木质颗粒成型机环模受力分析.pdf

Vol 31 No 12 Dec 2011 第 31 卷 第 12 期 2011年12月 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Journal of Central South University of Forestry Technology 我国林业废弃物和农业剩余物资源丰富 除 做造纸 纺织 饲料等用途外 还有相当一部分 可作为生物质固体能源用途 替代日益减少的煤 石油等不可再生的化石能源 我国生物质燃料固 体成型技术的研究已有 20 多年的历史 20 世纪 90 年代主要集中在螺旋挤压成型机上 这种成型 方式存在着成型筒及成型进料螺旋磨损严重 寿 命短 能耗大 生产率低等缺点 当前广泛采用 的环模压辊挤压式颗粒成型技术有效地解决了能 耗大 生产率低等问题 成为了发展的主流 但是 关键零件环模使用寿命短 造价高 成为制约颗 粒成型技术发展瓶颈之一 本文中 对颗粒成型 机的关键零件环模进行受力分析 旨在为环模的 优化设计提供理论依据 木质颗粒成型机环模受力分析 王诚辉 严永林 中南林业科技大学 机电工程学院 湖南 长沙 410004 摘 要 伴随着全球能源的紧张 可再生的生物质颗粒能源越来越受到重视 作为木质颗粒成型机重要零件 的环模对成型产品的质量影响较大 环模在工作过程中受力复杂多变 常规的环模的设计都是依据经验 在 前辈研究成果的基础上 对环模工作过程中的受力进行了进一步分析 确定了环模内表面的压力分布以及制 粒孔内表面的压力分布 研究结果为环模的优化设计提供了理论依据 关键词 木质颗粒 制粒机 环模 力学模型 中图分类号 S 777 S 789 文献标志码 A 文章编号 1673 923X 2011 12 0187 05 Stress analysis of ring die in wood particles granulator WANG Cheng hui YAN Yong lin Central South University of Forestry and Technology School of Mechanical and Electrical Engineering Changsha 410004 Hunan China Abstract Accompanying with the global energy crisis the renewable biomass particles energy gets more and more widely concerned The ring die as an important part of a wood particles granulator had a greater impact on product quality The tradition design of a ring die was based on experiences because the ring die is loaded some complex and changeable pressure while it works Based on some senior s research results a study on the ring die including the pressure distribution on the inner surface of the ring die and on the surface of granulating hole was carried out the findings can provide a theoretical basis to the optimal design of a ring die Key words wood particles granulator ring die mechanical model 2011 11 05 基金项目 林业公益性行业科研专项 项目编号 200904027 湖南省科技厅项目 项目编号 2011GK3219 作者简介 王诚辉 1986 男 硕士研究生 研究方向 机械现代制造技术 电话E mail wch750 通讯作者 严永林 1963 男 教授 主要从事林业机械的研究 1 环模压辊挤压式颗粒成型 环模与压辊部件工作时 环模由电机驱动作旋 转运动 压辊在摩擦力的带动下绕固定的中心轴转 动 粉碎干燥后具有一定粒度和含水率的木质原料 在环模与压辊间形成的楔形空间受到挤压力 先后 经历重新排列位置 塑性流变和弹塑性变形等复杂 的变形过程 根据木质颗粒成型的过程来分 可分 为 3 个区域 散料区 变形压紧区和挤压成形区 其成型过程见图 1 2 成型过程中环模内表面受力分析 在对环模内表面进行受力分析时 为了方便 讨论 忽略环模上加强圈 模孔等的附作用 而 把它看成一个等截面厚壁圆环 收稿日期 王诚辉 等 木质颗粒成型机环模受力分析188第 12 期 变形压紧区挤压力大小的确定 对此区域物料进行受力分析 到现在还无法 完全从理论的角度给出原料的变形与应力的关系 本研究根据赵东 黄文彬等 1 的研究成果 采用实 验数据拟合的曲线关系 k1 b c式中 表示 物料的应力 表示物料的应变 k1 b c 为实验 测定的参数 与物料的含水率 粒度和温度有关 物料在角 处平均线 应变 可认为 挤压压强 qN k1 1 b BC BC 2 c 4 赵 东 孙艳玲等 2 研究指出 压制玉米秸杆 粉粒 粒度范围为 3 mm 4 mm 含水率为 10 时 挤压压强 qN 104 7 0 36 3 18当环模 R 150 mm 压 图 1 成型过程示意 Fig 1 Forming process of wood particles 1 2 O 图 2 环境压辊局部 Fig 2 Local structure of press roller and ring die O 图 3 微单元受力分析 Fig 3 Force analysis of micro unit P N F1 F2 BC 2 BC BC 2 1 散料区 原料在散料区基本不受外力作用 但由于工 作时环模旋转 致使原料受到离心力的作用 使 粉料紧贴在环模内壁并对环模产生反作用力 此 部分作用力忽略不计 2 变形压紧区 颗粒原料在此区域受挤压力的作用 发生塑 性流变和弹塑性等复杂变形 但挤压力还不足以 克服环模制粒孔内表面对物料的摩擦力 颗粒未 能被挤压出制粒孔 变形压紧区区域大小的确定 如图 2 所示 设环模的内径为 R 压辊的半径 为 r 令 根据几何关系可得 1 2 r rR u sincos u 2 1urRBC sin sin cos sin tan u1 u 2 对变形压缩区的物料进行受力分析时 按 环模转角在挤压压缩区开始区域取一微单元物 料 受力简图如图 3 所示 其中 P 为压辊对物 料的挤压力 F1 f1 p 为压辊对物料的摩擦力 N Pcos f1Psin 为环模对物料的挤压力 F2 f 2N 为环模对物料的摩擦力 阻碍物料进入楔形空间的 力为Psin 将物料攫入楔形空间的力为F1cos F2 为了能将物料攫入 必须满足 f1Pcos f2 Pcos f1Psin Psin 化 简 即 ff ff 21 21 1 tan 定义 的最大值为 0 则 ff ff 21 21 0 1 tan 式中 f1为物料与压辊的摩擦系数 f2为物料与环 模的摩擦系数 0对应的角 即挤压压紧区的边界位置 根 据式 2 可得变形压紧区的边界位置 0 2 0 2 tan 1 tan arcsin u 3 0 tan 0 tan2 189第 31 卷中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 辊 r 72 5 mm f1 f2 0 4 时 挤压压强随环模转角 变化曲线如图 4 此时 2 0 701 2 环模在此区域除了受径向挤压力作用外 还 受到摩擦力的作用 摩擦力大小 q 1 f2 qN 故环模 内表面在此区域的压力 q2 q2的方向为与表面法向成角度 arctan f2 5 挤压成形区 在挤压成型区 挤压力克服制粒孔对物料的 摩擦力 颗粒从制粒孔中被挤出 根据张维果等 3 的研究结果 可以确定挤压力与制粒密度的关系 q k Fw e r 而且挤压力大小在挤压成型区不变 受力情况如图5 qmax为颗粒将被挤压出环模孔时 环模内表面最大挤压力 且有 q qmax f fc 4 式中 f 为动摩擦系数 fc 为静摩擦系数 故 式 6 中 为成品颗粒的密度 Fw为出模压力 k 为力密系数 是与出模压力 粒度有关的系数 r 为粒密系数 是与粒度 摩擦系数 泊松比 压 缩比有关的系数 当挤压力 qN qmax 根据 1 4 6 可以求 解挤压成型区 1的大小 其中 环模内表面在此区域除了受径向挤压力 q 作 图 4 压力随角度变化曲线 Fig 4 Pressure curve change as angle changes 用外 还受到摩擦力的作用 摩擦力大小 q 2 f2 q 故环模内表面在此区域的压力可由式 8 计算 eF fq r w k 2 1 2 1 8 q1的方向为与表面法向成角度 arctan f2 环模内表面压力分布 根据上面分析 可知环模内表面压力分布如 图 6 所示 各参数为 图 5 挤压力分布 Fig 5 Distribution or extrusion pressure 0 2 0 2 tan 1 tan arcsin u eFfq r w k 2 1 1 1 2 2 1 2 b Kf q C u u 2 1 arccos 22 1 1 2 O 1 2 22 1 b k fq c 0 tan 0 tan2 1 1 图 6 环模内表面压力分布 Fig 6 Surface pressure distribution of wing die 1 2 O 3 制粒孔内表面的受力分析 1 直孔内表面受力分析 为了求得直孔内表面的压力分布 先对直孔 内的颗粒进行分析 颗粒在孔内已达到了成品的 6 eF f f q r w ctk max e C 22 K q 1 b1 r BC 1u r BCR lnln max 则 7 lnqmax lnK1 u u 2 1 arccos 22 1 R BC 2 r BC 2 r u 1 1 b e 1 arccos e C 22 K q 1 b1 r BC 1u r BCR lnln max 王诚辉 等 木质颗粒成型机环模受力分析190第 12 期 tan 2 tan1 cot1 2 0 2 4 sincos 1 x r c fq h f f f LRLR 1 f cot vLR1 f tan 2 c0vLR rh x tan 2 cos f sin 式 9 10 中 PL x 为颗粒物料 X 截面处 的压强 P x 为圆孔内壁对颗粒的径向压强 P 0 为预应力 使颗粒在没有挤压力的作用下被紧紧 缚在制粒孔内 VR为颗粒的泊松比 f 为颗粒与环 模孔摩擦系数 rh为直孔半径 故直孔内表面的受到压力为 ePfq rh LRx f r 2 0 2 3 1 11 q3方向为与内孔表面法线成角度 arctan f 2 锥形孔内表面受力分析 对锥形孔内的颗粒进行分析 取一微单元如 右图 8 所示 12 13 14 15 式 12 15 中 FR为径向力 FL为轴向力 ER 为径向弹性模量 EL为轴向弹性模量 R为径向 应变 L为轴向应变 AL 2 rh xtan dx 为轴向 面积 AR rh xtan 2为径向面积 PN x 为锥面 上的法向压力 泊松比为 VRL R L 16 密度 一般大于 1 0 g cm3 假设颗粒属于连续 均匀 各向同性的弹性体 在孔内取一微单元 对微单元进行受力分析 如图 7 所示 根据陈炳 伟 5 论文中的分析结论 得出 LR r xf LR r L P e P p r x hLR 0 2 0 9 弹性模量与泊松比之间的关系为 由式 14 17 可得 要求 cos f sin 0 否则颗粒不能被压进 制粒孔 如图 8 所示 微单元在轴向处于平衡状态 则有 dFL x N sin f cos 19 图 7 制粒孔内颗粒微单元受力分布 Fig 7 Force analysis for microunit of pellets in the hole 图 8 锥形孔内颗粒微单元受力分析 Fig 8 Force analysis for microunit of pellets in the tapered hole 23 10 ePP r x hLRx f rr 2 0 FL x PL x rh xtan 2 N PN x 2 rh xtan dx FR FL ER R AL EL L AR FR FL PN x cos PN x fsin AL PL x AR PL x C0 rh xtan 2 tan 2 tan1 cot1 2 0 sincos x r c P h f x f f LR N LR rh xtan 2 ePfq rh LRx f r 2 0 2 3 1 vLR tan f 1 f tan 2 tan dx r x tan dPL x PL x 1 f cot vLR1 f tan 2 PN x vLR cos f sin PL x 18 ER EL vR vL 17 1 f cot vLR1 f tan 2 cos f sin 由式 12 13 18 19 可得微分方程 20 解微分方程可得 21 式 21 中 C0为常数 与 x 0 处的轴向压力有关 根据颗粒内部轴向压力连续可求得 环模的长径 比 为制粒孔长度与孔径之比 从式 9 可以看出 结构尺