隨著社會的發(fā)展，煤炭、石油等一次性能源不斷減少，世界面臨能源危機(jī)，同時這些能源在使用過程中排放出的有害物質(zhì)也使全球生態(tài)環(huán)境惡化。因此具有可以再生、開發(fā)經(jīng)濟(jì)、使用無公害等優(yōu)點生物質(zhì)能越來越受到人們的關(guān)注。
生物質(zhì)壓縮成型燃料是生物質(zhì)能利用的一種主要形式。生物質(zhì)壓縮成型就是將生物質(zhì)廢棄物先經(jīng)過簡單的處理，然后切碎，用機(jī)械加壓的方法，使原來松散、無定形的原料壓縮威具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料。生物質(zhì)經(jīng)壓縮成型后，可以作為燃料廣泛應(yīng)用于家用取暖爐、工業(yè)生物質(zhì)鍋爐和秸稈發(fā)電，是我國利用秸稈等生物質(zhì)能源的重要途徑。生物質(zhì)秸稈在壓縮成型后，其密度、強(qiáng)度和燃燒性都有了本質(zhì)的改善，有效地提高了容重、熱值和燃燒性能，大大提高了生物質(zhì)的燃料品質(zhì)。
本文在充分研究和分析了平模式
顆粒機(jī)結(jié)構(gòu)特點和功能的基礎(chǔ)上，利用CATIA的多種建模方式，設(shè)計平模生物質(zhì)燃料成型機(jī)成型裝置的虛擬模型。
1、顆粒飼料機(jī)的簡介
目前國內(nèi)使用的顆粒飼料機(jī)主要有兩種：一種是環(huán)模顆粒機(jī)：另一種是平模
制粒機(jī)。
環(huán)模顆粒機(jī)在壓制飼料尤其是精飼料方面具有很大的優(yōu)勢，其產(chǎn)量大，耗電少，這是平模顆粒機(jī)無法比擬的。而平模顆粒機(jī)由于其轉(zhuǎn)速低于環(huán)模顆粒機(jī)等原因，其產(chǎn)量小于環(huán)模顆粒機(jī)，但是由于其轉(zhuǎn)速低壓力大，壓制的精飼料的密度很大。對于精飼料原料而言一般為玉米豆粕等等，粘性大容易成型，不需要很大壓力即可成型，而對于木屑、秸稈等難成型的粗纖維，需要很大壓力，環(huán)模顆粒機(jī)由于其結(jié)構(gòu)限制，壓力不可調(diào)，壓制這些物料就會超出壓力負(fù)荷，導(dǎo)致模具壓輪軸承磨損或壞掉。平模顆粒機(jī)結(jié)構(gòu)簡便，壓力可調(diào)，產(chǎn)量穩(wěn)定，顆粒密度大，并且模具正反兩面都可以使用。平模壓輪直徑的大小不受模具直徑的限制，可以加大內(nèi)裝軸空間，選用大號軸承增強(qiáng)壓輪的承受能力，提高了壓輪的壓制力和延長了使用壽命。這也是選擇平模顆粒機(jī)作為研究生物質(zhì)燃料成型機(jī)的主要原因。
2、平模顆粒飼料機(jī)與生物質(zhì)燃料成型機(jī)的比較
從表1中可以看出：平模顆粒飼料機(jī)與生物質(zhì)燃料成型機(jī)在成型原理和成型設(shè)備上大致是一樣的，所以可以通過在研究現(xiàn)有平模顆粒飼料機(jī)的基礎(chǔ)上對生物質(zhì)成型機(jī)進(jìn)行設(shè)計和創(chuàng)新。對比平模顆粒飼料機(jī)，生物質(zhì)燃料成型機(jī)的設(shè)備損耗比較嚴(yán)重，這主要是由于成型原料所致。麥秸稈、水稻稈等生物質(zhì)含有大量的纖維索、半纖維索和木質(zhì)素，它們之間的聯(lián)系是很緊密的，磨具在對這些原料擠壓時，要克服很大的應(yīng)力，所以就會使得磨具磨損很嚴(yán)重。
表1平模飼料顆粒機(jī)與生物質(zhì)燃料成型機(jī)的比較
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成型機(jī)器 |
成型原料 |
成型原理 |
成型設(shè)備 |
模具損耗 |
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平模顆粒飼料機(jī) |
玉米、豆粕等糧食作物 |
擠壓成型 |
壓輥與平模板 |
一般 |
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生物質(zhì)燃料成型機(jī) |
麥秸、木屑等廢棄物 |
擠壓成型 |
壓輥與平模板 |
比較嚴(yán)重 |
三門峽富通新能源銷售顆粒機(jī)、制粒機(jī)、木屑制粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備。
另外，麥秸稈、水稻稈等生物質(zhì)由于屬于廢棄物，所以很難保證其間摻雜有一些鐵塊、石頭等硬物，即使之前進(jìn)行過適當(dāng)?shù)奶幚恚埠茈y保證在成型腔內(nèi)不摻雜有少量的硬物，這樣在成型時也很容易造成磨具的磨損。
3、生物質(zhì)成型機(jī)虛擬樣機(jī)實現(xiàn)策略
3.1 生物質(zhì)成型機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
平模生物質(zhì)成型機(jī)的成型原理見圖2，其構(gòu)成有壓輥和平模板。作業(yè)時，電動機(jī)通過皮帶向安裝在主軸的帶輪提供動力，由于帶輪轉(zhuǎn)動帶動主軸的轉(zhuǎn)動，從而使得固定在主軸七的平模轉(zhuǎn)動。壓輥通過軸承和軸固定在機(jī)口部位。壓輥和平模之間屬于緊連接，平模的轉(zhuǎn)動就會通過摩擦力帶動壓輥繞軸做自身的轉(zhuǎn)動，這樣平模和壓輥之間就會產(chǎn)生擠壓力，就會把生物質(zhì)通過模孔擠出。
3.2生物質(zhì)成型機(jī)的實現(xiàn)策略
成型裝置的虛擬樣機(jī)實現(xiàn)策略見圖3。根據(jù)裝置運(yùn)動所要完成的功能和特征，確定裝置的各項參數(shù)和性能指標(biāo)，初步制定裝置的總體設(shè)計方案。三維特征建模通過CATIA軟件實現(xiàn)，利用CATIA實現(xiàn)三維參數(shù)化實體，完成裝置組合裝配，進(jìn)行機(jī)構(gòu)干涉檢查，并完成轉(zhuǎn)入ADAMS的模型后處理，也可以直接通過接口程序轉(zhuǎn)入到ANSYS。在ADAMS中進(jìn)行構(gòu)件定義、運(yùn)動約束定義、激勵約束的施加，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真。通過ADAMS FLEX程序，將模型轉(zhuǎn)到ANSYS中進(jìn)行有限元分析，分析關(guān)鍵零件的強(qiáng)度。最后，對分析結(jié)果進(jìn)行評價。如果不滿意，修改結(jié)構(gòu)、參數(shù)，重新進(jìn)行建模、運(yùn)動仿真分析和有限元分析，直至得到最佳結(jié)果為止。
4、生物質(zhì)成型機(jī)三維模型的建立
CATIA是CAD/CAE/CAM -體化軟件，在世界CAD/CAFJCAM領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子、電器以及消費(fèi)品行業(yè)“，。首先利用CATIA的建模方法進(jìn)行基于特征的建模，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、倒角、鉆孔等特征操作，繪制成型部位的全部零件三維圖。然后根據(jù)所構(gòu)造的成型機(jī)的各個零部件的外形以及他們之間的相對位置和裝配關(guān)系，利用自頂向下方法將各個零部件通過裝配約束組裝成裝配體，完成成型部位的三維模型如圖4。
5、仿真分析及強(qiáng)度分析
機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件ADAMS可以非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。將在CATIA中建立的裝配模型簡化后，通過ADAMS和CATIA的接口軟件Simdesigner將文件轉(zhuǎn)換為cmd格式，將模型導(dǎo)人到ADAMS中，模型中原有的裝配關(guān)系都已無效，只提供了各構(gòu)件的初始位置，且是毫無關(guān)系地獨立存在于ADAMS中，并不是具有現(xiàn)實意義的虛擬樣機(jī)，這時要重新對零件進(jìn)行約束定義，包括豐軸的旋轉(zhuǎn)約束和驅(qū)動約束、壓輥的旋轉(zhuǎn)約束和外殼的固定約束等，把虛擬模型建立，定義仿真時間啟動仿真，這樣就可以實現(xiàn)零件的運(yùn)動，檢查各構(gòu)件之間的干涉情況。仿真完成后，然后轉(zhuǎn)到ADAMS后處理模塊( ADAMS/PostProcessor)可以對虛擬樣機(jī)的仿真結(jié)果做進(jìn)一步分析。
在成型裝置的分析中，應(yīng)用ADAMS與ANSYS之間的接口模塊，可以將ADAMS中的模型導(dǎo)入到ANSYS之中。導(dǎo)入的模型通過創(chuàng)建有限元模型，施加荷載及求解設(shè)定后就可以進(jìn)行求解。
6、結(jié)語
在充分研究和分析了國內(nèi)生產(chǎn)的平模顆粒飼料機(jī)的基礎(chǔ)匕，進(jìn)行了生物質(zhì)燃料成型機(jī)成型裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計，在CATIA環(huán)境下，利用多種建模方式，建立了生物質(zhì)燃料成型機(jī)成型部位的三維模型。
本次研究為虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用提供了方法及使用經(jīng)驗，為縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、減少開發(fā)費(fèi)用和提高研制質(zhì)量提供了有效方法。
