型方式的不同具有多种结构形式，其中环模辊压式秸秆成型设备，相对于螺旋挤压等成型方式，具有生产率高、生产成本低的优势[2]，是目前秸秆压块成型技术的主流研究对象。
目前，国内秸秆成型设备普遍存在的问题之一是生产能力偏低、单位能耗过大[3]。根据能耗比模型理论[4]，增大产量可以降低成型的能耗比。针对单层环模设备大型化呈现的种种约束，双层出料口结构的环模式秸秆压块机因其能成倍地提高产量，成为秸秆成型设备大型化的发展趋势。环模在工作过程中受物料挤压和稳定升高的影响，极易磨损，为改善环模的力学性能，提高使用寿命，国内学者对环模结构进行了大量分析优化与试验验证[5-6]，但均是针对单层环模结构，对双层环模结构的研究十分匮乏。本研究对双层环模的模块进行建模，并提出一种改进的双层环模模块结构，通过有限元软件ANSYS进行静力学仿真，反映其工作过程中的应力与应变分布情况，并与普通的双层环模模块结构进行对比，证实改进型的双层环模模块具有更加合理的力学特性，为双层甚至多层环模模块结构的设计与发展提供参考。
1 环模模块结构设计与分析
双层环模与单层环模具有相同的模孔结构，不同点是双层结构在环模轴向进行了拓展，因此可以首先对单层环模的结构进行设计，通过分析单层环模结构在设备大型化方面存在的问题，来设计双层环模结构。
1.1 单层环模结构形式
本研究的单层环模由36块结构相同的模块拼接组合而成，每个模孔为直径dm=30 mm、长度I=140 mm的圆柱，模孔前端设有40°锥角用于使物料挤压成型；环模内径d=620 mm，外径D=900 mm，模块厚度为60 mm。单个模块与整体组合的单层环模结构如图1所示。
1.2 单层环模结构的缺陷
单层环模结构在技术上存在很多不足之处，从设备大型化的发展角度对比分析增加模孔对单层环模结构的秸秆成型机带来的问题。
问题1：造成模盘尺寸过大。模盘是环模模块安装的载
当模孔数n由36个增加到60个时，可以绘制模孔数-模盘面积曲线。由图2可知，模盘面积随着模孔数的增加呈现二次上升曲线，模孔数越多，面积增加得越快。因此，当要求设备产量较大时，就会造成模盘的加工成本和制造难度迅速上升；同时，较大的模盘尺寸对于安装和运输来说也造成了负担。因此，单层出料孔的设计思路制约了环模式秸秆压块机的大型化发展。
问题2：造成设备堵机现象。市场上的现有设备将环模内径d作为模盘进料口直径，这导致进料口面积与出料口面积比例严重失调。通过计算可以发现，入料口的面积：
当模孔数n由36个增加到60个时，绘制入料/出料面积比例图，由图3可以看出，入料通道的面积是出料孔面积总和的10倍以上，这使得物料进入模盘的速度远大于设备的产出速度，而且随着模孔数量的增加，入料通道面积与出料孔的面积比表现为线性增加，入料与出料速度比越发失调。在依靠人工上料的情况下，一旦控制不好入料量就会产生堵机现象，这种情况在实际生产中尤为常见，严重堵塞时甚至会损害模盘内的压辊部件。
问题3：造成设备功率需求增大。根据设备的运作情况，可以将设备的功率消耗归纳于以下3个方面：挤压成型过程中压辊克服物料摩擦力的做功；克服设备转动惯量所做的功；克服物料与环模摩擦发热所做的功。增加模孔不但造成压辊力臂的增大，同时也造成设备转动惯量的增大，这势必提高了设备的功率需求，对驱动元件的选型造成负担。
由于双层环模结构从模盘的轴向增加模孔数量，不改变模盘尺寸、入料口面积、压辊力臂长度，能够很好地避免上述问题，为秸秆压块成型设备大型化发展提供了合理的途径。
1.3 双层环模结构形式
双层环模结构是由单层环模结构沿模盘轴向拓展延伸而来的，同样是组合式模块结构，模孔的结构参数保持不变，双层环模结构如图4所示。
对双层环模结构进行观察可以发现，在每个模孔成型压力相同的条件下，双层环模结构的模块所承受的载荷在模孔径向发生叠加，工作应力应变比单层结构要大，更容易发生磨损和断裂失效，这是双层环模结构不可避免的问题之一。因此，探索更加合理的双层环模结构具有重要的现实意义。
2 双层环模模块结构分析与优化
2.1 模块结構优化目标
模块的结构改进是减小环模磨损的手段之一，为了确定改进的目标参数，首先要分析模块的磨损机理。磨料磨损主要有以下几个方面[7]：（1）塑性变形失效。环模材料表面受到挤压发生塑性变形，被推到两侧材料被反复挤压发生加工硬化或其他强化作用，最终剥落。（2）疲劳失效。环模工作时受到较大的交变接触压应力，经过一段时间的积累表面出现疲劳裂纹并逐渐扩大，最终导致疲劳破坏。（3）磨损失效。秸秆物料成型过程对模孔的挤压磨损，导致模孔变大，孔壁变薄而发生的失效形式。
通过上述分析可以看出，减小环模工作时的应力和应变是模块结构改进的主要目标，因此需要对环模模块工作状态的应力应变进行分析。 2.2 双层环模模块力学仿真
通过ANSYS软件对环模模块工作部位进行静力分析，求解出模块工作状态下的应力应变情况。模块材料采用42CrMo，密度为7 870 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，采用Solid185网格类型对模块模型进行网格划分。
对环模模块的工作情况进行分析可知，环模通过紧固螺栓固定在成型设备上，模块嵌入机体中，上下表面卡入沟槽，因此外表面为固定约束。压力作用在环模内环表面、模孔表面，根据文献报道[6，8-9]，对模型施加约束与载荷，对锥面由内向外施加15～25 MPa的线性压力载荷；对孔壁由内向外施加 40～10 MPa 的线性压力载荷；对环模内环施加15 MPa的压力载荷。约束与载荷施加示意见图5。
通过求解得出双层环模模块的应力与应变云图如图6所示。
由图6可以看出，最大应力集中在锥面与模孔交接处的水平中心部位，约为39.6 MPa，这是由于该处壁厚较薄，同时物料受到锥面成型作用在此处达到最大值而产生的；最大应变位于上下2个模孔锥面连线的中点位置，约为0.005 mm，这是由于中间位置没有约束，上下模孔受到的挤压位移在此处发生了叠加。
2.3 改进双层环模结构分析与对比
为了提高双层环模模块的使用寿命，降低使用成本，提出了改进的双层环模模块结构。
图7为改进的双层环模结构，将每个模块的体积减小一半并沿模盘轴向错开一个孔的位置，形成交错排列的模孔布局，这样可以避免模孔开在同一侧而产生应力叠加问题，并且由于模块体积减小，提高模块加工质量，降低加工成本。同时，模块之间的相互作用可以抑制形变量的扩展。
采用相同边界条件对交错式双层模块结构进行有限元分析，得到图8所示的分析结果。
由应力应变云图可以发现改进后的双层环模模块结构减小了上下模孔的应力应变叠加作用，为了更加准确地评判改进后模块与原始模块之间的区别，沿模孔径向与轴向取一系列特征点加以对比分析。应力与应变情况分别见图9、图10。
由应力对比图可以看出，在模孔的轴线方向改进模块与原始模块的应力变化情况呈现相同规律，都在锥面与模孔交界处达到最大值，并向物料出口呈现减小趋势，而改进模块的应力水平小于原始模块的应力水平；在模孔的径向上，改进后的模块应力变化相对平滑，模孔中间处（90°）的峰值小于原始模块的应力峰值。改进模块在单侧（180°）发生了应力集中现象，这是由上下模孔的非对称性导致的。
由应变对比图可以看出，在模孔的轴线方向改进后的模块应变量始终小于原始模块；在模孔的径向同样是改进后的模块应变量较小，这是由于改进后的模块将自身应变转移到了2个模块之间，使得应变量无法得到扩展。事实上，改进后的模块最大应变量只有原始模块最大应变量的30%，充分体现了改进后模块的优秀结构特点。
3 结论
通过对单层环模模块结构的设计，从设备大型化角度探讨单层环模结构存在的缺陷，分析了双层环模结构具有的优势。针对已有的双层环模结构，提出一种改进的结构形式，通过计算模孔轴向与径向的应力应变分布情况，对比了改进前后双层环模结构所具有的不同力学特性，结果表明改进后的环模结构在应力与应变水平方面均低于原始的环模结构，验证了改进的双层环模结构在消除应力叠加，延长环模模块使用寿命方面具有的优势。本研究从环模模块结构优化的角度为秸秆成型设备大型化的发展提供了新的思路。
参考文献：
[1]张百良，樊峰鸣，李保谦，等. 生物质成型燃料技术及产业化前景分析[J]. 河南农业大学学报，2005，39（1）：111-115.
[2]严永林. 生物质固化成型设备的研究[J]. 林业机械与木工设备，2003，31（12）：19-21.
[3]姚宗路，赵立欣，田宜水，等. 立式环模生物质成型机设计与试验[J]. 农业机械学报，2013，44（11）：139-143.
[4]霍丽丽，赵立欣，田宜水，等. 生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型[J]. 农业工程学报，2013，39（9）：200-206.
[5]付 敏，梁 栋，范德林. 秸秆压块机环模工作受力分析与仿真研究[J]. 安徽农业科学，2013，41（28）：11559-11562.
[6]周 亮，孙 宇，武 凯，等. 环模式秸秆压块机模具有限元分析及錐角优化[J]. 农机化研究，2014（6）：224-227，232.
[7]王辉，曹明宇，陈再良，等. 4Cr13钢饲料机环模的失效分析[J]. 金属热处理，2003，28（6）：54-57.
[8]武 凯，施水娟，彭斌彬，等. 环模制粒挤压过程力学建模及影响因素分析[J]. 农业工程学报，2010，26（12）：142-147.
[9]孙启新，张仁俭，董玉平. 基于ANSYS的秸秆类生物质冷成型仿真分析[J]. 农业机械学报，2009，40（12）：130-134.