□ 郭洋波

清華大學(xué)天津高端裝備研究院洛陽先進制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地 河南洛陽 471000

1 存在的問題

近年來,環(huán)模式秸稈壓塊機在生產(chǎn)秸稈顆粒成形燃料方面得到廣泛應(yīng)用。環(huán)模式秸稈壓塊機的特點是自動化程度高,單機產(chǎn)量大,適合規(guī)?；鳂I(yè)。另一方面,環(huán)模式秸稈壓塊機存在一些技術(shù)難題,主要是關(guān)鍵部件耐磨性差,易磨損部件更換頻繁,降低了實際生產(chǎn)效率[1]。擠壓輪是環(huán)模式秸稈壓塊機的主要易磨損部件,對擠壓輪磨損特點和磨損機理進行研究,有助于對擠壓輪易磨損成因的認識。筆者主要通過有限元模擬方法對環(huán)模式秸稈壓塊機擠壓輪的受力情況進行研究,利用顯微鏡觀察擠壓輪表面,進一步對擠壓輪的磨損特點和磨損機理進行分析,為提高擠壓輪的耐磨性提供理論依據(jù)。

2 環(huán)模式秸稈壓塊機擠壓成形過程

環(huán)模式秸稈壓塊機的擠壓成形建立在秸稈顆粒存在間隙的基礎(chǔ)上。秸稈顆粒在一定溫度、濕度、摩擦力、擠壓力的共同作用下,間隙縮小,直至發(fā)生塑性變形,最終形成一定密度和強度的塊狀物。根據(jù)秸稈顆粒在擠壓過程中的不同狀態(tài),可以將秸稈顆粒受擠壓分為三個區(qū)域:供料區(qū)、變形區(qū)、擠壓成形區(qū)[2]。環(huán)模式秸稈壓塊機擠壓原理如圖1所示。

在供料區(qū),秸稈顆粒剛進入待擠壓狀態(tài),基本不受機械外力,貼近環(huán)模內(nèi)壁。在變形區(qū),隨著擠壓輪的轉(zhuǎn)動,秸稈顆粒受到擠壓輪的擠壓作用,產(chǎn)生相對位移。隨著擠壓力的進一步增大,秸稈顆粒間的空隙減小,秸稈顆粒產(chǎn)生一定變形。在擠壓成形區(qū),模具與擠壓輪之間的間隙很小,擠壓力急劇增大,秸稈顆粒間的接觸面積進一步增大。在一定溫度和濕度下,秸稈顆粒發(fā)生粘結(jié),并被壓入錐形環(huán)?？字小＝斩掝w粒最終以高密度塊狀形態(tài)從錐形環(huán)?？字袛D出成形[3]。

3 有限元建模

在環(huán)模式秸稈壓塊機擠壓秸稈顆粒過程中,擠壓輪的受力是很復(fù)雜的。筆者主要分析擠壓輪在變形區(qū)和擠壓成形區(qū)的受力變化,應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件模擬擠壓輪與秸稈顆粒間的擠壓過程,分析、掌握擠壓輪上的應(yīng)力分布特點。在有限元模擬分析中,將秸稈顆粒作為一種生物質(zhì)特性進行定義分析,并假定秸稈顆粒處于最佳含水率和恒定溫度的理想成形狀態(tài)。秸稈顆粒經(jīng)過變形區(qū)和擠壓成形區(qū),擠壓力急劇增大,秸稈顆粒的密度也急劇增大,幾乎粘在一起形成團狀物,可以在宏觀上將秸稈顆粒視為連續(xù)體介質(zhì)。根據(jù)生物質(zhì)成形的有限元特點,可以將擠壓輪對秸稈顆粒的擠壓過程定義為彈塑性模型進行模擬分析[4]。

基于環(huán)模式秸稈壓塊機結(jié)構(gòu)特點,建立秸稈顆粒擠壓模型,將環(huán)模簡化為圓環(huán)結(jié)構(gòu),將秸稈顆粒簡化為弧形結(jié)構(gòu),將擠壓輪簡化為圓盤結(jié)構(gòu)。模型建立后,對模型進行網(wǎng)格劃分。為節(jié)約計算機資源,提高計算效率,建模時只建立1/2環(huán)模,即半個圓環(huán)[5]。暫時不考慮環(huán)模上的應(yīng)力分布,將環(huán)模定義為剛體。在劃分網(wǎng)格時,對環(huán)模僅采用軟件自動劃分網(wǎng)格功能生成自由網(wǎng)格。因為需要重點分析秸稈顆粒和擠壓輪的受力情況,所以對秸稈顆粒和擠壓輪的網(wǎng)格劃分需要人為設(shè)定網(wǎng)格參數(shù),盡可能將秸稈顆粒和擠壓輪的網(wǎng)格劃分細密一些。在此,將秸稈顆粒橫向劃分為10份,縱向劃分為20份,擠壓輪劃分網(wǎng)格定義的最小單元尺寸為0.01 mm。最終網(wǎng)格劃分后模型如圖2所示。

ANSYS軟件是世界上應(yīng)用最廣泛的有限元分析軟件,用戶可以使用其自帶的LS-DYNA模塊模擬生產(chǎn)實踐中的各種非線性接觸問題。在ANSYS軟件中,可以定義點面接觸、面面接觸、自動接觸、侵蝕接觸、剛體接觸等多種接觸類型[6]。在定義接觸前,對模型創(chuàng)建組件,定義環(huán)模為組件1,秸稈顆粒為組件2,擠壓輪為組件3。共需定義兩組接觸,一組為環(huán)模和秸稈顆粒的接觸,另一組為擠壓輪和秸稈顆粒的接觸。對于環(huán)模、秸稈顆粒、擠壓輪之間的復(fù)雜接觸問題,通常接觸類型可以選擇自動接觸。對環(huán)模、秸稈顆粒、擠壓輪的自由度進行約束。秸稈顆粒在擠壓過程中動力的主要來源是擠壓輪的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),考慮到擠壓輪既要繞環(huán)模中心線公轉(zhuǎn),又要在擠壓過程中因受到與秸稈顆粒間摩擦力的作用而自轉(zhuǎn),由此對擠壓輪僅限制軸向移動這一自由度。擠壓過程中,環(huán)模固定不動,秸稈顆粒因受到擠壓輪轉(zhuǎn)動的慣性力會有微小移動,可以忽略不計,由此約束環(huán)模和秸稈顆粒的所有自由度。

4 分析結(jié)果

擠壓過程應(yīng)力分布如圖3所示,可以看到秸稈顆粒在經(jīng)歷供料區(qū)、變形區(qū)、擠壓成形區(qū)時,所受擠壓應(yīng)力逐漸增大,并伴隨發(fā)生彈塑性變形,變形越來越大。

秸稈顆粒擠壓成形過程中,秸稈顆粒被卷入環(huán)模與擠壓輪之間的間隙,同時受到擠壓輪的擠壓力,從環(huán)模中擠出。環(huán)模與擠壓輪之間的間隙越大,擠壓輪與秸稈顆粒間的擠壓力作用越小,秸稈顆粒被壓緊的程度就越小,擠壓輪與秸稈顆粒之間承受的載荷也就越小。反之,環(huán)模與擠壓輪之間的間隙越小,兩者之間承受的載荷就越大。秸稈顆粒在擠壓過程中,逐步經(jīng)歷供料區(qū)、變形區(qū)、擠壓成形區(qū)。在這一過程中,擠壓輪與環(huán)模之間的間隙逐漸變小,秸稈顆粒承受的擠壓應(yīng)力逐漸增大,并最終在擠壓成形區(qū)達到最大值1.162×107Pa。

通過有限元分析秸稈顆粒與擠壓輪的擠壓過程,為深入了解擠壓輪磨損失效的成因奠定了基礎(chǔ)。在生產(chǎn)實踐中對擠壓輪磨損失效外觀長期觀察,發(fā)現(xiàn)擠壓輪磨損最嚴重區(qū)域經(jīng)常為擠壓輪外圓周邊緣棱角附近,照片如圖4所示?；诶硐霠顟B(tài)擠壓過程考慮,假設(shè)秸稈顆粒進入供料區(qū)后在擠壓輪與環(huán)模之間的間隙軸向上分布是均勻的,那么擠壓輪外圓周面在同一軸向上的兩端部區(qū)域和中間區(qū)域?qū)⒊惺芫容d荷,這種情況并不會造成擠壓輪外圓周面出現(xiàn)明顯的磨損不均問題[7],由此說明秸稈顆粒在擠壓過程中分布均勻的假設(shè)是不成立的。擠壓過程秸稈顆粒應(yīng)力分布如圖5所示,可以看到秸稈顆粒在軸向上分布并不均勻,兩側(cè)多,中間少。造成這種現(xiàn)象的原因是秸稈顆粒進入擠壓成形區(qū)后,中間區(qū)域的秸稈顆粒被壓緊,一部分秸稈顆粒因受到擠壓力的作用而被推擠到兩側(cè)。

秸稈顆粒在受到擠壓力后向擠壓輪兩側(cè)移動堆積,擠壓輪兩側(cè)的秸稈顆粒擠壓更為緊密,造成擠壓輪兩側(cè)的擠壓力相比中間區(qū)域更大,擠壓輪兩側(cè)承受的擠壓應(yīng)力也更大。擠壓過程擠壓輪應(yīng)力分布如圖6所示。根據(jù)阿查德磨損定律,材料的磨損率與作用載荷成正比[8],這也就解釋了擠壓輪邊緣兩端磨損比中間區(qū)域更為嚴重的原因,與擠壓輪實際磨損情況相符。

5 擠壓輪磨損機理

被擠壓的秸稈為顆粒狀,擠壓輪在工作過程中對秸稈顆粒有擠壓變形甚至碾碎作用,產(chǎn)生的擠壓力較大,如此秸稈顆粒自然對擠壓輪有磨損作用,這種磨損的機理主要是秸稈顆粒被碾碎為細小磨粒,造成磨粒磨損[9]。磨粒磨損是由秸稈顆粒在擠壓輪表面發(fā)生微觀切削作用引起的,秸稈顆粒再受到法向載荷,被壓入擠壓輪表面,同時存在相對滑動。滑動摩擦力在擠壓輪表面產(chǎn)生劃痕[10]。松散的秸稈顆粒屬于自由磨料,當秸稈顆粒受到巨大的擠壓力而不能再被壓縮時,就會形成堅硬且更細小的顆粒物,這種極細小顆粒物類似金屬磨粒,在擠壓輪表面產(chǎn)生切削與耕犁效果。擠壓輪表面劃痕如圖7所示,耕犁如圖8所示。

秸稈顆粒在受到擠壓輪擠壓時,同時承受垂直于作用面的法向力和與擠壓輪相切的切向力。法向力的作用使秸稈顆粒對擠壓輪表面有粘附作用,切向力作用使秸稈顆粒在擠壓輪表面沿切向產(chǎn)生滑移,這兩種作用使擠壓輪表面產(chǎn)生一定的塑性變形。秸稈顆粒所產(chǎn)生的棱角相比金屬刀具要鈍得多,秸稈顆粒粘附擠壓輪表面的角度不同,擠壓輪表面產(chǎn)生溝犁變形的方向也不同,具有不確定性。秸稈顆粒會推擠擠壓輪表面金屬材料,使金屬材料堆積在運動方向的正前方,也會使金屬材料耕犁到溝槽的兩側(cè)或單側(cè),由此產(chǎn)生擠壓輪表面劃痕雜亂無章的現(xiàn)象。

擠壓輪在工作時受到秸稈顆粒的摩擦力作用,引起自轉(zhuǎn)。秸稈顆粒與擠壓輪的接觸面是不連續(xù)的,接觸面在法向載荷作用下相互壓入或壓平,擠壓輪在接觸區(qū)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力和變形。擠壓輪在自轉(zhuǎn)過程中,接觸面表層材料承受交變載荷作用。在反復(fù)擠壓過程中,擠壓輪表面材料在交變載荷作用下逐漸出現(xiàn)裂紋,進而產(chǎn)生疲勞斷裂,形成磨屑[11]。擠壓輪長期工作,表面金屬材料將被逐步破壞流失,最終形成凹坑,如圖9所示。由此可見,疲勞磨損也是擠壓輪磨損的主要形式之一。

除磨粒磨損和疲勞磨損外,擠壓輪還存在一定的腐蝕磨損和沖蝕磨損。被擠壓的秸稈顆粒具有一定的濕度,存儲一段時間后可能會分解出酸性或堿性物質(zhì),對擠壓輪表面產(chǎn)生一定腐蝕。秸稈顆粒被螺旋送料器送入擠壓區(qū)域時,有一定的線速度和角速度,對擠壓輪表面有較小的沖擊,長期工作會使擠壓輪表面材料流失。當然,腐蝕磨損和沖蝕磨損相對微弱,不是擠壓輪磨損的主要機理。

6 結(jié)論

筆者針對環(huán)模式秸稈壓塊機擠壓輪磨損,應(yīng)用有限元軟件模擬擠壓輪與秸稈顆粒擠壓過程,利用顯微鏡觀察擠壓輪磨損形貌,分析擠壓輪磨損機理,得到以下結(jié)論:

(1) 擠壓過程有限元模擬表明,擠壓輪依次經(jīng)歷供料區(qū)、變形區(qū)、擠壓成形區(qū),在這一過程中,擠壓輪的擠壓力由小變大;

(2) 擠壓輪邊緣相比中間區(qū)域磨損嚴重,原因是秸稈顆粒在軸向分布不均勻;

(3) 擠壓輪的磨損機理主要是磨粒磨損和疲勞磨損,還存在一定的腐蝕磨損和沖蝕磨損。