環(huán)模
制粒機(jī)中的環(huán)模是壓制顆粒飼料的核心工作部件，其工作性能直接影響制粒的質(zhì)量、顆粒成型、生產(chǎn)率。環(huán)模是成本昂貴的易損件，其使用壽命是評(píng)價(jià)
環(huán)模顆粒機(jī)性能的重要指標(biāo)。怎樣減少和改善環(huán)模與壓輥的磨損，延長(zhǎng)們的使用壽命，降低生產(chǎn)成本，是研究的核心問(wèn)題。
環(huán)模實(shí)際失效形式主要為磨損和疲勞斷裂，其中叉以磨損為主要形式。磨損失效形式更加嚴(yán)重影響環(huán)模的使用壽命。實(shí)踐證明，環(huán)模與壓輥的磨損_沿軸線方向呈不規(guī)則分布（如圖1所示），由外向里為喂料方向，朝外的一端最嚴(yán)重，里面次之，而中間最小，基本呈不規(guī)則粗糙曲線，形狀有如腰鼓，最大凹陷處有時(shí)大于或等于3 mm。這種不規(guī)則磨損會(huì)帶來(lái)如下主要后果：①新壓輥與舊環(huán)模配對(duì)使用時(shí)，由于環(huán)模不規(guī)則磨損，磨損較大的兩端，因間隙變大，擠壓變小，易出現(xiàn)出粒不暢，出粒速度相對(duì)中間降低，甚至堵模，這樣會(huì)加劇磨損，降低產(chǎn)量。②由于環(huán)模不規(guī)則磨損，當(dāng)新壓輥配舊壓模使用時(shí)，壓輥的使用壽命更短，且難以修整，故生產(chǎn)成本大大提高。
環(huán)模的不均勻磨損，筆者認(rèn)為是飼料的不均勻分布引起的。物料在沿環(huán)模軸向由外向里進(jìn)入壓制腔時(shí)，因物料與機(jī)體的摩擦以及物料本身相互摩擦，其所具有的動(dòng)能是逐漸衰減的，加上離心力的作用，這樣物料貼附在環(huán)模內(nèi)壁時(shí)，可能并非沿軸向均勻分布。另外，清除粘積在傳動(dòng)盤內(nèi)表面上的少量料粉，重新進(jìn)入壓制腔，但方向與上述相反。飼料分布是以圖2所示AD線的形式分布（為了說(shuō)明方便，以直線表示），環(huán)模與壓輥的擠壓力和摩擦力也是呈現(xiàn)出兩端大而中間小，其中靠外的一端最大。
為進(jìn)一步深入探討環(huán)模磨損不均勻的原因+分析飼料的不均勻分布下環(huán)模的力學(xué)行為，并提供理論上的定性分析，本文用UnigraphicsNX及Ansys完成對(duì)環(huán)模的建模及有限元靜力分析，討論環(huán)模在均勻載荷與非均勻載荷時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度分布情況，提出合理的方案以解決環(huán)模的不均勻磨損。
1、環(huán)模有限元模型
1.1環(huán)模實(shí)體模型的建立
在Ansya作有限元分析過(guò)程中，建立幾何環(huán)模是必不可少的一個(gè)過(guò)程，就其建模功能來(lái)說(shuō)，不如UC強(qiáng)大，但是Ansys有強(qiáng)大的接口能力和對(duì)實(shí)體的力學(xué)分析功能。本文采取UC建立實(shí)體三維模型，通過(guò)中間軟件ICES作為中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的平臺(tái)，利用Ansys的高級(jí)接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)幾何模型的建立，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
環(huán)模的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：環(huán)模內(nèi)徑350mm，環(huán)模外徑430 mm，厚度20 mm。利用UrW;raphics直接建模技術(shù)，建立環(huán)模的三維模型（見(jiàn)圖3）。
2.2網(wǎng)格劃分
在Ansys軟件中可選擇的三維單元主要有Solid45、Sol-id95、Solidl85。我們選擇Solid45作為環(huán)模的分析單元，分析過(guò)程中定義材料屬性。環(huán)模的材料較為廣泛，如：45鋼、合金鋼、不銹鋼、硼貝氏體球鐵等。對(duì)MUZL350 -2型進(jìn)行分析，其材料型號(hào)17CrNiMo，心部淬火后硬度一般為HRC25~ 48,表面淬火后硬度達(dá)HRC60以上，彈性模量E=2.le+ll，泊松比μ= 0.25。由于尺寸較大，采取自由化分網(wǎng)格模式，劃分等級(jí)1級(jí)（見(jiàn)圖4）。
2.3力學(xué)模型的建立
單元模型為Solid45立方體，共8個(gè)節(jié)點(diǎn)。單元材料為線彈性，并且各向同性。根據(jù)廣義虎克定律：
3、結(jié)果與分析
3.1載荷圖
對(duì)于表面壓力采取均勻與非均勻兩種工況的力學(xué)模型，并通過(guò)后處理模塊POSTI處理數(shù)據(jù)，作出均勻裁荷與非均勻載荷的應(yīng)力與應(yīng)變分析圖。圖5、6中橫坐標(biāo)為環(huán)模受壓區(qū)域軸向長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為應(yīng)力值。
3.2.1載荷沿軸向均勻分布
由圖5可知，在曲線1中，施加的載荷步為一步，施加均勻壓力值為10 MPao應(yīng)力強(qiáng)度值反應(yīng)了應(yīng)力的集中情況，圖5應(yīng)力強(qiáng)度曲線在36 mm處，應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到最大峰值43 325 Pa，此處是環(huán)模的危險(xiǎn)點(diǎn)，變形最大。而最小處在68 mm處，應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到最小峰值20 655 Pa。在軸向均勻載荷作用下，一般不可能出現(xiàn)環(huán)模兩端磨損較大的現(xiàn)象。曲線2反映了摩擦面內(nèi)的受力情況，應(yīng)力值基本在2 537.3 Pa左右，說(shuō)明在環(huán)模的擠壓區(qū)沿壓輥軸線方向的任意一點(diǎn)，所受的摩擦力基本為均勻值。綜合兩曲線的分析，軸向均勻載茼不會(huì)是引起環(huán)模磨損軸向不均勻的因素。
3.2.2載荷沿軸向不均勻分布
在軸向非均勻載荷圖6中，施加的載荷步為3步，施加的荷載沿軸向分別為10 000、8 000、IO OOO Pa;施加路徑長(zhǎng)90mm]，時(shí)間歷程1s。在應(yīng)力強(qiáng)度曲線1中出現(xiàn)兩個(gè)峰值，在22mm處出現(xiàn)第1個(gè)峰值8974.2 Pa．在約68 mm處出現(xiàn)第2個(gè)峰值11063 Pa;在曲線2中，基本在同樣的位置出現(xiàn)兩個(gè)峰值16640 Pa、22 000 Pa；應(yīng)力強(qiáng)度與摩擦剪應(yīng)力都在環(huán)模兩端處達(dá)到一峰值，同時(shí)在54 mm處的環(huán)模中部摩擦剪應(yīng)力達(dá)到最低峰值，表明環(huán)模的應(yīng)力集中在環(huán)模兩端處，而且環(huán)模所受摩擦剪應(yīng)力也同樣在兩端處較大+在中部環(huán)模所受摩擦剪應(yīng)力最小，曲線與環(huán)模內(nèi)壁磨損形狀吻合。因此，軸向不均勻載荷引起的應(yīng)力情況符合環(huán)模的實(shí)際磨損現(xiàn)象。
從以上分析，我們可以排除均勻載荷會(huì)形成環(huán)模兩端磨損嚴(yán)重、中間磨損少的可能性；同時(shí)證明了環(huán)模內(nèi)壁飼料分布沿軸向不均勻、受力不均勻這一假設(shè)的合理性，僅在軸向非均勻載荷圖中，其曲線符合實(shí)際環(huán)模的磨損外形。
料層的分布情況直接影響環(huán)模的使用壽命，所以解決環(huán)模的不均勻磨損問(wèn)題，核心是使料層均勻分布在環(huán)模的內(nèi)壁上，使環(huán)模受均勻的載荷作用。通過(guò)分析，可以說(shuō)明選用更加昂貴的環(huán)模材料，僅從環(huán)模的優(yōu)化角度出發(fā)，或者從飼料的配方、顆粒度等方面不能解決環(huán)模的不均勻磨損問(wèn)題。因此，環(huán)模的不均勻磨損只能通過(guò)飼料的均勻分布得以解決，而進(jìn)一步優(yōu)化環(huán)模制粒機(jī)的結(jié)構(gòu)是解決問(wèn)題的根本途徑。
4、結(jié)論
通過(guò)對(duì)環(huán)模實(shí)際工作中出現(xiàn)的磨損這一現(xiàn)象，提出影響環(huán)模壽命的新觀點(diǎn)，利用Ansys，對(duì)其進(jìn)行了有限元的靜力學(xué)分析，得出以下結(jié)論。
(1)環(huán)模內(nèi)部飼料沿軸向分布不均勻，受力不均勻這一假設(shè)是合理的。
(2)通過(guò)對(duì)環(huán)模的有限元分析，排除了均勻載荷能形成環(huán)模磨損兩端嚴(yán)重、中間少這一現(xiàn)象的可能性。
(3)飼料沿軸向的不均勻分布，是引起環(huán)模的不均勻載荷而導(dǎo)致環(huán)模磨損不均勻，并嚴(yán)重影響其使用壽命的重要因素。
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