粉料干法造粒擠壓輥的力學(xué)特性及有限元分析

劉志民 韓 雷 劉 洋

(河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

干法造粒是在濕法造粒基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型造粒工藝，其工藝流程是將物料粉末連續(xù)擠壓成型、造粒，物料中無需添加任何粘合劑，生產(chǎn)過程環(huán)保、高效。同時(shí)干法造粒具有改進(jìn)產(chǎn)品外觀，改善分離狀原料的流動(dòng)特性，便于貯存和運(yùn)輸，方便準(zhǔn)確定量，減少粉末飛塵污染等優(yōu)點(diǎn)，在制藥、化工、食品等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。

擠壓輥是干法造粒工藝過程中的關(guān)鍵工作部件，松散物料在擠壓螺旋喂料壓力作用下，依次經(jīng)過兩相向勻速旋轉(zhuǎn)擠壓輥之間的滑動(dòng)區(qū)和咬入?yún)^(qū)，物料在滑動(dòng)區(qū)內(nèi)與擠壓輥之間的相互作用力較小，隨著擠壓輥連續(xù)旋轉(zhuǎn)，物料進(jìn)入咬入?yún)^(qū)且體積被逐漸壓縮，物料與擠壓輥之間的相互作用力也隨之增大，當(dāng)物料進(jìn)入兩擠壓輥中心線最小間隙附近時(shí)，物料被擠壓成密實(shí)狀薄片，此時(shí)，物料與擠壓輥之間的作用力達(dá)到最大值[3-7]。物料與擠壓輥間的最大作用力及擠壓輥的受力變形對(duì)物料成形的密實(shí)度和系統(tǒng)工藝過程控制有著重要影響，其結(jié)果將直接影響造粒效果和質(zhì)量。為此，本研究根據(jù)Von Mises準(zhǔn)則[8]，將理論分析與有限元仿真方法相結(jié)合，分析擠壓輥受力特性和變形規(guī)律，此研究為干法造粒機(jī)擠壓輥的優(yōu)化提供理論設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)也為干法造粒擠壓系統(tǒng)的過程控制提供參考。

1 擠壓輥力學(xué)模型及受力分析

在實(shí)際干法造粒工藝生產(chǎn)過程中，物料對(duì)擠壓輥的作用力為徑向方向，當(dāng)忽略泊松比所引起的擠壓輥沿軸線方向滑動(dòng)時(shí)，擠壓輥力學(xué)模型(見圖1)可簡化為平面應(yīng)變問題。物料在擠壓螺旋喂料壓力P0[9-10]和擠壓輥壓力共同作用下，依次經(jīng)過滑動(dòng)區(qū)和咬入?yún)^(qū)，兩擠壓輥在平面應(yīng)力場(chǎng)受到的作用力對(duì)稱分布，故僅在其中一個(gè)擠壓輥內(nèi)部建立坐標(biāo)系(x,z)，表面作用力所引起的應(yīng)力分量可按Jonhson[11-13]給出的公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：

x、z——擠壓輥中任意一點(diǎn)坐標(biāo)，mm；

σx、σz、τxz——平面內(nèi)應(yīng)力分量，Pa；

p(s)——擠壓輥接觸表面上的表面壓力，Pa；

q(s)——擠壓輥接觸表面切向力，Pa；

α——咬入角α所對(duì)弧面長度，mm；

s——接觸表面上任意一點(diǎn)至接觸中心的距離，mm。

圖1 擠壓輥力學(xué)模型

咬入?yún)^(qū)內(nèi)表面壓力p(s)根據(jù)Johanson等[14-15]給出的公式進(jìn)行計(jì)算，則擠壓輥任一位置角θ處的平均壓力值σθ按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：

σα——當(dāng)θ=α?xí)r的平均應(yīng)力，Pa；

K——物料壓縮系數(shù)，當(dāng)物料在一定的含水量和溫度情況下為特定常數(shù)；

L——擠壓輥間隙，mm；

D——擠壓輥直徑，mm；

d——擠壓輥表面溝槽深度，mm。

由于咬入角α隨物料屬性和擠壓條件等因素而變化，無法從理論上測(cè)出精確數(shù)據(jù)，而物料在咬入?yún)^(qū)內(nèi)受到連續(xù)擠壓作用時(shí)，其單位厚度質(zhì)量會(huì)保持不變，僅密度發(fā)生變化，因此，咬入角α可按式(3)進(jìn)行估算：

cosα=1-L(γ′-γ)/Dγ，

(3)

式中：

γ——物料松裝密度，g/cm3；

γ′——物料壓實(shí)密度，可通過試驗(yàn)進(jìn)行估算，g/cm3。

將式(3)代入式(2)，當(dāng)取位置角θ=0時(shí)，可計(jì)算出咬入?yún)^(qū)內(nèi)擠壓輥接觸表面最大壓力σθ=0，此壓力數(shù)值即為咬入?yún)^(qū)內(nèi)擠壓輥接觸表面上任意一點(diǎn)至接觸中心距離為0時(shí)的最大表面壓力p(0)。由于咬入?yún)^(qū)內(nèi)物料與擠壓輥表面沒有相對(duì)滑移，故切向力q(s)=0，并用m和n表示擠壓輥內(nèi)一般點(diǎn)(x,z)處的應(yīng)力，則擠壓輥平面內(nèi)任意一點(diǎn)應(yīng)力分量計(jì)算公式[式(1)]可簡化為：

(4)

m和n由式(5)定義，且式中m和n的正負(fù)號(hào)分別與z和x處坐標(biāo)正負(fù)號(hào)一樣：

(5)

在平面內(nèi)任意一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)可以用4個(gè)應(yīng)力分量進(jìn)行描述，即σx、σz、τxz、σy，其中，σy是沿著擠壓輥軸線方向的應(yīng)力，也是平面內(nèi)任意一點(diǎn)的中間主應(yīng)力，其大小根據(jù)公式σy=ν(σx+σz)進(jìn)行確定。取擠壓輥彈性參數(shù)泊松比ν=0.3，則Von Mises等效應(yīng)力為：

(6)

將式(4)、(5)代入式(6)，并分別對(duì)Von Mises等效應(yīng)力σeq、咬入角α所對(duì)弧面長度a、坐標(biāo)x和坐標(biāo)z進(jìn)行無量綱化處理，得到擠壓輥不同深度橫截面z/a處無量綱等效應(yīng)力σeq/p(0)隨無量綱坐標(biāo)x/a變化曲線見圖2。從圖2可以看到，在不同深度圓柱面無量綱等效應(yīng)力沿兩擠壓輥連心線呈對(duì)稱分布，且在x/a=0.0(咬入角α為0)處出現(xiàn)極大值。在z/a=0時(shí)的擠壓輥表面，無量綱等效應(yīng)力最小，且保持為一常量；當(dāng)z/a=1.0(擠壓輥深度為a圓柱面)時(shí)，無量綱等效應(yīng)力最大，但在x/a=0.0處應(yīng)力幅值變化較??；當(dāng)z/a=0.5(擠壓輥深度為0.5a圓柱面)時(shí)，無量綱等效應(yīng)力較大，且在x/a=0.0處應(yīng)力幅值變化最大。說明在橫截面z/a=0.5時(shí)，應(yīng)力沿?cái)D壓輥接觸面中心附近幅度變化最大。此分析結(jié)果與Von Mises準(zhǔn)則描述相一致，即當(dāng)摩擦系數(shù)較小時(shí)，屈服首先會(huì)出現(xiàn)在接觸體內(nèi)部。

圖2 無量綱等效應(yīng)力相對(duì)于無量綱坐標(biāo)x/a 的分布曲線

Figure 2 The distributing curves of the dimensionless stress with respect to the dimensionless coordinatesx/a

2 擠壓輥有限元仿真分析

為進(jìn)一步定量研究擠壓輥的力學(xué)特性，利用ANSYS Workbench軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

2.1 擠壓輥有限元模型建立

利用SolidWorks軟件建立擠壓輥三維實(shí)體模型，選取擠壓輥工作面直徑為240 mm，見圖3。點(diǎn)擊SolidWorks軟件中的ANSYS Workbench接口選項(xiàng)，將三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，右擊Mesh選項(xiàng)，結(jié)合擠壓輥回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇Sweep選項(xiàng)對(duì)擠壓輥模型進(jìn)行掃掠法六面體單元網(wǎng)格劃分，見圖4。最后對(duì)擠壓輥有限元模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，材料選擇Mn13，其泊松比為0.3、彈性模量為2.06×105MPa、密度為8 900 kg/m3，屈服強(qiáng)度為800 MPa。

圖3 擠壓輥模型

圖4 擠壓輥網(wǎng)格劃分

2.2 施加載荷和邊界約束

右擊static structural選項(xiàng)，在擠壓輥軸承兩端添加約束，一端軸承作用面限制x，y，z自由度，另一端軸承作用面限制y，z自由度。在擠壓成型過程中，松散物料在擠壓螺旋喂料壓力、擠壓輥勻速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)和擠壓輥壓力共同作用下，物料與擠壓輥表面緊密接觸，咬入角內(nèi)擠壓輥受到的作用力是均勻分布的，由式(2)計(jì)算面載荷為54.1 MPa。通過Geometry模塊，在擠壓輥和物料接觸表面添加印記面，施加面載荷壓力為54.1 MPa。

2.3 結(jié)果求解與分析

載荷和邊界約束添加完成后，在solution選項(xiàng)中右擊Solve命令開始運(yùn)算求解。求解完成后，通過Deformation選項(xiàng)提取擠壓輥?zhàn)冃卧茍D，見圖5，發(fā)現(xiàn)擠壓輥?zhàn)冃巫畲蟮牡胤綖閿D壓過程中與物料直接接觸的表面，并且在擠壓輥與物料接觸的中心表面呈橢圓形分布，通過提取變形量數(shù)據(jù)，繪制距擠壓輥表面不同深度的變形曲線見圖6。變形主要集中在沿?cái)D壓輥中心軸向長度30～150 mm內(nèi)，且最大變形量出現(xiàn)在擠壓輥表面z/a=0.0中心區(qū)域，變形量達(dá)0.026 4 mm，隨著深度增加其變形量逐漸減小，在擠壓輥深度z/a=0.5時(shí)變形量為0.018 8 mm，在擠壓輥深度z/a=1.0時(shí)變形量為0.011 6 mm。

通過Equivalent Stress選項(xiàng)提取擠壓輥應(yīng)力云圖(見圖7)，提取擠壓輥中心斷面和兩端面徑向應(yīng)力分布，繪制不同截面徑向應(yīng)力分布曲線(見圖8)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力極值出現(xiàn)在與物料接觸的擠壓輥表面以下深度40 mm，最大應(yīng)力為43.2 MPa，并在端面過渡部分出現(xiàn)應(yīng)力集中。提取擠壓輥z/a為0.0，0.5，1.0時(shí)不同深度應(yīng)力數(shù)據(jù)，繪制擠壓輥不同深度應(yīng)力曲線見圖9，發(fā)現(xiàn)在橫截面z/a為1.0，0.5時(shí)應(yīng)力大于擠壓輥表面z/a=0.0的應(yīng)力，即與上述無量綱等效應(yīng)力相對(duì)于無量綱坐標(biāo)x/a變化曲線相一致。

圖5 擠壓輥?zhàn)冃卧茍D

圖6 擠壓輥?zhàn)冃吻€

圖7 擠壓輥等效應(yīng)力云圖

圖8 擠壓輥徑向應(yīng)力曲線

圖9 擠壓輥應(yīng)力曲線

3 結(jié)論

(1) 擠壓輥力學(xué)特性理論分析與有限元結(jié)果仿真與Von Mises準(zhǔn)則描述相一致，且有限元仿真給出了擠壓輥應(yīng)力及變形程度的定量評(píng)價(jià)。

(2) 擠壓輥?zhàn)冃沃饕性谘財(cái)D壓輥寬度30～150 mm內(nèi)，最大變形量出現(xiàn)在擠壓輥表面(z/a=0.0)中心區(qū)域，變形量達(dá)0.026 4 mm，且隨著深度增加其變形量逐漸減小。

(3) 擠壓輥在深度z/a=0.5橫截面應(yīng)力最大，與實(shí)際情況是一致的；同時(shí)，為避免擠壓輥端面與軸過渡部分在z/a=0.5橫截面附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，可進(jìn)一步對(duì)擠壓輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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