生物質顆粒機關鍵部件設計及有限元分析

韋 山 （安徽工程大學機械與汽車學院，安徽 蕪湖241000；上海交通大學機械與動力學院，上海200240）

農林生物質能有很高的開發潛力，是未來能源利用的重要途徑。生物質顆粒成型機是生物質物料固化成型的一個主要技術。目前研究的生物質固化成型設備主要有螺桿擠壓式成型機、機械驅動活塞式成型機、液壓驅動活塞式成型機和輥壓式顆粒成型機等4種形式，以輥壓式顆粒成型機應用最為廣泛。

文獻 ［1］對環模生物質顆粒燃料成型機的顆粒成型進行了試驗研究；文獻 ［2］用熱重分析儀對玉米秸稈、木屑、混合木屑3種生物質成型顆粒燃料進行了理論分析；文獻 ［3］針對模輥式成型機在生產生物質顆粒燃料過程中存在能耗高等問題，以玉米秸稈為原料，研究了成型機模輥間隙、主軸轉速和模孔直徑等參數對生產率、噸燃料能耗、顆粒燃料的成型率、機械耐久性和顆粒密度等的影響，得出了滿意的結果。下面，筆者研究了一款生物質顆粒機的設計，并針對其關鍵部件進行了有限元分析和實物驗證。

圖1 生物質顆粒機結構示意圖

1 總體結構

生物質顆粒機主要由物料喂入、傳動系統、電力控制系統和平模機構等部件組成，其主要結構如圖1所示，主要技術參數如表1所示。

表1 生物質顆粒機的技術參數

2 主要部件設計

1）平模的設計分析 平模作為顆粒機成型作業的心臟，在設計中一定要考慮到：①平模應具有較強的強度和耐磨性以及耐腐蝕性；②充分考慮平模材質和結構參數對物料成型的影響，其中包括平模孔孔型、模孔間距、平模圓周速度、模孔粗糙度等，以實現優化設計。

由文獻 ［4］獲知，通常情況下生產小尺寸生物質顆粒，平模表面邊沿的線速度為2～5m／s。生產較大尺寸時，應將平模表面的速度限制在4～8m／s。由于本設計為生產小尺寸生物質顆粒，故平模表面邊沿的最佳線速度選用2～5m／s。

取D=500mm，通過大量試驗，認為當平模厚度為25mm時較理想，故取平模有效厚度L=25mm。

2）壓輥的設計 對于生物質顆粒機來說顆粒機壓輥的尺寸是其諸多基本參數中最為重要的，而選擇最佳的壓輥徑比λ（λ=r／R，r為壓輥的半徑，R為平模半徑）是設計顆粒機

壓輥的關鍵問題，也是設計和改進顆粒機的重要理論依據，從顆粒機工作時有關參數之間的幾何關系加以研究，可得這些參數之間的關系如圖2所示。圖2中，h0表示壓輥所能攫取的物料層厚度；攫取角α0表示壓輥的一條半徑OA的切線AB和平模上表面相交所成的角∠ABC；h為模輥間隙。

圖2 壓輥某一截面上平模工作區工況圖

由此可取壓輥所能攫取物料層的不同厚度h0和壓輥的一條半徑的切線和平模上表面相交所成的攫取角α0得出λ的不同取值。物料與鋼材的摩擦角一般在20～25°之間，而攫取角α0為物料與壓輥的摩擦角和物料與平模的摩擦角之和。取α0=40°，h0=20mm時，為λ的理論最佳值，即λ=0．842。

3 平模總成有限元分析

1）建立有限元模型 使用Catia軟件繪制的平模總成結構如圖3所示。該結構主要由壓輥、平模、動力軸和軸承等相關部件組成。動力傳動軸選用45鋼，材料的屈服強度為600MPa，彈性模量為209GPa，泊松比為0．269。壓輥材料選用耐磨性、強度好的42CrMoTi，彈性模量為205．8GPa，泊松比為0．293。

2）網格劃分 在Ansys／Workbench的DM模塊中對平模機構進行前處理，全部采用六面體網格進行劃分，共劃分節點1914440，單元572547。六面體網格在對于計算的準確性上可以有很大提高，劃分后的網格圖如圖4所示。

3）加載和約束 根據平模運動狀態在中心軸處添加約束，僅保留繞軸線轉動的自由度，添加轉速為104r／min。

圖3 平模總成三維模型圖

圖4 平模總成網格圖

4）靜力學分析 完成壓輥材料、約束、載荷等設置和有限元網格劃分后，即進行有限元分析，得到壓輥三維應力及等效應力。同時為了判斷材料是否發生永久變形，對可延展材料按照最大等效應力失效原理計算安全系數。圖5為壓輥靜力學分析結果，由圖5可知，壓輥機構在極限工況下受力為179．24MPa，變形量為 0．037mm，靜力學結果顯示設計符合材料和機構的要求。同時通過對結果分析可以得知，壓輥總成應力較大，是整個產品容易壞的部件。

5）疲勞分析 疲勞失效是壓輥產生破壞的主要原因。當壓輥在接受循環接觸應力作用時，永久性累計損傷會在局部產生，經一定循環次數后，接觸表面發生麻點、淺層或深層剝落。

從圖6有限元分析的結果可以發現，安全系數較低的地方發生在壓輥2側，為2．4。圖7顯示的是600h的軸承安全壽命，看出最低的安全系數只有0．8，說明在缺少潤滑和冷卻條件下，軸承的壽命嚴重降低，在實際使用過程中，軸承運行600h就需要更換，后續的工作將針對這個問題作進一步改進。

圖5 平模總成靜力學分析結果

圖6 壓輥疲勞系數云圖

4 試驗驗證

圖7 軸承疲勞系數云圖

對研制成功的樣機，進行了生物質顆粒生產試驗。試驗對象為竹粉，經測試竹粉顆粒含水率為8．3%，顆粒成型率為96%，成品顆粒堅實度為91．7%，并且顆粒機的噸耗電量為59．8kW·h／t，成產率高達524kg／h。

5 結 語

通過對壓輥的理論計算分析，從理論上說明了設計的正確性。通過對壓輥進行有限元分析，得出了壓輥在極限工況下應力、應變和平均疲勞系數，驗證了壓輥機構的合理性。通過樣機的生產試驗表明，采用這種結構的生物質顆粒機的能耗低、產量大、產品生物質顆粒品質高。

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