環模成型機楔形區的離散元研究

0 引言

隨著社會的發展，近年來溫室效應和霧霾現象日益加劇，因此，從環境保護和節約能源角度出發，開發和探索新型能源已成為我國乃至全世界的重要工作。和其他新型能源相比，生物質能是一種典型綠色無污染的可再生能源，我國作為農產大國，生物質資源量十分豐富

。沙柳，作為防沙造林樹種之一，在我國西北部的沙漠地區儲量豐富，且具有“平茬復壯”的生物習性，每3年左右平茬一次，平茬后會更加茂盛。沙柳3年成材，越砍越旺，這是沙柳的本性。平茬后的沙柳是生產生物質能的良好原料

。

環模成型機是生物質致密成型的主要設備，具有能耗低、效率高、耐磨損等特點，國內外學者已進行了大量研究，但對楔形區物料致密成型的研究較少。陳忠加等

提出了一種柱塞式平模生物質致密成型方法，并設計了樣機，以不同顆粒度玉米秸稈和刺槐為原料，在原料含水率為15%，斜盤轉速為50 r·min

，原料溫度為室溫的條件下進行了試驗，結果表明柱塞式平模生物質成型方法可行。寧廷州等

設計了對輥柱塞式成型機，通過正交試驗得到成型機的較優成型參數為含水率15%，成型模具長徑比5.25，主軸轉速47.25 r·min

。李震等

運用流變學理論建立物料在楔形區內的速度方程，通過Fluent軟件對塑性流動建立模擬仿真，得出物料在楔形區域內速度矢量圖及速度和壓力云圖。L.A.Rolfe等

研究表明，環模轉速提高可降低物料高度，進而減小擠壓物料的力，導致成型質量下降，而顆粒的溫度有所提高，能耗增大。

根據重慶市傳統商貿流通業發展現狀，建議在全市批發行業、零售行業、住餐行業、對外貿易、生活服務、商務服務、物流行業、現代農業等八大行業中實施“+電子商務”創新應用。

沙柳細枝顆粒的力學性質表現為各向異性，粉碎后呈離散狀態，采用離散單元方法研究其致密成型過程更接近實際

。本文以沙柳顆粒為研究對象，建立環模成型機楔形區的離散元模型，通過顆粒間的壓縮力、法向力及扭矩分析3種模輥間隙(1.5 mm、2 mm、2.5 mm)下燃料的成型品質和模輥磨損情況，以顆粒間的粘結效果作為成型品質的評價標準，以顆粒與模輥間碰撞的法向力作為磨損情況的評價標準。模擬結果可以為生物質固化成型技術的發展提供依據。

1 理論基礎

離散單元法(Discrete Element Method, DEM)是Cundall于1971年根據單元之間的相互作用和牛頓運動定律，提出的一種散粒體顆粒細觀力學分析方法

。顆粒模型有軟球模型和硬球模型2種

。由于沙柳顆粒的粘彈特性，致密成型過程中顆粒間產生顯著的塑形變形，因此，顆粒模型選用軟球模型來描述，如圖1所示。采用Hertz-Mindlin(no-slip)作為顆粒間的接觸模型

。

2 離散元仿真

2.1 材料參數

沙柳細枝顆粒致密成型后的燃料物理特性見表3。從表3中可以看出，模輥間隙為1.5 mm時成型質量最好，為1.099 g·cm

；模輥間隙為2.5 mm時，成型質量最差，為1.037 g·cm

。這一結論也與壓縮力和扭矩變化相吻合。

沙柳細枝顆粒致密成型過程中環模楔形區壓縮力隨時間變化曲線如圖3所示。不同模輥間隙下，壓縮力變化趨勢幾乎相同，主要經歷致密階段、壓縮階段和保壓階段。致密階段時，顆粒間空隙較大，壓縮力主要消除顆粒間空隙；壓縮階段時，顆粒間粘結力增大，形成強力鏈，壓縮力急劇增加；保壓階段時，顆粒已形成棒狀燃料，壓縮力保持不變。模輥間隙為1.5 mm時，壓縮力較大，顆粒間產生較強的力鏈，粘結力使顆粒成型品質較好。模輥間隙為2.5 mm時，壓縮力較小，顆粒間產生較弱的力鏈，粘結效果較差，成型品質相對較差。

2.2 離散元模型創建

離散元模型建立后設置沙柳顆粒和模具的材料參數和接觸參數。環模以28 rad·s

的速度勻速轉動，運動時間為80 s。仿真網格尺寸為3

(最小顆粒半徑)。軟件開始模擬后，后處理功能需記錄壓縮力、扭矩、法向力等數據，記錄次數是每隔1 s記錄一次。

沙柳細枝顆粒粉碎后粒徑大小不盡相同，粒徑不僅對成型燃料品質有影響，還會影響壓縮過程中消耗的能量。根據實際粉碎后的篩分結果，模擬時，選用粒徑為0.2～1 mm，用球形顆粒近似代替原物料，顆粒工廠采用隨機方式生成顆粒，生成完畢且達到穩定后進入待壓縮狀態。根據模型幾何參數和約束條件建立的顆粒致密過程離散元模型如圖2所示。

3 結果與討論

3.1 壓縮力分析

我國的普通制造業已經無法滿足日益提高的航空航天科技需求了，所以結構優化方法逐漸在該領域嶄露頭角。航空制造業往往需要很多頂尖科技產業共同參與才能研發新型產品，在如今這日益增長的需求之下，我國的航空航天部門開始探究結構優化方法在未來生產設計上的可行性。

3.2 燃料成型品質

離散元仿真分析中需要設置沙柳顆粒和成型模具的材料參數，以及沙柳顆粒與沙柳顆粒、沙柳顆粒與成型模具碰撞時的接觸參數。參照參考文獻和標定試驗，分析出沙柳顆粒和成型模具的材料參數和接觸參數

。表1是材料參數，表2是接觸參數。

3.3 扭矩分析

圖4顯示的是沙柳細枝顆粒致密成型過程中楔形區扭矩隨時間變化驅勢。由圖可知，不同模輥間隙的扭矩變化趨勢無顯著性差異，主要經歷保持穩定和劇烈變化2個階段。壓縮前期，顆粒靜止堆積時只受向下的重力作用，顆粒間空隙較大，幾乎沒有扭矩產生；壓縮進行到中后期時，顆粒在模輥的擠壓力下間隙逐漸消除，顆粒間相互粘結在一起，形成弱力鏈，隨著粘結力逐漸增大，弱力鏈轉變成強力鏈，在力鏈作用下，顆粒在楔形區內發生運動，軌跡大致呈現螺旋狀，扭矩也會產生波動，顆粒間的粘結作用隨擠壓過程不斷增加，所以扭矩呈現出波動增長趨勢。模輥間隙為1.5 mm時，顆粒間的扭矩變化劇烈，扭矩值較大，顆粒產生較大塑性變形，顆粒間粘結力增加，形成強力鏈，成型品質相對較好；而模輥間隙為2.5 mm時，扭矩值較小，顆粒產生的塑性變形也較小，成型品質相對較差。

3.4 壓輥磨損情況

不同模輥間隙下壓輥受到顆粒的法向力如圖5所示。經后處理建立柵格倉計算顆粒與壓輥碰撞的法向力。模輥直徑為1.5 mm時，顆粒與壓輥的最大法向力為978 N，壓輥磨損量最大；模輥直徑為2.0 mm時，顆粒與壓輥的最大法向力為891 N；模輥直徑為2.5 mm時，顆粒與壓輥的最大法向力為806 N，壓輥磨損量相對較小。

4 結論

環模作為常用的生物質成型設備，模輥間隙對成型燃料質量有較大影響，為分析燃料的成型品質和模輥的磨損情況，采用離散元方法模擬環模楔形區的致密成型過程，得到擠壓過程中顆粒軌跡受到扭矩影響關系，隨扭矩變化，扭矩由準直線狀逐漸變為波動增長。模輥間隙為1.5 mm時，壓縮力最大，扭矩最大，成型質量最大，成型品質較好。模輥間隙為2.5 mm時，成型品質較差。

第一，公路橋梁養護技術水平的缺失。公路橋梁的內部結構十分復雜與繁瑣，有關部門在對其進行養護時需要運用具有現代化技術水平的設備和高素質的工作人員；與此同時，公路橋梁的養護工作還需要技術人員定期對其進行檢查及時發現其中的安全隱患并采取有效的措施進行管理。但是大多數工作人員在實際工作中很少會高效完成工作。其主要有以下原因：一方面是公路橋梁養護設備的配備不足，工作人員對于公路橋梁中的問題經常會出現檢測不到位的現象；另外一方面是公路橋梁養護人員的施工技術水平不夠，這些因素經常引起公路橋梁養護的安全隱患[2]。

微電網技術涉及先進的電力電子技術、計算機控制技術、通信技術等,世界范圍內尚無統一、規范的微電網體系技術標準和規范。目前,微電網的發展還存在諸多瓶頸。

通過分析壓輥與顆粒碰撞的法向力，得到模輥間隙越小，法向力越大，會增大顆粒與壓輥及環模間的摩擦，造成壓輥和環模磨損，減少其使用壽命。

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