当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

木质颗粒成型机环模受力分析


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

Vol. 31 No.12 Dec. 2011

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

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。
收稿日期:2011-11-05

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。

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:15116305178;E-mail: wch750@163.com 通讯作者:严永林 (1963—),男,教授,主要从事林业机械的研究

188
O

王诚辉,等:木质颗粒成型机环模受力分析

第 12 期

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=Pcosγ+f1Psinγ 为环模对物料的挤压力,F2=f2N 为环模对物料的摩擦力。阻碍物料进入楔形空间的 力为 Psinγ,将物料攫入楔形空间的力为 F1cosγ+F2, 为了能将物料攫入,必须满足 f1Pcosγ+f2(Pcosγ+f1Psinγ) ≥ Psinγ, 化 简 即 f +f f +f tan γ ≤ ≤ , ,定义 γ 的最大值为 γ0,则tan γ = 1 ? 1? f f f f 式中:f1 为物料与压辊的摩擦系数,f2 为物料与环
1 2

θ1 θ2

1

2

1

2

0

1

2

Fig. 1 Forming process of wood particles

图 1 成型过程示意

模的摩擦系数。

(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。 ① 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 u =

γ 对应的角 θ 即挤压压紧区的边界位置,根
0

据式 (2) 可得变形压紧区的边界位置:

θ

2

? tan tanγ ? ? γ0 ? = arcsin? ?。 22 ? u 1 + tan tan γ γ00 ? ? ?
P

(3)

γ

F1

N

R ? r ,根据几何关系可得: r


F2

? 2? BC (θ ) = R ? r ? u cos θ + 1 ? ( ) ? ( u sin θ ) ? ? ? ?

(1) (2)

Fig. 3 Force analysis of micro-unit

图 3 微单元受力分析

sin γ u sin θ tan γ = = cos γ 1 ? (u sin θ )2 。

②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,σ = k1(ε+b)c 式中:σ 表示 物料的应力,ε 表示物料的应变,k1、b、c 为实验

O

θ

测定的参数,与物料的含水率、粒度和温度有关。
γ

物料在角 θ 处平均线 ε = BC(θ2) - BC(θ) 应变,可认为 BC(θ2) 挤压压强 qN=k1[1+b - BC(θ)/BC(θ2)]c。
[2]

(4)

赵 东,孙艳玲等 研究指出,压制玉米秸杆
图 2 环境压辊局部

Fig. 2 Local structure of press roller and ring die

粉粒 ( 粒度范围为 3 mm~4 mm , 含水率为 10 %) 时 挤压压强,qN = 104.7(ε+0.36)3.18 当环模 R = 150 mm,压

第 31 卷

中 南 林 业 科 技 大 学 学 报

189
O

θ1

θ2

Fig. 4 Pressure curve change as angle changes

图 4 压力随角度变化曲线

Fig. 5 Distribution or extrusion pressure

图 5 挤压力分布

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 θ2 = 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 qτ1= f2 qN。故环模 内表面在此区域的压力 q2

用外,还受到摩擦力的作用,摩擦力大小 qτ2= f2 q。 故环模内表面在此区域的压力可由式 (8) 计算。 , (8) q1 的方向为与表面法向成角度 arctan f2。
1

q

= 1+

f 2kF e
2 w

?r

ρ

④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 (5) 图 6 所示。各参数为:

q

2

= 1+

f 2 k (ε + b) 。
2 c 1

q2 的方向为与表面法向成角度 arctan f2)。 ③挤压成形区

θ
q

1

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/ρ,而且挤压力大小在挤压成型区不变, qmax 为颗粒将被挤压出环模孔时, 受力情况如图 5。 环模内表面最大挤压力,且有 q/qmax=fπ/fcτ[4],式中 fπ 为动摩擦系数,fcτ 为静摩擦系数。故
1

? 2 + 2 ?1? ? = arccos? ? u ? ? 2?u ? ?

,θ 2 = arcsin? ? ,
C

?

? ? ? ? u 1 + tan ? tan γγ 0 0 ? ?

tan tan γγ 0
0

22



= 1 + f k F we 1+
2

?r

ρ

2 q= 1 1+ + f 2 K (ε +b) 。
2 1

O

q

max

=

f f

ct π

k F we

?r

ρ



(6)

θ1

式 (6) 中:ρ 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 θ1 的大小。其中, ? ln K 1 ? ln ? ln q q ? ln K ? qmax lnK R? BC BC ? ? ln ? ( ( R BC BC( - BC BC R ? ? ,则 ( θ22 )) 2 θ2 ))? 2 θ θ 2 C e1 + bC? ? u?+ 1 ? ?1 ? = = u+ 1+ ?= = =u + +bb- ?e - 11 = ? ? rr r ?r ? ? ? ? ? ? ?3 2 2

θ2

(θ )

(θ )

max - max

e

11

Fig. 6 Surface pressure distribution of wing die

图 6 环模内表面压力分布

? + ?1? ?。 arccos? ? u θ11==arccos θ ? ? 2?u ? ?

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

(7)

环模内表面在此区域除了受径向挤压力 q 作

内的颗粒进行分析。颗粒在孔内已达到了成品的

190

王诚辉,等:木质颗粒成型机环模受力分析

第 12 期

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:

弹性模量与泊松比之间的关系为:
E v = v 。 E
R R L L

(17)
v

由式 (14)~(17) 可得: (18) - f β β sin > 0,否则颗粒不能被压进 要求 cos 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 β + f cos β)。 (19) PN (x) = cosβ-f sinβ PL(x) 。
LR

p (x ) = P e ν
r0 L LR

2f

ν LR r h
x

?P 。 ν
r0 LR

(9) (10)

P

r

( x) =

P e
r0

2f

ν LR r h 。
x

β

Fig. 7 Force analysis for microunit of pellets in the hole

图 7 制粒孔内颗粒微单元受力分布

式 (9) 、(10) 中:PL(x) 为 颗 粒 物 料 X 截 面 处 的压强;Pτ(x) 为圆孔内壁对颗粒的径向压强;Pτ0 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:
q
3

Fig. 8 Force analysis for microunit of pellets in the tapered hole

图 8 锥形孔内颗粒微单元受力分析

由式 (12)、(13)、(18)、(19),可得微分方程:
dPL(x) v (tanβ+f ) =2 PL(x) 1-f tanβ
LR

-tanβ

dx 。 r+x tanβ

(20)

解微分方程可得: (11) PL (x) = C0 (rh+xtanβ)2v
LR

= 1+

f P e
2 r0

2f

ν LR x r h ,

1+f cot β - 1-f tanβ 2



(21)

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。 FL (x) = PL (x) ×π(rh+xtanβ)2。 N = PN (x) ×2π(rh+xtanβ)dx。
FR E Rε R A L 。 E Lε L A R FL FR ( P N ( x )cos β - P N ( x ) f sin β ) A L 。 = (PL (x)AR FL

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 λ 为制粒孔长度与孔径之比,从式 (9) 可以看出, 结构尺寸参数 λ 将影响 C0 的大小。 由式 (18) 可得:

(12) (13) (14) (15)

P
q
q

N

( x) =

ν xtan β) vβ ) ((r ++ x tan cosβ β- ? ff sin cos sinβ β rh
0 LR



h

2

LR

1+ f cot β 1+2 f cot β ?2 LR 1- f tan β 1-f tan β ?2

。(22)

=

故锥形孔内表面压力为:
3

= 1+
= 1+

f P e
2 r0

2f

ν LR x r h


1+ β + cot f cot β 1f - ? 2 22 2vLR ν1 LR - f ftan 1? tan β β

(23) 。 (24)

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;εR 为径向 应 变;εL 为 轴 向 应 变;AL = 2π(rh+xtanβ)dx 为 轴 向 面积;AR = π(rh+xtanβ) 为径向面积;PN(x) 为锥面 上的法向压力; 泊松比为: VRL = εR/εL。 (16)
2

4

f

2

f sin cos β-? f sin β βh

c0c vLR 0ν LR

x tan (r ( +x tan β)β ) r h+

(3) 制粒孔内表面的压力分布 由以上分析可知,制粒孔内表面的压力分布 如图 9 所示。

第 31 卷

中 南 林 业 科 技 大 学 学 报

191

(4) 从式 (11)、(21) 可以看出,制粒孔内的压 力呈指数分布,而锥角斜面上的压力呈幂函数分 布。 参考文献 :
[1] [2] 赵 东 , 黄文彬 , 鹿振友 . 密闭容器中玉米秆粉粒体的本构方 程 [J]. 北京林业大学学报 , 2000, 22(5): 65-67. 赵 东 , 孙艳玲 , 赵小津 . 植物秸秆杯型容器成型过程的计算 机模拟 [J]. 北京林业大学学报 , 2002, 24(5/6): 208-210. [3] [4] [5] 张维果 , 吴劲锋 . 苜蓿草粉制粒密度与挤出力关系研究 [J]. 甘肃农业大学学报 , 2006, 41(2): 78-82 Г.Г.Мусаелянц? 苏 ?, 王 慧 ? 译 ?. 环模压粒机滚轮的 受力分析 [J]. 饲料工业 , 1981, (02): 52-54. 陈炳伟 . 环模制粒机高效制粒机理与性能分析 [D]. 南京 : 南 京理工大学 , 2009.

Fig. 9 Pressure distribution on inner surface of a hole

图 9 孔内表面压力分布

4





(1) 从式 (3) 可以看出,变形压紧区域的大小 仅与两个摩擦系数和环模压辊的直径比有关。 (2) 由式 (18) 可以看出制粒孔锥角必须小于 2arctan(1/f ),否则颗粒不能被挤压出制粒孔。 (3) 从式 (9) 可以得知,压制尺寸规格相同而 密度不同的颗粒,需要选择不同长径比的环模。

[ 本文编校 : 邱德勇 ]


相关文章:
环模颗粒挤压机的设计
其次在对环模制粒机的电动机和传动机构进行分析和处理, 最后在对环模制粒机的使用方法以及后续的维护进行探索。 重点对制粒系统中的物料在压粒过程中受力情况及...
颗粒机环模设计及应用
秸杆木屑等生物质能的颗粒成型、复合肥的生产、万寿菊 颗粒压制、石油及塑料粒子的...T 为环模厚度,它的最小值 T1 和环模受力有关,压棍对环模的挤压力越大,...
立式环模木屑颗粒机环模磨损严重的改进方案
为此,通过分析生物质木屑 颗粒机的成型过程和机理,研究环模孔的受力状况,确定环模孔的最佳开孔角度,可为改善 生物质固化成型机环模受力状况、降低环模的磨损...
木屑颗粒机环模的设计参数
木屑颗粒机环模的设计参数_机械/仪表_工程科技_专业资料。木屑颗粒机环模的选择...一般木质类的压过比为 4.2 这个比例基本符合大多数地区木质材料的压 缩成型,...
环模颗粒机
公司主营产品为:平模颗粒机、环 模颗粒机,生物质能源颗粒机、饲料颗粒机、有机肥颗粒机以及粉碎 设备、分筛设备、烘干设备、输送设备、冷却设备、包装设备等制粒...
木质颗粒工艺
我国的传统方法我国采用的制粒方法均为传统生产方法, 木质颗粒的制粒原理见图 1, 它与现有的饲料制粒方式相同,即原料从环模内部加入,经由压辊碾 压挤出环模而...
立式环模颗粒机
立式环模颗粒机_机械/仪表_工程科技_专业资料。立式环模颗粒机是生产生物质燃烧颗粒的有效设备,简单介绍一下 立式环模颗粒机 立式环模颗粒机是生产生物质燃烧颗粒...
卧式环模饲料颗粒机工作原理的探讨(上)
对于饲料颗粒机受力分析及各参数之间的关系报道较少, 这对饲料制粒机设计、...高密度的物料开始进入压孔内,经一定时间的保压,直至成型出粒。该区域内无 ...
木质颗粒燃料、颗粒成型、颗粒燃烧技术
木质颗粒燃料、颗粒成型、颗粒燃烧技术 ---东莞市圣珂...环模颗粒机在压制饲料尤其是精饲料方面的确是一把...改进后可使物料经压模孔成形出模时的受力更为合理...
环模颗粒机的维护与保养
环模颗粒机的维护与保养_计算机硬件及网络_IT/计算机_专业资料。环模颗粒机的维护与保养,此文详细介绍了怎样去维护保养我们的颗粒机,使其延长寿命,提高效率,怎样能...
更多相关标签:
饲料颗粒成型机 | 颗粒成型机 | 生物质颗粒成型机 | 小型稻壳颗粒成型机 | 秸秆颗粒成型机 | 干冰颗粒成型机 | 小型颗粒成型机 | 河南生物质颗粒成型机 |