0、引 言
環模輥壓式成型機由于能耗低、產量大、顆粒燃料品質高等優點，成為未來生物質固化成型的主要成型設備。環模是環模輥壓式成型機的核心工作部件，加工成本高、工作壽命低等問題嚴重阻礙了環模壓輥式成型機的推廣。目前，國內對生物質環模輥壓式成型機的研究在某些方面還處于試驗階段，還沒有為環模加工、制造提供有力的理論依據。
本文借助Pro/Engineer實現環模三維建模，應用有限元軟件ANSYS進行數值模擬，揭示了環模溫度場、應力場、應變場及位移分布規律，為優化環模材料選擇、制造工藝控制缺陷、保證模具強度、提高模具壽命提供了科學依據，對環模輥壓式成型機的研究與生產都有很好的應用價值和參考價值。
1、數值模擬
基于溫度場求解時對材料熱物性參數取值、初始條件、邊界條件等處理原則，利用分塊模型化的特點，選取環模1/36模型進行有限元分析。
1.1建模
圖1是環模的1/36幾何模型，對實際加工時存在的倒角、圓角、退刀槽進行了簡化。
1.2網格劃分
環模網格劃分如圖2所示，對環模采用自由網格劃分，單元邊長為0.005。
1.3單元選擇
本文采用ANSYS中THERMAL模塊中的SOL-Ⅱ)70單元進行環模的溫度場數值模擬。SOUD70單元是個三維熱實體單元，具有8個節點，每個節點只有溫度一個自由度。該單元可用于三維的穩態或瞬態的熱分析問題，并可補償由于恒定速度場質量輸運帶來的熱流損失。如果包含熱實體單元的模型還需進行結構分析，可被一個等效的結單元(如SOUD45)所代替。
1.4基本方程
對于在高溫條件下工作的結構，必須考慮溫度的影響。隨著溫度的升高，金屬材料的屈服極限有所降低，硬化特性也有所減小，逐漸接近理想塑性材料。同時材料參數彈性模量、泊松比、溫度膨脹系數等也隨溫度升高而有所變化，對于本課題研究的環模而言，應變增量包括彈性應變增量、塑性應變增量和熱應變增量。但由于其工作環境的溫度使材料參數變化甚微，故認為環模材料的參數保持不變。
在考慮溫度影響的經典熱彈塑性理論中，應變增量可表示為：
1.5邊界條件
溫度場數值模擬的邊界條件（本文所研究環模的溫度場分布情況）：環模的內表面（與物料、壓輥接觸的面）作為熱流面，熱量以熱流密度(heat flux)的形式傳給環模，除了軸對稱面其他面與周圍空氣接觸，導致部分熱量散失，這種傳熱方式為對流( conv-ection)。
耦合場數值模擬的邊界條件：考慮到環模在穩態工作下的應力、應變分布情況，把環模與軸承的接觸面采用固定約束，由于數值模擬的環模模型為實際模型的1/36，所以對環模的兩側面采用對稱約束。
1.6材料參數
環模所用材料是42CrMo，該材料調質后具有較高的疲勞極限，能抗多次沖擊，低溫沖擊韌性良好，足以滿足環模的摩擦大、易變形、沖擊次數多等特點。
2、數值模擬結果
2.1溫度場
圖3所描述的是不同模孔長徑比的環模在成型過程中的溫度場分布情況。從3種模孔長徑比的環模溫度場分布情況來看，環模工作表面的中心部位（壓輥和環模接觸的中間部位）溫度都達到了300qC以上，該溫度不僅可以達到軟化生物質原料中木質素的目的，而且可使軟化程度加劇進而液化，此時的木質素具有很好的黏結作用，可作為較好的黏結劑。因此，此刻只需對生物質原料施加較小的壓力，即可得到與環模模孔相同形狀的成型產品，因而成型設備消耗的能量較小。溫度分布中的最高溫度模孔長徑比為6:1時最高，5:1時次之，4:1時最低。環模溫度不宜過低或過高，如果過低，沒有達到生物質原料中木質素的軟化點，木質素起不到黏結作用；如果過高，生物質中的木質素將炭化，從而阻礙熱量的傳遞，內部的木質素無法軟化，最終使傳熱費時耗能。
如圖4所示，不同模孔長徑比的環模在不同寬度方向上溫度沿徑向的分布。整體來看，環模的溫度隨半徑的增大逐漸降低，這和實際情況相吻合，這主要是因為環模的熱量主要來源于環模、壓輥及物料之間的摩擦，并且發生在環模內環面。由圖4可知，在寬度z=0時溫度最高，寬度z=0.125和寬度：= - 0.125的溫度變化曲線基本重合，這說明環模兩端的溫度變化幾乎相同；模孔長徑比為4:1時，由于模孔長度較短，且摩擦產生的熱量由中心向四周輻射，溫度沿徑向并不是按嚴格的遞減趨勢分布，所以z=0的曲線波動較大。
從環模的徑向來看，溫度呈不規則的層狀分布，環模的工作表面溫度最高，這有利于加熱生物質原料中的木質素，隨著環模半徑的增大，溫度逐漸降低，在環模的端面，溫度達到最低，此處不是環模的工作區域，只是作為環模的一個散熱面，用來使環模的多余熱量對流到空氣中，從而使環模達到一個熱平衡狀態，富通新能源生產銷售的
秸稈壓塊機、
木屑顆粒機等環模成型機專業壓制生物質成型燃料。
2.2耦合場
圖5反映了不同模孔長徑比的環模在成型過程中的應力場分布情況，在環模的應力場分布云圖中可以看到，最大應力出現在環模端面法蘭盤聯接處，也就是說這里最容易發生破壞。從環模整體結構來看，它相當于懸臂梁通過法蘭盤結構安裝在軸承上，由理論力學基礎知識得知，最大應力應該出現在此處，數值模擬與理論分析相吻合。同時，還可以看出在環模的工作表面上應力分布不均勻，中間的應力比兩邊大，這說明環模在受到壓輥的擠壓力和物料的摩擦力后，工作表面磨損不均勻，會導致環模的工作表面凹凸不平，嚴重時會導致物料流動受阻，出料量下降，導致環模停止工作。中間應力比兩邊應力大，說明環模中間磨損會比兩邊大，最終導致環模成腰鼓形，失效報廢。環模的模孔應力也較大，說明環模在成型過程中，物料在通過模孔成型時，模孔承受較大的摩擦力，致使模孔在工作一段時間后，孔內壁磨損較大，孔徑增大，所生產的顆粒成型產品直徑超過規定值而失效。
成型過程中，物料在通過模孔成型時，給了模孔較大的摩擦力，致使模孔在工作一段時間后，孔內壁磨損較大，孔徑增大，所生產的顆粒成型產品直徑超過規定值而失效。
圖6所示的是不同模孔長徑比環模在不同寬度方向上的應力沿徑向分布曲線。從圖中可以看出，在3組曲線中，環模應力隨半徑的增大逐漸減小，這是因為隨著半徑增大，環模越來越厚，橫截面積增大，直接導致應力減小。z= 0.125比Z=-0.125沿徑向上對應點的應力大，這與理論分析相吻合，這主要是因為Z= 0.125的環模端是固定端，z=- 0.125的環模端是自由端，而環模此時相當于懸臂梁，故固定端應力較自由端大。環模的最大應力在模孔長徑比4:1時最大，6:1時次之，5:1時最小，說明模孔長徑比4:1環模最容易損壞，模孔長徑比5:1環模壽命最長。該圖所示的應力曲線是熱．應力耦合場作用下產生的應力，包含溫度產生的應力，導致應力曲線變化不均勻。
3、結論
綜上所述，可以看出環模溫度隨半徑增大而降低，環模兩端溫度變化幾乎相同。在3種模孔長徑比中，模孔長徑比為5：1的環模的溫度場情況對加熱生物質原料中的木質素更有利于成型。最大應力出現在環模端面法蘭盤聯接處。環模進行針對性地設計和優化，為延長環模使用壽命，提高成型機產量，降低能耗提供了重要的理論依據。
富通新能源生產銷售秸稈壓塊機、木屑顆粒機等環模式木屑顆粒機，同時我們還大量銷售楊木木屑生物質顆粒燃料。
