將廢棄的秸稈回收并制成具有一定密度的成型壓塊燃料用于燃燒，可實現農村能源的持續發展并且減少環境污染。目前用于生產秸稈壓塊的加工設備主要有輥模
秸稈壓塊機（包括環模式和平模式）、活塞沖壓成型機（包括機械式、液壓式）、螺旋擠壓成型機等，其中環模輥模式壓塊機由于其擠壓成型時產生的壓力較大，產量較高，廣泛應用于大規模生產秸稈壓塊成型燃料。環模是環模輥模式壓塊機的核心部件，其工作性能直接影響著成型燃料壓塊的質量。由于在環模壓塊機工作過程中，環模與物料及壓輥輪之間相互擠壓摩擦使環模受力，在擠壓摩擦的同時會產生熱量使溫度升高，較高的一定溫度對秸稈物料在環模中成型有益，但也會加劇環模磨損，縮短其使用壽命。因此，環模是環模壓塊機工作過程中最易損壞的部位，分析環模受力情況，對研究優化環模結構具有重要意義。
環模的力學性能是影響環模使用壽命的重要因素，對環模進行力學分析具有重要意義。為了減少環模磨損，延長環模使用壽命，分析壓塊機環模工作中受力情況十分必要。目前的研究集中在對環模顆粒機的多排圓孔形環模受力分析，對環模壓塊機的單排方形模孔環模受力分析較少。該文在對研究顆粒機環模的基礎上研究壓塊機環模在壓塊過程中的受力，明確壓塊機環模關鍵受力部位的受力情況。應用ANSYS軟件研究該部位在工作過程中的應力分布及形變，為降低壓塊機環模磨損，優化環模結構提供一定依據。
1、壓塊機環模結構及工作原理
環模秸稈壓塊機的環模為單列方形模孔結構，模孔通常為方形，橫截面的對角線一般大于25mm，長度不等。壓塊機環模如圖l所示采用合金鋼整體鍛造環模坯，然后用鉆頭加工多個圓孔，再用銑刀銑削使圓孔成為方孔。
環模壓塊機主要工作部件是由固定的單列方模孔的環模和轉動的偏心壓輪組構成。粉碎后的秸稈物料經喂料口進入環模與壓輪組間的成型腔中，隨著壓輪組主軸體轉動將物料布滿環模內表面的溝槽中，偏心壓輪沿著環模溝槽內切公轉和摩擦自轉將物料擠壓進環模孔。壓輪組每完成一次公轉周期就將布滿環模溝槽內的物料擠壓人模孔內，從而形成了燃料塊的一個壓層。隨著物料的不斷喂入和壓輪組的公轉、自轉，便接連不斷地形成無數個物料壓層，相繼地擠入模孔中，通過模孔中不斷擠出成型。
2、環模工作受力分析
環模壓塊機的擠壓成形過程建立在物料間存在間隙的基礎上，通過壓輥與環模在溫度、摩擦力和擠壓力等綜合因素的作用下使物料間隙縮小，最終形成具有一定密度和強度的壓塊。根據物料在擠壓過程中不同的狀態，壓塊過程中受力情況可分為3種過程，即供料、變形壓緊和擠壓成形，其中在擠壓成形過程時，物料所受到壓輥的擠壓力足以克服物料受到模孔對其的摩擦力阻力從而擠出成型。對壓塊過程中環模內表面和孔壁受力情況進行分析，進而研究環模模孔間主要受力的楔形部位受力。
2.1環模內表面受力分析對環模在工作過程中內側受力情況進行研究，環模與壓輥在無物料時是存在一定間隙的，環模在生產壓塊過程中，壓輥和環模內表面間隙被物料所填充，環模內表面主要受到壓輥通過物料傳遞的擠壓力，壓輥旋轉通過物料傳遞的摩擦力。
環模壓塊機工作過程中，環模固定在機體上，偏心壓輥通過繞主軸公轉的同時自轉將物料分布在環模的內側并通過模孔擠壓成型。對環模壓塊過程中的受力進行分析，環模在壓塊過程中內側受力情況如圖2所示，壓輥組在主軸電機驅動下公轉產生轉矩r，壓輥邊緣在直徑為D的圓周上旋轉產生對物料的驅動力Q，壓輥與物料和環模間相互作用產生周期性擠壓力Ⅳ并通過物料傳遞至環模內表面，當壓輥與物料接觸時壓輥受到物料摩擦阻力F而自轉。
通過對在壓塊過程中環模內側受力分析可知，在環模固定，壓輥驅動擠壓的環模壓塊機工作過程中環模內表面受到壓輥通過物料傳遞的軸向擠壓力與周向摩擦力的影響，通過轉矩公式得出環模內表面受軸向擠壓力的計算公式，環模所受到的軸向擠壓力與環模的功率、環模的內徑、轉速及摩擦系數有關，再根據正壓力與摩擦力的關系求出環模內表面所受摩擦力。
2.2環模孔內受力分析環模壓塊機在壓輥的作用下將物料通過模孔擠出成型。在擠壓過程中，物料在模孔內受到壓輥傳遞的軸向擠壓力，同時物料受到環模孔壁對其的摩擦阻力。模孔中的物料擠出需要滿足的條件是物料所受的軸向擠壓力大于物料與環模孔壁間摩擦力。為研究壓塊過程中方形模孔內表面的受力情況，壓塊過程中孔內的物料壓塊視為整體，受力分析如圖3所示。
分析物料在壓塊過程中環模方形孔內受力情況，可知在壓塊過程中模孔內壁主要受到物料對其的擠壓力和摩擦力，擠壓力與模孔的結構特性和物料的屬性有關。
2.3關鍵部位受力分析經過對壓塊機環模內側及模孔在工作過程中所受物料的作用力研究，可知在進行壓塊時環模受到壓輥通過物料傳遞作用于內表面的軸向擠壓力和周向摩擦力，環模的模孔內壁受到物料對其的擠壓力以及摩擦力的影響，而這些力主要作用于模孑L間的楔形部位，楔形部位為壓塊過程中的關鍵受力部位，該部位當壓輥運動到上方時受力達到最大，其受力情況如圖4所示，楔形部位受到壓輥通過物料傳遞的周期性軸向擠壓力N和摩擦力F，物料在模孔中對其側壁的擠壓力H和摩擦力f。
3、仿真
壓塊機的環模在壓輥對物料周期性壓縮的作用下產生接觸擠壓應力，環模在此應力循環作用下楔形部位所受局部載荷很大。經過對環模的受力分析可知環模的楔形部位所受載荷的情況，為驗證該部在壓塊過程中是否滿足設計要求，并研究該部位在在受力后的磨損情況，應用ANSYS軟件對楔形部位進行靜力分析，研究楔形部位在壓塊過程中受力后的應力分布和發生的形變。
以生物質秸稈壓塊成套設備數據模擬進行仿真分析，成型機電機轉動功率P= 45 kW，成型機額定轉速n=166r/min，成型機模孔數量為36個，模孔規格為32 mm x32 mm方形模孔，成型模孔深Z= 130 mm，成型環模內徑為D=493mm，壓輪個數為2，壓輪與環模間間隙1mm，物料與壓輥的摩擦系數為，=0.6。物料的泊松比=0.3，物料與環模的摩擦系數為p=0.38，物料預緊壓強（物料對模孔的張力）根據武凱等人所做試驗得出結果為PNO=4.8 KPa。環模的材料選用45號鋼，彈性模量為210CPa，泊松比為0.3。
3.1模型建立及網格劃分為分析壓塊機環模楔形部位在工作過程中所受應力及形變，將環模整體拆分為如圖5所示的局部模塊進行ANSYS分析。
在ANSYS13.0中對原有的單元類型進行了整合，該模塊選取設置網格類型為SOLID185單元進行劃分，劃分后如圖6所示，并定義模塊的材料屬性，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。
3.2加載載荷及求解根據環模工作原理，模塊在仿真過程中約束添加在模塊外側表面，結合壓塊機工作過程中受力情況，模塊受到壓輥通過物料傳遞的軸向擠壓載荷和周向的摩擦載荷，載荷添加在模塊楔形部位的上表面，同時也受到模孔內物料對模塊側壁的擠壓載荷和摩擦載荷，載荷施加在楔形部位的兩個側面，載荷數據根據前文參數計算得出。
通過應力云圖分析其結果表明，環模的楔形部位所受最大應力為155 MPa，由于45號鋼力學性能為抗拉強度不小于600 MPa，屈服強度不小于355 MPa，楔形部位滿足使用要求。再根據如圖8所示形變圖觀察其形變位移。
由模塊楔形部位形變圖可知楔形部位在壓塊過程中受力最大形變位移量為0.015 6mm，形變量較小，不影響物料通過環模擠壓成型。
3.3結果與分析通過對模塊的楔形部位進行ANSYS分析，可知在壓塊過程中環模的楔形部位受力后的軸向應力分布。應力沿軸向不均勻分布且越與壓輥接近所受到的應力越大，應力最大點出現在楔形部位兩端與環模整體相接處，將會造成該處出現磨損，在壓輥周期性載荷作用下易引起疲勞斷裂。
楔形部位在壓塊過程中受力后發生了變形，形變位移沿切向呈不均勻變化，中間位移量較大兩端較小，位移方向與壓輥運行方向相關，最大位移出現在楔形部位頂端，將造成該部位磨損較大。
4、結論
通過研究環模壓塊機環模在工作過程環模內側以及模孔中受力情況，分析模孔間的楔形部位為關鍵受力部位，應用ANSYS軟件分析環模楔形部位受力后應力分布及形變，得出以下結論：
(1)通過對環模在工作過程中環模內側與壓輥受力情況及物料在模孔中與孔壁受力情況的研究，分析壓塊機環模的關鍵受力部位，得出環模模孔間的楔形部位為主要受力部位。
(2)應用ANSYS軟件分析環模壓塊機在工作過程中關鍵受力的楔形部位應力分布及形變，楔形部位軸向內側所受應力較大，該部位頂端單側發生變形因而較易磨損，在周期載荷作用下疲勞斷裂也是環模楔形部位的一種失效形式。
(3)根據對仿真后得出的環模受力情況進行研究，環模的楔形部位失效主要為單側磨損，物料均勻分布有利于改善受力。
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