雙層環模式秸稈壓塊機模具結構設計與分析

徐弘博　胡志超　陳有慶

摘要：針對單層秸稈壓塊成型設備生產能力低、單位能耗大的問題，分析雙層環模式秸稈壓塊機的性能優勢，并提出了一種改進的雙層環模結構。通過ANSYS軟件對改進前后的環模模塊進行應力應變分析，對比了模孔徑向與軸向的應力應變分布情況。結果表明：改進后的雙層環模模塊具有更好的力學性能，為雙層甚至多層環模模塊的結構設計提供了新的思路。

關鍵詞：秸稈壓塊機；環模；雙層結構；優化設計

中圖分類號： S226.9 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0415-04

隨著人們對環境污染問題的關注程度不斷提高，如何正確處理農作物秸稈已經成為我國學者研究的焦點之一。秸稈壓塊成型技術的出現，為高效再利用秸稈資源提供了一條很好的途徑[1]。秸稈成型設備按照成型方式的不同具有多種結構形式，其中環模輥壓式秸稈成型設備，相對于螺旋擠壓等成型方式，具有生產率高、生產成本低的優勢[2]，是目前秸稈壓塊成型技術的主流研究對象。

目前，國內秸稈成型設備普遍存在的問題之一是生產能力偏低、單位能耗過大[3]。根據能耗比模型理論[4]，增大產量可以降低成型的能耗比。針對單層環模設備大型化呈現的種種約束，雙層出料口結構的環模式秸稈壓塊機因其能成倍地提高產量，成為秸稈成型設備大型化的發展趨勢。環模在工作過程中受物料擠壓和穩定升高的影響，極易磨損，為改善環模的力學性能，提高使用壽命，國內學者對環模結構進行了大量分析優化與試驗驗證[5-6]，但均是針對單層環模結構，對雙層環模結構的研究十分匱乏。本研究對雙層環模的模塊進行建模，并提出一種改進的雙層環模模塊結構，通過有限元軟件ANSYS進行靜力學仿真，反映其工作過程中的應力與應變分布情況，并與普通的雙層環模模塊結構進行對比，證實改進型的雙層環模模塊具有更加合理的力學特性，為雙層甚至多層環模模塊結構的設計與發展提供參考。

1 環模模塊結構設計與分析

雙層環模與單層環模具有相同的模孔結構，不同點是雙層結構在環模軸向進行了拓展，因此可以首先對單層環模的結構進行設計，通過分析單層環模結構在設備大型化方面存在的問題，來設計雙層環模結構。

1.1 單層環模結構形式

本研究的單層環模由36塊結構相同的模塊拼接組合而成，每個模孔為直徑dm=30 mm、長度I=140 mm的圓柱，模孔前端設有40°錐角用于使物料擠壓成型；環模內徑d=620 mm，外徑D=900 mm，模塊厚度為60 mm。單個模塊與整體組合的單層環模結構如圖1所示。

1.2 單層環模結構的缺陷

單層環模結構在技術上存在很多不足之處，從設備大型化的發展角度對比分析增加模孔對單層環模結構的秸稈成型機帶來的問題。

問題1：造成模盤尺寸過大。模盤是環模模塊安裝的載

當模孔數n由36個增加到60個時，可以繪制模孔數-模盤面積曲線。由圖2可知，模盤面積隨著模孔數的增加呈現二次上升曲線，模孔數越多，面積增加得越快。因此，當要求設備產量較大時，就會造成模盤的加工成本和制造難度迅速上升；同時，較大的模盤尺寸對于安裝和運輸來說也造成了負擔。因此，單層出料孔的設計思路制約了環模式秸稈壓塊機的大型化發展。

問題2：造成設備堵機現象。市場上的現有設備將環模內徑d作為模盤進料口直徑，這導致進料口面積與出料口面積比例嚴重失調。通過計算可以發現，入料口的面積：

當模孔數n由36個增加到60個時，繪制入料/出料面積比例圖，由圖3可以看出，入料通道的面積是出料孔面積總和的10倍以上，這使得物料進入模盤的速度遠大于設備的產出速度，而且隨著模孔數量的增加，入料通道面積與出料孔的面積比表現為線性增加，入料與出料速度比越發失調。在依靠人工上料的情況下，一旦控制不好入料量就會產生堵機現象，這種情況在實際生產中尤為常見，嚴重堵塞時甚至會損害模盤內的壓輥部件。

問題3：造成設備功率需求增大。根據設備的運作情況，可以將設備的功率消耗歸納于以下3個方面：擠壓成型過程中壓輥克服物料摩擦力的做功；克服設備轉動慣量所做的功；克服物料與環模摩擦發熱所做的功。增加模孔不但造成壓輥力臂的增大，同時也造成設備轉動慣量的增大，這勢必提高了設備的功率需求，對驅動元件的選型造成負擔。

由于雙層環模結構從模盤的軸向增加模孔數量，不改變模盤尺寸、入料口面積、壓輥力臂長度，能夠很好地避免上述問題，為秸稈壓塊成型設備大型化發展提供了合理的途徑。

1.3 雙層環模結構形式

雙層環模結構是由單層環模結構沿模盤軸向拓展延伸而來的，同樣是組合式模塊結構，模孔的結構參數保持不變，雙層環模結構如圖4所示。

對雙層環模結構進行觀察可以發現，在每個模孔成型壓力相同的條件下，雙層環模結構的模塊所承受的載荷在模孔徑向發生疊加，工作應力應變比單層結構要大，更容易發生磨損和斷裂失效，這是雙層環模結構不可避免的問題之一。因此，探索更加合理的雙層環模結構具有重要的現實意義。

2 雙層環模模塊結構分析與優化

2.1 模塊結構優化目標

模塊的結構改進是減小環模磨損的手段之一，為了確定改進的目標參數，首先要分析模塊的磨損機理。磨料磨損主要有以下幾個方面[7]：（1）塑性變形失效。環模材料表面受到擠壓發生塑性變形，被推到兩側材料被反復擠壓發生加工硬化或其他強化作用，最終剝落。（2）疲勞失效。環模工作時受到較大的交變接觸壓應力，經過一段時間的積累表面出現疲勞裂紋并逐漸擴大，最終導致疲勞破壞。（3）磨損失效。秸稈物料成型過程對模孔的擠壓磨損，導致模孔變大，孔壁變薄而發生的失效形式。

通過上述分析可以看出，減小環模工作時的應力和應變是模塊結構改進的主要目標，因此需要對環模模塊工作狀態的應力應變進行分析。

2.2 雙層環模模塊力學仿真

通過ANSYS軟件對環模模塊工作部位進行靜力分析，求解出模塊工作狀態下的應力應變情況。模塊材料采用42CrMo，密度為7 870 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，采用Solid185網格類型對模塊模型進行網格劃分。

對環模模塊的工作情況進行分析可知，環模通過緊固螺栓固定在成型設備上，模塊嵌入機體中，上下表面卡入溝槽，因此外表面為固定約束。壓力作用在環模內環表面、模孔表面，根據文獻報道[6，8-9]，對模型施加約束與載荷，對錐面由內向外施加15～25 MPa的線性壓力載荷；對孔壁由內向外施加 40～10 MPa 的線性壓力載荷；對環模內環施加15 MPa的壓力載荷。約束與載荷施加示意見圖5。

通過求解得出雙層環模模塊的應力與應變云圖如圖6所示。

由圖6可以看出，最大應力集中在錐面與模孔交接處的水平中心部位，約為39.6 MPa，這是由于該處壁厚較薄，同時物料受到錐面成型作用在此處達到最大值而產生的；最大應變位于上下2個模孔錐面連線的中點位置，約為0.005 mm，這是由于中間位置沒有約束，上下模孔受到的擠壓位移在此處發生了疊加。

2.3 改進雙層環模結構分析與對比

為了提高雙層環模模塊的使用壽命，降低使用成本，提出了改進的雙層環模模塊結構。

圖7為改進的雙層環模結構，將每個模塊的體積減小一半并沿模盤軸向錯開一個孔的位置，形成交錯排列的模孔布局，這樣可以避免模孔開在同一側而產生應力疊加問題，并且由于模塊體積減小，提高模塊加工質量，降低加工成本。同時，模塊之間的相互作用可以抑制形變量的擴展。

采用相同邊界條件對交錯式雙層模塊結構進行有限元分析，得到圖8所示的分析結果。

由應力應變云圖可以發現改進后的雙層環模模塊結構減小了上下模孔的應力應變疊加作用，為了更加準確地評判改進后模塊與原始模塊之間的區別，沿模孔徑向與軸向取一系列特征點加以對比分析。應力與應變情況分別見圖9、圖10。

由應力對比圖可以看出，在模孔的軸線方向改進模塊與原始模塊的應力變化情況呈現相同規律，都在錐面與模孔交界處達到最大值，并向物料出口呈現減小趨勢，而改進模塊的應力水平小于原始模塊的應力水平；在模孔的徑向上，改進后的模塊應力變化相對平滑，模孔中間處（90°）的峰值小于原始模塊的應力峰值。改進模塊在單側（180°）發生了應力集中現象，這是由上下模孔的非對稱性導致的。

由應變對比圖可以看出，在模孔的軸線方向改進后的模塊應變量始終小于原始模塊；在模孔的徑向同樣是改進后的模塊應變量較小，這是由于改進后的模塊將自身應變轉移到了2個模塊之間，使得應變量無法得到擴展。事實上，改進后的模塊最大應變量只有原始模塊最大應變量的30%，充分體現了改進后模塊的優秀結構特點。

3 結論

通過對單層環模模塊結構的設計，從設備大型化角度探討單層環模結構存在的缺陷，分析了雙層環模結構具有的優勢。針對已有的雙層環模結構，提出一種改進的結構形式，通過計算模孔軸向與徑向的應力應變分布情況，對比了改進前后雙層環模結構所具有的不同力學特性，結果表明改進后的環模結構在應力與應變水平方面均低于原始的環模結構，驗證了改進的雙層環模結構在消除應力疊加，延長環模模塊使用壽命方面具有的優勢。本研究從環模模塊結構優化的角度為秸稈成型設備大型化的發展提供了新的思路。

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