對輥柱塞式成型機仿真分析

寧廷州，侯書林

(1.中國農業大學 工學院，北京 100083；2.山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034；3.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

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對輥柱塞式成型機仿真分析

寧廷州1,2，侯書林1,3

(1.中國農業大學 工學院，北京 100083；2.山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034；3.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

為縮短產品設計周期，降低由于設計不合理導致的成本增加問題，基于SolidWorks內置插件 Motion對對輥柱塞式成型機關鍵零部件相對運動軌跡進行了仿真分析。結果表明：柱塞關鍵點相對于模孔運動軌跡軌跡為余擺線，模孔關鍵點相對于柱塞運動軌跡軌跡為心型線，壓輥柱塞與環模模孔不發生干涉，驗證了結構設計的合理性。為避免關鍵零部件發生干涉，探索了不干涉條件下的較優環模模孔開口錐度，結果表明：環模模孔開口錐度為60°時為宜。

生物質；對輥式成型機；運動軌跡；仿真分析

0 引言

隨著社會的進步和發展，能源問題日益突出，尋找一種可再生的能源迫在眉睫[1-3]。生物質能源分布廣泛，具有可再生性和低污染性等優點[4-5]。生物質壓縮成型技術能夠將粉碎后的農作物秸稈壓縮成具有一定密度的塊狀、顆粒狀燃料，經生物質成型機加工出來的燃料具有燃燒效率高、熱值及環保清潔等優點，被廣泛應用于取暖爐、熱水鍋爐及發電廠等[6-7]。

目前，主要有3種形式的生物質成型機：螺旋擠壓式、活塞沖壓式和模輥式。由于模輥式成型機具有原料適應性強、產量高等優點，成為當今研究和開發的熱點[8-9]。根據模輥布置形式，模輥式成型機又可分為環模成型機、平模成型機和對輥式成型機[10]。對輥柱塞式成型機利用壓輥上均勻分布的一系列柱塞與環模模孔相嚙合，避免了普通對輥式成型機利用成型模具外曲面對物料進行擠壓而導致的能耗損失問題[11]。

隨著時代的發展，SolidWorks軟件功能越來越強大，不僅可以實現三維造型、裝配及干涉檢查等，還可以實現機構的仿真及關鍵零部件的有限元分析，避免了其他專業仿真軟件由于自身建模能力不強而需要進行外部導入的問題。為提高設計水平、減小研發周期和降低生產成本[12]，本研究基于SolidWorks內置插件 Motion對對輥柱塞式成型機成型機關鍵零部件相對運動軌跡進行了仿真分析，探索該成型機構設計的合理性，同時探索了關鍵零部件不干涉條件下的較優環模模孔開口錐度，為同類產品的設計與開發提供借鑒和參考。

1 傳動方案、結構與工作原理

如圖1～圖3所示：電動機輸出的動力經減速器減速以后，通過聯軸器、大齒輪傳遞給傳遞給環模，同時大齒輪與小齒輪進行嚙合傳動，將動力傳遞給壓輥；由于大小齒輪的齒數比值Z2：Z1等于壓輥柱塞個數與環模模孔個數的比值，也等于壓輥嚙合圓直徑與環模嚙合圓直徑的比值，因此可以保證壓輥上的柱塞與環模模孔正確嚙合。生物質物料經進料斗進入環模和壓輥中間，壓輥和環模以一定的速比進行轉動，從而對處于環模和壓輥之間的物料進行對輥擠壓；壓輥上的柱塞逐漸嚙合壓入相對應的環模成型孔，之后又逐漸分離，每轉1圈，環模上的模孔中的物料都要經過填充、柱塞擠壓和保型3個過程；按此不斷循環，松散的生物質物料最終在環模模孔中一層一層致密成型為具有一定密度和長度的顆粒。

2 理論分析

壓輥柱塞和環模上的關鍵點如圖4所示。設倒角深度為a，成型孔半徑為r1，柱塞半徑為r2，嚙合時，柱塞底部模孔底端距離為b，柱塞高度為h。

以環模旋轉中心為原點，建立XOY平面直角坐標系，如圖5所示。

1.小齒輪 2.大齒輪 3.成型輥 4.電動機 5.變頻器 6.減速器 7.聯軸器 8.柱塞式壓輥

1.進料裝置 2.環模裝置 3.出料口 4.壓輥裝置

1.環模 2.環模軸 3.壓輥軸 4.柱塞式壓輥

圖4 關鍵點

圖5 坐標系

壓輥柱塞上參考點A(xA，yA)的運動軌跡方程為

xA=-r2-(R1-a+b)sinω2t

(1)

yA=(R1-a+b+h+R2)-

(R2+h)cosω2t

(2)

環模上參考點B(xB，yB)運動軌跡方程為

xB=-r1-(R1-a)sinω1t

(3)

yB=(R1-a)-(1-cosω1t)

(4)

欲證明壓輥柱塞與環模模孔不發生干涉，需聯立式(1)～式(4)，令xA=xB，yA=yB，并證明其無解。由此可以看出：解析方法不僅計算繁瑣，也不直觀，如果使用仿真手段，則可以大大減輕工作量，也可以使分析結果更加直觀[13]。

3 仿真分析

3.1 仿真過程與參數設置

1)通過SolidWorks建立對輥柱塞式成型機構三維實體模型，如圖5所示。

2)在裝配體界面，將‘SolidWorks Motion’插件載入，單擊布局選項卡中的‘運動算例’，在Motion Mananger工具欄中的‘算例類型’下拉列表中選擇‘Motion 分析’。

3)單擊Motion Mananger工具欄中的‘馬達’按鈕，彈出馬達屬性管理器，分別為壓輥軸孔施加轉速為20r/min的逆時針旋轉馬達，為環模軸孔施加轉速為10r/min的順時針旋轉馬達，使二者能夠按照實際情況運行。

4)以上設置完成后，單擊‘計算’按鈕即可進行仿真求解。

3.2 運動軌跡分析

為便于分析，選取壓輥柱塞和模孔上的幾個關鍵點進行分析，仿真結果如圖6所示。

3.2.1 柱塞相對于模孔的運動軌跡

由圖6(a)～圖6(c)可知：柱塞上的兩個關鍵點相對于模孔的運動軌跡軌跡均為余擺線，且運動軌跡都在模孔內側，不存在交叉重疊的地方，故柱塞與模孔不發生干涉。

圖6 仿真結果

3.2.2 模孔相對于柱塞的運動軌跡

由圖6(d)～和圖6(f)可知：模孔上的兩個關鍵點相對于柱塞的運動軌跡軌跡均為心型線，且運動軌跡都在柱塞外側，不存在交叉重疊的地方，故模孔與柱塞也不發生干涉。

3.3 環模模孔開口錐度

圖7為不同環模模孔開口錐度θ下的仿真結果。

圖7 不同環模模孔開口錐度下的仿真結果

由圖7可知：當環模模孔開口錐度小于30°時，壓輥柱塞兩關鍵點的運動軌跡均與環模模孔發生干涉，因此對輥柱塞式成型機必須保證環模模孔開口錐度大于等于30°。為使得較多的物料能夠進入環模模孔參與壓縮成型，且考慮到物料進入環模模孔后的溢出性和包含性，取環模模孔開口錐度60°為宜。

4 結論

1)對輥柱塞式成型機壓輥柱塞關鍵點相對于環模模孔的運動軌跡軌跡為余擺線，環模模孔關鍵點相對于壓輥柱塞運動軌跡軌跡均為心型線，關鍵零部件運行過程中不發生干涉，驗證了結構設計的合理性。

2)為避免對輥柱塞式成型機關鍵零部件不發生干涉，且考慮到物料進入環模模孔后的溢出性和包含性，環模模孔開口錐度取60°為宜。

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Simulation on Forming Mechanism of Roller Briquetting Machine with Plungers

Ning Tingzhou1,2, Hou Shulin1,3

(1.College of Engineering, China Agriculture University, Beijing 100083, China; 2.School of Mechanical Engineering, Shandong Huayu University of Technology, Dezhou 253034, China;3.College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar 843300, China)

To shorten the product design cycle, and reduce the cost increasing problem caused by the unreasonable design, the forming mechanism of roller briquetting machine with plungers was built and simulated by SolidWorks Motion. The simulation results showed that, the trajectory is trochoid for the key points of plunger relative to the holes of ring die, and the trajectory is heart-shaped line for the holes of ring die relative to the key points of plunger.There’s no interference between the plungers of roller and the holes of ring die, which verifies the rationality of structure design. At the same time, in order to avoid the interference of the key components,the better opening taper of ring die holes was explored under the condition of uninterfere,the results showed that 60° is advisable for the opening taper of ring die holes.

biomass; roller briquetting machine; trajectory; simulation

2016-09-01

公益性行業(農業)科研專項(201503135-19)

寧廷州(1988-)，男，山東泰安人，博士，(E-mail)ning-tingzhou@163.com。

侯書林(1959-)，男，遼寧大連人，教授，博士生導師，(E-mail)slhou@cau.edu.cn。

S216.2；TK6

A

1003-188X(2017)08-0058-04