基于ANSYS的制粒機?？讌?shù)分析及優(yōu)化

田笑，張清萍，吳磊，杜遠(yuǎn)軍

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

基于ANSYS的制粒機?？讌?shù)分析及優(yōu)化

田笑1，張清萍1，吳磊2，杜遠(yuǎn)軍3

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

環(huán)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(zhì)量。本文針對目前市場上常見的環(huán)模模孔參數(shù)，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，利用正交試驗研究了壓縮比、?？字睆健⒛？族F角以及?？咨疃?種環(huán)模?？讌?shù)在擠壓過程中對模孔內(nèi)壁等效應(yīng)力的影響。確定了環(huán)模?？椎淖罴褏?shù)，為環(huán)模結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

制粒機；模孔；ANSYS；正交試驗；參數(shù)優(yōu)化

工業(yè)化進(jìn)程的加快使能源短缺、環(huán)境污染等問題越來越引起人們的重視。國內(nèi)外很多學(xué)者和機構(gòu)嘗試用生物質(zhì)能源代替化石燃料。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，在開發(fā)和利用生物質(zhì)能源方面有很大的發(fā)展空間，但是對于生物能源顆粒產(chǎn)品的生產(chǎn)加工與直接燃燒利用方面還剛剛起步，國內(nèi)外在秸稈壓縮環(huán)模成型基礎(chǔ)理論方面的研究還很薄弱，無法滿足生物質(zhì)壓縮成型設(shè)備研究和開發(fā)需要[1]。國內(nèi)部分高校和科研機構(gòu)開展了木質(zhì)顆粒成型技術(shù)方面的研究，取得了一定成績，但是制粒生產(chǎn)成本相對還比較高，與世界先進(jìn)水平相比仍有較大的差距，特別是在技術(shù)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化生產(chǎn)方面差距明顯[2]。

環(huán)模制粒機是將生物質(zhì)廢料轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)顆粒的關(guān)鍵。如圖1所示某型號臥式環(huán)模制粒機，主要由機架機構(gòu)、變速箱機構(gòu)、制粒室機構(gòu)、主軸機構(gòu)四部分組成。

環(huán)模制粒機以其產(chǎn)能高、能耗低被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)顆粒制造領(lǐng)域，環(huán)模作為組成環(huán)模制粒機的重要零部件，影響生產(chǎn)效率和顆粒的成型質(zhì)量。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要對環(huán)模模孔參數(shù)對環(huán)模壓縮成型的影響進(jìn)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、?？族F角、模孔直徑、錐孔深度的影響，對擠壓過程進(jìn)行模擬，得到秸稈擠壓的最佳環(huán)模?？讌?shù)。

圖1 環(huán)模制粒機

1 環(huán)模結(jié)構(gòu)及?？椎闹饕獏?shù)

圖2 環(huán)模實物圖

環(huán)模結(jié)構(gòu)如圖2所示，環(huán)模為有一定厚度的環(huán)形件，在其徑向方向加工一系列的?？?，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(zhì)環(huán)模制粒機的產(chǎn)量和成型質(zhì)量，減低磨損和能耗，就要通過改變環(huán)模?？椎男螤?、模輥間隙等細(xì)節(jié)上來改變，從而降低生產(chǎn)故障，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]。

環(huán)模?？捉Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其中，L為壓縮長度，即物料在環(huán)模?？字杏行У臄D壓長度；θ為錐孔角度，方便物料進(jìn)入?？祝F角過大，碎料易堵塞?？?，反之，降低擠壓效率；D為?？字睆?，即生產(chǎn)出的生物質(zhì)顆粒的直徑；L/D為壓縮比，即環(huán)模有效擠壓長度與?？字睆街?，壓縮比影響生物質(zhì)顆粒的密度和品質(zhì)；X為環(huán)?？偤穸?；d為?？兹肟谥睆剑籋為錐孔深度；A為?？揍尫哦?，即用來釋放環(huán)模作用于物料的壓力，可以使生物質(zhì)顆粒更好地穿過?？?。

圖3 環(huán)模?？椎慕Y(jié)構(gòu)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(jìn)入環(huán)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(huán)模簡化為平面問題分析，因為環(huán)模模孔為軸對稱結(jié)構(gòu)，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(zhì)物料擠壓與金屬擠壓類似，變形程度大，網(wǎng)格容易發(fā)生畸變[9]。為了便于研究，將物料視為可壓縮的連續(xù)體，根據(jù)連續(xù)體的彈塑性力學(xué)理論來研究其變形情況。環(huán)模、壓輥材料為20CrMnTi，材料參數(shù)設(shè)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(wǎng)格劃分

用ANSYS單元類型中的PLANE182結(jié)構(gòu)單元定義秸稈物料、壓輥以及環(huán)模模孔。劃分的網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 網(wǎng)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(huán)模模孔內(nèi)壁的接觸。對秸稈物料的左側(cè)施加對稱約束，對?？资┘庸潭s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(jié)果，求解后提取應(yīng)力云圖，并保存。

3 結(jié)果分析

目前，市場上主要采用的環(huán)模?？讌?shù)如表2所示。

表2 環(huán)模?？讌?shù)

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

由正交試驗分析結(jié)果可得，各因素對等效應(yīng)力的影響規(guī)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(huán)模內(nèi)壁受到的最大應(yīng)力值的影響較為次要，當(dāng)壓縮比為5.5∶1時，等效應(yīng)力值最小。

表3 正交試驗參數(shù)及結(jié)果

（2）從表4和圖6b可以看出，環(huán)?？讖降臉O差最小，是影響最小的因素，當(dāng)?？卓讖綖?mm時，?？變?nèi)壁受到的應(yīng)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(yīng)力值最小，因此環(huán)模?？卓讖饺?mm。

（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?？族F角的增大，?？资艿降牡刃?yīng)力的總體趨勢是增大的，因此?？族F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，?？變?nèi)壁受到的等效應(yīng)力不斷減小，因此錐孔深度取8mm最好。

表4 環(huán)模模孔等效應(yīng)力最大值分析

從以上分析可以得出，壓縮比、環(huán)模孔徑、錐孔角度、錐孔深度對試驗指標(biāo)?？變?nèi)壁等效應(yīng)力的影響程度從大到小依次為C（?？族F角）、A（壓縮比）、D（錐孔深度）、B（環(huán)?？讖剑?，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(jīng)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(xiàn)，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(shù)據(jù)寫入命令流并導(dǎo)入ANSYS，提取?？着c玉米秸稈物料的應(yīng)力云圖如圖7a所示，10號試驗方案的應(yīng)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(yīng)力值均出現(xiàn)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(huán)模模孔內(nèi)壁沿軸向（y方向）的等效應(yīng)力曲線，如圖8a為正交試驗得出的最佳方案的軸向等效應(yīng)力分布曲線，圖8b為正交試驗中10號方案的軸向等效應(yīng)力分布曲線。

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

圖6 因素與?？變?nèi)壁等效應(yīng)力趨勢圖

4 結(jié)論

圖7 物料擠壓應(yīng)力云圖

圖8 ?？變?nèi)壁沿軸向等效應(yīng)力曲線

本文通過設(shè)計正交試驗并采用有限元分析軟件ANSYS對環(huán)模制粒機物料擠壓入?？椎倪^程進(jìn)行分析，提取不同環(huán)模?？讌?shù)下的應(yīng)力分布，得到如下結(jié)論：

（1）在擠壓過程中，環(huán)模?？變?nèi)壁受到的等效應(yīng)力值的最大值出現(xiàn)在錐孔與直孔的交界處；

（2）環(huán)模模孔參數(shù)對擠壓過程影響程度從大到小依次為依次?？族F角、壓縮比、錐孔深度、環(huán)?？讖?，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(jìn)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(jìn)行擠壓。

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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(xué)基金面上項目（51475210）

田笑（1992-），男，碩士在讀，主攻機械裝備現(xiàn)代設(shè)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(shù)值模擬技術(shù)研究