中國農(nóng)村每年產(chǎn)6億t秸稈，其中有2億t被廢棄或荒燒，造成了嚴(yán)重的大氣污染．尤其在農(nóng)作物收獲季節(jié)，嚴(yán)重的秸稈荒燒已多次引起航空線關(guān)閉和高速公路撞車事件，成為政府關(guān)切的一個嚴(yán)重社會問題．生物質(zhì)秸稈固化成型技術(shù)將秸稈作為高品位的能源加以利用是解決秸稈荒燒的有效途徑之一，目前國內(nèi)部分成型設(shè)備及其配套產(chǎn)品已發(fā)展成熟，但還普遍存在工作部件易磨損問題，使用過程中液壓驅(qū)動活塞式成型機(jī)成型套筒（錐筒）的磨損最為嚴(yán)重，是影響成型套筒使用壽命的主要因素，本研究通過有限元分析軟件對成型套筒進(jìn)行分析和改進(jìn)，圖解求出套筒上的應(yīng)力分布狀態(tài)，改善成型套筒的受力情況，減少應(yīng)力和磨損，延長使用壽命，對成型套筒的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。
1、生物質(zhì)成型機(jī)的工作原理
生物質(zhì)成型機(jī)在工作時，首先從喂料斗將生物質(zhì)物料喂人成型機(jī)中，喂料斗中的生物質(zhì)原料先進(jìn)入沖桿套筒中，在合適的成型溫度下，由雙出桿油缸兩端的沖桿擠壓成型套筒中的生物質(zhì)，外力的作用使生物質(zhì)顆粒重新排列位置關(guān)系，并發(fā)生機(jī)械變形和塑性變形．在垂直于最大應(yīng)力的方向上，粒子主要以相互靠近結(jié)合的形式結(jié)合．隨外力的增大，生物質(zhì)體積大幅度減小，容積密度顯著增大，生物質(zhì)內(nèi)部膠化和外部焦化，并具有一定的形狀和強(qiáng)度．沖桿不斷推擠，生物質(zhì)從兩端成型套筒中交替擠出，成為棒狀，富通新能源銷售
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)等農(nóng)作物秸稈成型機(jī)械設(shè)備。
生物質(zhì)成型機(jī)的成型部分如圖1所示，工作溫度為160~200℃，工作的成型壓強(qiáng)為4—8MPa，工作條件較為惡劣．生物質(zhì)原料從喂料斗裝入成型機(jī)后，活塞沖桿向右運(yùn)動，推動物料在沖桿套內(nèi)向成型套筒方向移動，由于成型套筒對物料前進(jìn)的阻礙作用，在沖桿套內(nèi)的物料密度隨活塞沖桿向右的移動而增大，物料對成型套筒有很大的作用力．
2、成型套筒的有限元分析
2.1成型套筒的靜力分析
2.1.1建立成型套筒的三維模型 在Pro/Engi-neer標(biāo)準(zhǔn)程序中繪制三維實(shí)物模型，套簡外形為一圓柱體，內(nèi)部為一錐孔，套筒長約260 mm，為防止有限元網(wǎng)格劃分時產(chǎn)生突變影響精度故將模型的倒、圓角忽略，成型機(jī)正常rI=作時，將物料從成型套筒的右部大孔進(jìn)人套筒從套簡另一端的小孔被擠出，完成物料的成型．
2.1.2定義栽荷和約束條件成型套筒在成型機(jī)內(nèi)固定安裝，工作時套筒相對成型機(jī)無位移，由活塞沖桿推動生物質(zhì)物料進(jìn)入成型套筒，物料的壓力作用于錐筒內(nèi)部的錐面上，物料受壓后從另一端擠出，以HPB -Ⅳ型生物質(zhì)成型機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，成型機(jī)主液壓油缸工作壓強(qiáng)為10 MPa，主液壓油缸內(nèi)徑為200 mm，故主油缸沖桿對物料可產(chǎn)生314.2 kN的壓力，最終成型套筒承受物料314.2 kN的壓力．錐筒的一端和保型套筒固定在一起，所以在該端添加6自由度的位移約束，錐體材料為耐磨鑄鐵MT -4，抗拉強(qiáng)度ab≥175 MPa，硬度HBS≥195~260，據(jù)此為錐體的實(shí)體模型添加載荷、約束，并定義模型的材料．
2.1.3 網(wǎng)格劃分 對維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于套筒的模型為規(guī)則幾何體，所以采用四面體網(wǎng)格單元；而有限元分析的精度和效率與單元的密度和幾何形狀有著密切的關(guān)系，故對劃分的控制參數(shù)進(jìn)行了一些調(diào)整，使網(wǎng)格劃分更細(xì)，提高計(jì)算精度，避免網(wǎng)格的畸形，且能完成分析計(jì)算．所以共劃分3237個單元，1052個節(jié)點(diǎn)．三維模型的網(wǎng)格劃分見圖2所示．
2.1.4靜力分析結(jié)果通過有限元分析，對錐體進(jìn)行靜力分析，結(jié)果如圖3所示．
如圖3-a所示成型套筒的邊緣指示部分所受應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為56_ 49 MPa，但未超出材料的許用極限，在靜力作用下不會發(fā)生破壞，由于成型機(jī)成型時是一個重復(fù)的工作過程，套筒的破壞多為疲勞磨損破壞，物料經(jīng)壓縮后除具有較大密度外，其硬度也有提高，物料與錐筒之間的作用類似于摩擦副2對偶表面的滾滑復(fù)合運(yùn)動，由于交變接觸應(yīng)力的作用，使表面材料疲勞斷裂，形成接觸疲勞磨損，盡管對套筒的靜力分析顯示套筒現(xiàn)有結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，但在交變載荷的作用下最大應(yīng)力區(qū)域?qū)钤绯霈F(xiàn)疲勞破壞，對套筒的耐磨性有很大影響，因此需要對套筒進(jìn)行疲勞分析．
2.2成型套筒的疲勞分析
疲勞破壞是一個積累損傷的過程，當(dāng)材料高于疲勞極限的應(yīng)力時，每一個循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定的損傷．一般鋼材在對稱循環(huán)下的應(yīng)力持久極限與其靜強(qiáng)度極限a之間的關(guān)系大致為0. 28已知材料的最大拉應(yīng)力ab為175 MPa，0.28ab為49MPa.由靜力分析可知，套筒上的最大應(yīng)力為56.49MPa，已超出持久極限，表明套筒將發(fā)生疲勞破壞，設(shè)載荷類型為等幅值；幅值類型為零～峰值；材料的最大抗拉強(qiáng)度為175MPa;材料表面處理為磨光；材料選擇為鑄鐵；疲勞強(qiáng)度換算系數(shù)設(shè)定為2．
通過圖3-b可以看出，右端最早發(fā)生疲勞破壞，即右端容易發(fā)生疲勞破壞．通過與圖3-a的對比，可以發(fā)現(xiàn)疲勞破壞的位置與應(yīng)力分布最大的位置是基本一致的，表面接觸疲勞磨損出現(xiàn)的主要原因是交變應(yīng)力的作用引起的表面材料疲勞斷裂，若減小磨損較快部位的最大應(yīng)力，將能有效改善疲勞磨損情況．
3、成型套筒結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化
由于成型機(jī)成型套筒的錐角與錐長都對成型套筒的結(jié)構(gòu)有著很大的影響．在已有的成型設(shè)備中由于生物質(zhì)種類和所含木質(zhì)素含量不同，所需的成型壓強(qiáng)也不相同，要求的成型套錐角與錐長的大小也就不同，成型套錐角與錐長的大小又影響每次喂人生物質(zhì)前后的體積之比、成型壓強(qiáng)及成型棒的密度，當(dāng)成型套錐角一定，增加成型套的錐長，或成型套錐長一定，增加成型套的錐角，成型后所得成型棒的密度都較大，所需的成型壓強(qiáng)高，能量消耗大．這里不考慮生物質(zhì)的種類，使用Pro/Engineer中的靈敏度分析工具．研究設(shè)計(jì)參數(shù)對套筒模型性能的影響情況，從而進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化．在成型套筒的設(shè)計(jì)過程中，成型套筒的錐長和工作面錐角是影響成型套筒使用壽命和成型效果的2個重要參數(shù)，因此對這2個參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，
通過計(jì)算已經(jīng)可以確定錐長與錐角的關(guān)系為
L= cot（0/2）(D -d)/2式中：L為錐長；θ為錐角；D為套筒大孔的直徑；d為套筒小的直徑。
3.1 成型套筒錐角的靈敏度分析
以HPB -Ⅳ型生物質(zhì)成型機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，成型套筒錐長260mm，錐角取4.5°．在成型套錐長不變的情況下通過改變錐角，這里為了便于構(gòu)造模型，錐角p的大小由θ/2來表示，8/2,的變動范圍為3°～6°錐長L為260 mm，共對11個點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算；通過Pro/Engineer的仿真計(jì)算可得如下靈敏度曲線如圖4．
由圖4可知，套筒的最大應(yīng)力隨著錐角的增大而增大，在0/2為4.5°之前曲線斜率較小，應(yīng)力變化較為緩慢，在4.5°之后，曲線斜率逐漸增大，最大應(yīng)力的增速也開始加快，當(dāng)0/2達(dá)到50以后曲線斜率變得陡峭，最大應(yīng)力急速增加．當(dāng)θ/2為6°時，套筒的最大應(yīng)力達(dá)到極值．
3.2 成型套筒錐長的靈敏度分析
成型套錐角不變的情況下通過改變錐長，0/2為4.5°，錐長L的變動范圍為150~ 300 mm，共對11個點(diǎn)進(jìn)行分析．
當(dāng)錐角一定而錐長變化時，最大應(yīng)力的變化范圍相對較小，最大應(yīng)力隨錐長變化的規(guī)律如圖5所示，最大應(yīng)力隨錐長的增大而增大，錐長在270 mm以前，這是因?yàn)殄F角不變、成型套簡直徑一定的情況下，錐體右端的壁厚隨著錐長的增大而減小，從而使得所受應(yīng)力增大，所以錐角越小，套筒的最大應(yīng)力也就越小．在成型套簡直徑一定的情況下，考慮到成型機(jī)的成型效果，錐角太小將無法使生物質(zhì)塊達(dá)到預(yù)期的密度，所以就無法成型，通過多次試驗(yàn)可知，成型要求0/2的最小角度為4.2°，所以將改進(jìn)后模型的0/2值定為4.2°而錐長的長短直接影響著成型效果，雖然錐長越短錐體所受的最大應(yīng)力也越小，但錐長過小的話，成型機(jī)將無法成型；由于套筒的大孔直徑D要和前面的沖桿套相配套，所以D為定值，減小錐長會造成成型棒產(chǎn)品直徑的增大，大孔直徑和小孔直徑之比就會減小，成型密度也就無法保證，所以要求錐長最短為240mm．改進(jìn)后參數(shù)為錐角θ為8.4°，錐長L為240 mm。
3.3成型套筒改進(jìn)后的結(jié)果分析
按照上述改進(jìn)后的參數(shù)，重新建立實(shí)體模型，重新進(jìn)行靜態(tài)分析和疲勞分析，計(jì)算結(jié)果如圖6．
由圖6-a可知成型套筒在改變錐角后所受最大應(yīng)力有明顯減少，已從原先的56.49 MPa減少到了43,74 MPa．從圖6-b中可以看出，其疲勞破壞情況也有好轉(zhuǎn)，所以，成型套筒的疲勞破壞情況有所好轉(zhuǎn)時，對減輕應(yīng)力引起的疲勞磨損有一定的幫助。
4、結(jié)論
成型套筒的使用壽命是影響成型機(jī)能否正常工作的關(guān)鍵因素，而成型套筒的失效多為磨損失效，該磨損不僅與材料有關(guān)還和套筒的結(jié)構(gòu)有關(guān)．通過有限元分析可以看出，套筒所受的最大應(yīng)力雖然滿足了靜力要求，但其值已超過其持久極限，在一定循環(huán)次數(shù)的載荷作用下，會對套筒形成一定的疲勞破壞，從而加劇了磨損現(xiàn)象，
成型套筒的錐長和錐角是影響套筒結(jié)構(gòu)的2個關(guān)鍵參數(shù)，通過對這2個參數(shù)的靈敏度分析，表明隨著錐長和錐角的增大，套筒所受的最大應(yīng)力呈增大趨勢，綜合其變化趨勢及實(shí)際使用情況，對套筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了修改，在對修改后的模型進(jìn)行了仿真分析計(jì)算后得出，套筒所受最大應(yīng)力確有減小，對減輕磨損有一定的幫助，
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)成型機(jī)械設(shè)備，專業(yè)壓制農(nóng)作物秸稈顆粒燃料。
