引言 生物质固化成型技术是将生物质原料经干燥、粉碎到一定粒度，在一定湿度、压力和温度条件下，使生物质原料颗粒位置重新排列并发生机械变形和塑性变形，成为形状规则、密度较大、燃烧值较高的固体燃料的过程。同其他成型技术相比，液压成型技术设备运行稳定性好、噪声小、原料适用性强，可实现大规模的生产和应用。目前国内外对生物质液压成型方面的研究，主要集中在原料种类、含水率、粒度、温度、成型压力等方面的试验研究和理论探讨上，对液压成型主要部件——模具的研究较少。O'Dogherty等研究了压模直径、喂入量和保型时间对压缩成型的影响，得出影响生物质成型因素与成型品质及能耗间的关系，但研究中没有考虑模具锥角对成型的影响。液压成型模具锥角是影响成型的关键参数，锥角大小影响压缩过程中的摩擦力和消耗的压缩能，决定生物质成型密度和成型品质。传统工业生产中液压模具的设计一般采用“Trial and Error”方法。该方法需反复试模、修模，成本高，周期长。本文针对液压成型机主成型阶段，采用ANSYS有限元模拟软件进行数值模拟，运用其特有的APDL参数化语言对模具锥角进行优化研究，对优化后的结果进行试验与对比分析。 1、模具内物料受力分析 液压成型机主要依靠物料与主要成型部件——模具之间的摩擦力和锥型腔形成的挤压阻力实现原料的压缩成型，原料挤压所需要的成型压力与挤压模具内壁的摩擦力相平衡，而摩擦力大小与模具的形状尺寸有直接关系。对模具锥角进行优化，首先要分析物料在挤压过程中的受力情况，考虑到模具的轴对称性，取模孔截面的A -A剖视图作受力分析。图l为液压成型机及模具内物料受力图。式中Pi-成型区模壁对物料施加的单位压力 P2——锥型腔模壁对物料施加的单位压力 p3-保型区模壁对物料施加的单位压力 D-模具大端直径 d——模具小端直径 L-成型区长度 Z——保型区长度 u——摩擦因数 e-侧压系数 由式(3)可以看出，挤压过程中影响物料成型压力的因素主要是物料的性能参数e、u和模具的结构尺寸。当其他参数取值一定的情况下，锥角a是影响成型压力的关键因素，决定生物质成型品质和成型密度。 秸秆压块机、秸秆颗粒机等是专业压制农作物秸秆的成型机械设备。 2、模型建立 2.1几何模型 按物料的不同受力情况，液压成型压缩过程分为预压缩、主压缩和挤出保型3个阶段。选取成型的主压缩阶段作为研究对象。 液压成型模具的结构具有轴对称性，考虑到计算成本及二维模型数值模拟与实际的拟合度，故此研究取模孔截面的1/2为研究对象。研究采用ANSYS的APDL参数化语言建立成型的二维轴对称几何模型如图2所示，固定大小端端面积比在1.2—1.5之间，只改变锥角口便可以建立新的分析模型。图中，6为模具锥长。 2.2材料属性和单元类型 选用棉秆作为研究对象，在压缩成型过程中，建立棉秆、模具、接触对3种材料模型，其材料属性如表1所示。 考虑液压模具锥角的存在对网格划分的影响，单元类型选择具有八节点的高阶二维Plane 82单元。考虑生物质固化成型时挤压摩擦大变形的特点，选用二维面一面接触单元Target 169和Contact172来模拟棉秆与模具的摩擦接触。 2.3网格划分 对所建立的有限元模型进行网格划分，棉秆在挤压过程中因有塑性变形且产生较大的位移，采用自适用网格划分；对模具，则采用智能分网控制生成自由网格。 2.4施加载荷、约束及求解 液压成型模具工作环境涉及空间、力等载荷条件，因此在挤压成型过程中所施加的载荷、约束、边界条件涉及位移、压力等。模具和机器本体相连，外表面为固定约束，两端面和机器的其他部件固定相连，也采用固定约束。由于结构采用对称形式，成型块的左侧采用对称约束。在成型块的上部施加压力和位移作为载荷。 考虑到模型状态非线性接触问题涉及内容的复杂性和摩擦的影响，在求解前做如下规定：在求解控制项中Sol’n Controls中选Large DisplacementStatic．考虑大变形影响，打开自动时间步预测，在Analysis Options中打开Large deform effect。将牛顿一拉普森选项设置为Full N-R unsymm算法。采用线性搜索(line search)，目的是避免较大的时间增量导致迭代变得不稳定。 3、后处理结果分析 通过ANSYS提供的APDL参数化设计语言编制模具锥角口的优化程序，通过改变锥角口参数值建立新的分析模型。对比螺旋挤压成型中螺旋角的取值，考虑成型模具的锥角过大易形成死角，为使物料能在模具中稳定成型和推出，优化设计的锥角口不大于10°。 3.1锥角与应力关系 采用APDL参数化语言优化模具锥角，得到锥角与模具最大等效应力关系曲线如图3所示。 从图3可以看出，锥角与等效应力间呈现二次抛物线关系，锥角d在5.5°～6.0°范围内，等效应力相对较小。这主要是因为：在主压缩阶段，同时存在压应力和剪应力，当口角减小时，物料向中间部位移动较少，应力变形主要集中在模具整个锥面上，压应力增大，应力曲线上升；当a角增大时，物料快速向中间积累，受压变形的物料增多，压应力相对减少，剪应力增加，应力曲线呈上升趋势。在锥型腔处，压应力和剪应力同时存在。此处的材料为模具上应力集中最为严重的地方，应力超过模具的屈服强度时，在此薄弱部位产生微小裂纹，摩擦磨损严重到一定程度，模具失效。合理设计模具锥角能提高模具使用寿命。 3.2不同锥角时摩擦力与位移关系 模具锥角为5.0°，5.5°，6.0°和7.O°时摩擦力与位移关系曲线如图4所示。 从图4可以看出，锥角不同对摩擦力的影响也不同，但存在相同的影响趋势：在挤压开始阶段摩擦力较小，因物料本身流动性差和相互牵连的特性，摩擦力以不规则的形式增大；当移动到模具锥型腔附近，作用于锥型面上的压力达到最大，受到的摩擦力最大，而后作用压力逐渐减少，摩擦力迅速下降并趋于稳定。这主要是因为成型开始时以压实致密为主，增长较缓，随着塑性变形的增加，施加的压力增大，摩擦力迅速增大，在锥型腔处，由于模壁侧压力的增加，摩擦力达到最大值，经过锥型腔区域后，侧压力减小，摩擦力下降趋于稳定。当模具锥角取5.5°～6.0°时，摩擦力与位移关系曲线变化较平稳，挤压过程中产生的摩擦力相对较小，应力在模具上均匀分布。图5为模具锥角取6.0°时产生的摩擦力分布图。 4、试验 为了对比优化前模具锥角与优化后模具锥角对成型燃料成型品质和成型密度的影响，在液压成型机上进行了试验。试验中选取的液压成型设备除成型模具锥角不同外，其余结构参数完全相同；试验所需原料种类、粒度、含水率及每次成型时所需原料质量亦完全相同。试验以棉秆为原料，粉碎粒度为5 mm，含水率为15%，初始密度365 kg/m3。 4.1成型燃料外形对比分析 优化前成型模具锥角与优化后成型模具锥角出模后的棉秆成型燃料外形对比如图6所示。从图6可以看出，模具锥角优化前成型燃料比较粗糙，密度低，放置一段时间后表面出现严重裂纹现象，不便储藏、运输；优化后的成型燃料表面光滑，密度高，成型品质好，便于储藏运输。 4.2成型燃料性质对比分析 在生物质成型燃料性质中，松弛密度和耐久性是衡量成型燃料品质的两个重要指标，直接决定成型燃料的使用、运输和贮藏条件。 4.2.1松弛密度对比分析 生物质成型燃料在出模后，由于弹性变形和应力松弛，其密度逐渐减小，一段时间后密度趋于稳定，此时成型燃料的密度称为松弛密度。将优化前成型模具与优化后成型模具出模后的成型燃料放置3h，用游标卡尺测出直径R和高度^。每次试验前称取棉秆质量m．记录活塞最大位移s．每组测试5次，取平均值，物料起始厚度H。 通过上述公式进行数据处理，处理后的对比分析结果如表2所示。 由表2可以看出，在试验条件相同的情况下，模具锥角优化后的成型燃料与模具锥角优化前的成型燃料相比，成型燃料的松弛密度增大，松弛比减小，成型燃料成型密度好，便于使用。 4.2.2耐久性对比分析 耐久性反映成型燃料的粘结性能，决定成型燃料的使用和贮藏性能。抗渗水性是衡量耐久性的重要性能指标。分别将优化前与优化后的成型燃料样品置于25°的水面下10mm，持续时间30s，观察吸水现象。成型模具锥角优化前的成型燃料吸水性强，体积膨胀快，形状基本改变，松散、裂纹严重，极易碎；成型模具锥角优化后的成型燃料吸水性弱，体积膨胀较慢，直径变化不大，高度增加，有一定硬度，不易碎。图7为优化前与优化后棉秆成型燃料吸水后的特征对比图。可见锥角优化后的成型模具能大大提高成型块的成型品质和成型密度。 5、结论 (1)通过使用ANSYS APDL参数化语言对在其他参数取值一定时的模具锥角进行优化设计，研究发现液压成型模具锥角是影响成型的关键参数，锥角大小影响压缩过程中的等效应力和摩擦力。当模具锥角在5.5°～6.0°范围内，成型模具受力均匀，物料压缩流动性和成型性好。 (2)模具锥角对成型块的成型密度和成型品质影响显著。经优化后的成型模具挤压成型的成型块较优化前成型品质好，成型密度高，宜于使用、存储和运输。 (3) APDL参数化建模能较好地模拟生物质物料挤压成型过程。当改变操作条件或选取不同物料时，只需修改相关参数，便可经过优化得到不同的优化结果。转载请注明：河南省同创新能源秸秆压块机