生物质柱塞式成型机关键机构的设计与仿真.doc

《生物质柱塞式成型机关键机构的设计与仿真.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物质柱塞式成型机关键机构的设计与仿真.doc（11页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、生物质柱塞式成型机关键机构的设计与仿真摘要：针对传统成型机能耗高、寿命短、模具磨损过快等特点，新设计一种生物质环模柱塞式致密成型机。对挤压过程中压辊组件进行有限元模态分析，以得到研究结构的各阶模态的固有频率和振型，结果表明成型过程中不发生共振，为压辊设计提供理论基础。当今世界的化石能源储备越来越少，而随着我国经济的快速发展，对清洁能源的利用也愈发重视。目前市面上主要有3种生物质致密成型机：压辊式、螺旋挤压式和活塞冲压式。不过传统的压辊式生物质致密成型机通常是通过压辊曲面物理加压的方式进行挤压成型，所以存在成型模具磨损过多，使用寿命偏短等问题。本文将设计一种新型生物质环模柱塞式致密成型机来更好的

2、解决以上问题，并利用ANSYSWorkbench软件中的模态分析对挤压过程中的压辊组件进行有限元分析，以避免出现共振等问题，为生物质成型机构设计提供理论基础4-7。1关键部件设计与工作原理1.1柱塞式致密成型机关键部件设计新型生物质环模柱塞式致密成型机通过对称设置的两个压辊对物料进行同时挤压，提高工作效率；利用月牙刮板在挤压间隙对物料进行刮除，降低挤压过程中压辊与物料侧向挤压造成的动力损耗；在压辊上均匀分布柱塞，成型模块以及压辊上下设计成阶梯式结构，使物料被均匀迅速地挤压进成型模孔，减少能耗损失；成型模块采用装配式结构，当损坏后可以进行单独更换。如图12所示，环模柱塞式关键成型机构由压辊组件，

3、主轴，成型模具组件等组成；压辊组件由基座，压板，压辊，连接轴，月牙刮板，挤压柱塞等组成；成型模具组件由环形底座，成型模块，上封板，下封板，模块插槽，成型孔等组成。1.2成型机工作原理主轴转动带动整个压辊组件进行旋转挤压运动，压辊组件上安装了两个对称的柱塞式压辊。旋转挤压过程中，物料被不断送入成型模具空间内，逐渐充满压辊组件和成型模具盘的间隙。压辊组件在主轴的带动下不断作旋转运动，组件上的月牙刮板也在挤压间隙对物料进行刮除，以降低工作时压辊与物料侧向挤压造成的动力损耗，并实现原料的平铺。在主轴带动的旋转作用下，压辊上的柱塞源源不断地将物料压入成型模具的模孔中，因此产生了剧烈的摩擦挤压，导致模具内

4、的温度不断升高。而温度升高后，生物质原料中的木质素不断软化从而具有一定的粘结力，使得生物质原料相互粘结，进入保型阶段。2压辊组件受力分析与仿真2.1压辊组件受力分析如图6所示，压辊组件在主轴的带动下，由于主动力矩M的作用，以n1转速作旋转运动。当压辊组件旋转到A位置时，开始与成型模具相啮合，A是进入点，B为最大啮合点，C是退出点，A位置时柱塞也与成型模块内的物料接触挤压，当柱塞转到B位置时，达到最大啮合深度H，之后随着压辊的持续转动，到达C点，压辊退出成型模块。图8（a）中，R1是压辊组件的啮合圆半径，R2是成型模具部件的啮合圆半径，F为压辊柱塞实际受力，Fr为它被分解的径向分力，Ft为切向分

5、力，是F与Fr的夹角，0是最大值。压辊柱塞实际受力F实际变化规律如图6（b）中的曲线1所示，但由于压辊柱塞在啮合挤压成型区AC停留的时间很短，为便于分析，将其受力过程视为一个稳态情况进行分析12，如曲线2所示，由此可得：2.2成型压辊有限元分析在生物质固体燃料的挤压成型过程中，压辊组件与生物质原料经过不断地碾磨、挤压，而导致压辊因磨损而产生破坏。压辊组件在挤压成型过程中需绕主轴进行公转运动的同时，进行自转，两个运动同时进行易产生共振，所以要对压辊组件做有限元模态仿真分析实验。在Solidworks软件中对压辊组件进行三维建模仿真装配后，导入到ANSYS Workbench中，将材料统一设置为s

6、truc-tural steel，弹性模量E=210GPa，泊松比=0.3，密度为=7.85103kg/m3，划分网格后，在压辊轴两端分别施加Cylindrical Support（圆柱支撑）和Frictionless Support（无摩擦约束），将成型压辊的模态阶数设置为6，选择Evaluate All Results命令，可以得到TabularData频率表（图7）和Timeline图形（图8）。选择Outline（分析树）中Solution下的Total Deformation（总变形）选项，可得各阶模态总变形分析云图（图9）。由于所设计的成型机主轴转速n2为100r/min，由i=n

7、1：n2=3可得，压辊转速n1为300r/min。由公式：n=60f可得，压辊组件的振荡频率为5Hz，而一阶固有频率为307.02Hz，二者相差很大，因此不会发生共振。根据图7可知，当激振阶数大于一阶，处于二、三、四、五阶时，压辊组件变形较大，因此在设计压辊尺寸与转速时，要尽量避免与压辊组件的固有频率相近。3结语针对传统成型机的缺点，设计一款生物质环模柱塞式致密成型机，研究其工作原理及关键成型部分的受力分析和仿真模拟，验证了其结构的合理性。对成型压辊组件进行有限元模态分析，经计算可知压辊组件的振荡频率为5Hz，而一阶固有频率为307.02Hz，二者相差较大，不会发生共振。参考文献：1张丽，付军

8、华.浅析我国能源安全现状及解决路径J.法制与社会，2017（11）：199-200.2胡运龙.生物质平模成型机压辊的优化设计研究D.合肥工业大学，2015.3张喜瑞，甘声豹，李粤等.行星轮式内外锥辊固体燃料平模成型机研制与试验J.农业工程学报，2014，30（22）：10-20.4王青宇.柱塞式压辊环模生物质成型机建模及参数分析A.中国林业机械协会.全国林业机械新产品新技术示范推介会暨第三届全国林业机械发展论坛论文集C.中国林业机械协会，2014：8.5范荣，张文志，张莹瑜，等.压舌板热封包装机切辊的模态分析J.机械工程与自动化，2017（04）：62-63.6张安宁，郑月，张勇杰.基于ANS

9、YSWorkbench分级破碎机破碎辊的模态分析J.煤矿机械，2014，35（12）：72-74.7王述洋，王辉，李姊静，等.基于ANSYS的生物质成型机模具的仿真分析J.江苏农业科学，2016，44(07)：365-369.8姜子琪，尼姝丽，刘林，等.一种生物质环模柱塞式成型机构P.黑龙江：CN207416067U，2018-05-29.9罗斌，罗东飚，王进红，等.模辊式颗粒机在生物质燃料生产领域中的应用比较J.农业工程，2014，4（03）：44-46.10苏明顺，王继荣，刘广涛，等.基于柱塞式成型机的生物质成型设备优化设计J.青岛大学学报（工程技术版），2017，32（01）：99-10

10、3.11金实，俞国胜，陈忠加，等.外啮合柱塞式生物质颗粒燃料成型机的设计J.林业机械与木工设备，2017，45（01）：12-17.12宁廷州.对辊柱塞式成型机研制及其成型参数优化D.北京林业大学，2016.13陈忠加，俞国胜，王青宇，等.柱塞式平模生物质成型机设计与试验J.农业工程学报，2015，31（19）：31-38.14德雪红，俞国胜，陈忠加，等.柱塞式生物质环模成型机环模凹模磨损预测J.北京林业大学学报，2015，37（06）：112-119.15王青宇，蓝保桢，俞洋，等.斜盘柱塞式生物质燃料成型机的设计J.木材加工机械，2014，25（05）：48-50+7.16俞洋.斜盘柱塞式生

11、物质燃料成型机的设计A.中国林业机械协会.全国林业机械新产品新技术示范推介会暨第三届全国林业机械发展论坛论文集C.中国林业机械协会：中国林业机械协会，2014：4.17德雪红.基于分形理论的柱塞式生物质环模成型模具磨损机理研究D.北京林业大学，2014.18袁大龙.生物质常温柱塞式环模颗粒成型机研究及设计D.北京林业大学，2014.19李游.五柱塞秸秆燃料成型机虚拟设计及仿真分析D.辽宁科技大学，2013.20李媛，张泽宇，马亮.三柱塞式生物质燃料成型机理论及实验研究J.农机化研究，2012，34（12）：223-226.21卜雪君.五柱塞式秸秆燃料成型机的性能参数分析D.辽宁科技大学，2012.11