制粒是通過機械或化學(xué)的方法，將粉體或液體原料聚合成形的過程。目前主要的制粒技術(shù)是環(huán)模制粒，
環(huán)模顆粒機廣泛應(yīng)用于飼料、
生物質(zhì)顆粒燃料成型及制藥等領(lǐng)域。環(huán)模制粒過程可以分為環(huán)模、壓輥間的輥軋以及模孔內(nèi)擠出2個過程，而這2個過程歸根結(jié)底是粉體的擠壓成型過程。由于粉體成型的復(fù)雜性，因此很難用解析方法來描述。計算機技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展使得對粉末成型問題的求解成為可能。張濤等…運用有限元軟件MSC.Marc對高聚物黏結(jié)炸藥(PBX)粉末溫壓成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出粉末在壓制過程中的流動性規(guī)律，為其實際成型中工藝參數(shù)的改善和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。岳勝利等對熱電池粉末成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出摩擦是影響粉末成型的重要因素，應(yīng)力和密度的變化規(guī)律相似。Han等利用Abaqus軟件模擬藥物粉末的擠壓，提出一種改良的DPC模型，該模型可以定量地再現(xiàn)實際中藥材粉末的擠壓行為。Koynov等用混合離散連續(xù)介質(zhì)方法對取決于分子黏合度的粉末擠壓進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而預(yù)測粉末成型后的抗張強度。H．Diarra等c5睬用有限元法模擬了化妝品粉末的擠壓，并通過實驗與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，得出模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的一致處和不一致處，對于改善模擬結(jié)果和預(yù)測能力有重要的意義。國內(nèi)外學(xué)者主要模擬研究了粉末成型壓力機、粉末壓片機等粉末擠壓成型過程，并未對顆粒機粉體壓制過程進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬研究。本文中利用數(shù)值模擬技術(shù)對粉體輥軋制粒過程進(jìn)行模擬分析，研究物料特性、
環(huán)模和
壓輥與粉體物料的摩擦系數(shù)、模輥間隙等對輥軋過程的影響規(guī)律，富通新能源生產(chǎn)銷售
顆粒機、
木屑顆粒機、
秸稈顆粒機等生物質(zhì)顆粒燃料成型機械設(shè)備。
1、Drucker-Prager Cap模型
巖石剪切破壞準(zhǔn)則是Coulomb早在1773年通過巖石力學(xué)試驗研究提出的首次采用塑性理論概念解決土工問題的準(zhǔn)則。Mohr于1900年將其發(fā)展為同為剪應(yīng)力屈服條件的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則（M-C準(zhǔn)則），認(rèn)為當(dāng)材料某平面上的剪應(yīng)力達(dá)到某一特定值時進(jìn)入屈服。為了克服M-C準(zhǔn)則的缺點，即三維應(yīng)力空間中的屈服面存在的角點奇異性給數(shù)值計算帶來的困難，Drucker與Prager于1 952年提出Drucker-Prager模型（DP模型），即內(nèi)切于M-C六棱錐的圓錐形屈服面。由于DP模型不能反映靜水壓力導(dǎo)致的屈服，因此Drucker等又于1957年提出在線性的DP模型上增加一個帽蓋狀的屈服面，即Drucker-Prager Cap模型（DPC模型），從而引入等向壓應(yīng)力作用下的屈服，并且可以控制材料在剪切作用下的無限制剪脹現(xiàn)象。經(jīng)過多年的發(fā)展，DPC模型在粉體擠壓成形中得到廣泛的應(yīng)用。
p-q空間中的DPC模型如圖l所示。DPC模型屈服面主要由剪切破壞面、光滑過渡面、帽蓋曲面3段構(gòu)成，且3個曲面函數(shù)可由以下3個公式給出：
2、輥軋過程問題分析及簡化
由于粉末軋制工藝影響因素較為復(fù)雜，需要結(jié)合實際情況進(jìn)行適當(dāng)簡化。本文中的粉末輥軋過程主要進(jìn)行以下簡化和假設(shè)：1）輥軋過程考察的重點是粉末的變形，且粉末相對于環(huán)模、壓輥的剛性較小，因此將壓輥和環(huán)模看作剛性體；2）粉末密度較小，其體積力對軋制過程的影響近似可以忽略不計，因此不考慮粉末體積力；3）模、輥軸向物料分布是均勻的，因此將物料軋制過程簡化為二維平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析；4)粉體物料特性采用Abaqus軟件內(nèi)置的Drucker -Prager Cap本構(gòu)模型進(jìn)行描述；5）粉體軋制過程屬于大變形成型加工，為準(zhǔn)靜態(tài)問題，運用Abaqus -Explicit進(jìn)行求解和分析。
3、輥軋過程有限元模型的建立
初始模擬時環(huán)模輥軋制粒參數(shù)如下：環(huán)模內(nèi)徑為350 mm，壓輥直徑為150 mm，物料最大厚度為15 mm，模輥初始間隙為2 mm，摩擦系數(shù)為0.6。模型由環(huán)模、壓輥、物料3部分組成，建立各部件模型并裝配，得到輥軋模型如圖2所示。初始物料選擇相對密度為0.7的微晶纖維素（型號為PH102），其材料基本DPC模型參數(shù)如表1所示，其帽蓋硬化特性如表2所示，并選擇適用于平面應(yīng)變問題的CPE4R單元對物料進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
4、載荷加載和求解
輥軋過程壓輥的下壓和環(huán)模的旋轉(zhuǎn)都是靠在參考點上施加位移載荷實現(xiàn)的。用顯示動力學(xué)方法描繪準(zhǔn)靜態(tài)分析過程時，位移載荷的加載需要盡量平緩，以免對擠壓的物料段形成沖擊，進(jìn)而避免網(wǎng)格變形量過大導(dǎo)致的求解困難問題。
通過設(shè)置合理的分析步、加載時間和使用設(shè)置有平滑系數(shù)的幅值曲線可以實現(xiàn)位移載荷的平緩加載。在位移載荷加載過程中，首先實現(xiàn)壓輥下壓1.7 mm，使模輥間隙減小為0.3 mm，此時物料已經(jīng)被壓縮，從而可以實現(xiàn)環(huán)模、壓輥與物料間的接觸的建立；然后保持壓輥的位置不變，在環(huán)模參考點上加載順時針旋轉(zhuǎn)位移載荷，使得環(huán)模旋轉(zhuǎn)120。該輥軋模擬過程經(jīng)有限元求解所得等效應(yīng)力云圖如圖3所示。取接觸弧AB段作為分析路徑，所得接觸弧節(jié)點等效應(yīng)力(vonMises應(yīng)力)如圖4所示，其中弧AB長為48 mm，即a=15.72°。
5、輥軋過程的影響因素分析
實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，物料特性、物料與模輥的摩擦系數(shù)、環(huán)模、壓輥間隙大小、模與輥直徑大小或模輥直徑比等參數(shù)的變化都會影響環(huán)模制粒過程。為了考察各因素對輥軋過程的影響，需保持分析區(qū)域的一致性，統(tǒng)一選取接觸弧AB段作為分析路徑。
5.1 物料特性對輥軋過程的影響
物料特性主要指物料的制粒特性，即原料壓制成顆粒的難易程度，制粒特性在很大程度上制約了制粒效率的高低和質(zhì)量的好壞。選取微晶纖維素粉末和乳糖粉末進(jìn)行對比分析，乳糖粉末的基本DPC模型參數(shù)如表3所示，其帽蓋硬化特性如表4所示，分析結(jié)果如圖4所示。可以看出，沿接觸弧位置，微晶纖維素受到的等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于乳糖受到的等效應(yīng)力，微晶纖維素的最大等效應(yīng)力為154.1 MPa，而乳糖的為102.3 MPa，由此可得，對于不同的物料，要實現(xiàn)高效制粒和獲得高質(zhì)量顆粒，所需的制粒參數(shù)不盡相同。
5.2摩擦系數(shù)對輥軋過程的影響
摩擦系數(shù)主要由物料特性、調(diào)質(zhì)時間長短以及環(huán)模壓輥界面特征決定。選取0.5、0.6、0.7這3組摩擦系數(shù)值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增大，物料底邊接觸區(qū)域等效應(yīng)力增大，接觸弧長度縮短，即底邊單元剪切變形量小。這是因為，物料是靠環(huán)模之間的摩擦力攫取進(jìn)入的，隨著摩擦系數(shù)的增大，摩擦力增大，一方面攫取進(jìn)入的物料增多，另一方面，環(huán)模與物料間滑移量變小，進(jìn)而導(dǎo)致等效應(yīng)力增大，單元變形也增大；因此，環(huán)模制粒過程中增加模、輥與物料間的摩擦系數(shù)，一方面可以增加產(chǎn)量，另一方面也有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。
5.3模輥間隙對輥軋過程的影響
模輥間隙是制粒生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)的主要運行參數(shù)，合適的間隙是保證物料擠出模孔的前提條件。分別選取0.3、0.4、0.5 mm間隙分析，結(jié)果如圖6所示。可以看出，隨著模輥間隙的縮小，物料底邊接觸面等效應(yīng)力增大，原因是隨著模輥間隙的縮小，物料壓縮率增大，所受應(yīng)力也增大。由此可得，對于有些難以擠出模孔的物料，可以選擇適當(dāng)減小模輥間隙來增大底邊接觸應(yīng)力，使得有足夠的力將物料擠出模孔。
6、結(jié)論
基于建立的環(huán)模制粒輥軋過程分析模型，應(yīng)用Abaqus軟件對粉體擠壓制粒過程進(jìn)行了有限元分析，得到以下結(jié)論：
1)對于不同的物料，顆粒壓制成形所需的擠壓力不同。
2)隨著摩擦系數(shù)的增大，物料所受的應(yīng)力增大，從而可以提高顆粒的質(zhì)量。
3)環(huán)模和壓輥的間隙越小，物料環(huán)模接觸面所受應(yīng)力越大，越容易將物料擠出模孑L，同時也有利于提高成型顆粒的質(zhì)量。
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