一種秸稈粉碎顆粒成型機的設計與有限元分析*

牟海晶 ，戚 麟 ，何慧聰 ，楊春龍 ，袁 豪 ，郭明強 ，崔有正

（齊齊哈爾大學機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

秸稈本身存在著纖維素難降解、密度小、不易存儲及運輸等問題，秸稈處理常采用的方式是直接堆放或是露天焚燒，該方法會污染環境、造成資源浪費。如何有效地利用秸稈資源成為當前研究的熱點之一，秸稈粉碎顆粒成型機為解決秸稈資源的浪費和環境問題提供了一種選擇，為生物質能的發展提供了一種新的途徑和思路。秸稈粉碎顆粒成型機是一種用于將秸稈等農業廢棄物進行粉碎和成型的設備[1-2]。國外一些發達國家在這一領域取得了一些成果[3-5]。目前國內的秸稈粉碎顆粒成型機主要分為機械式和生物質轉化式兩種類型，并且均取得了較好成果[6-9]。本研究設計了一款秸稈粉碎顆粒成型一體機，機具包括秸稈粉碎裝置、顆粒成型裝置和傳動裝置的設計。

1 秸稈粉碎顆粒成型機的設計

1.1 結構設計

秸稈粉碎顆粒成型機的結構設計采用一體化設計方案，將粉碎和成型的結構組合在一起，實現一體化操作。圖1 和圖2 分別為秸稈粉碎裝置結構示意圖、顆粒成型裝置結構剖面圖。

圖1 秸稈粉碎裝置結構示意圖

圖2 顆粒成型裝置結構剖面圖

1.2 工作流程設計

秸稈粉碎顆粒成型機工作原理：通過粉碎和成型兩個主要步驟對秸稈材料進行處理。將秸稈從進料口放入粉碎裝置后，電機帶動高速旋轉的多刀片切刀組將秸稈材料在短時間內徹底粉碎處理。粉碎后的秸稈材料通過輸送管道被輸送到顆粒成型裝置內。成型裝置主要由環模、壓輥等機構組成。環模固定，壓輥由電機驅動經減速器減速后增大扭矩，壓輥沿環模表面滾動，將被粉碎的秸稈材料壓縮，通過環模的成型孔擠出為條狀，形成生物質顆粒。秸稈粉碎顆粒成型機的總體工作流程如圖3所示。

圖3 秸稈粉碎顆粒成型機總體工作流程

2 有限元模型的建立

對機具關鍵零部件展開強度、剛度分析是一項重要工作，為滿足此項工作要求，選取秸稈粉碎顆粒成型機中的三個主要零件（即大齒輪、輸出軸、環模）展開分析。運用SolidWorks 三維建模軟件分別建立上述三個零件的數字化模型。為提高仿真時的效率，對三個零件外部的非必要特征進行簡化[10-11]，進而將其導入ANSYS Workbench 軟件，并對相關零件進行材料設置，大齒輪和輸出軸均采用45 鋼（調質），環模采用40Cr，具體材料屬性參數設置如表1 所示。同時完成相關零件載荷及約束條件的施加。

表1 各零件的材料屬性

進行網格劃分時大齒輪和環模的模型采用四面體網格劃分方法，輸出軸采用六面體主導網格劃分方法。為了提高有限元結果的準確性，經過調整，將網格大小定義為4 mm，經過劃分得到三種零件的有限元模型，如圖4所示。

圖4 三種零件的有限元模型

3 秸稈粉碎顆粒成型機關鍵部件有限元分析

3.1 大齒輪的靜力學分析

1）大齒輪總變形分析結果。由圖5 總變形分布云圖可知，當齒輪嚙合時，齒頂部總變形量最大，其仿真數值為0.004 818 4 mm，變形數值較小，對齒輪嚙合時的影響不大。

圖5 大齒輪總變形分布云圖

2）大齒輪等效應力分析結果。由圖6 等效應力分布云圖可知，當齒輪嚙合時，齒根部的等效應力最大，其數值為24.797 MPa，低于45 鋼（調質）的許用應力146 MPa，滿足設計要求。

圖6 大齒輪等效應力分布云圖

3.2 輸出軸的靜力學分析

1）輸出軸總變形分析結果。由圖7 總變形分布云圖可知，當輸出軸工作受力時，鍵槽底部總變形量最大，其仿真數值為0.014 593 mm，變形數值較小，對齒輪嚙合時沒有太大的影響。

圖7 輸出軸總變形分布云圖

2）輸出軸等效應力分析結果。由圖8 等效應力分布云圖可知，在工作狀態下，鍵槽根的等效應力是最大的，為41.588 MPa，比45 鋼（調質）的許用應力低，在工作狀態下，它對系統的影響很小，可以安全、穩定地工作，達到了設計要求。

圖8 輸出軸等效應力分布云圖

3.3 環模的靜力學分析

1）環模總變形分析結果。由圖9 總變形分布云圖可知，當環模工作受力時，孔周圍的總變形量最大，其仿真數值為0.017 563 mm，變形數值較小，對齒輪嚙合時的影響不大。

圖9 環模總變形分布云圖

2）環模等效應力分析結果。由圖10 等效應力分布云圖可知，在壓力輥子被擠壓時，齒根部的等效應力是最大的，為60.667 MPa，低于40Cr 的許用應力211.1 MPa，在工作中，對系統的影響很小，它可以安全、穩定地工作，達到了設計要求。

圖10 環模等效應力分布云圖

通過有限元分析可知，以上部件的各危險區域的變形均滿足設計要求，從而保證了部件在設備對應的位置上能夠正常工作，不會發生強度失效。

4 結論

1）將粉碎和成型這兩個過程在一個設備上實現，可以達到節能、減排和提高工作效率的目的。

2）秸稈粉碎顆粒成型機大齒輪、輸出軸、環模三個部件的應力應變均滿足設計要求，不會發生強度失效，表明了設計的合理性。

3）秸稈粉碎和顆粒成型技術，可以有效解決秸稈資源的浪費和環境問題，為生物質能的發展提供一種新的途徑和思路。