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Bi-Taper Mold Characteristics of Hydraulic Briquetting Press Based on ANSYS

生物质液压成型机的双锥度模具


设计一双锥度模具来替代生物质常温液压成型机中的单锥度模具。对双锥度模具进行力学分析,并建立基于ANSYS的双锥度模具的有限元模型;对4种不同物料在同一双锥度模具下进行压缩试验,得出模具的锥度αβ,锥长l1l2,保形长度l3以及出口直径d对物料的成型密度都有一定的影响;分析在挤压过程中物料(秸秆)的变形趋势及其摩擦应力分布,得到材料在双锥度模具中所受载荷的变化规律;在同一模具下,不同物料的压缩循环过程具有相同的变化规律,物料的压力均值与密度均值也有一定关系;对于同种材料,双锥度模具下的最大压力峰值要大于单锥度。

Design a bi-taper mold to instead the single-taper mold of Hydraulic Briquetting Press. Take mechanical analysis to bi-taper mold, and build a finite element model of bi-taper mold based on ANSYS; take compression test for different materials in the same mold. Conclusion: taper α,β,taper length l1,l2,preserving length l3 and outlet diameter affected forming density; through analysis the material(straw) deformation trend and friction distribution during the extrusion process, we got load variation of the material in the mold; different materials in the same mold had same variation during the compression cycle process. Besides, material average pressure and average density also had a certain relationship.


全 文 :第 8? 卷 第 ? 期
4 A 2 5 年 ? 月
林 业 科 学
7;QRS6QL 7Q!ILR 7QSQ;LR
I.(T8?"S.T?
7-H3" 4 A 2 5
D."!2A322=A=UV32AA2F=8>>34A25A?2?
收稿日期! 4A24 W2A W5A# 修回日期! 4A24 W24 W2A’
基金项目! 生物质常温开式模成型的数学模型及成型机理研究$S[_^ 2422:% ’
生物质液压成型机的双锥度模具
李\震2! 4\曲\迪4
$23北京林业大学工学院\北京 2AAA>5# 43内蒙古科技大学机械工程学院\包头 A28A2A%
摘\要! \设计一双锥度模具来替代生物质常温液压成型机中的单锥度模具’ 对双锥度模具进行力学分析"并建
立基于 LS7 7^ 的双锥度模具的有限元模型# 对 8 种不同物料在同一双锥度模具下进行压缩试验"得出模具的锥度
%&&"锥长 $2&$4 "保形长度 $5 以及出口直径 ( 对物料的成型密度都有一定的影响# 分析在挤压过程中物料$秸秆%的
变形趋势及其摩擦应力分布"得到材料在双锥度模具中所受载荷的变化规律# 在同一模具下"不同物料的压缩循环
过程具有相同的变化规律"物料的压力均值与密度均值也有一定关系# 对于同种材料"双锥度模具下的最大压力峰
值要大于单锥度’
关键词! \生物质# 双锥度# 模具# 有限元模拟
中图分类号! 7==:TA4\\\文献标识码! L\\\文章编号! 2AA2 W=8>>"4A25#A? WA259 WA?
3(RH&%/*2")7-.&*&,’/*(0’(,0"1S:7*&+)(,3*(V+/’’(#= >*/003&0/7"#@!$b$
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4%S!K#6"*!1")1’+1!!6+1’"[11!6C)1’)$+# 41+5!6-+"7)@50’*&,’! \a-+"C& %E"F)%H-*B.(D )."&+)-%D )0-+"&C(-F)%H-*B.(D ./%&%(G+"+).E"F)%H-*B.(D" %&D E#"(D %/"&")--(-B-&)B.D-(./E"F)%H-*B.(D E%+-D .& LS7 7^# )%b-,.BH*-++".& )-+)/.*
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-c)*#+".& H*.,-++" J-C.)(.%D K%*"%)".& ./)0-B%)-*"%("& )0-B.(D# D"/-*-&)B%)-*"%(+"& )0-+%B-B.(D 0%D +%B-
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,-*)%"& *-(%)".&+0"H3
A/: B"*70! \E".B%++# E"F)%H-*# B.(D# /"&")--(-B-&)+"B#(%)".&
\\随着农业和林业技术的逐渐发展"对生物质能
的利用越来越被人们重视$‘-(-*!"#$%" 4AA8%"而生
物质固化成型技术是研究&发展生物质能的重要手
段$ %^B%& !"#$%" 4AAA%’ 现如今"常用的生物质固
化成型设备主要有螺旋挤压式成型机&活塞冲压式
成型机和压辊式颗粒成型机 $严永林" 4AA5# 马孝
琴" 4AA:%’ 活塞冲压式成型机又分为开模和闭模&
液压驱动和机械驱动$回彩娟" 4AA:%"其中液压式
开模成型机的应用较为广泛"具有成型密度较大&运
行稳定等特点"但成型模具腔内容易磨损$杨明韶"
2??:%’
模具是生物质液压成型机的主要部件 $申树
云" 4AA>%"目前国内外对此的研究也只限于直筒和
单锥度模具对生物质成型的影响 $周中仁等"
4AA9%’ 其中直筒的加工工艺比较简单"但物料压
缩成型的效果较差"保型时间也较低 $宋晓文等"
4A22%’ 单锥度模具在同种材料出口直径一定下"
锥度越小"成型腔越长"物料在压缩过程中产生的摩
擦力也越大"容易造成物料阻塞压不出的现象 $李
美华等" 4AA9%# 而且在成型过程中会造成锥角处
的严重磨损"从而影响生物质的成型效果$刘超等"
4AA?%’ 为了解决这个问题"本文设计了一液压成
型机双锥度模具"即模具带有从大到小 4 个不同锥
度’ 物料依次经过 4 个锥度"受到 4 次预压力的作
用被挤压到成型筒"这样挤压成型的物料成型密度
更好"品质更佳’
林 业 科 学 8? 卷2\力学分析
物料在模具内运动的过程中存在着挤压力和摩
擦力$董玉平等" 4AA9%"正是挤压力和摩擦力的存
在"才能使物料向前移动"被挤压成型$盛奎川等"
4AA8%’ 挤压力沿着模具内壁径向分布"摩擦力沿
着模具内壁轴向分布’ 当物料沿着模具内壁运动
时"摩擦力为动摩擦’ 随着液压缸带动活塞的不停
运动"物料被不断送入模具的成型腔内"密度不断增
大"当达到一定的成型阻力时"活塞推动物料向前移
动’ 物料经过第 2 个锥形区的压缩进入第 4 个锥形
区"在这个过程中沿着模具内壁产生轴向的变形’
经过 4 次压缩后来到直筒区"在直筒区内"不断压入
的物料沿着模具内壁进行轴向移动"筒壁与物料间
的摩擦阻力对物料起到径向压力的作用"这样直筒
部分不仅对物料成型起到保形作用"也起到一定的
成型功能’ 之后"物料被逐渐从模具中挤出成型’
图 2 为物料在模具内的受力情况"液压缸提供的推
力为 8"可将其分解成平行于斜面的摩擦力 31和垂
直斜面的挤压力 81’
图 2\受力分析
Z"C32\7)*-++%&+(G+"+
在第 2 个锥形区! 82 k8+"&%"32 k8,.+%# 在第
4 个锥形区! 84 k8+"&&"34 k8,.+&’ 式中! 8为成
型压力# %为模具的第 2 个锥角# & 为模具的第 4
个锥角# 32 为第 2 个锥形区模具内壁对物料的摩擦
力# 34 为第 4 个锥形区模具内壁对物料的摩擦力#
82 为第 2 个锥形区模具内壁对物料的压力# 84 为
第 4 个锥形区模具内壁对物料的压力’
从式中可以看出"当成型压力 8一定时"锥角
%"& 的改变会影响物料所受的压力和摩擦力"进而
影响物料的成型效果’ 除此之外"当入口直径 S和
锥角 %"& 确定后"模具出口直径 ( 和第 2 个锥形区
长度 $2&第 4 个锥形区长度 $4&保形区长度 $5 也都影
响着物料的成型品质’ $2"$4 过短会使物料中心密
度过小"达不到成型要求# 过长会使物料受到较大
的压缩作用"当物料受到的压缩力大于液压缸所提
供的挤压力"物料无法被顺利挤压出来’ 若保形区
长度 $5 过短"物料被挤出后"会发生膨胀导致物料
松散&断裂# 反之"保形区过长"物料与模具间摩擦
力过大"使所需的挤压力增大"增加功耗’
4\有限元分析
以秸秆原料为例"研究物料在双锥度模具内的
受力情况’ 根据研究$闫文刚" 4A22%"生物质的颗
粒度在 9 f24 BB&模具锥度 8Al&出口直径为 9A BB
时"可达到最大成型密度’ 因此本文设计的模具第
2 个锥度角为 5Al"第 4 个锥度角为 8Al"锥长分别取
2A BB"出口直径为 8= BB’ 双锥度模具为轴对称
结构"可将三维问题转化成二维"在建模时可以取模
具平面截面的 2U4 为研究对象$李震等" 4A24%’
图 4\轴向位移分布
Z"C34\Lc"%(D"+H(%,-B-&)D"+)*"E#)".&
从图 4 中可清晰看出在挤压过程中"由于受到
了模具内壁摩擦力的作用"生物质的变形具有一定
的层次性! 底部变形最大"到顶部变形逐渐减小#
距离模具越近的原料变形越大"生物质所受的挤压
也就越大"到轴中心的变形逐渐减小’
从图 5 接触压力分布图可以得出模具内壁与生
物质物料之间的接触压力分布状况! 物料在进入模
具时"物料所受到的挤压力和摩擦力同时存在# 在
模具的入口锥度处产生的接触压力是比较均匀的"
在第 4 个锥度结束时产生的接触压力最大’ 因此物
料在沿径向方向 4 个锥度处受到的挤压力最大"此
处模具的受损程度也就越大’
图 8 是沿模具内壁锥形区域的等效应力变化曲
线’ 从图中可以看出! 物料在进入第 2 个锥形区域
时"所受等效应力逐渐增大"在第 2 个锥度结束时"
所受的等效应力达到最大值# 物料在进入第 4 个锥
形区域时"等效应力并没有突然增加"而是缓慢增
加"并且增加幅度不大"所以物料在第 4 个锥形区所
受的等效应力变化比较平稳’
:52
\第 ? 期 李\震等! 生物质液压成型机的双锥度模具
图 5\接触压力分布
Z"C35\;.&)%,)H*-++#*-D"+)*"E#)".&
图 8\等效应力沿模具锥角处的变化曲线
Z"C38\;#*--P#"K%(-&)+)*-++%(.&C)0-B.(D %&C(-
5\压缩试验
CDEF试验方法与设备
对 8 种不同物料在设计的双锥度模具下进行压
缩试验"每种物料重复 2A 次$胡建军等" 4AA>%’ 这
8 种材料分别为! 含水率为 25T=d的草坪草&含水
率为 28T=d的梧桐树叶&含水率为 2AT2d的松针以
及碎纸机粉碎后的纸屑’ 取晾晒好的原料不做粉碎
处理直接压缩"利用 !%E IQRh 设置压力采集程序
测取压力值$杨乐平" 4AA2%"分析不同物料压力峰
值的规律以及压力均值与密度的关系’
本次试验在北京林业大学生物质常温开模成型
试验台上进行$回彩娟等" 4AA9%’ 试验台液压控制
系统的总功率为 22 bh"与物料直接接触的活塞杆
直径为 :A BB’ 电机带动齿轮泵给液压缸供油"驱
动活塞往复运动"对物料进行间歇挤压’ 活塞行程
为 52A BB"活塞对物料的最大压缩力为 288 $1%"
压缩速度为 5AT: BB*+W2$宋晓文等" 4A22%’
CDGF不同物料的压力峰值
物料压缩过程的一次压缩循环为! 喂料&压缩
和活塞的返程$闫文刚等" 4A22%’ 喂料阶段活塞没
有运动"压力为零# 把物料填满后"活塞推动物料向
前运动"开始测取到压力值# 随着活塞推动"物料的
密度越来越大"测得的压力也越来越大"直到活塞到
达行程末端才出现最大压力峰值’ 测取每次压缩循
环的峰值来进行观察’
从图 9 可以看出"不同物料在 2A 次压缩循环的
过程中压力峰值都有一相同规律! 压力峰值逐渐增
大"到达一定值后趋于稳定再逐渐减小’ 这是因为
物料在刚加入成型腔时"密度还较松散"对模具内壁
的阻力还很小"所以在压缩时压缩峰值也就很小#
随着压缩的持续进行"物料逐渐向成型腔内添加"密
度越来越大"增加了与模具内壁的摩擦力和物料间
的内摩擦"压缩峰值就会在数次压缩后达到一个最
大值# 随后"压缩会使模具和物料有不同程度温度
的升高"高温会使物料变软"使物料更加容易成型"
并且减少物料和模具之间的摩擦系数"压力峰值便
会趋于稳定# 最后"挤压结束不再向成型腔内加料"
将成型腔内的物料一次性挤出"压力会骤然下降’
图 9\2A 次压缩循环的压力峰值
Z"C39\1-%b H*-++#*-"& 2A ,.BH*-++".& ,G,(-
对比不同物料在双锥度模具下的压力峰值"可
得出不同物料在同一模具下所需要的最高成型压
力’ 纸屑成型最大压力达到 ::T=? $1%"高于其他
材料# 干草和松针较容易成型"所需的压缩力较小’
以松针和纸屑为例"比较 4 种材料分别在双锥
度和出口直径为 89 BB&锥度为 8Al的单锥度模具
下的压力峰值’ 如图 : 所示"物料在单锥度模具下
压缩循环的规律与双锥度模具相同"都是压力峰值
逐渐增大"到达一定值后趋于稳定再逐渐减小# 此
外"4 种物料在双锥度下的最大压力峰值都高于单
锥度的最大压力峰值’ 因为在双锥度模具下"物料
经过第 2 个锥度的压缩后"密度变大"经过第 4 个锥
度"密度继续变大导致所需的压力增大# 物料在单
锥度模具下经过一个锥度便进入保形区"而物料在
双锥度下经过一个锥度的预压缩后"又要经过第 4
=52
林 业 科 学 8? 卷个锥度的压缩才能进入保形区"所以物料受到的压
缩力要大于单锥度模具下的压缩力’ 物料经过 4 次
压缩后"其成型密度也要高于单锥度模具’
图 :\不同模具压力峰值
Z"C3:\1-%b H*-++#*-#&D-*D"/-*-&)B.(D+
CDCF不同物料压力均值和密度的关系
取图 9 中压缩循环峰值的最大值和最大值前后
4 次压缩峰值的平均值为压力均值"再测得压缩后
物料的平均密度为密度均值’ 图 = 为 8 种物料压力
均值和压缩后密度均值的关系’
图 =\压力均值与密度均值关系
Z"C3=\X-(%)".&+0"H E-)J--& B-%& H*-++#*-%&D D-&+")G
从图 = 可以看出"在同一双锥度模具下"8 种原
料经过压缩均能成型且成型后密度都远大于压缩前
密度"纸屑的成型效果最好"密度最高达到 2T5?
C*,BW5# 树叶的密度最低为 AT:> C*,BW5"且成型块
较松散"成型较差# 纸屑成型所受到的压缩力也最
大"压力均值为 :4T9 $1%# 干草的压力均值最小为
8A $1%’
分别比较树叶和纸屑在双锥度模具与 5Al"8Al
单锥度模具下的密度均值"如图 > 所示’
物料在双锥度模具下的密度要大于在 5Al单锥
度模具下的物料的密度"说明双锥度模具的成型效
果要比 5Al单锥度模具好’ 虽然小于 8Al单锥度模
具下的成型密度"但是从图 : 也可以看出来其所需
的最大成型压力要小于 8Al单锥度模具的’
图 >\双锥度与单锥度模具下密度比较
Z"C3>\a-&+")G,.BH%*-D /*.BE"F)%H-*%&D +"&C(-)%H-*B.(D
8\结论
2% 通过力学分析可知"模具锥度 %"& 的大小影
响着物料的成型密度"过小成型密度较差"过大容易
造成物料所需的压缩力大于液压缸施加的挤压力#
当模具的锥度一定时"每一段的锥长 $2"$4 和保形区
长度 $5 也影响着物料的成型品质’
4% 模具内壁摩擦力的作用"使生物质的变形具
有一定的层次’ 在模具的锥度区处产生的接触压力
是比较均匀的"在第 4 个锥度区域结束时产生的接
触压力最大’ 物料在进入锥形区域开始时"所受等
效应力逐渐增大# 在进入锥形区域后"等效应力变
化比较平稳缓’ 在第 4 个锥形区域快结束时"等效
应力达到最大值"但最大等效应力仍小于模具的屈
服强度’
5% 对含水率为 25T=d的草坪草&含水率为
28T=d的梧桐树叶&含水率为 2AT2d的松针以及纸
屑进行不同种类生物质原料在同一双锥度模具下的
成型试验’ 结果表明! 物料压缩循环的过程中"压
>52
\第 ? 期 李\震等! 生物质液压成型机的双锥度模具
力峰值都是逐渐增大"再趋于稳定"最后减小# 对于
同一模具"纸屑所需的成型压力最大"草坪干草所需
的成型压力最小# 同种物料在双锥度下的最大压力
峰值要高于单锥度的# 8 种原料的成型密度大小关
系为! 纸屑 i松针 i干草 i树叶# 树叶和纸屑在双
锥度模具下的成型密度要大于在 5Al单锥度模具下
的"又小于 8Al单锥度模具的成型密度’ 但是双锥
度模具下所需的成型压力也要小于 8Al单锥度模具
的成型压力’
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E*"P#-)-+/*.B.("K-*-/#+-%&D H%H-*B"(J%+)-3Z#-(1*.,-++"&C
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!责任编辑\石红青"
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