柱塞式环模颗粒成型机仿真与试验

■宁廷州　俞国胜　王青宇　程子洋　陈忠加　周　莹（北京林业大学工学院，北京100083）

柱塞式环模颗粒成型机仿真与试验

■宁廷州俞国胜王青宇程子洋陈忠加周莹
（北京林业大学工学院，北京100083）

基于工程设计软件SolidWorks建立了柱塞式环模颗粒成型机成型机构三维实体模型，采用内置插件Motion对该成型机成型机构进行了运动轨迹仿真分析，探索该成型机结构设计的合理性，寻求较优环模模孔开口锥度，仿真结果表明，环模模孔开口锥度以60°为佳。同时，以木屑为原料进行了生物质物料成型试验，测试了该成型机的各项试验指标。试验结果表明：该成型机的生产率为250 kg/h，能耗为43.2 kW·h/t，成型颗粒密度为1.2 g/cm3，成型颗粒直径为8 mm，成型率为95%，工作噪声为85 db，各项指标均达到设计要求，实现了连续稳定生产。

生物质；成型机；开口锥度；仿真；能耗

基于普通生物质环模颗粒成型机成型能耗高［1-4］的问题，研究一种低能耗的生物质成型系统尤为必要，柱塞式环模颗粒成型机结合活塞冲压式成型机和模辊式成型机两者的优点，利用压辊上均匀分布的一系列柱塞与环模模孔相啮合，摒弃了传统生物质环模颗粒成型机利用压辊外曲面而导致的关键部件磨损严重、能耗损失的问题［5］。

柱塞式环模颗粒成型机运行过程中压辊柱塞和环模模孔相互啮合，若压辊上的柱塞不能和环模上的模孔准确啮合，不仅不能实现对生物质物料的压缩成型，还会因柱塞与模孔的干涉而导致机器发生故障。因此，除保证柱塞压辊与环模的正确啮合以外，环模模孔开口锥度及其大小对成型机能否正常运行也至关重要。

本研究基于工程设计软件SolidWorks建立了柱塞式环模颗粒成型机成型机构的三维实体模型，采用内置插件Motion对该成型机的成型机构进行了运动轨迹仿真分析［6-7］，探索该成型机结构设计的合理性，寻求较优环模模孔开口锥度，最后以木屑为原料进行了生物质物料成型试验，测试了该成型机的各项试验指标。

1　结构和工作原理

柱塞式环模颗粒成型机主要由成型机构、传动机构、进料装置和箱体等组成（见图1）。其中成型机构由柱塞式压辊、环模、压辊齿轮、环模齿轮和惰齿轮等组成（见图2）。工作原理［8-9］：动力直接传递到压辊轴上，通过压辊齿轮、惰齿轮和环模齿轮的啮合运行实现环模和压辊的正确啮合和同方向转动。生物质松散物料经进料口进入环模后，在其自身重力和旋转离心力的共同作用下进入环模孔，压辊上的柱塞逐渐啮合压入相对应的环模成型孔，之后又逐渐分离，每转一圈，环模上模孔中的物料都要经过填充、柱塞挤压和保型三个过程，按此不断循环，松散的生物质物料最终在环模孔中一层一层致密成型为具有一定密度和长度的颗粒，当颗粒状燃料挤出环模孔到达一定长度时，在外部切刀的作用下将其剪断。固定在环模上的刮刀可以有效去除粘结在环模上的物料。

图1整机结构

图2工作原理

2　仿真分析

2.1仿真参数与过程［10-11］

①根据设计要求，柱塞式环模颗粒成型机传动比关系式满足下式：

式中：i——传动比；

n1——柱塞式压辊转速（r/min）；

n2——环模转速（r/min）；

D1——柱塞式压辊啮合圆直径（mm）；

D2——环模啮合圆直径（mm）；

N1——柱塞数；

N2——模孔数。

根据（1）式可得到表1中的参数，根据表1参数，通过工程设计软件SolidWorks建立柱塞式环模颗粒成型机成型机构三维实体简化模型（图3）。

表1 仿真参数

图3　成型机构三维实体模型

②在装配体界面，将‘SolidWorks Motion’插件载入，进行柱塞式压辊与环模的运动仿真。

③取运动平面压辊柱塞最大直径剖面端部的两个关键点（见图4）的运动轨迹作为压辊柱塞与环模孔是否发生干涉的衡量标准。

2.2仿真结果分析

2.2.1压辊柱塞相对于环模模孔的运动轨迹

图4 柱塞关键点

仿真结果（见图5）表明，压辊柱塞上的两个关键点相对于环模模孔的运动轨迹均为余摆线，且运动迹都在环模模孔内侧，不存在交叉重叠的地方，故辊柱塞与环模模孔不发生干涉；同时，仿真结果表环模模孔开口锥度的大小对运动轨迹也有较大影响若环模模孔开口锥度太小，不仅压辊柱塞与其发生涉，而且也不便于较多物料流入环模模孔参与压缩型，因此有待探究较优环模模孔开口锥度。

2.2.2环模模孔开口锥度研究

在保证环模模孔长径比不变的情况下，在不同模模孔开口锥度θ下的运行情况进行了仿真，结果图6所示。

由图6可以看出，当环模模孔开口锥度小于等于15°时，压辊柱塞两关键点运动轨迹均与环模模孔发生干涉，因此必须保证环模模孔开口锥度大于15°，但是当环模模孔开口锥度大于等于85°时，相邻两环模模孔进料口加工工艺发生重叠，不便于加工，同时会导致环模模孔强度降低。由于物料是在其自身重力和旋转离心力的共同作用下进入环模模孔，因此，环模模孔开口锥度太小，物料将较难进入环模模孔，故为确保较多的物料能够进入环模模孔参与压缩成型，取环模模孔开口锥度60°时为佳。

3　试验

3.1试验原料与仪器

为测试柱塞式环模颗粒成型机的各项试验指标，采用颗粒度在1 mm左右，含水率为15%左右的木屑为原料进行了生物质物料成型试验，成型试验如图7所示，成型燃料如图8所示。

图5　压辊柱塞相对于环模模孔运动轨迹

图6　不同环模模孔开口锥度下的仿真结果

图7成型试验

图8成型燃料

3.2试验结果

试验结果如表2所示。

表2 测试项目与结果

试验结果表明，该成型机的各项指标均达到了设计要求，该成型机能够满足生产需要，实现了连续稳定生产。

4　结论

通过工程设计软件SolidWorks的Motion模块对柱塞式环模颗粒成型机成型机构进行了运动轨迹仿真分析，结果表明：为避免压辊柱塞与环模模孔发生干涉，且能够使较多的生物质物料进入环模模孔参与压缩成型，柱塞式环模颗粒成型机环模模孔开口锥度取60°为佳。

以木屑为原料进行生物质成型试验，测试了柱塞式环模颗粒成型机的各项试验指标。试验结果表明，该成型机的生产率为250 kg/h，能耗为43.2 kW·h/t，成型颗粒密度为1.2 g/cm3，成型颗粒直径为8 mm，成型率为95%，工作噪声为85 db，该成型机的各项指标均达到了设计要求，能够满足生产需要，实现了连续稳定生产。

［1］丛宏斌，赵立欣，姚宗路，等.生物质环模成型机产能与能耗分析［J］.农业机械学报，2013，44（11）：144-149.

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（编辑：崔成德，cuichengde88@sina.com）

Simulation and experiment on ring die granular forming machine with plungers

Ning Tingzhou，Yu Guosheng，Wang Qingyu，Cheng Ziyang，Chen Zhongjia，Zhou Ying

Forming mechanisms of the ring die granular forming machine with plungers were modeled，assembled and simulated by SolidWorks Motion，simulation results showed that the opening taper of the ring die die hole is advisable when it's 60°.Sawdust was used as raw material for the biomass material forming test，experimental results showed that the productivity of the forming machine is 250 t/h，energy consumption is 43.2 kW·h/t，density of forming grain is 1.2 g/cm3，diameter of forming grain is 8 mm，forming rate is 95%，and working noise is 85 db.All the indexes meet the design requirements，and realize continuous and stable production.

biomass；forming machine；opening taper；simulation；energy consumption

10.13302/j.cnki.fi.2016.05.002

S816.34

A

1001-991X（2016）05-0005-04

宁廷州，博士，研究方向为生物质能源转化装备。

2015-12-07

国家“十二五”科技支撑计划项目‘轻便低能耗可移动生物质燃料成型系统研发’［2012BAD30B0205］