环模成型机楔形区的离散元研究

0 引言

随着社会的发展，近年来温室效应和雾霾现象日益加剧，因此，从环境保护和节约能源角度出发，开发和探索新型能源已成为我国乃至全世界的重要工作。和其他新型能源相比，生物质能是一种典型绿色无污染的可再生能源，我国作为农产大国，生物质资源量十分丰富

。沙柳，作为防沙造林树种之一，在我国西北部的沙漠地区储量丰富，且具有“平茬复壮”的生物习性，每3年左右平茬一次，平茬后会更加茂盛。沙柳3年成材，越砍越旺，这是沙柳的本性。平茬后的沙柳是生产生物质能的良好原料

。

环模成型机是生物质致密成型的主要设备，具有能耗低、效率高、耐磨损等特点，国内外学者已进行了大量研究，但对楔形区物料致密成型的研究较少。陈忠加等

提出了一种柱塞式平模生物质致密成型方法，并设计了样机，以不同颗粒度玉米秸秆和刺槐为原料，在原料含水率为15%，斜盘转速为50 r·min

，原料温度为室温的条件下进行了试验，结果表明柱塞式平模生物质成型方法可行。宁廷州等

设计了对辊柱塞式成型机，通过正交试验得到成型机的较优成型参数为含水率15%，成型模具长径比5.25，主轴转速47.25 r·min

。李震等

运用流变学理论建立物料在楔形区内的速度方程，通过Fluent软件对塑性流动建立模拟仿真，得出物料在楔形区域内速度矢量图及速度和压力云图。L.A.Rolfe等

研究表明，环模转速提高可降低物料高度，进而减小挤压物料的力，导致成型质量下降，而颗粒的温度有所提高，能耗增大。

根据重庆市传统商贸流通业发展现状，建议在全市批发行业、零售行业、住餐行业、对外贸易、生活服务、商务服务、物流行业、现代农业等八大行业中实施“+电子商务”创新应用。

沙柳细枝颗粒的力学性质表现为各向异性，粉碎后呈离散状态，采用离散单元方法研究其致密成型过程更接近实际

。本文以沙柳颗粒为研究对象，建立环模成型机楔形区的离散元模型，通过颗粒间的压缩力、法向力及扭矩分析3种模辊间隙(1.5 mm、2 mm、2.5 mm)下燃料的成型品质和模辊磨损情况，以颗粒间的粘结效果作为成型品质的评价标准，以颗粒与模辊间碰撞的法向力作为磨损情况的评价标准。模拟结果可以为生物质固化成型技术的发展提供依据。

1 理论基础

离散单元法(Discrete Element Method, DEM)是Cundall于1971年根据单元之间的相互作用和牛顿运动定律，提出的一种散粒体颗粒细观力学分析方法

。颗粒模型有软球模型和硬球模型2种

。由于沙柳颗粒的粘弹特性，致密成型过程中颗粒间产生显著的塑形变形，因此，颗粒模型选用软球模型来描述，如图1所示。采用Hertz-Mindlin(no-slip)作为颗粒间的接触模型

。

2 离散元仿真

2.1 材料参数

沙柳细枝颗粒致密成型后的燃料物理特性见表3。从表3中可以看出，模辊间隙为1.5 mm时成型质量最好，为1.099 g·cm

；模辊间隙为2.5 mm时，成型质量最差，为1.037 g·cm

。这一结论也与压缩力和扭矩变化相吻合。

沙柳细枝颗粒致密成型过程中环模楔形区压缩力随时间变化曲线如图3所示。不同模辊间隙下，压缩力变化趋势几乎相同，主要经历致密阶段、压缩阶段和保压阶段。致密阶段时，颗粒间空隙较大，压缩力主要消除颗粒间空隙；压缩阶段时，颗粒间粘结力增大，形成强力链，压缩力急剧增加；保压阶段时，颗粒已形成棒状燃料，压缩力保持不变。模辊间隙为1.5 mm时，压缩力较大，颗粒间产生较强的力链，粘结力使颗粒成型品质较好。模辊间隙为2.5 mm时，压缩力较小，颗粒间产生较弱的力链，粘结效果较差，成型品质相对较差。

2.2 离散元模型创建

离散元模型建立后设置沙柳颗粒和模具的材料参数和接触参数。环模以28 rad·s

的速度匀速转动，运动时间为80 s。仿真网格尺寸为3

(最小颗粒半径)。软件开始模拟后，后处理功能需记录压缩力、扭矩、法向力等数据，记录次数是每隔1 s记录一次。

沙柳细枝颗粒粉碎后粒径大小不尽相同，粒径不仅对成型燃料品质有影响，还会影响压缩过程中消耗的能量。根据实际粉碎后的筛分结果，模拟时，选用粒径为0.2～1 mm，用球形颗粒近似代替原物料，颗粒工厂采用随机方式生成颗粒，生成完毕且达到稳定后进入待压缩状态。根据模型几何参数和约束条件建立的颗粒致密过程离散元模型如图2所示。

3 结果与讨论

3.1 压缩力分析

我国的普通制造业已经无法满足日益提高的航空航天科技需求了，所以结构优化方法逐渐在该领域崭露头角。航空制造业往往需要很多顶尖科技产业共同参与才能研发新型产品，在如今这日益增长的需求之下，我国的航空航天部门开始探究结构优化方法在未来生产设计上的可行性。

3.2 燃料成型品质

离散元仿真分析中需要设置沙柳颗粒和成型模具的材料参数，以及沙柳颗粒与沙柳颗粒、沙柳颗粒与成型模具碰撞时的接触参数。参照参考文献和标定试验，分析出沙柳颗粒和成型模具的材料参数和接触参数

。表1是材料参数，表2是接触参数。

3.3 扭矩分析

图4显示的是沙柳细枝颗粒致密成型过程中楔形区扭矩随时间变化驱势。由图可知，不同模辊间隙的扭矩变化趋势无显著性差异，主要经历保持稳定和剧烈变化2个阶段。压缩前期，颗粒静止堆积时只受向下的重力作用，颗粒间空隙较大，几乎没有扭矩产生；压缩进行到中后期时，颗粒在模辊的挤压力下间隙逐渐消除，颗粒间相互粘结在一起，形成弱力链，随着粘结力逐渐增大，弱力链转变成强力链，在力链作用下，颗粒在楔形区内发生运动，轨迹大致呈现螺旋状，扭矩也会产生波动，颗粒间的粘结作用随挤压过程不断增加，所以扭矩呈现出波动增长趋势。模辊间隙为1.5 mm时，颗粒间的扭矩变化剧烈，扭矩值较大，颗粒产生较大塑性变形，颗粒间粘结力增加，形成强力链，成型品质相对较好；而模辊间隙为2.5 mm时，扭矩值较小，颗粒产生的塑性变形也较小，成型品质相对较差。

3.4 压辊磨损情况

不同模辊间隙下压辊受到颗粒的法向力如图5所示。经后处理建立栅格仓计算颗粒与压辊碰撞的法向力。模辊直径为1.5 mm时，颗粒与压辊的最大法向力为978 N，压辊磨损量最大；模辊直径为2.0 mm时，颗粒与压辊的最大法向力为891 N；模辊直径为2.5 mm时，颗粒与压辊的最大法向力为806 N，压辊磨损量相对较小。

4 结论

环模作为常用的生物质成型设备，模辊间隙对成型燃料质量有较大影响，为分析燃料的成型品质和模辊的磨损情况，采用离散元方法模拟环模楔形区的致密成型过程，得到挤压过程中颗粒轨迹受到扭矩影响关系，随扭矩变化，扭矩由准直线状逐渐变为波动增长。模辊间隙为1.5 mm时，压缩力最大，扭矩最大，成型质量最大，成型品质较好。模辊间隙为2.5 mm时，成型品质较差。

第一，公路桥梁养护技术水平的缺失。公路桥梁的内部结构十分复杂与繁琐，有关部门在对其进行养护时需要运用具有现代化技术水平的设备和高素质的工作人员；与此同时，公路桥梁的养护工作还需要技术人员定期对其进行检查及时发现其中的安全隐患并采取有效的措施进行管理。但是大多数工作人员在实际工作中很少会高效完成工作。其主要有以下原因：一方面是公路桥梁养护设备的配备不足，工作人员对于公路桥梁中的问题经常会出现检测不到位的现象；另外一方面是公路桥梁养护人员的施工技术水平不够，这些因素经常引起公路桥梁养护的安全隐患[2]。

微电网技术涉及先进的电力电子技术、计算机控制技术、通信技术等,世界范围内尚无统一、规范的微电网体系技术标准和规范。目前,微电网的发展还存在诸多瓶颈。

通过分析压辊与颗粒碰撞的法向力，得到模辊间隙越小，法向力越大，会增大颗粒与压辊及环模间的摩擦，造成压辊和环模磨损，减少其使用寿命。

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