對于生物質原料,成型時對
顆粒機環模成型孔有非常大的成型壓力,試驗表明,φ6成型孔,其孔內成型最大載荷約為7kN,壓應力約250MPa,對于非孔內成型,即伴隨結殼的成型,成型載荷遠遠高于此應力。在這樣大的分布載荷作用下,彎曲變形十分突出,盡量避彎曲變形是設計環模的一個重要考慮,富通新能源專業生產銷售
秸稈顆粒機環模、
木屑制粒機環模等顆粒機配件。
有限元計算的力學模型,主要是力學計算中的力邊界條件。凡是有力直接作用的部位都需要建立力邊界條件。對于環模,力邊界主要是物料或者成型體(顆粒)直接接觸的部位,即開孔區。
從宏觀角度看環模,首先是成型載荷的作用區界定、載荷在作用區的宏觀分布規律,從局部角度看環模,主要是載荷在孔壁和孔間隔的分布規律。
為了對擠出過程中孔內載荷分布有一定了解,專門設計了擠出試驗。該試驗與單孔成型試驗相似,但圓筒為直筒,沒有進料的錐部,在給物料施加較大的壓縮載荷后,載荷不再上升。反而會下降,這種載荷下降現象,是顆粒成型后在孔內滑移的表現。此數值即為擠出載荷。
從顆粒擠出試驗的結果可以看出,擠出載荷大致與孔深成線性關系,但平均摩擦應力變化不大,在9.47~10.8之間變化。可以設想,摩擦系數可以認為是常數。基于上述試驗結果,對環模的力學模型,可以歸納出如下兩個基本假設,即整體載荷分布假設和孔內載荷分布假設。
1.整體載荷分布假設
在環模一條母線附近的16.50(摩擦角)圓弧面上作用有從零線性變化至最大值的分布載荷;載荷沿圓筒的軸線方向為均勻分布;環模上成型孔內區域和孔間隔的載荷相同。對于此款假設,可以理解為分布載荷以孔橋上的載荷為準,即孔內載荷的上限為孔橋載荷,環模外壁有成片的硬殼屬于此情況。也可以理解為以孔內載荷為準,筒橋上的下限載荷為孔內成型載荷,環模外壁完全沒有硬殼生成接近此情況;計算載荷為虛擬載荷,計算結果只需要提供虛擬載荷作用下的應力和變形分布規律,實際應力和變形用載荷系數適應。
2.孔內載荷分布假設
孔內載荷分布假設,可以用圖3.5示意。
此圖的含義為,成型載荷主要作用在成型孔的成型段上,載荷釋放段成型載荷為零。
試驗表明,如果不結殼,物料成型主要依靠成型孔的摩擦力實現;如果結殼,物料成型主要依靠成型孔的錐部和孔橋實現。由于前面提到的計算載荷只是一個虛擬載荷,與環模的實際載荷沒有關系,所以,在分析孔內載荷分布規律時,不考慮結殼載荷,只考慮無殼成型。當需要考慮結殼載荷時,將此載荷修正為結殼載荷即可。基于這樣的考慮,孔壁的摩擦系數成為建立孔內載荷分布規律的關鍵。不同深度圓筒試驗表明,擠出載荷基本上與孔深成正比,所以,假設孔內所有部位摩擦系數相同。在統一摩擦系數假設下,孔內壓縮載荷在深度方向線性分布。自然,孔內摩擦載荷在深度方向也是線性分布。
由此,顆粒機環模載荷假設歸納如下:
(1)顆粒機環模開孔區內筒壁法向壓強沿簡體軸線方向均勻分布,沿簡體切線方向在自鎖角(16.50)范圍內線性分布,在環模和壓輥的切線處載荷強度達到最大值,在摩擦角的起始點載荷強度為零。
(2)孔內和孔橋的法向壓強相同。對于結殼結構,孔間實際壓強會明顯高于孔內壓強,孔內低出部分是過估值:對于無殼結構,孔間實際壓強比較接近孔內壓強,孔內低出部分是過估值。
(3)由于粉末進口區(錐體部分)高度較小(3mm),假設成型區內粉末部分和顆粒部分表面摩擦系數相同。
(4)孔內成型段內成型顆粒的出口處壓應力為零。
(5)孔內成型段壁面上壓應力線性分布,出口端壓應力為零,進口處為最大成型應力。
(6)孔內成型段壁面上摩擦應力線性分布,出口端摩擦應力為零,進口與直段交界處為最大摩擦應力。
(7)由于成型區錐度很小(1:50),而且無錐度時不存在應力釋放現象,比有錐度的成型載荷更高,從強度觀點看處于更危險狀態,所以有限元計算時可以不考慮錐度影響。
(8)由于1:50的錐度不會明顯影響應力集中,出口段打孔時鉆頭有錐度,該交界面位于彎曲變形的小應力區(中性層附近),計算時這兩個錐部可以不予考慮,不會影響計算結果。
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