秸稈制粒過(guò)程仿真及環(huán)模結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

劉 龍， 高愛(ài)民， 程志新， 劉風(fēng)軍， 王紅松， 任 偉， 王昌德

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 酒泉市鑄隴機(jī)械制造有限責(zé)任公司， 甘肅 酒泉 735000)

我國(guó)秸稈資源豐富，目前，仍有許多地方的秸稈被就地焚燒，不僅污染環(huán)境，還容易引發(fā)火災(zāi)。秸稈生物質(zhì)的能源化、飼料化和肥料化是秸稈開(kāi)發(fā)利用的主要方式。將秸稈制成顆粒不僅能夠改善大氣環(huán)境， 減緩能源供應(yīng)緊張，還能提高農(nóng)村經(jīng)濟(jì)收入，實(shí)現(xiàn)秸稈資源價(jià)值的最大化[1]。

環(huán)模制粒機(jī)為常用的秸稈粉料的制粒設(shè)備，效率高，能耗低[2]。針對(duì)環(huán)模制粒機(jī)的工作原理、 制粒質(zhì)量、 工作效率和生產(chǎn)能耗等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。Holm等[3]建立粉體物料通過(guò)?？椎臄D壓力學(xué)模型， 對(duì)生物質(zhì)粉體物料在制粒成型過(guò)程中的受力情況進(jìn)行分析。Agar等[4]基于離散單元法建立生物質(zhì)顆粒物料的參數(shù)模型，對(duì)顆粒物料微觀力學(xué)特性進(jìn)行模擬分析。Mazor等[5]利用有限元和離散元?jiǎng)討B(tài)仿真相結(jié)合的方法，分析粉料在顆粒機(jī)中的運(yùn)行狀態(tài)。丁寧等[6]發(fā)現(xiàn)一種多級(jí)壓輥制粒機(jī)在制造秸稈粉料的擠壓過(guò)程中存在塑化現(xiàn)象。劉德軍等[7]研究制粒機(jī)在生物質(zhì)秸稈粉料通過(guò)?？讜r(shí)的受力過(guò)程，探索了秸稈壓縮成型機(jī)理，提高制粒機(jī)的工作效率。蔣清海等[8]建立單?？仔D(zhuǎn)擠壓成型的驅(qū)動(dòng)模型和能耗模型，研究粉體物料在環(huán)模和壓輥之間的受力情況。李永奎等[9]利用離散單元法建立玉米秸稈粉料模型，研究單孔制粒成型過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)環(huán)模和壓輥之間的間隙、環(huán)模的內(nèi)徑和厚度等因素對(duì)環(huán)模制粒機(jī)制得的顆粒性能影響展開(kāi)研究，大部分都是將制粒機(jī)簡(jiǎn)化為單?？组_(kāi)展試驗(yàn)[10-13]。

基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文中以藜麥秸稈作為研究對(duì)象，首先測(cè)定藜麥秸稈的本征參數(shù)；其次，利用離散元軟件EDEM對(duì)秸稈粉料制粒成型過(guò)程進(jìn)行仿真，研究秸稈制粒成型機(jī)理和模孔的受力情況；最后，將仿真結(jié)果導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中，分析?？卓讖?、?？族F角、粉料粒徑3種因素對(duì)環(huán)模磨損變形的影響，優(yōu)化制粒機(jī)的工藝參數(shù)。

1 秸稈制粒過(guò)程的仿真

1.1 環(huán)模制粒的工作原理

環(huán)模制粒機(jī)主要由喂料器、 調(diào)制器、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和制粒器等組成。喂料器和調(diào)制器一般安裝在環(huán)模制粒機(jī)的外部機(jī)架上，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且運(yùn)行穩(wěn)定，這3個(gè)部件屬于輔助設(shè)備。制粒器包含環(huán)模、 壓輥、 刮刀及切刀等零件。生物質(zhì)秸稈粉料由喂料器送入調(diào)質(zhì)器進(jìn)行調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)好的物料進(jìn)入制粒器進(jìn)行制粒過(guò)程。

在制粒器中，旋轉(zhuǎn)撥料刀將環(huán)模內(nèi)壁上的顆粒物料攪拌均勻，在環(huán)模和壓輥的擠壓下，具有一定密度和黏結(jié)力的顆粒物料被壓實(shí)而被擠入環(huán)?？字校尚秃蟛粩嘞蛲舛藬D出；然后由切刀將成型顆粒切成一定的長(zhǎng)度，最后將成型顆粒排出機(jī)外。

環(huán)模和壓輥是制粒器中最易磨損的關(guān)鍵零部件， 其結(jié)構(gòu)參數(shù)、 質(zhì)量和性能直接影響環(huán)模制粒機(jī)的制粒質(zhì)量、 制粒效率、 使用壽命以及秸稈制粒成型的加工成本[14]。 制粒器中環(huán)模和壓輥的工作原理及結(jié)構(gòu)參數(shù)簡(jiǎn)圖如圖1所示。 由圖可見(jiàn)， 在制粒器中， 環(huán)模和壓輥之間形成了供料區(qū)、 變形壓緊區(qū)和擠壓成形區(qū)3個(gè)區(qū)域； 借助環(huán)模旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力， 物料顆粒進(jìn)入制粒器后緊貼在環(huán)模內(nèi)壁， 被擠入環(huán)模與2個(gè)壓輥組成的變形壓緊區(qū)； 在環(huán)模和壓輥的共同擠壓下， 顆粒物料從環(huán)?？字谐尚秃蟛粩嘞蛲舛藬D出。

圖1 環(huán)模和壓輥的工作原理及結(jié)構(gòu)參數(shù)簡(jiǎn)圖Fig.1 Working principle and structural parameters of ring die and press roll

1.2 顆粒模型

以藜麥秸稈粉料為研究對(duì)象，藜麥秸稈粉料在用環(huán)模制粒機(jī)制粒時(shí)，經(jīng)測(cè)定其粒徑為0.3～1.8 mm。在用離散單元法EDEM模擬秸稈粉料制粒成型過(guò)程時(shí)，離散元模型的計(jì)算量和計(jì)算精度受粉料顆粒的數(shù)量和粒徑影響，秸稈粉料顆粒粒徑太大會(huì)使計(jì)算機(jī)仿真模擬時(shí)的作用力波動(dòng)較大，而粒徑過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致顆粒工廠生成的顆粒數(shù)量過(guò)多，使計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算量過(guò)大，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)崩潰[15]。為防止計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)崩潰，減小計(jì)算機(jī)仿真誤差，通過(guò)不斷的測(cè)試計(jì)算，選取球形顆粒來(lái)模擬藜麥秸稈粉料，顆粒物料粒徑取值為0.5～1.0 mm。

生物質(zhì)藜麥秸稈由有機(jī)物、 礦物質(zhì)和水構(gòu)成， 其粉料中含有纖維素、 木質(zhì)素， 制粒過(guò)程中模輥擠壓力造成纖維素和木質(zhì)素的軟化， 使秸稈粉料顆粒產(chǎn)生一定的黏聚力， 顆粒間出現(xiàn)黏附現(xiàn)象[16-17]。 Hertz-Mindlin with JKR模型適用于模擬土壤、 農(nóng)作物等濕潤(rùn)顆粒， 顆粒間因水分、 靜電等原因易發(fā)生黏結(jié)， 因此選用Hertz-Mindlin with JKR模型作為秸稈粉料的接觸模型。

1.3 仿真模型參數(shù)設(shè)置

運(yùn)用EDEM 2020軟件建立環(huán)模制粒仿真模型，結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)秸稈粉料制粒成型的研究成果[18-19]，JKR表面能為0.1～0.4 J/m2。接觸參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 接觸參數(shù)的設(shè)置

藜麥秸稈的密度、 泊松比、 剪切模量由物理試驗(yàn)測(cè)定，藜麥秸稈本征參數(shù)的測(cè)定如圖2所示。由圖可見(jiàn)，采用CMT5305微機(jī)控制式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(深圳SANS公司)對(duì)藜麥秸稈進(jìn)行拉伸、 剪切試驗(yàn)，測(cè)得藜麥秸稈的泊松比和剪切模量；利用浮力法使用容量為200 mL的量筒測(cè)得藜麥秸稈的密度；藜麥秸稈顆粒的密度為5.3×102kg/m3，泊松比為0.4，剪切模量為2.89×107Pa。同樣，測(cè)得不銹鋼板的密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，剪切模量為6.73×1010Pa。

(a)泊松比和剪切模量(b)密度圖2 藜麥秸稈本征參數(shù)的測(cè)定Fig.2 Determination of intrinsic parameters of quinoa straw

材料設(shè)置完成后，導(dǎo)入IGS格式的環(huán)模模型。在EDEM中添加圓柱體作為環(huán)模制粒機(jī)壓輥的幾何模型，設(shè)置尺寸及位置參數(shù)，使2個(gè)壓輥相互平行并分別相切于環(huán)模內(nèi)表面。重力加速度的方向設(shè)為沿-Z軸,取值為9.81 m/s2。環(huán)境邊界與環(huán)模之間保留一定距離，有利于觀察成型的秸稈顆粒。

在環(huán)模型腔內(nèi)建立一個(gè)虛擬面顆粒工廠,顆粒的產(chǎn)生位置與方位設(shè)為隨機(jī)模式。同時(shí)，為控制成型效果，設(shè)置顆粒尺寸分布為固定模式,顆粒生成方式為動(dòng)態(tài)(Dynamic)，生成速率設(shè)為5 000 s-1，生成數(shù)量設(shè)為50 000，仿真時(shí)間設(shè)為2.0 s。藜麥秸稈粉料顆粒的離散元仿真簡(jiǎn)化模型采用球形顆粒,粒徑設(shè)置為0.6 mm。待顆粒生成完畢并處于穩(wěn)定狀態(tài)后將其導(dǎo)出,再利用EDEM導(dǎo)出模型文件。根據(jù)實(shí)際制粒過(guò)程和仿真效率的要求對(duì)制粒模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)設(shè)置，環(huán)模繞軸心設(shè)為以10 rad/s的轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，雙壓輥設(shè)為以10 rad/s的轉(zhuǎn)速繞軸心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

1.4 制粒過(guò)程的仿真結(jié)果

秸稈粉料的制粒過(guò)程如圖3所示。由圖可見(jiàn),顆粒工廠生成的顆粒模型落入環(huán)模與壓輥形成的制粒室內(nèi)，秸稈顆粒物料進(jìn)入楔形擠壓區(qū)之前，顆粒物料基本呈現(xiàn)不受擠壓力的狀態(tài)；隨著環(huán)模和壓輥的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，部分顆粒物料被壓入?？祝诃h(huán)模、壓輥及接觸顆粒的共同作用下，秸稈顆粒物料不斷地被擠入環(huán)?？字?；環(huán)?？字械念w粒物料堆積到極限后發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生聚合作用而制粒成型；隨著持續(xù)的擠壓過(guò)程，顆粒物料制粒成型被擠出?？?。

(a)t=0 s(b)t=0.1 s(c)t=0.7 s圖3 秸稈粉料的制粒過(guò)程Fig.3 Granulating process of straw powder

秸稈顆粒物料在環(huán)模制粒仿真過(guò)程中速度和所受外力隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。由圖可知，當(dāng)顆粒物料經(jīng)過(guò)變形壓緊區(qū)時(shí)，顆粒的速度和所受外力隨著時(shí)間的增加而增大；當(dāng)顆粒經(jīng)過(guò)模輥間隙時(shí)，顆粒的速度和所受外力瞬間減?。浑S著制粒過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，顆粒的速度和所受外力呈現(xiàn)出周期性的波動(dòng)狀態(tài)，秸稈制粒成型過(guò)程表現(xiàn)為周期性的循環(huán)擠壓過(guò)程。

(a)速度(b)擠壓力圖4 環(huán)模制粒過(guò)程中顆粒速度和所受外力隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.4 Variation of particle velocity and external force with time during granulating process of ring die

在環(huán)模制粒仿真過(guò)程中顆粒接觸數(shù)量隨時(shí)間的變化情況如圖5所示。由圖可知，在初始階段，由于瞬時(shí)填充完成時(shí)顆粒相互接觸碰撞，發(fā)生擠壓回彈現(xiàn)象，顆粒接觸數(shù)量快速增大并出現(xiàn)峰值；隨著制粒過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，顆粒的接觸數(shù)量呈現(xiàn)周期性減小的趨勢(shì)；t=0.4 s時(shí)，壓輥旋轉(zhuǎn)到環(huán)模上方時(shí)產(chǎn)生間隙，秸稈顆粒模型受壓后發(fā)生擠壓回彈現(xiàn)象，接觸數(shù)量大幅下降。

圖5 顆粒接觸數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.5 Changes law of particle overlap and contact with time

綜上可知， 環(huán)模制粒過(guò)程仿真基本還原了實(shí)際的制粒過(guò)程， 模擬出制粒過(guò)程中顆粒的速度和所受外力隨時(shí)間的變化規(guī)律， 以及顆粒接觸數(shù)量隨時(shí)間的變化情況。 在環(huán)模、 壓輥及接觸顆粒的共同作用下， 秸稈顆粒物料不斷地被擠入環(huán)?？字?， 環(huán)模孔中的顆粒物料堆積到極限后發(fā)生塑性變形， 產(chǎn)生聚合作用而制粒成型， 與現(xiàn)實(shí)中制粒機(jī)的顆粒成型過(guò)程一致， 證明了離散元仿真環(huán)模制粒成型的可靠性。

2 環(huán)模結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化

環(huán)模是環(huán)模制粒機(jī)的關(guān)鍵零件。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，周期性接觸力作用在環(huán)模表面產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，導(dǎo)致環(huán)模容易發(fā)生疲勞磨損，成為環(huán)模失效變形的根本原因[20]。模孔孔徑、?？族F角、粉料粒徑是環(huán)模的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因此，利用EDEM和ANSYS Workbench聯(lián)合仿真模擬試驗(yàn)研究關(guān)鍵參數(shù)對(duì)環(huán)模疲勞磨損的影響。將離散元軟件EDEM對(duì)環(huán)模的受力分析結(jié)果導(dǎo)入ANSYS Workbench中，可以清晰地觀察到制粒成型過(guò)程中不同時(shí)刻的環(huán)模受力變形云圖。不同時(shí)刻環(huán)模表面的變形量如圖6所示。由圖可見(jiàn)，隨著時(shí)間的增加，環(huán)模表面的變形量逐漸增大，但是環(huán)模工作表面及?？變?nèi)壁的變形量的分布并不均勻。環(huán)模表面及?？變?nèi)壁受壓引起的變形會(huì)影響制粒的質(zhì)量和效率。

(a)t=0.2 s(b)t=0.5 s(c)t=1.0 s圖6 不同時(shí)刻環(huán)模表面的變形量Fig.6 Deformation of ring die surface at different times

2.1 ?？卓讖?/h3>

環(huán)模的孔徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致顆粒松散，影響顆粒的成型質(zhì)量；環(huán)模孔徑過(guò)小，易造成粉料堵塞，導(dǎo)致工作效率下降，縮短使用壽命，增加生產(chǎn)成本，因此，合理的?？卓讖绞潜ＷC制粒質(zhì)量和制粒效率的前提。在實(shí)際生產(chǎn)中，環(huán)模的孔徑以3～8 mm為宜，因此，在利用ANSYS Workbench后處理功能進(jìn)行的仿真模擬試驗(yàn)中，環(huán)?？讖椒謩e設(shè)為5、 6、 7 mm，環(huán)?？讖綄?duì)制粒過(guò)程中的顆粒的最大變形量、 最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的影響如表2所示。由表可知，隨著環(huán)?？讖降脑龃?，環(huán)模表面的最大變形量、 最大應(yīng)力、 最大應(yīng)變都相應(yīng)增大，環(huán)模的磨損變形情況也隨之嚴(yán)重，擠壓區(qū)顆粒物料的相互擠壓作用也隨之減弱[21]；當(dāng)環(huán)模孔徑為5 mm時(shí)，制粒效果最好。

表2 環(huán)?？讖綄?duì)顆粒的最大變形量、 最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的影響

2.2 ?？族F角

環(huán)模的?？族F角對(duì)顆粒的輸入、 擠壓等過(guò)程存在一定的影響[22]，因此，合理的?？族F角是保證制粒質(zhì)量和效率的前提。在仿真模擬試驗(yàn)中，將?？族F角設(shè)為45°、 60°、 75°，模孔錐角對(duì)顆粒的最大變形量、 最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的影響如表3所示。由表可知，與?？族F角為60°、 75°時(shí)相比，模孔錐角為45°時(shí)環(huán)模的最大變形量、 最大應(yīng)力、最大應(yīng)變最大；隨著?？族F角的增大，環(huán)模的磨損變形情況也隨之好轉(zhuǎn)；當(dāng)模孔錐角為75°時(shí)，制粒效果最好。

表3 ?？族F角對(duì)顆粒的最大變形量、 最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的影響

2.3 粉料粒徑

秸稈粉料粒徑過(guò)大時(shí)， 粉料顆粒與環(huán)模的接觸應(yīng)力則會(huì)更大， 增大了環(huán)模表面產(chǎn)生塑性變形的可能性， 導(dǎo)致環(huán)模表面形成磨損。 根據(jù)已有的粉體顆粒壓縮試驗(yàn)研究結(jié)果[23]， 秸稈粉料粒徑分別設(shè)置為0.6、 0.8、 1.0 mm，粉料粒徑對(duì)顆粒的最大變形量、最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的影響如表4所示。由表可知，與粉料粒徑為0.6、 0.8 mm時(shí)相比，粉料粒徑為1.0 mm時(shí)顆粒的最大變形量、最大應(yīng)力、最大應(yīng)變均處于最大值，發(fā)生的磨損變形也最嚴(yán)重；當(dāng)粉料粒徑為0.6 mm時(shí)，環(huán)模表面的磨損變形較輕微，更適合制粒。

表4 粉料粒徑對(duì)顆粒的最大變形量、 最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的影響

綜上可知，?？卓讖?、 模孔錐角、 粉料粒徑是環(huán)模結(jié)構(gòu)的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，影響顆粒的最大變形量、 最大應(yīng)力和最大應(yīng)變。當(dāng)環(huán)?？讖綖? mm、 ?？族F角為75°、 粉料粒徑為0.6 mm時(shí)，環(huán)模表面的磨損變形較輕微，制粒質(zhì)量和制粒效率最佳。

3 結(jié)論

環(huán)模制粒過(guò)程仿真基本還原了實(shí)際的制粒過(guò)程，揭示了顆粒的速度和所受外力隨時(shí)間的變化規(guī)律，反映了顆粒接觸數(shù)量隨時(shí)間的變化情況。在環(huán)模、壓輥及接觸顆粒的共同作用下，秸稈顆粒物料不斷地被擠入環(huán)模孔中，顆粒物料堆積到極限后發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生聚合作用而制粒成型，模擬仿真的制粒過(guò)程與實(shí)際制粒機(jī)的顆粒成型過(guò)程基本一致，驗(yàn)證了使用離散元軟件仿真環(huán)模制粒成型過(guò)程的可靠性。

1)當(dāng)顆粒物料經(jīng)過(guò)變形壓緊區(qū)時(shí)，顆粒的速度和所受擠壓力隨著時(shí)間的增加而增大；當(dāng)顆粒經(jīng)過(guò)模輥間隙時(shí)，顆粒的速度和所受擠壓力瞬間減?。浑S著制粒過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，顆粒的速度和所受擠壓力呈現(xiàn)出周期性的波動(dòng)狀態(tài)，秸稈制粒成型過(guò)程表現(xiàn)為周期性的循環(huán)擠壓過(guò)程。

2)在制粒過(guò)程的初始階段，由于瞬時(shí)填充完成時(shí)顆粒相互接觸碰撞，發(fā)生擠壓回彈現(xiàn)象，顆粒接觸數(shù)量快速增大并出現(xiàn)峰值；隨著制粒過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，顆粒的接觸數(shù)量呈現(xiàn)周期性減小的趨勢(shì)；t=0.4 s時(shí)，壓輥旋轉(zhuǎn)到環(huán)模上方時(shí)產(chǎn)生間隙，秸稈顆粒模型受壓后發(fā)生擠壓回彈現(xiàn)象，接觸數(shù)量大幅下降。

3)?？卓讖?、 ?？族F角、 粉料粒徑是環(huán)模的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，影響顆粒的最大變形量、 最大應(yīng)力和最大應(yīng)變。當(dāng)環(huán)?？讖綖? mm、 ?？族F角為75°、 粉料粒徑為0.6 mm時(shí)，環(huán)模表面的磨損變形較輕微，制粒質(zhì)量和制粒效率最佳。