1、成形過程分析
環(huán)模和壓輥是顆粒機(jī)的心臟部件。工作時，環(huán)模由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，由于環(huán)模與物料之間的摩擦力和物料與壓輥之間的摩擦力使得壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)。環(huán)模和壓輥的旋轉(zhuǎn)使物料被強(qiáng)制擠壓，最后物料成條柱狀從環(huán)模孔擠出，再由裝在環(huán)模外面的固定切刀切成一定長度的顆粒，如圖1所示。
環(huán)模制粒機(jī)的顆粒成形過程，是建立在粉粒體間存在間隙的基礎(chǔ)上的。粉料在溫度、摩擦力和擠壓力等綜合因素的作用下，使粉粒體的空隙縮小，形成具有一定密度和強(qiáng)度的顆粒。根據(jù)粉料在擠壓過程中不同的狀態(tài)，將粉料分為3個區(qū)，即供料區(qū)、變形壓緊區(qū)和擠壓成形區(qū)，如圖1所示。(1)供料區(qū)：物料基本不受機(jī)械外力的影響，但它受離心力的影響（環(huán)模旋轉(zhuǎn)），使粉料緊貼在環(huán)模的內(nèi)圈上。(2)變形壓緊區(qū)：隨著模、輥的旋轉(zhuǎn)，物料進(jìn)入壓緊區(qū)，受到模輥的擠壓作用，粉料之間產(chǎn)生相對位移。隨著擠壓力的逐漸增大，粉粒體間空隙逐步減小，物料產(chǎn)生不可逆的變形。(3)擠壓成形區(qū)：在擠壓區(qū)內(nèi)，模輥間隙較小，擠壓力急劇增大，粉粒體之間接觸表面積增大，產(chǎn)生較好的粘接，并被壓人模孔。
2、擠壓過程力學(xué)模型
顯然物料在三個區(qū)域所受的外力不同，進(jìn)而環(huán)模沿周向所受的作用力也不相同，下面分別對位于三個區(qū)域的環(huán)模內(nèi)表面受力情況加以分析。
2.1供料區(qū)
物料基本不受機(jī)械外力的影響，因此近似認(rèn)為供料區(qū)環(huán)模不受力。
2.2擠壓成形區(qū)
位于擠壓成形區(qū)的環(huán)模內(nèi)表面受力情況與模孔入口處受力基本相同，其模孔受力模型，如圖2所示。式中：P -預(yù)緊壓強(qiáng)(N/mmz)；v-物料泊松比；r—模孔半徑
環(huán)模內(nèi)側(cè)19.167mm處，環(huán)模內(nèi)表面所受到的力較大，最大為20.8Mpa。從距環(huán)模內(nèi)側(cè)19.167mm處至環(huán)模外側(cè)，環(huán)模內(nèi)表面所受到的力較小，最小值為6.8Mpa。如圖8所示，在變形壓緊區(qū)，從環(huán)模內(nèi)側(cè)至距環(huán)模內(nèi)側(cè)19,167mm處，環(huán)模內(nèi)表面所受到的力較大，最大為20,4Mpa。從距環(huán)模內(nèi)側(cè)19.167mm處至環(huán)模外側(cè)，環(huán)模內(nèi)表面所受到的力較小，最小值為8.2Mpa。如圖6、圖8所示，無論在擠壓成形區(qū)還是變形壓緊區(qū)，環(huán)模所受到的應(yīng)力從里側(cè)到外側(cè)逐漸減小。如圖7、圖9所示，無論是在擠壓成形區(qū)還是在變形壓緊區(qū)，環(huán)模內(nèi)表面位移變化均呈線性變化趨勢，環(huán)模外側(cè)的位移變化比較大，由受力分析可知，環(huán)模內(nèi)表面外側(cè)受到的擠壓力較小，這將造成環(huán)模里側(cè)的磨損較大，環(huán)模外側(cè)的磨損較小。
環(huán)模實(shí)際磨損照片，如圖10所示，環(huán)模與壓輥的磨損沿軸線方向呈現(xiàn)不規(guī)則磨損，壓輥與環(huán)模的磨損均是兩頭磨損較嚴(yán)重，中間磨損較少。
有限元分析結(jié)果與實(shí)際磨損情況的對比，證實(shí)了載荷在環(huán)模軸向方向不是均勻分布的，環(huán)模外側(cè)物料較多，造成環(huán)模外側(cè)磨損較大。
如圖6、圖8所示，從環(huán)模軸向38.3mm處開始，環(huán)模應(yīng)力比較穩(wěn)定，不會造成環(huán)模外側(cè)磨損比環(huán)模中部磨損大，這說明r物料沿軸向的均勻分布有利于改善環(huán)模的磨損情況。
4.2環(huán)模周向應(yīng)力與位移分析
如圖11所示，是環(huán)模內(nèi)表面距環(huán)模內(nèi)側(cè)38.3mm處應(yīng)力，其橫坐標(biāo)的周向角度是以環(huán)模的圓心角來計(jì)的，00所在的位置是環(huán)模與壓輥距離最近處，然后依次經(jīng)過擠壓成形區(qū)、變形壓縮區(qū)和送料區(qū)。由于環(huán)模所受到的力沿圓周方向是對稱的，因此做曲線時取了環(huán)模的一半來研究。
因?yàn)?1<y<1，所以環(huán)模受到的是非對稱變應(yīng)力。環(huán)模在變應(yīng)力的作用下，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。在實(shí)踐中，疲勞斷裂也正是環(huán)模產(chǎn)生的一種失效形式。
5、結(jié)論
對環(huán)模內(nèi)表面進(jìn)行了受力模型的建立，應(yīng)用ANSYS，對環(huán)模進(jìn)行了有限元分析，分析表明：(1)物料在環(huán)模內(nèi)表面沿軸向是非均勻分布的，物料在外側(cè)分布較多。(2)環(huán)模內(nèi)側(cè)磨損較嚴(yán)重的主要原因是環(huán)模是懸臂梁結(jié)構(gòu)；環(huán)模外側(cè)磨損較嚴(yán)重的主要原因是物料在環(huán)模的外側(cè)較多；物料層沿環(huán)模軸向均勻分布有利于改善環(huán)模的磨損情況。(3)疲勞斷裂是環(huán)模的一種失效形式。
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