牛振華¹，雷亞平²，楊北方²

（1.安陽職業技術學院，河南安陽，455000；2.中國農業科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽，455000）

　　摘要：生物質成型機可以將松散的生物質原料（主要是農林廢棄物）加工具有一定形狀的成型燃料，對農林廢棄物資源的再利用有著非常重要的意義。以HPB-V型液壓式生物質成型機的成型套筒為研究對象，采用理論分析和Creo Simulate有限元分析相結合的方法，為成型套筒的制造材料選擇提供思路和依據。成型套筒的基本參數：成型套筒出料直徑為100mm，套筒錐長為240mm，錐角為8.4°，成型套筒材料為45鋼和20CrMnTi鋼。通過有限元分析，結果表明：兩種材料在靜力作用下都不會發生破壞，都適合加工制造成型套筒，但在工作過程中45鋼成型套筒會發生疲勞損壞，20CrMnTi鋼成型套筒不會發生疲勞損壞，因此，20CrMnTi鋼更適合加工制造成型套筒。

　　0引言

　　中國是一個農業大國，農作物秸稈資源豐富，每年僅秸稈就可以產出7億多t[1]，除了秸稈還田和作為生活燃料外，被廢棄和焚燒的秸稈占總量的40%以上[2]，造成了嚴重的大氣污染和資源浪費。為了防止焚燒秸稈，每到收獲季節，國家和地方都要花費大量的人力?物力和資金進行禁燒管理。生物質成型技術是將松散的生物質原料（主要是農林廢棄物）經過生物質成型及壓制成具有一定形狀的生物質成型顆粒和棒料，是秸稈有效利用的途徑之一，廣泛應用于飼料工業和可再生生物質能源等領域[3]。目前使用最多的生物質成型機包括活塞沖壓式成型機?螺旋擠壓式成型機和滾模碾壓式成型機[4]。生物質成型機在工作過程中受到生物質原料擠壓，其重要的成型部件成型套筒磨損嚴重，工作壽命短，維修和更換比較困難，較頻繁的維修和更換直接降低了生物質成型機生產效率，增加了生產成本，嚴重制約了生物質成型燃料技術發展和推廣。

　　目前國內外對生物質成型機成型套筒的磨損和使用壽命開展了一些研究。楊星釗等[5]研究了成型套筒內錐孔的錐角和錐長對磨損的影響；王野平等[6]對圓錐模成型機的成型過程進行了受力分析，得出了錐角和擠壓力的取值范圍；蔣清海等[7]通過磨損試驗，研究了環模制粒機的磨損機理；霍麗麗等[8]利用掃描電鏡觀察壓輥的磨損形貌，對壓輥的失效機理進行了分析研究；盧彪等[9]使用ABAQUS有限元分析軟件對液壓式生物質成型機的成型過程進行了仿真分析，得出弧面形式的成型模具可提高使用壽命；袁曉明等使用ANSYS軟件對環模式生物質成型機的環模進行了有限元分析，認為錐孔對成型的影響較大；陳洪波等[10]基于統計分析，對生物質成型機的模具參數進行了優化。國外的O'Dogherty等[11]研究了模具直徑對秸稈壓縮的影響；Jiang等[12]研究了生物質成型燃料壓縮成型的條件；Demirbas[13]使用液壓式成型機將秸稈擠壓成型，分析了壓力?密度和溫度的關系。

　　本文對HPB-V型液壓式生物質成型機的成型套筒三維建模，使用Creo Simulate有限元分析軟件對45鋼和20CrMnTi鋼兩種常用材料進行有限元分析，通過分析結果檢驗加工制造成型套筒的材料，進一步縮短成型套筒制造材料選擇的試驗周期和減少加工制造成本，為成型套筒的設計和改進提供一種新的思路。

　　1 HPB-V型液壓式生物質成型機

　　HPB-V型液壓式生物質成型機主要由傳輸裝置?驅動電機?液壓系統?控制系統?活塞沖桿?成型套筒和電加熱套等組成，其結構如圖1所示。工作時，將成型套筒加熱到適合的溫度，將秸稈放入預壓室，由第一級預壓油缸將秸稈推入第一級預壓室，再由第二級預壓油缸將秸稈推入第二級預壓室?；钊麤_桿將經過兩級壓縮后的秸稈推入進成型套筒中，外力的作用使得秸稈顆粒重新排列位置關系，并發生機械變形和塑性變形。在垂直于最大應力的方向上，粒子主要以相互靠近的形式結合。隨外力的增大，生物質體積大幅度減小，容積密度顯著增大，生物質內部膠化和外部焦化，并具有一定的形狀和強度?；钊麤_桿不斷推擠，原料經保形筒保型后擠出，成為成型燃料[14-15]。

　　生物質成型機正常工作時，原料被活塞桿從成型套筒的大孔壓入成型套筒，然后從小孔中擠出，完成一次工作循環。成型套筒的結構如圖2所示，成型套筒的工作壽命和成型質量與成型套筒的錐長L和工作面的錐角θ有直接的關系，本文中，成型套筒的錐長L為240mm，錐角θ為8.4°。

　　2成型套筒的受力分析

　　根據成型套筒的成型原理可知，成型質量取決于原料在成型套筒中的成型過程是關鍵過程，原料與成型套筒之間的摩擦力與活塞沖桿對原料的擠壓力是形成原料變形的主要因素，也是造成成型套筒磨損的主要因素。原料在成型套筒內受到活塞沖桿的擠壓力F1，成型套筒內壁對秸稈的擠壓力F2，原料與成型套筒內壁的摩擦力F3。受力情況見圖3。

　　3成型套筒材料

　　成型套筒的磨損主要跟成型套筒的材料性能，生物質原料的性能以及工作條件有直接關系[16]，其中影響最大是成型套筒的材料性能。成型套筒的工作環境是一個高壓（秸稈的擠壓）和高溫（加熱器的加熱）的環境，因此，成型套筒的材料應具有較好的硬度?耐磨性和抗腐蝕性等性能。本文選取了實際制造中常用的45鋼和20CrMnTi鋼作為研究對象，使用Creo Simulate分別對其進行靜力分析和疲勞分析，驗證兩種材料是否適合制造成型套筒，以及對兩種材料制造成的成型套筒的工作壽命作對比。

　　4成型套筒的靜力分析

　　4.1靜力分析過程

　　4.1.1建立成型套筒的三維模型

　　Creo是CAD設計軟件包，三維建模的Creo Parametric模塊和有限元分析的Creo Simulate模塊是其主要模塊[17]。使用Creo Parametric繪制出成型套筒的三維模型，套筒為長度240mm的圓柱體，內部有一個錐度為8.4°的錐孔，如圖4所示。

　　為了減少有限元分析的計算量和避免應力集中，將成型套筒的三維模型進行簡化，忽略倒角和圓角。將三維模型導入到Creo Simulate中，根據表1內容，分別選擇45鋼和20CrMnTi鋼兩種材料。

　　4.1.2定義約束條件和載荷

　　成型套筒在生物質成型機機內與第二級預壓室和保形筒相連，工作時固定不動，左端為進料口，所以在與保形筒相連的右端添加位移約束。

　　HPB-V型生物質成型機的主液壓油缸工作壓強為12MPa，主液壓油缸內徑為105mm，故主油缸活塞桿對物料可產生129.8kN的壓力，錐孔同時承受物料129.8kN的壓力。根據這些條件為成型套筒的三維模型添加載荷?約束，其結果如圖5所示。

　　4.2靜力分析結果

　　根據設定的材料屬性?載荷和約束，分別對45鋼和20CrMnTi鋼兩種材料的成型套筒進行靜力分析，其分析結果如圖6?圖7所示。

　　從圖6?圖7可以看出，兩種材料的成型套筒的所受應力較大的部位都發生在邊緣部位，其中45鋼的最大應力為209.8MPa，20CrMnTi鋼的最大應力為223.1MPa，均未超出材料的許用極限，所以在靜力作用下不會發生破壞。

　　5成型套筒的疲勞分析

　　HPB-V型液壓式生物質成型機在工作過程中，活塞桿做往復的直線運動，成型套筒受到物料的擠壓不是持續的，而是一個循環的擠壓過程，由于摩擦表面材料微觀體積受循環接觸應力作用產生重復變形，導致產生裂紋和分離出微片或顆粒。成型套筒受到了交替變換的載荷，可能會在套筒表面發生疲勞破壞，因此需要對套筒進行疲勞分析。

　　一般情況下，鋼材在對稱循環下的應力持久極限與其抗拉強度σb之間的關系大致為0.28σb。45鋼的最大抗拉強度σb為600MPa，應力持久極限為168MPa；20CrMnTi鋼的最大抗拉強度σb為1080MPa，應力持久極限為302.4MPa。由圖6可知，45鋼成型套筒上的最大應力為209.8MPa，已超出應力持久極限，表明45鋼套筒將發生疲勞破壞。由圖7可知，20CrMnTi鋼成型套筒上的最大應力為223.1MPa，沒有超出應力持久極限。

　　對45鋼的成型套筒進行疲勞分析，首先設置45鋼的載荷類型為等幅值，幅值類型為零—峰值，抗拉強度600MPa，材料表面粗糙度為已拋光，失效強度衰減因子為2，材料類型為非合金鋼。疲勞分析結果如圖8所示，疲勞損壞最早發生在成型套筒的出料端，疲勞損壞發生的位置和靜力分析得出的結果基本一致。

　　在正常工作過程中，45鋼成型套筒會發生疲勞損壞，20CrMnTi鋼成型套筒不會發生疲勞損壞，因此，20CrMnTi鋼更適合加工制造成型套筒。

　　6結論

　　1）使用Creo Simulate對HPB-V型生物質成型機的成型套筒進行有限元分析，得到了45鋼和20CrMnTi鋼兩種材料成型套筒的應力云圖。45鋼的最大應力為209.8MPa，20CrMnTi鋼的最大應力為223.1MPa。

　　2）兩種材料成型套筒在靜力作用下都不會發生破壞，說明適合加工制造成型套筒。

　　3）在正常工作過程中，45鋼成型套筒會發生疲勞損壞，20CrMnTi鋼成型套筒不會發生疲勞損壞，因此，20CrMnTi鋼更適合加工制造成型套筒。

　　4）本文的研究方法，可以檢驗材料是否適合加工制造成型套筒，縮短制造周期，降低成型套筒的研發成本。