陳義厚 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023）

由于我國農(nóng)業(yè)土地的過度開發(fā)，尤其是長期偏施單質化肥，最終影響優(yōu)質農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)。為了確保農(nóng)業(yè)種植水平和農(nóng)作物產(chǎn)品品質，一些科學家已研制成功了一種優(yōu)質的有機復合肥料——綠色生態(tài)有機復合肥料。不過，這種肥料需要通過機械作用將混合粉料壓實并擠出?？锥纬蓤A柱狀肥料顆粒，但目前在國內外只有極少量加工此專用有機肥料的制粒機。

本研究通過對綠色生態(tài)有機復合肥料的成型機理進行全面分析和研究，提出三錐輥式壓輥結構的思想，以提高加工的速度和穩(wěn)定性，綜合考慮各種因素，設計出能制造此專用復合肥料顆粒的三錐輥式平模制粒機，并利用有限元的計算方法對制粒機的重要部件壓輥和平模進行了分析計算，得到了滿意的結果。

1 主要結構及工作原理

如圖1所示，平模制粒機由電動機2、傳動裝置1、傳動軸3、平模4、壓輥5、喂料器、進料斗6、切刀7、出料斗8等幾部分組成。

平模制粒機是以機械圓周運動為基礎，電動機2為動力帶動傳動軸，經(jīng)差速器1減速至主軸3，進而帶動與主軸3連接的平模4，擦動壓輥5，使得壓輥5和平模4之間有較高的摩擦溫度，在平模4和壓輥5的強烈擠壓作用下，物料逐漸被壓實，擠入平模的模孔中，并使攪拌均勻的復合肥料粉狀原料中的化學元素發(fā)生反應、結晶、凝固，在壓輥5的擠壓下，從平?？字袛D出，經(jīng)過切刀的分段最后從出料口8滾出顆粒肥料[1]。

圖1 平模制粒機的基本結構

2 三錐輥式平模制粒機零部件的有限元強度分析

對三錐輥式平模制粒機各零、部件作精確的強度 （應力、應變）分析，需采用工程力學的方法，如彈、塑性理論，差分法、有限元法等。作為一種數(shù)值計算方法，有限元法隨著計算機技術的不斷發(fā)展得以實現(xiàn)，它的優(yōu)勢在于可以進行整個實體的全方位研究，而不用顧及它的復雜結構。目前有限元方法在強度方面研究已逐漸成熟，正得到廣泛采用。

2.1 有限元強度分析原理

有限元方法對實體強度的分析，就是分析實體在承受各種載荷和約束作用下的應力、應變情況。一般的過程就是將彈性實體劃分盡量少的單元，對單個單元，按一定的幾何關系和虛功原理可以得到，各節(jié)點的載荷為剛度矩陣 [k]e和節(jié)點位移 ｛δ｝e的乘積，進一步將實體的各單元聯(lián)合可得到整體剛度矩陣 [K]。在已知外載和節(jié)點約束的條件下就可以得到各節(jié)點的位移δ、應變ε、及應力σ。

單元型式多種多樣，可以分平面和三維單元2個部分。一般采用三維單元可以更準確描述實體的幾何形式。本研究中采用8節(jié)點磚塊單元 （brick）。

磚塊單元的幾何矩陣[2]為：

2.2 平模的有限元分析

2.2.1 建立實體模型

平模屬于周期對稱結構，每個扇區(qū)1200，分3個扇區(qū)。取其中的一個扇區(qū)進行分析，在PRO／E環(huán)境建立平模的三維實體模型[3－4]，保存為 Ansys可以調用的 .IGES或 .SAT格式，然后由Ansys調入的方法。圖2為用于有限元分析的制粒機上平模的模型。

2.2.2 材料性質及屬性

圖2 用于有限元分析的平模模型

平模采用40Cr。熱處理要求：機加工后真空熱處理，硬度HRC53～55。其機械性能為：強度極限σb＝980MPa，σs＝785MPa。

平模的材料屬性為：線性材料，各項同性，彈性模量為2.1×1011MPa，泊松比為0.25。

2.2.3 有限元網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格劃分要考慮2個問題，一是精度問題，即網(wǎng)格劃分不能太粗，否則計算結果精度不夠，二是計算時間問題，如

果網(wǎng)格劃分太密，雖然可以達到精度要求，但由于計算量十分巨大，計算過程緩慢。在進行平模的網(wǎng)格劃分時，綜合2個方面的要求，采用的單元類型為8節(jié)點磚塊單元。圖3為平模的網(wǎng)格劃分圖。

2.2.4 施加載荷及約束

將平模內孔的表面的6個自由度全部約束，由于已經(jīng)定義了周期對稱分析選項，故2個剖面處無需施加約束。壓輥施加給平模的壓力為4.41Mpa，施加在位于模型中部的38°夾角的范圍內 （38°是根據(jù)攫入角40°計算得來）。壓輥給平模的摩擦力F＝fN＝0.4×4.41×1720mm2＝3034N也均勻施加在此夾角范圍內 （受摩擦力的面積1720mm2也是根據(jù)攫入角40°計算得來）。

2.2.5 計算結果查看及分析

圖4、圖5分別為平模有限元等效應力分析結果圖和平模有限元分析的變形圖。從圖4可以看出，σmax＝101.031MPa，最大應力在平模的支撐處；采用公式來進行靜強度校核，則安全系數(shù)為，滿足要求，說明平模是安全的。此外，從圖5還可以查看到平模的最大變形量為0.023705mm。

圖3 平模的網(wǎng)格劃分圖

圖4 平模有限元等效應力分析結果圖

圖5 平模的有限元分析變形圖

2.3 壓輥殼的有限元分析

2.3.1 建立實體模型

在PRO／E環(huán)境建立壓輥的三維實體模型，保存為Ansys可以調用的.IGES或.SAT格式，然后由Ansys調入的方法。圖6為用于有限元分析的制粒機上壓輥的模型。

2.3.2 材料性質及屬性

壓輥殼采用40Cr。硬度 HRC53～55。其機械性能為：強度極限σb＝980MPa，σs＝785MPa。

壓輥的材料屬性為：線性材料，各項同性，彈性摸量為2.1×1011MPa，泊松比為0.25。

2.3.3 有限元網(wǎng)格劃分在進行壓輥的網(wǎng)格劃分時，采用的單元類型為8節(jié)點磚塊單元。圖7為壓輥的網(wǎng)格劃分圖。

圖6 用于有限元分析的壓輥模型

2.3.4 施加載荷及約束

將壓輥殼裝配軸承的內表面的6個自由度全部約束[5]，平模施加給壓輥殼的壓力為4.41Mpa，施加在位于模型外表面的40°物料攫入角的范圍內。

2.3.5 計算結果查看及分析

圖8、圖9分別為壓輥殼有限元等效應力分析結果圖和壓輥殼有限元分析的變形圖。從圖中可以看出最大應力處在壓輥與平模接觸的小端處，且σmax＝15.382MPa。采用公式來進行靜強度校核，則安全系數(shù)為，滿足要求，說明壓輥殼是安全的。此外，從圖9還可以查看到壓輥殼的最大變形量為0.001153mm。

圖7 壓輥的網(wǎng)格劃分圖

圖8 壓輥有限元等效應力分析結果圖

圖9 壓輥有限元變形結果圖

3 結論

本研究建立的三錐輥式平模制粒機的壓輥、平模的有限元模型為分析其失效機理提供了便捷的方法。壓輥、平模結構復雜、外形不規(guī)則，利用傳統(tǒng)的力學方法進行失效分析會有一定的困難，利用Ansys軟件對其進行分析研究保證了設計的可靠性。

[1]陳義厚，賀金滿.三錐輥式平模制粒機的設計與研究 [J].機械設計與制造，2007，（11）：126-128.

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