■寧廷州　俞國(guó)勝　王青宇　程子洋　陳忠加　周　瑩（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)仿真與試驗(yàn)

■寧廷州俞國(guó)勝王青宇程子洋陳忠加周瑩
（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

基于工程設(shè)計(jì)軟件SolidWorks建立了柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)成型機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型，采用內(nèi)置插件Motion對(duì)該成型機(jī)成型機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)軌跡仿真分析，探索該成型機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，尋求較優(yōu)環(huán)模模孔開(kāi)口錐度，仿真結(jié)果表明，環(huán)模模孔開(kāi)口錐度以60°為佳。同時(shí)，以木屑為原料進(jìn)行了生物質(zhì)物料成型試驗(yàn)，測(cè)試了該成型機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該成型機(jī)的生產(chǎn)率為250 kg/h，能耗為43.2 kW·h/t，成型顆粒密度為1.2 g/cm3，成型顆粒直徑為8 mm，成型率為95%，工作噪聲為85 db，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

生物質(zhì)；成型機(jī)；開(kāi)口錐度；仿真；能耗

基于普通生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)成型能耗高［1-4］的問(wèn)題，研究一種低能耗的生物質(zhì)成型系統(tǒng)尤為必要，柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)結(jié)合活塞沖壓式成型機(jī)和模輥式成型機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，利用壓輥上均勻分布的一系列柱塞與環(huán)模模孔相嚙合，摒棄了傳統(tǒng)生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)利用壓輥外曲面而導(dǎo)致的關(guān)鍵部件磨損嚴(yán)重、能耗損失的問(wèn)題［5］。

柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)運(yùn)行過(guò)程中壓輥柱塞和環(huán)模模孔相互嚙合，若壓輥上的柱塞不能和環(huán)模上的模孔準(zhǔn)確嚙合，不僅不能實(shí)現(xiàn)對(duì)生物質(zhì)物料的壓縮成型，還會(huì)因柱塞與模孔的干涉而導(dǎo)致機(jī)器發(fā)生故障。因此，除保證柱塞壓輥與環(huán)模的正確嚙合以外，環(huán)模?？组_(kāi)口錐度及其大小對(duì)成型機(jī)能否正常運(yùn)行也至關(guān)重要。

本研究基于工程設(shè)計(jì)軟件SolidWorks建立了柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)成型機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，采用內(nèi)置插件Motion對(duì)該成型機(jī)的成型機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)軌跡仿真分析［6-7］，探索該成型機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，尋求較優(yōu)環(huán)模?？组_(kāi)口錐度，最后以木屑為原料進(jìn)行了生物質(zhì)物料成型試驗(yàn)，測(cè)試了該成型機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)。

1　結(jié)構(gòu)和工作原理

柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)主要由成型機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)料裝置和箱體等組成（見(jiàn)圖1）。其中成型機(jī)構(gòu)由柱塞式壓輥、環(huán)模、壓輥齒輪、環(huán)模齒輪和惰齒輪等組成（見(jiàn)圖2）。工作原理［8-9］：動(dòng)力直接傳遞到壓輥軸上，通過(guò)壓輥齒輪、惰齒輪和環(huán)模齒輪的嚙合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)環(huán)模和壓輥的正確嚙合和同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。生物質(zhì)松散物料經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入環(huán)模后，在其自身重力和旋轉(zhuǎn)離心力的共同作用下進(jìn)入環(huán)?？?，壓輥上的柱塞逐漸嚙合壓入相對(duì)應(yīng)的環(huán)模成型孔，之后又逐漸分離，每轉(zhuǎn)一圈，環(huán)模上?？字械奈锪隙家?jīng)過(guò)填充、柱塞擠壓和保型三個(gè)過(guò)程，按此不斷循環(huán)，松散的生物質(zhì)物料最終在環(huán)?？字幸粚右粚又旅艹尚蜑榫哂幸欢芏群烷L(zhǎng)度的顆粒，當(dāng)顆粒狀燃料擠出環(huán)模孔到達(dá)一定長(zhǎng)度時(shí)，在外部切刀的作用下將其剪斷。固定在環(huán)模上的刮刀可以有效去除粘結(jié)在環(huán)模上的物料。

圖1整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2工作原理

2　仿真分析

2.1仿真參數(shù)與過(guò)程［10-11］

①根據(jù)設(shè)計(jì)要求，柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)傳動(dòng)比關(guān)系式滿足下式：

式中：i——傳動(dòng)比；

n1——柱塞式壓輥轉(zhuǎn)速（r/min）；

n2——環(huán)模轉(zhuǎn)速（r/min）；

D1——柱塞式壓輥嚙合圓直徑（mm）；

D2——環(huán)模嚙合圓直徑（mm）；

N1——柱塞數(shù)；

N2——?？讛?shù)。

根據(jù)（1）式可得到表1中的參數(shù)，根據(jù)表1參數(shù)，通過(guò)工程設(shè)計(jì)軟件SolidWorks建立柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)成型機(jī)構(gòu)三維實(shí)體簡(jiǎn)化模型（圖3）。

表1 仿真參數(shù)

圖3　成型機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型

②在裝配體界面，將‘SolidWorks Motion’插件載入，進(jìn)行柱塞式壓輥與環(huán)模的運(yùn)動(dòng)仿真。

③取運(yùn)動(dòng)平面壓輥柱塞最大直徑剖面端部的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)（見(jiàn)圖4）的運(yùn)動(dòng)軌跡作為壓輥柱塞與環(huán)?？资欠癜l(fā)生干涉的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2仿真結(jié)果分析

2.2.1壓輥柱塞相對(duì)于環(huán)模?？椎倪\(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 柱塞關(guān)鍵點(diǎn)

仿真結(jié)果（見(jiàn)圖5）表明，壓輥柱塞上的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)相對(duì)于環(huán)模?？椎倪\(yùn)動(dòng)軌跡均為余擺線，且運(yùn)動(dòng)跡都在環(huán)模?？變?nèi)側(cè)，不存在交叉重疊的地方，故輥柱塞與環(huán)模?？撞话l(fā)生干涉；同時(shí)，仿真結(jié)果表環(huán)模?？组_(kāi)口錐度的大小對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡也有較大影響若環(huán)模模孔開(kāi)口錐度太小，不僅壓輥柱塞與其發(fā)生涉，而且也不便于較多物料流入環(huán)模?？讌⑴c壓縮型，因此有待探究較優(yōu)環(huán)模?？组_(kāi)口錐度。

2.2.2環(huán)模?？组_(kāi)口錐度研究

在保證環(huán)模?？组L(zhǎng)徑比不變的情況下，在不同模模孔開(kāi)口錐度θ下的運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真，結(jié)果圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)環(huán)模?？组_(kāi)口錐度小于等于15°時(shí)，壓輥柱塞兩關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡均與環(huán)模?？装l(fā)生干涉，因此必須保證環(huán)模?？组_(kāi)口錐度大于15°，但是當(dāng)環(huán)模?？组_(kāi)口錐度大于等于85°時(shí)，相鄰兩環(huán)模?？走M(jìn)料口加工工藝發(fā)生重疊，不便于加工，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致環(huán)模模孔強(qiáng)度降低。由于物料是在其自身重力和旋轉(zhuǎn)離心力的共同作用下進(jìn)入環(huán)模?？祝虼?，環(huán)模?？组_(kāi)口錐度太小，物料將較難進(jìn)入環(huán)模?？祝蕿榇_保較多的物料能夠進(jìn)入環(huán)模?？讌⑴c壓縮成型，取環(huán)模?？组_(kāi)口錐度60°時(shí)為佳。

3　試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)原料與儀器

為測(cè)試柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)，采用顆粒度在1 mm左右，含水率為15%左右的木屑為原料進(jìn)行了生物質(zhì)物料成型試驗(yàn)，成型試驗(yàn)如圖7所示，成型燃料如圖8所示。

圖5　壓輥柱塞相對(duì)于環(huán)模?？走\(yùn)動(dòng)軌跡

圖6　不同環(huán)模?？组_(kāi)口錐度下的仿真結(jié)果

圖7成型試驗(yàn)

圖8成型燃料

3.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試項(xiàng)目與結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，該成型機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，該成型機(jī)能夠滿足生產(chǎn)需要，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

4　結(jié)論

通過(guò)工程設(shè)計(jì)軟件SolidWorks的Motion模塊對(duì)柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)成型機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)軌跡仿真分析，結(jié)果表明：為避免壓輥柱塞與環(huán)模?？装l(fā)生干涉，且能夠使較多的生物質(zhì)物料進(jìn)入環(huán)模?？讌⑴c壓縮成型，柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)環(huán)模?？组_(kāi)口錐度取60°為佳。

以木屑為原料進(jìn)行生物質(zhì)成型試驗(yàn)，測(cè)試了柱塞式環(huán)模顆粒成型機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該成型機(jī)的生產(chǎn)率為250 kg/h，能耗為43.2 kW·h/t，成型顆粒密度為1.2 g/cm3，成型顆粒直徑為8 mm，成型率為95%，工作噪聲為85 db，該成型機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠滿足生產(chǎn)需要，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

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（編輯：崔成德，cuichengde88@sina.com）

Simulation and experiment on ring die granular forming machine with plungers

Ning Tingzhou，Yu Guosheng，Wang Qingyu，Cheng Ziyang，Chen Zhongjia，Zhou Ying

Forming mechanisms of the ring die granular forming machine with plungers were modeled，assembled and simulated by SolidWorks Motion，simulation results showed that the opening taper of the ring die die hole is advisable when it's 60°.Sawdust was used as raw material for the biomass material forming test，experimental results showed that the productivity of the forming machine is 250 t/h，energy consumption is 43.2 kW·h/t，density of forming grain is 1.2 g/cm3，diameter of forming grain is 8 mm，forming rate is 95%，and working noise is 85 db.All the indexes meet the design requirements，and realize continuous and stable production.

biomass；forming machine；opening taper；simulation；energy consumption

10.13302/j.cnki.fi.2016.05.002

S816.34

A

1001-991X（2016）05-0005-04

寧廷州，博士，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能源轉(zhuǎn)化裝備。

2015-12-07

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目‘輕便低能耗可移動(dòng)生物質(zhì)燃料成型系統(tǒng)研發(fā)’［2012BAD30B0205］