劉 龍， 高愛民， 程志新， 劉風軍， 王紅松， 任 偉， 王昌德
(1. 甘肅農業大學 機電工程學院， 甘肅 蘭州 730070；
2. 酒泉市鑄隴機械制造有限責任公司， 甘肅 酒泉 735000)
我國秸稈資源豐富，目前，仍有許多地方的秸稈被就地焚燒，不僅污染環境，還容易引發火災。秸稈生物質的能源化、飼料化和肥料化是秸稈開發利用的主要方式。將秸稈制成顆粒不僅能夠改善大氣環境， 減緩能源供應緊張，還能提高農村經濟收入，實現秸稈資源價值的最大化[1]。
環模制粒機為常用的秸稈粉料的制粒設備，效率高，能耗低[2]。針對環模制粒機的工作原理、 制粒質量、 工作效率和生產能耗等問題，國內外學者進行了一系列研究。Holm等[3]建立粉體物料通過模孔的擠壓力學模型， 對生物質粉體物料在制粒成型過程中的受力情況進行分析。Agar等[4]基于離散單元法建立生物質顆粒物料的參數模型，對顆粒物料微觀力學特性進行模擬分析。Mazor等[5]利用有限元和離散元動態仿真相結合的方法，分析粉料在顆粒機中的運行狀態。丁寧等[6]發現一種多級壓輥制粒機在制造秸稈粉料的擠壓過程中存在塑化現象。劉德軍等[7]研究制粒機在生物質秸稈粉料通過模孔時的受力過程，探索了秸稈壓縮成型機理，提高制粒機的工作效率。蔣清海等[8]建立單模孔旋轉擠壓成型的驅動模型和能耗模型，研究粉體物料在環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程。目前國內外針對環模和壓輥之間的間隙、環模的內徑和厚度等因素對環模制粒機制得的顆粒性能影響展開研究，大部分都是將制粒機簡化為單模孔開展試驗[10-13]。
基于國內外研究現狀，本文中以藜麥秸稈作為研究對象，首先測定藜麥秸稈的本征參數；
其次，利用離散元軟件EDEM對秸稈粉料制粒成型過程進行仿真，研究秸稈制粒成型機理和模孔的受力情況；
最后，將仿真結果導入有限元軟件ANSYS中，分析模孔孔徑、模孔錐角、粉料粒徑3種因素對環模磨損變形的影響，優化制粒機的工藝參數。
1.1 環模制粒的工作原理
環模制粒機主要由喂料器、 調制器、 傳動機構和制粒器等組成。喂料器和調制器一般安裝在環模制粒機的外部機架上，傳動機構結構簡單且運行穩定，這3個部件屬于輔助設備。制粒器包含環模、 壓輥、 刮刀及切刀等零件。生物質秸稈粉料由喂料器送入調質器進行調質，調質好的物料進入制粒器進行制粒過程。
在制粒器中，旋轉撥料刀將環模內壁上的顆粒物料攪拌均勻，在環模和壓輥的擠壓下，具有一定密度和黏結力的顆粒物料被壓實而被擠入環模孔中，成型后不斷向外端擠出；
然后由切刀將成型顆粒切成一定的長度，最后將成型顆粒排出機外。
環模和壓輥是制粒器中最易磨損的關鍵零部件， 其結構參數、 質量和性能直接影響環模制粒機的制粒質量、 制粒效率、 使用壽命以及秸稈制粒成型的加工成本[14]。
制粒器中環模和壓輥的工作原理及結構參數簡圖如圖1所示。
由圖可見， 在制粒器中， 環模和壓輥之間形成了供料區、 變形壓緊區和擠壓成形區3個區域；
借助環模旋轉產生的離心力， 物料顆粒進入制粒器后緊貼在環模內壁， 被擠入環模與2個壓輥組成的變形壓緊區；
在環模和壓輥的共同擠壓下， 顆粒物料從環模孔中成型后不斷向外端擠出。
圖1 環模和壓輥的工作原理及結構參數簡圖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象，藜麥秸稈粉料在用環模制粒機制粒時，經測定其粒徑為0.3～1.8 mm。在用離散單元法EDEM模擬秸稈粉料制粒成型過程時，離散元模型的計算量和計算精度受粉料顆粒的數量和粒徑影響，秸稈粉料顆粒粒徑太大會使計算機仿真模擬時的作用力波動較大，而粒徑過小則會導致顆粒工廠生成的顆粒數量過多，使計算機仿真計算量過大，導致計算機仿真系統崩潰[15]。為防止計算機仿真系統崩潰，減小計算機仿真誤差，通過不斷的測試計算，選取球形顆粒來模擬藜麥秸稈粉料，顆粒物料粒徑取值為0.5～1.0 mm。
生物質藜麥秸稈由有機物、 礦物質和水構成， 其粉料中含有纖維素、 木質素， 制粒過程中模輥擠壓力造成纖維素和木質素的軟化， 使秸稈粉料顆粒產生一定的黏聚力， 顆粒間出現黏附現象[16-17]。
Hertz-Mindlin with JKR模型適用于模擬土壤、 農作物等濕潤顆粒， 顆粒間因水分、 靜電等原因易發生黏結， 因此選用Hertz-Mindlin with JKR模型作為秸稈粉料的接觸模型。
1.3 仿真模型參數設置
運用EDEM 2020軟件建立環模制粒仿真模型，結合國內外文獻對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。接觸參數設置如表1所示。
表1 接觸參數的設置
藜麥秸稈的密度、 泊松比、 剪切模量由物理試驗測定，藜麥秸稈本征參數的測定如圖2所示。由圖可見，采用CMT5305微機控制式萬能試驗機(深圳SANS公司)對藜麥秸稈進行拉伸、 剪切試驗，測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 藜麥秸稈本征參數的測定Fig.2 Determination of intrinsic parameters of quinoa straw
材料設置完成后，導入IGS格式的環模模型。在EDEM中添加圓柱體作為環模制粒機壓輥的幾何模型，設置尺寸及位置參數，使2個壓輥相互平行并分別相切于環模內表面。重力加速度的方向設為沿-Z軸,取值為9.81 m/s2。環境邊界與環模之間保留一定距離，有利于觀察成型的秸稈顆粒。
在環模型腔內建立一個虛擬面顆粒工廠,顆粒的產生位置與方位設為隨機模式。同時，為控制成型效果，設置顆粒尺寸分布為固定模式,顆粒生成方式為動態(Dynamic)，生成速率設為5 000 s-1，生成數量設為50 000，仿真時間設為2.0 s。藜麥秸稈粉料顆粒的離散元仿真簡化模型采用球形顆粒,粒徑設置為0.6 mm。待顆粒生成完畢并處于穩定狀態后將其導出,再利用EDEM導出模型文件。根據實際制粒過程和仿真效率的要求對制粒模型進行運動設置，環模繞軸心設為以10 rad/s的轉速順時針旋轉，雙壓輥設為以10 rad/s的轉速繞軸心逆時針旋轉。
1.4 制粒過程的仿真結果
秸稈粉料的制粒過程如圖3所示。由圖可見,顆粒工廠生成的顆粒模型落入環模與壓輥形成的制粒室內，秸稈顆粒物料進入楔形擠壓區之前，顆粒物料基本呈現不受擠壓力的狀態；
隨著環模和壓輥的不斷轉動，部分顆粒物料被壓入模孔，在環模、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模孔中；
環模孔中的顆粒物料堆積到極限后發生塑性變形，產生聚合作用而制粒成型；
隨著持續的擠壓過程，顆粒物料制粒成型被擠出模孔。
(a)t=0 s(b)t=0.1 s(c)t=0.7 s圖3 秸稈粉料的制粒過程Fig.3 Granulating process of straw powder
秸稈顆粒物料在環模制粒仿真過程中速度和所受外力隨時間的變化規律如圖4所示。由圖可知，當顆粒物料經過變形壓緊區時，顆粒的速度和所受外力隨著時間的增加而增大；
當顆粒經過模輥間隙時，顆粒的速度和所受外力瞬間減小；
隨著制粒過程的持續進行，顆粒的速度和所受外力呈現出周期性的波動狀態，秸稈制粒成型過程表現為周期性的循環擠壓過程。
(a)速度(b)擠壓力圖4 環模制粒過程中顆粒速度和所受外力隨時間的變化規律Fig.4 Variation of particle velocity and external force with time during granulating process of ring die
在環模制粒仿真過程中顆粒接觸數量隨時間的變化情況如圖5所示。由圖可知，在初始階段，由于瞬時填充完成時顆粒相互接觸碰撞，發生擠壓回彈現象，顆粒接觸數量快速增大并出現峰值；
隨著制粒過程的持續進行，顆粒的接觸數量呈現周期性減小的趨勢；
t=0.4 s時，壓輥旋轉到環模上方時產生間隙，秸稈顆粒模型受壓后發生擠壓回彈現象，接觸數量大幅下降。
圖5 顆粒接觸數隨時間的變化規律Fig.5 Changes law of particle overlap and contact with time
綜上可知， 環模制粒過程仿真基本還原了實際的制粒過程， 模擬出制粒過程中顆粒的速度和所受外力隨時間的變化規律， 以及顆粒接觸數量隨時間的變化情況。
在環模、 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模孔中， 環模孔中的顆粒物料堆積到極限后發生塑性變形， 產生聚合作用而制粒成型， 與現實中制粒機的顆粒成型過程一致， 證明了離散元仿真環模制粒成型的可靠性。
環模是環模制粒機的關鍵零件。在實際生產過程中，周期性接觸力作用在環模表面產生應力應變，導致環模容易發生疲勞磨損，成為環模失效變形的根本原因[20]。模孔孔徑、模孔錐角、粉料粒徑是環模的3個關鍵參數，因此，利用EDEM和ANSYS Workbench聯合仿真模擬試驗研究關鍵參數對環模疲勞磨損的影響。將離散元軟件EDEM對環模的受力分析結果導入ANSYS Workbench中，可以清晰地觀察到制粒成型過程中不同時刻的環模受力變形云圖。不同時刻環模表面的變形量如圖6所示。由圖可見，隨著時間的增加，環模表面的變形量逐漸增大，但是環模工作表面及模孔內壁的變形量的分布并不均勻。環模表面及模孔內壁受壓引起的變形會影響制粒的質量和效率。
(a)t=0.2 s(b)t=0.5 s(c)t=1.0 s圖6 不同時刻環模表面的變形量Fig.6 Deformation of ring die surface at different times
2.1 模孔孔徑
環模的孔徑過大會導致顆粒松散，影響顆粒的成型質量；
環模孔徑過小，易造成粉料堵塞，導致工作效率下降，縮短使用壽命，增加生產成本，因此，合理的模孔孔徑是保證制粒質量和制粒效率的前提。在實際生產中，環模的孔徑以3～8 mm為宜，因此，在利用ANSYS Workbench后處理功能進行的仿真模擬試驗中，環模孔徑分別設為5、 6、 7 mm，環模孔徑對制粒過程中的顆粒的最大變形量、 最大應力和最大應變的影響如表2所示。由表可知，隨著環模孔徑的增大，環模表面的最大變形量、 最大應力、 最大應變都相應增大，環模的磨損變形情況也隨之嚴重，擠壓區顆粒物料的相互擠壓作用也隨之減弱[21]；
當環模孔徑為5 mm時，制粒效果最好。
表2 環模孔徑對顆粒的最大變形量、 最大應力和最大應變的影響
2.2 模孔錐角
環模的模孔錐角對顆粒的輸入、 擠壓等過程存在一定的影響[22]，因此，合理的模孔錐角是保證制粒質量和效率的前提。在仿真模擬試驗中，將模孔錐角設為45°、 60°、 75°，模孔錐角對顆粒的最大變形量、 最大應力和最大應變的影響如表3所示。由表可知，與模孔錐角為60°、 75°時相比，模孔錐角為45°時環模的最大變形量、 最大應力、最大應變最大；
隨著模孔錐角的增大，環模的磨損變形情況也隨之好轉；
當模孔錐角為75°時，制粒效果最好。
表3 模孔錐角對顆粒的最大變形量、 最大應力和最大應變的影響
2.3 粉料粒徑
秸稈粉料粒徑過大時， 粉料顆粒與環模的接觸應力則會更大， 增大了環模表面產生塑性變形的可能性， 導致環模表面形成磨損。
根據已有的粉體顆粒壓縮試驗研究結果[23]， 秸稈粉料粒徑分別設置為0.6、 0.8、 1.0 mm，粉料粒徑對顆粒的最大變形量、最大應力和最大應變的影響如表4所示。由表可知，與粉料粒徑為0.6、 0.8 mm時相比，粉料粒徑為1.0 mm時顆粒的最大變形量、最大應力、最大應變均處于最大值，發生的磨損變形也最嚴重；
當粉料粒徑為0.6 mm時，環模表面的磨損變形較輕微，更適合制粒。
表4 粉料粒徑對顆粒的最大變形量、 最大應力和最大應變的影響
綜上可知，模孔孔徑、 模孔錐角、 粉料粒徑是環模結構的3個關鍵參數，影響顆粒的最大變形量、 最大應力和最大應變。當環模孔徑為5 mm、 模孔錐角為75°、 粉料粒徑為0.6 mm時，環模表面的磨損變形較輕微，制粒質量和制粒效率最佳。
環模制粒過程仿真基本還原了實際的制粒過程，揭示了顆粒的速度和所受外力隨時間的變化規律，反映了顆粒接觸數量隨時間的變化情況。在環模、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模孔中，顆粒物料堆積到極限后發生塑性變形，產生聚合作用而制粒成型，模擬仿真的制粒過程與實際制粒機的顆粒成型過程基本一致，驗證了使用離散元軟件仿真環模制粒成型過程的可靠性。
1)當顆粒物料經過變形壓緊區時，顆粒的速度和所受擠壓力隨著時間的增加而增大；
當顆粒經過模輥間隙時，顆粒的速度和所受擠壓力瞬間減小；
隨著制粒過程的持續進行，顆粒的速度和所受擠壓力呈現出周期性的波動狀態，秸稈制粒成型過程表現為周期性的循環擠壓過程。
2)在制粒過程的初始階段，由于瞬時填充完成時顆粒相互接觸碰撞，發生擠壓回彈現象，顆粒接觸數量快速增大并出現峰值；
隨著制粒過程的持續進行，顆粒的接觸數量呈現周期性減小的趨勢；
t=0.4 s時，壓輥旋轉到環模上方時產生間隙，秸稈顆粒模型受壓后發生擠壓回彈現象，接觸數量大幅下降。
3)模孔孔徑、 模孔錐角、 粉料粒徑是環模的關鍵結構參數，影響顆粒的最大變形量、 最大應力和最大應變。當環模孔徑為5 mm、 模孔錐角為75°、 粉料粒徑為0.6 mm時，環模表面的磨損變形較輕微，制粒質量和制粒效率最佳。
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