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基于Creo Simulate的生物质成型机成型套筒有限元分析

牛振华1,雷亚平2,杨北方2

(1.安阳职业技术学院,河南安阳,455000;2.中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室,河南安阳,455000)

  摘要:生物质成型机可以将松散的生物质原料(主要是农林废弃物)加工具有一定形状的成型燃料,对农林废弃物资源的再利用有着非常重要的意义。以HPB-V型液压式生物质成型机的成型套筒为研究对象,采用理论分析和Creo Simulate有限元分析相结合的方法,为成型套筒的制造材料选择提供思路和依据。成型套筒的基本参数:成型套筒出料直径为100mm,套筒锥长为240mm,锥角为8.4°,成型套筒材料为45钢和20CrMnTi钢。通过有限元分析,结果表明:两种材料在静力作用下都不会发生破坏,都适合加工制造成型套筒,但在工作过程中45钢成型套筒会发生疲劳损坏,20CrMnTi钢成型套筒不会发生疲劳损坏,因此,20CrMnTi钢更适合加工制造成型套筒。

  0引言

  中国是一个农业大国,农作物秸秆资源丰富,每年仅秸秆就可以产出7亿多t[1],除了秸秆还田和作为生活燃料外,被废弃和焚烧的秸秆占总量的40%以上[2],造成了严重的大气污染和资源浪费。为了防止焚烧秸秆,每到收获季节,国家和地方都要花费大量的人力、物力和资金进行禁烧管理。生物质成型技术是将松散的生物质原料(主要是农林废弃物)经过生物质成型及压制成具有一定形状的生物质成型颗粒和棒料,是秸秆有效利用的途径之一,广泛应用于饲料工业和可再生生物质能源等领域[3]。目前使用最多的生物质成型机包括活塞冲压式成型机、螺旋挤压式成型机和滚模碾压式成型机[4]。生物质成型机在工作过程中受到生物质原料挤压,其重要的成型部件成型套筒磨损严重,工作寿命短,维修和更换比较困难,较频繁的维修和更换直接降低了生物质成型机生产效率,增加了生产成本,严重制约了生物质成型燃料技术发展和推广。

  目前国内外对生物质成型机成型套筒的磨损和使用寿命开展了一些研究。杨星钊等[5]研究了成型套筒内锥孔的锥角和锥长对磨损的影响;王野平等[6]对圆锥模成型机的成型过程进行了受力分析,得出了锥角和挤压力的取值范围;蒋清海等[7]通过磨损试验,研究了环模制粒机的磨损机理;霍丽丽等[8]利用扫描电镜观察压辊的磨损形貌,对压辊的失效机理进行了分析研究;卢彪等[9]使用ABAQUS有限元分析软件对液压式生物质成型机的成型过程进行了仿真分析,得出弧面形式的成型模具可提高使用寿命;袁晓明等使用ANSYS软件对环模式生物质成型机的环模进行了有限元分析,认为锥孔对成型的影响较大;陈洪波等[10]基于统计分析,对生物质成型机的模具参数进行了优化。国外的O'Dogherty等[11]研究了模具直径对秸秆压缩的影响;Jiang等[12]研究了生物质成型燃料压缩成型的条件;Demirbas[13]使用液压式成型机将秸秆挤压成型,分析了压力、密度和温度的关系。

  本文对HPB-V型液压式生物质成型机的成型套筒三维建模,使用Creo Simulate有限元分析软件对45钢和20CrMnTi钢两种常用材料进行有限元分析,通过分析结果检验加工制造成型套筒的材料,进一步缩短成型套筒制造材料选择的试验周期和减少加工制造成本,为成型套筒的设计和改进提供一种新的思路。

  1 HPB-V型液压式生物质成型机

  HPB-V型液压式生物质成型机主要由传输装置、驱动电机、液压系统、控制系统、活塞冲杆、成型套筒和电加热套等组成,其结构如图1所示。工作时,将成型套筒加热到适合的温度,将秸秆放入预压室,由第一级预压油缸将秸秆推入第一级预压室,再由第二级预压油缸将秸秆推入第二级预压室。活塞冲杆将经过两级压缩后的秸秆推入进成型套筒中,外力的作用使得秸秆颗粒重新排列位置关系,并发生机械变形和塑性变形。在垂直于最大应力的方向上,粒子主要以相互靠近的形式结合。随外力的增大,生物质体积大幅度减小,容积密度显著增大,生物质内部胶化和外部焦化,并具有一定的形状和强度。活塞冲杆不断推挤,原料经保形筒保型后挤出,成为成型燃料[14-15]。

  生物质成型机正常工作时,原料被活塞杆从成型套筒的大孔压入成型套筒,然后从小孔中挤出,完成一次工作循环。成型套筒的结构如图2所示,成型套筒的工作寿命和成型质量与成型套筒的锥长L和工作面的锥角θ有直接的关系,本文中,成型套筒的锥长L为240mm,锥角θ为8.4°。

  2成型套筒的受力分析

  根据成型套筒的成型原理可知,成型质量取决于原料在成型套筒中的成型过程是关键过程,原料与成型套筒之间的摩擦力与活塞冲杆对原料的挤压力是形成原料变形的主要因素,也是造成成型套筒磨损的主要因素。原料在成型套筒内受到活塞冲杆的挤压力F1,成型套筒内壁对秸秆的挤压力F2,原料与成型套筒内壁的摩擦力F3。受力情况见图3。

  3成型套筒材料

  成型套筒的磨损主要跟成型套筒的材料性能,生物质原料的性能以及工作条件有直接关系[16],其中影响最大是成型套筒的材料性能。成型套筒的工作环境是一个高压(秸秆的挤压)和高温(加热器的加热)的环境,因此,成型套筒的材料应具有较好的硬度、耐磨性和抗腐蚀性等性能。本文选取了实际制造中常用的45钢和20CrMnTi钢作为研究对象,使用Creo Simulate分别对其进行静力分析和疲劳分析,验证两种材料是否适合制造成型套筒,以及对两种材料制造成的成型套筒的工作寿命作对比。

  4成型套筒的静力分析

  4.1静力分析过程

  4.1.1建立成型套筒的三维模型

  Creo是CAD设计软件包,三维建模的Creo Parametric模块和有限元分析的Creo Simulate模块是其主要模块[17]。使用Creo Parametric绘制出成型套筒的三维模型,套筒为长度240mm的圆柱体,内部有一个锥度为8.4°的锥孔,如图4所示。

  为了减少有限元分析的计算量和避免应力集中,将成型套筒的三维模型进行简化,忽略倒角和圆角。将三维模型导入到Creo Simulate中,根据表1内容,分别选择45钢和20CrMnTi钢两种材料。

  4.1.2定义约束条件和载荷

  成型套筒在生物质成型机机内与第二级预压室和保形筒相连,工作时固定不动,左端为进料口,所以在与保形筒相连的右端添加位移约束。

  HPB-V型生物质成型机的主液压油缸工作压强为12MPa,主液压油缸内径为105mm,故主油缸活塞杆对物料可产生129.8kN的压力,锥孔同时承受物料129.8kN的压力。根据这些条件为成型套筒的三维模型添加载荷、约束,其结果如图5所示。

  4.2静力分析结果

  根据设定的材料属性、载荷和约束,分别对45钢和20CrMnTi钢两种材料的成型套筒进行静力分析,其分析结果如图6、图7所示。

  从图6、图7可以看出,两种材料的成型套筒的所受应力较大的部位都发生在边缘部位,其中45钢的最大应力为209.8MPa,20CrMnTi钢的最大应力为223.1MPa,均未超出材料的许用极限,所以在静力作用下不会发生破坏。

  5成型套筒的疲劳分析

  HPB-V型液压式生物质成型机在工作过程中,活塞杆做往复的直线运动,成型套筒受到物料的挤压不是持续的,而是一个循环的挤压过程,由于摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形,导致产生裂纹和分离出微片或颗粒。成型套筒受到了交替变换的载荷,可能会在套筒表面发生疲劳破坏,因此需要对套筒进行疲劳分析。

  一般情况下,钢材在对称循环下的应力持久极限与其抗拉强度σb之间的关系大致为0.28σb。45钢的最大抗拉强度σb为600MPa,应力持久极限为168MPa;20CrMnTi钢的最大抗拉强度σb为1080MPa,应力持久极限为302.4MPa。由图6可知,45钢成型套筒上的最大应力为209.8MPa,已超出应力持久极限,表明45钢套筒将发生疲劳破坏。由图7可知,20CrMnTi钢成型套筒上的最大应力为223.1MPa,没有超出应力持久极限。

  对45钢的成型套筒进行疲劳分析,首先设置45钢的载荷类型为等幅值,幅值类型为零—峰值,抗拉强度600MPa,材料表面粗糙度为已抛光,失效强度衰减因子为2,材料类型为非合金钢。疲劳分析结果如图8所示,疲劳损坏最早发生在成型套筒的出料端,疲劳损坏发生的位置和静力分析得出的结果基本一致。

  在正常工作过程中,45钢成型套筒会发生疲劳损坏,20CrMnTi钢成型套筒不会发生疲劳损坏,因此,20CrMnTi钢更适合加工制造成型套筒。

  6结论

  1)使用Creo Simulate对HPB-V型生物质成型机的成型套筒进行有限元分析,得到了45钢和20CrMnTi钢两种材料成型套筒的应力云图。45钢的最大应力为209.8MPa,20CrMnTi钢的最大应力为223.1MPa。

  2)两种材料成型套筒在静力作用下都不会发生破坏,说明适合加工制造成型套筒。

  3)在正常工作过程中,45钢成型套筒会发生疲劳损坏,20CrMnTi钢成型套筒不会发生疲劳损坏,因此,20CrMnTi钢更适合加工制造成型套筒。

  4)本文的研究方法,可以检验材料是否适合加工制造成型套筒,缩短制造周期,降低成型套筒的研发成本。

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