引言
生物質(zhì)固化成型技術(shù)是將生物質(zhì)原料經(jīng)干燥、粉碎到一定粒度，在一定濕度、壓力和溫度條件下，使生物質(zhì)原料顆粒位置重新排列并發(fā)生機(jī)械變形和塑性變形，成為形狀規(guī)則、密度較大、燃燒值較高的固體燃料的過程。同其他成型技術(shù)相比，液壓成型技術(shù)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性好、噪聲小、原料適用性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)液壓成型方面的研究，主要集中在原料種類、含水率、粒度、溫度、成型壓力等方面的試驗(yàn)研究和理論探討上，對(duì)液壓成型主要部件——模具的研究較少。O'Dogherty等研究了壓模直徑、喂入量和保型時(shí)間對(duì)壓縮成型的影響，得出影響生物質(zhì)成型因素與成型品質(zhì)及能耗間的關(guān)系，但研究中沒有考慮模具錐角對(duì)成型的影響。液壓成型模具錐角是影響成型的關(guān)鍵參數(shù)，錐角大小影響壓縮過程中的摩擦力和消耗的壓縮能，決定生物質(zhì)成型密度和成型品質(zhì)。傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中液壓模具的設(shè)計(jì)一般采用“Trial and Error”方法。該方法需反復(fù)試模、修模，成本高，周期長(zhǎng)。本文針對(duì)液壓成型機(jī)主成型階段，采用ANSYS有限元模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用其特有的APDL參數(shù)化語言對(duì)模具錐角進(jìn)行優(yōu)化研究，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)與對(duì)比分析。
1、模具內(nèi)物料受力分析
液壓成型機(jī)主要依靠物料與主要成型部件——模具之間的摩擦力和錐型腔形成的擠壓阻力實(shí)現(xiàn)原料的壓縮成型，原料擠壓所需要的成型壓力與擠壓模具內(nèi)壁的摩擦力相平衡，而摩擦力大小與模具的形狀尺寸有直接關(guān)系。對(duì)模具錐角進(jìn)行優(yōu)化，首先要分析物料在擠壓過程中的受力情況，考慮到模具的軸對(duì)稱性，取模孔截面的A -A剖視圖作受力分析。圖l為液壓成型機(jī)及模具內(nèi)物料受力圖。式中Pi-成型區(qū)模壁對(duì)物料施加的單位壓力
P2——錐型腔模壁對(duì)物料施加的單位壓力
p3-保型區(qū)模壁對(duì)物料施加的單位壓力
D-模具大端直徑
d——模具小端直徑
L-成型區(qū)長(zhǎng)度 Z——保型區(qū)長(zhǎng)度
u——摩擦因數(shù) e-側(cè)壓系數(shù)
由式(3)可以看出，擠壓過程中影響物料成型壓力的因素主要是物料的性能參數(shù)e、u和模具的結(jié)構(gòu)尺寸。當(dāng)其他參數(shù)取值一定的情況下，錐角a是影響成型壓力的關(guān)鍵因素，決定生物質(zhì)成型品質(zhì)和成型密度。
秸稈壓塊機(jī)、
秸稈顆粒機(jī)等是專業(yè)壓制農(nóng)作物秸稈的成型機(jī)械設(shè)備。
2、模型建立
2.1幾何模型
按物料的不同受力情況，液壓成型壓縮過程分為預(yù)壓縮、主壓縮和擠出保型3個(gè)階段。選取成型的主壓縮階段作為研究對(duì)象。
液壓成型模具的結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱性，考慮到計(jì)算成本及二維模型數(shù)值模擬與實(shí)際的擬合度，故此研究取模孔截面的1/2為研究對(duì)象。研究采用ANSYS的APDL參數(shù)化語言建立成型的二維軸對(duì)稱幾何模型如圖2所示，固定大小端端面積比在1.2—1.5之間，只改變錐角口便可以建立新的分析模型。圖中，6為模具錐長(zhǎng)。
2.2材料屬性和單元類型
選用棉稈作為研究對(duì)象，在壓縮成型過程中，建立棉稈、模具、接觸對(duì)3種材料模型，其材料屬性如表1所示。
考慮液壓模具錐角的存在對(duì)網(wǎng)格劃分的影響，單元類型選擇具有八節(jié)點(diǎn)的高階二維Plane 82單元。考慮生物質(zhì)固化成型時(shí)擠壓摩擦大變形的特點(diǎn)，選用二維面一面接觸單元Target 169和Contact172來模擬棉稈與模具的摩擦接觸。
2.3網(wǎng)格劃分
對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，棉稈在擠壓過程中因有塑性變形且產(chǎn)生較大的位移，采用自適用網(wǎng)格劃分；對(duì)模具，則采用智能分網(wǎng)控制生成自由網(wǎng)格。
2.4施加載荷、約束及求解
液壓成型模具工作環(huán)境涉及空間、力等載荷條件，因此在擠壓成型過程中所施加的載荷、約束、邊界條件涉及位移、壓力等。模具和機(jī)器本體相連，外表面為固定約束，兩端面和機(jī)器的其他部件固定相連，也采用固定約束。由于結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱形式，成型塊的左側(cè)采用對(duì)稱約束。在成型塊的上部施加壓力和位移作為載荷。
考慮到模型狀態(tài)非線性接觸問題涉及內(nèi)容的復(fù)雜性和摩擦的影響，在求解前做如下規(guī)定：在求解控制項(xiàng)中Sol’n Controls中選Large DisplacementStatic．考慮大變形影響，打開自動(dòng)時(shí)間步預(yù)測(cè)，在Analysis Options中打開Large deform effect。將牛頓一拉普森選項(xiàng)設(shè)置為Full N-R unsymm算法。采用線性搜索(line search)，目的是避免較大的時(shí)間增量導(dǎo)致迭代變得不穩(wěn)定。
3、后處理結(jié)果分析
通過ANSYS提供的APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語言編制模具錐角口的優(yōu)化程序，通過改變錐角口參數(shù)值建立新的分析模型。對(duì)比螺旋擠壓成型中螺旋角的取值，考慮成型模具的錐角過大易形成死角，為使物料能在模具中穩(wěn)定成型和推出，優(yōu)化設(shè)計(jì)的錐角口不大于10°。
3.1錐角與應(yīng)力關(guān)系
采用APDL參數(shù)化語言優(yōu)化模具錐角，得到錐角與模具最大等效應(yīng)力關(guān)系曲線如圖3所示。
從圖3可以看出，錐角與等效應(yīng)力間呈現(xiàn)二次拋物線關(guān)系，錐角d在5.5°～6.0°范圍內(nèi)，等效應(yīng)力相對(duì)較小。這主要是因?yàn)椋涸谥鲏嚎s階段，同時(shí)存在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，當(dāng)口角減小時(shí)，物料向中間部位移動(dòng)較少，應(yīng)力變形主要集中在模具整個(gè)錐面上，壓應(yīng)力增大，應(yīng)力曲線上升；當(dāng)a角增大時(shí)，物料快速向中間積累，受壓變形的物料增多，壓應(yīng)力相對(duì)減少，剪應(yīng)力增加，應(yīng)力曲線呈上升趨勢(shì)。在錐型腔處，壓應(yīng)力和剪應(yīng)力同時(shí)存在。此處的材料為模具上應(yīng)力集中最為嚴(yán)重的地方，應(yīng)力超過模具的屈服強(qiáng)度時(shí)，在此薄弱部位產(chǎn)生微小裂紋，摩擦磨損嚴(yán)重到一定程度，模具失效。合理設(shè)計(jì)模具錐角能提高模具使用壽命。
3.2不同錐角時(shí)摩擦力與位移關(guān)系
模具錐角為5.0°，5.5°，6.0°和7.O°時(shí)摩擦力與位移關(guān)系曲線如圖4所示。
從圖4可以看出，錐角不同對(duì)摩擦力的影響也不同，但存在相同的影響趨勢(shì)：在擠壓開始階段摩擦力較小，因物料本身流動(dòng)性差和相互牽連的特性，摩擦力以不規(guī)則的形式增大；當(dāng)移動(dòng)到模具錐型腔附近，作用于錐型面上的壓力達(dá)到最大，受到的摩擦力最大，而后作用壓力逐漸減少，摩擦力迅速下降并趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)槌尚烷_始時(shí)以壓實(shí)致密為主，增長(zhǎng)較緩，隨著塑性變形的增加，施加的壓力增大，摩擦力迅速增大，在錐型腔處，由于模壁側(cè)壓力的增加，摩擦力達(dá)到最大值，經(jīng)過錐型腔區(qū)域后，側(cè)壓力減小，摩擦力下降趨于穩(wěn)定。當(dāng)模具錐角取5.5°～6.0°時(shí)，摩擦力與位移關(guān)系曲線變化較平穩(wěn)，擠壓過程中產(chǎn)生的摩擦力相對(duì)較小，應(yīng)力在模具上均勻分布。圖5為模具錐角取6.0°時(shí)產(chǎn)生的摩擦力分布圖。
4、試驗(yàn)
為了對(duì)比優(yōu)化前模具錐角與優(yōu)化后模具錐角對(duì)成型燃料成型品質(zhì)和成型密度的影響，在液壓成型機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)中選取的液壓成型設(shè)備除成型模具錐角不同外，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同；試驗(yàn)所需原料種類、粒度、含水率及每次成型時(shí)所需原料質(zhì)量亦完全相同。試驗(yàn)以棉稈為原料，粉碎粒度為5 mm，含水率為15%，初始密度365 kg/m3。
4.1成型燃料外形對(duì)比分析
優(yōu)化前成型模具錐角與優(yōu)化后成型模具錐角出模后的棉稈成型燃料外形對(duì)比如圖6所示。從圖6可以看出，模具錐角優(yōu)化前成型燃料比較粗糙，密度低，放置一段時(shí)間后表面出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋現(xiàn)象，不便儲(chǔ)藏、運(yùn)輸；優(yōu)化后的成型燃料表面光滑，密度高，成型品質(zhì)好，便于儲(chǔ)藏運(yùn)輸。
4.2成型燃料性質(zhì)對(duì)比分析
在生物質(zhì)成型燃料性質(zhì)中，松弛密度和耐久性是衡量成型燃料品質(zhì)的兩個(gè)重要指標(biāo)，直接決定成型燃料的使用、運(yùn)輸和貯藏條件。
4.2.1松弛密度對(duì)比分析
生物質(zhì)成型燃料在出模后，由于彈性變形和應(yīng)力松弛，其密度逐漸減小，一段時(shí)間后密度趨于穩(wěn)定，此時(shí)成型燃料的密度稱為松弛密度。將優(yōu)化前成型模具與優(yōu)化后成型模具出模后的成型燃料放置3h，用游標(biāo)卡尺測(cè)出直徑R和高度^。每次試驗(yàn)前稱取棉稈質(zhì)量m．記錄活塞最大位移s．每組測(cè)試5次，取平均值，物料起始厚度H。
通過上述公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的對(duì)比分析結(jié)果如表2所示。
由表2可以看出，在試驗(yàn)條件相同的情況下，模具錐角優(yōu)化后的成型燃料與模具錐角優(yōu)化前的成型燃料相比，成型燃料的松弛密度增大，松弛比減小，成型燃料成型密度好，便于使用。
4.2.2耐久性對(duì)比分析
耐久性反映成型燃料的粘結(jié)性能，決定成型燃料的使用和貯藏性能。抗?jié)B水性是衡量耐久性的重要性能指標(biāo)。分別將優(yōu)化前與優(yōu)化后的成型燃料樣品置于25°的水面下10mm，持續(xù)時(shí)間30s，觀察吸水現(xiàn)象。成型模具錐角優(yōu)化前的成型燃料吸水性強(qiáng)，體積膨脹快，形狀基本改變，松散、裂紋嚴(yán)重，極易碎；成型模具錐角優(yōu)化后的成型燃料吸水性弱，體積膨脹較慢，直徑變化不大，高度增加，有一定硬度，不易碎。圖7為優(yōu)化前與優(yōu)化后棉稈成型燃料吸水后的特征對(duì)比圖。可見錐角優(yōu)化后的成型模具能大大提高成型塊的成型品質(zhì)和成型密度。
5、結(jié)論
(1)通過使用ANSYS APDL參數(shù)化語言對(duì)在其他參數(shù)取值一定時(shí)的模具錐角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究發(fā)現(xiàn)液壓成型模具錐角是影響成型的關(guān)鍵參數(shù)，錐角大小影響壓縮過程中的等效應(yīng)力和摩擦力。當(dāng)模具錐角在5.5°～6.0°范圍內(nèi)，成型模具受力均勻，物料壓縮流動(dòng)性和成型性好。
(2)模具錐角對(duì)成型塊的成型密度和成型品質(zhì)影響顯著。經(jīng)優(yōu)化后的成型模具擠壓成型的成型塊較優(yōu)化前成型品質(zhì)好，成型密度高，宜于使用、存儲(chǔ)和運(yùn)輸。
(3) APDL參數(shù)化建模能較好地模擬生物質(zhì)物料擠壓成型過程。當(dāng)改變操作條件或選取不同物料時(shí)，只需修改相關(guān)參數(shù)，便可經(jīng)過優(yōu)化得到不同的優(yōu)化結(jié)果。
