基于離散元的生物質成型機錐面研究

高雨航++李震++于灝++趙鈺龍++劉彭

摘 要：本文介紹了設計一種單曲面直筒生物質成型模具，并建立基于EDEM的離散元模型；對谷物顆粒進行曲面與錐面模具的壓縮模擬。得出曲面與錐面模具的壓縮與應力松弛曲線；錐面比曲面模具需要更大的壓縮力，曲面模具保壓曲線更平穩，成型質量較好。

關鍵詞：生物質 模具 離散元

中圖分類號：TG37 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0089-02

隨著中國對環境保護的逐漸重視，新能源漸漸走進了人們的視野，比如生物質能。生物質固化成型技術是通過機械或液壓加壓的方法，使農林業生產剩余物，如農作物秸稈、林業細小枝條等可再生能源從自然松散的狀態變成一個更高的密度。

成型模具是生物質成型機的主要部件，目前應用較多的是單錐度直筒模具，但其磨損比較嚴重，長時間使用嚴重影響成型密度和成型效果[1]。本研究設計一種曲面直筒成型模具，即把單錐面加工成曲面。物料被擠壓進成型腔時，其磨損減小，物料的成型質量也更好。

1 離散元分析

本離散元模擬的物料選用谷物顆粒，其力學性能與金屬材料不同，存在各向異性，用連續體理論很難對其進行研究，因此采用離散元方法來進行分析。離散單元法是由Cundall于1971年基于牛頓定律提出的一種顆粒物料細觀力學分析方法[2]。

接觸模型描述了顆粒間的接觸行為，由于谷物顆粒具有黏彈性，因此選用Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型作為離散元模擬模型。成型模具錐角為60°時，模孔錐面所受應力較小[3]，故選用錐角為60°的模具。由于谷物顆粒的纖維素含量較高，其軟化需要更高的溫度，也就需要谷物顆粒與成型腔摩擦產生的熱量更高，因此成型腔的長徑比選擇6∶1[4]。

2 結果與討論

本離散元模擬的壓縮與應力松弛曲線如圖1所示，對比分析可以看出錐面模具比曲面模具需要更高的壓縮力，因此錐面模具的摩擦更大，磨損更嚴重。應力松弛階段，曲面模具的松弛曲線更加平穩，保壓時間更長一些，由此得知曲面模具的成型質量更好。

3 結語

通過分析錐面與曲面成型模具的壓縮與應力松弛曲線，曲面模具的磨損更小，成型質量更好，但曲面模具加工較為困難，這也是曲面模具應用不多的原因。

參考文獻

[1] 李震，俞國勝，曲迪.基于ANSYS的生物質液壓成型機雙錐度模具特性研究[J].東北農業大學學報，2013，44（11）： 132-136.

[2] 李永奎，孫月銖，白雪衛.玉米秸稈粉料單模孔致密成型過程離散元模擬[J].農業工程學報，2016，31（20）：212-217.

[3] 李震，薛冰，俞國勝.環模模孔錐角及進料長度對模孔強度影響研究[J].飼料工業，2014，35（1）：23-27.

[4] 何曉峰，雷廷宙，李在峰，等.生物質顆粒燃料冷成型技術試驗研究[J].太陽能學報，2006，27（9）：937-941.endprint