基于ANSYS的制粒機模孔參數分析及優化

田笑，張清萍，吳磊，杜遠軍

（1.濟南大學機械工程學院，山東濟南250022；2.山東雙鶴機械制造股份有限公司，山東德州253600；3.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南250306）

基于ANSYS的制粒機模孔參數分析及優化

田笑1，張清萍1，吳磊2，杜遠軍3

（1.濟南大學機械工程學院，山東濟南250022；2.山東雙鶴機械制造股份有限公司，山東德州253600；3.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南250306）

環模作為制粒機的重要組成部件，影響制粒機的制粒效率和成型質量。本文針對目前市場上常見的環模模孔參數，應用ANSYS有限元分析軟件進行數值模擬，利用正交試驗研究了壓縮比、模孔直徑、模孔錐角以及模孔深度4種環模模孔參數在擠壓過程中對模孔內壁等效應力的影響。確定了環模模孔的最佳參數，為環模結構優化提供了依據。

制粒機；模孔；ANSYS；正交試驗；參數優化

工業化進程的加快使能源短缺、環境污染等問題越來越引起人們的重視。國內外很多學者和機構嘗試用生物質能源代替化石燃料。我國是一個農業大國，在開發和利用生物質能源方面有很大的發展空間，但是對于生物能源顆粒產品的生產加工與直接燃燒利用方面還剛剛起步，國內外在秸稈壓縮環模成型基礎理論方面的研究還很薄弱，無法滿足生物質壓縮成型設備研究和開發需要[1]。國內部分高校和科研機構開展了木質顆粒成型技術方面的研究，取得了一定成績，但是制粒生產成本相對還比較高，與世界先進水平相比仍有較大的差距，特別是在技術設備的產業化和商業化生產方面差距明顯[2]。

環模制粒機是將生物質廢料轉化為生物質顆粒的關鍵。如圖1所示某型號臥式環模制粒機，主要由機架機構、變速箱機構、制粒室機構、主軸機構四部分組成。

環模制粒機以其產能高、能耗低被廣泛應用于生物質顆粒制造領域，環模作為組成環模制粒機的重要零部件，影響生產效率和顆粒的成型質量。目前，國內外學者主要對環模模孔參數對環模壓縮成型的影響進行單因素或幾個因素的研究，并不全面[3～5]。本文將采用正交試驗利用有限元分析軟件ANSYS，考慮壓縮比、模孔錐角、模孔直徑、錐孔深度的影響，對擠壓過程進行模擬，得到秸稈擠壓的最佳環模模孔參數。

圖1 環模制粒機

1 環模結構及模孔的主要參數

圖2 環模實物圖

環模結構如圖2所示，環模為有一定厚度的環形件，在其徑向方向加工一系列的模孔，底部凸緣部分方便與連體空軸定位，并固定在空心軸上。要想從根本上提高生物質環模制粒機的產量和成型質量，減低磨損和能耗，就要通過改變環模模孔的形狀、模輥間隙等細節上來改變，從而降低生產故障，提高系統穩定性[6]。

環模模孔結構示意圖如圖3所示，其中，L為壓縮長度，即物料在環模模孔中有效的擠壓長度；θ為錐孔角度，方便物料進入模孔，錐角過大，碎料易堵塞模孔，反之，降低擠壓效率；D為模孔直徑，即生產出的生物質顆粒的直徑；L/D為壓縮比，即環模有效擠壓長度與模孔直徑之比，壓縮比影響生物質顆粒的密度和品質；X為環模總厚度；d為模孔入口直徑；H為錐孔深度；A為模孔釋放段，即用來釋放環模作用于物料的壓力，可以使生物質顆粒更好地穿過模孔。

圖3 環模模孔的結構示意圖

2 秸稈擠壓有限元分析

2.1 建立物料擠壓模型

壓輥擠壓粉碎后的物料進入環模模孔。分析時，將壓輥簡化為有厚度的平板，秸稈物料、壓輥以及環模簡化為平面問題分析，因為環模模孔為軸對稱結構，選擇秸稈物料、壓輥以及模孔的沿軸向的1/2建立有限元模型[8]，如圖4所示。

2.2 材料屬性

生物質物料擠壓與金屬擠壓類似，變形程度大，網格容易發生畸變[9]。為了便于研究，將物料視為可壓縮的連續體，根據連續體的彈塑性力學理論來研究其變形情況。環模、壓輥材料為20CrMnTi，材料參數設置如表1所示。

圖4 物料擠壓模型

表1 20CrMnTi材料屬性

2.3 單元類型的選擇及網格劃分

用ANSYS單元類型中的PLANE182結構單元定義秸稈物料、壓輥以及環模模孔。劃分的網格如圖5所示。

圖5 網格劃分示意圖

2.4 建立接觸對、定義載荷和約束

采用TARGET169和CONTA172單元來模擬秸稈物料與壓輥、秸稈物料與環模模孔內壁的接觸。對秸稈物料的左側施加對稱約束，對模孔施加固定約束，使其固定不動，在壓輥上施加向下的位移載荷0.005m。定義25步完成加載，并保存每個載荷步計算結果，求解后提取應力云圖，并保存。

3 結果分析

目前，市場上主要采用的環模模孔參數如表2所示。

表2 環模模孔參數

根據表2參數，參考正交表L25（56）取前五列安排試驗，重復以上分析步驟，提取每個試驗的最大等效應力，整理如表3所示。表4為環模內孔等效應力最大值分析。

由正交試驗分析結果可得，各因素對等效應力的影響規律如圖6a～d所示。

（1）從表4和圖6a可以看出，壓縮比對擠壓過程中環模內壁受到的最大應力值的影響較為次要，當壓縮比為5.5∶1時，等效應力值最小。

表3 正交試驗參數及結果

（2）從表4和圖6b可以看出，環模孔徑的極差最小，是影響最小的因素，當模孔孔徑為8mm時，模孔內壁受到的應力值最大，然后往兩邊遞減。從圖中可以看出取4mm時，受到的等效應力值最小，因此環模模孔孔徑取4mm。

（3）從表4和圖6c可以看出，模孔錐角是影響最大的因素；而且隨著模孔錐角的增大，模孔受到的等效應力的總體趨勢是增大的，因此模孔錐角取30°最好。

（4）從表4和圖6d可以看出，錐孔深度是影響較小的因素，隨著錐孔深度的增大，模孔內壁受到的等效應力不斷減小，因此錐孔深度取8mm最好。

表4 環模模孔等效應力最大值分析

從以上分析可以得出，壓縮比、環模孔徑、錐孔角度、錐孔深度對試驗指標模孔內壁等效應力的影響程度從大到小依次為C（模孔錐角）、A（壓縮比）、D（錐孔深度）、B（環模孔徑），選取的最佳方案為C1A2D5B5，即：模孔壓縮比5.5:1、直徑12mm、模孔錐角30°、錐孔深度8mm。

對比上述25次試驗，經過分析得到的最好方案A2B5C1D5，在安排的25次試驗中并沒有出現，而與之相近的是第10號試驗。為了印證得到的試驗方案是否為最佳，將得到的數據寫入命令流并導入ANSYS，提取模孔與玉米秸稈物料的應力云圖如圖7a所示，10號試驗方案的應力云圖如圖7b所示。

由圖7可以看出，正交試驗得出的最佳方案與10號方案的最大應力值均出現在錐孔與直孔交界處，最大值分別為0.749MPa和0.832MPa。

提取兩個方案中環模模孔內壁沿軸向（y方向）的等效應力曲線，如圖8a為正交試驗得出的最佳方案的軸向等效應力分布曲線，圖8b為正交試驗中10號方案的軸向等效應力分布曲線。

由兩種環模沿軸向（y方向）的應力分布圖可以看出，最佳方案的應力分布較試驗10的應力分布曲線較為平緩，應力最大點出現在錐孔與直孔交界處，可以看出擠壓時模孔內錐角處的應力以此遞減，在物料擠出模孔底部時，由于要釋放擠壓力，模孔底部受到應力會變大。

圖6 因素與模孔內壁等效應力趨勢圖

4 結論

圖7 物料擠壓應力云圖

圖8 模孔內壁沿軸向等效應力曲線

本文通過設計正交試驗并采用有限元分析軟件ANSYS對環模制粒機物料擠壓入模孔的過程進行分析，提取不同環模模孔參數下的應力分布，得到如下結論：

（1）在擠壓過程中，環模模孔內壁受到的等效應力值的最大值出現在錐孔與直孔的交界處；

（2）環模模孔參數對擠壓過程影響程度從大到小依次為依次模孔錐角、壓縮比、錐孔深度、環模孔徑，錐孔角度越小越利于擠壓，錐孔深度越大越利于擠壓；

（3）對玉米秸稈進行擠壓時宜選用模孔壓縮比為5.5：1、直徑為12mm、模孔錐角為30°、錐孔深度為8mm的模具進行擠壓。

[1]歐陽雙平，侯書林，趙立欣，等.生物質固體成型燃料環模成型技術研究進展[J].可再生能源，2011，29（1）：14-18.

[2]寧廷州，馬阿娟，俞洋，等.生物質環模顆粒成型存在的問題及對策分析[J].中國農機化學報，2016，（1）.

[3]Poddar S，Kamruzzaman M，Sujan S M A，et al.Effect of compression pressure on lignocellulosic biomass pellet to improve fuel properties：Higher heating value[J].Fuel，2014，131（3）：43-48.

[4]申樹云，董玉平.生物質顆粒成型機的環模特性研究[J].太陽能學報，2010，31（1）：132-136.

[5]李震，薛冰，俞國勝.環模模孔錐角及進料腔長度對模孔強度影響研究[J].飼料工業，2014，（1）：23-27.

[6]田鵬飛.制粒機壓制室料層分布淺析[J].漁業現代化，2002，（1）：37-38.

[7]武凱，孫宇.環模制粒成型技術與裝備[M].北京：科學出版社，2013.

[8]施水娟.環模制粒機擠壓成形機理分析與結構參數優化[D].南京：南京理工大學，2011.

[9]吳向紅，趙國群，馬新武，等.模具錐角對鋁材擠壓過程影響規律的研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2005，40（5）：75-78.

Analysisand optim ization of die hole parameters for pellet m ill based on ANSYS

TIAN Xiao1,ZHANG Qingping1,WU Lei2，DU Yuanjun3
（1.School of Mechanical Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,Shandong China; 2.Shandong Double Crane Machinery Manufacturer Co.,Ltd.,Dezhou 253600,Shandong China; 3.Jinan Foundry and Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 250306,Shandong China）

Aiming at the hole parameters of common ring die in the market,the numerical simulation has been conducted by use of ANSYS finite element analysis software.The influence of four kinds of ring die parameters including compression ratio,die tool hole,die hole taper angle and die hole depth to the equivalent stress of die hole inner wall has been studied during extrusion process by use of orthogonal test.The optimum parameters for ring die hole have been determined,which provides reference for structure optimization of ring die.

ANSYS;Die hole;Pellet mill;Orthogonal test;Optimization of parameters

TK6

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.022

1672-0121（2016）05-0074-05

2016-04-27；

2016-06-16

國家自然科學基金面上項目（51475210）

田笑（1992-），男，碩士在讀，主攻機械裝備現代設計與分析。E-mail：t_xiao1992@163.com

張清萍（1972-），女，博士，副教授，從事有限元分析方法及金屬塑性成形數值模擬技術研究