0、引 言 颗粒机环模辊压式成型机由于能耗低、产量大、颗粒燃料品质高等优点，成为未来生物质固化成型的主要成型设备。环模是环模辊压式成型机的核心工作部件，加工成本高、工作寿命低等问题严重阻碍了环模压辊式成型机的推广。目前，国内对生物质环模辊压式成型机的研究在某些方面还处于试验阶段，还没有为环模加工、制造提供有力的理论依据。 本文借助Pro/Engineer实现环模三维建模，应用有限元软件ANSYS进行数值模拟，揭示了环模温度场、应力场、应变场及位移分布规律，为优化环模材料选择、制造工艺控制缺陷、保证模具强度、提高模具寿命提供了科学依据，对环模辊压式成型机的研究与生产都有很好的应用价值和参考价值。 1、数值模拟 基于温度场求解时对材料热物性参数取值、初始条件、边界条件等处理原则，利用分块模型化的特点，选取环模1/36模型进行有限元分析。 1.1建模 图1是环模的1/36几何模型，对实际加工时存在的倒角、圆角、退刀槽进行了简化。 1.2网格划分 环模网格划分如图2所示，对环模采用自由网格划分，单元边长为0.005。 1.3单元选择 本文采用ANSYS中THERMAL模块中的SOL-)70单元进行环模的温度场数值模拟。SOUD70单元是个三维热实体单元，具有8个节点，每个节点只有温度一个自由度。该单元可用于三维的稳态或瞬态的热分析问题，并可补偿由于恒定速度场质量输运带来的热流损失。如果包含热实体单元的模型还需进行结构分析，可被一个等效的结单元(如SOUD45)所代替。 1.4基本方程 对于在高温条件下工作的结构，必须考虑温度的影响。随着温度的升高，金属材料的屈服极限有所降低，硬化特性也有所减小，逐渐接近理想塑性材料。同时材料参数弹性模量、泊松比、温度膨胀系数等也随温度升高而有所变化，对于本课题研究的环模而言，应变增量包括弹性应变增量、塑性应变增量和热应变增量。但由于其工作环境的温度使材料参数变化甚微，故认为环模材料的参数保持不变。 在考虑温度影响的经典热弹塑性理论中，应变增量可表示为： 1.5边界条件 温度场数值模拟的边界条件（本文所研究环模的温度场分布情况）：环模的内表面（与物料、压辊接触的面）作为热流面，热量以热流密度(heat flux)的形式传给环模，除了轴对称面其他面与周围空气接触，导致部分热量散失，这种传热方式为对流( conv-ection)。 耦合场数值模拟的边界条件：考虑到环模在稳态工作下的应力、应变分布情况，把环模与轴承的接触面采用固定约束，由于数值模拟的环模模型为实际模型的1/36，所以对环模的两侧面采用对称约束。 1.6材料参数 环模所用材料是42CrMo，该材料调质后具有较高的疲劳极限，能抗多次冲击，低温冲击韧性良好，足以满足环模的摩擦大、易变形、冲击次数多等特点。 2、数值模拟结果 2.1温度场 图3所描述的是不同模孔长径比的环模在成型过程中的温度场分布情况。从3种模孔长径比的环模温度场分布情况来看，环模工作表面的中心部位（压辊和环模接触的中间部位）温度都达到了300qC以上，该温度不仅可以达到软化生物质原料中木质素的目的，而且可使软化程度加剧进而液化，此时的木质素具有很好的黏结作用，可作为较好的黏结剂。因此，此刻只需对生物质原料施加较小的压力，即可得到与环模模孔相同形状的成型产品，因而成型设备消耗的能量较小。温度分布中的最高温度模孔长径比为6:1时最高，5:1时次之，4:1时最低。环模温度不宜过低或过高，如果过低，没有达到生物质原料中木质素的软化点，木质素起不到黏结作用；如果过高，生物质中的木质素将炭化，从而阻碍热量的传递，内部的木质素无法软化，最终使传热费时耗能。 如图4所示，不同模孔长径比的环模在不同宽度方向上温度沿径向的分布。整体来看，环模的温度随半径的增大逐渐降低，这和实际情况相吻合，这主要是因为环模的热量主要来源于环模、压辊及物料之间的摩擦，并且发生在环模内环面。由图4可知，在宽度z=0时温度最高，宽度z=0.125和宽度：= - 0.125的温度变化曲线基本重合，这说明环模两端的温度变化几乎相同；模孔长径比为4:1时，由于模孔长度较短，且摩擦产生的热量由中心向四周辐射，温度沿径向并不是按严格的递减趋势分布，所以z=0的曲线波动较大。 从环模的径向来看，温度呈不规则的层状分布，环模的工作表面温度最高，这有利于加热生物质原料中的木质素，随着环模半径的增大，温度逐渐降低，在环模的端面，温度达到最低，此处不是环模的工作区域，只是作为环模的一个散热面，用来使环模的多余热量对流到空气中，从而使环模达到一个热平衡状态，同创新能源生产销售的秸秆压块机、木屑颗粒机等环模成型机专业压制生物质成型燃料。 2.2耦合场 图5反映了不同模孔长径比的环模在成型过程中的应力场分布情况，在环模的应力场分布云图中可以看到，最大应力出现在环模端面法兰盘联接处，也就是说这里最容易发生破坏。从环模整体结构来看，它相当于悬臂梁通过法兰盘结构安装在轴承上，由理论力学基础知识得知，最大应力应该出现在此处，数值模拟与理论分析相吻合。同时，还可以看出在环模的工作表面上应力分布不均匀，中间的应力比两边大，这说明环模在受到压辊的挤压力和物料的摩擦力后，工作表面磨损不均匀，会导致环模的工作表面凹凸不平，严重时会导致物料流动受阻，出料量下降，导致环模停止工作。中间应力比两边应力大，说明环模中间磨损会比两边大，最终导致环模成腰鼓形，失效报废。环模的模孔应力也较大，说明环模在成型过程中，物料在通过模孔成型时，模孔承受较大的摩擦力，致使模孔在工作一段时间后，孔内壁磨损较大，孔径增大，所生产的颗粒成型产品直径超过规定值而失效。 成型过程中，物料在通过模孔成型时，给了模孔较大的摩擦力，致使模孔在工作一段时间后，孔内壁磨损较大，孔径增大，所生产的颗粒成型产品直径超过规定值而失效。 图6所示的是不同模孔长径比环模在不同宽度方向上的应力沿径向分布曲线。从图中可以看出，在3组曲线中，环模应力随半径的增大逐渐减小，这是因为随着半径增大，环模越来越厚，横截面积增大，直接导致应力减小。z= 0.125比Z=-0.125沿径向上对应点的应力大，这与理论分析相吻合，这主要是因为Z= 0.125的环模端是固定端，z=- 0.125的环模端是自由端，而环模此时相当于悬臂梁，故固定端应力较自由端大。环模的最大应力在模孔长径比4:1时最大，6:1时次之，5:1时最小，说明模孔长径比4:1环模最容易损坏，模孔长径比5:1环模寿命最长。该图所示的应力曲线是热．应力耦合场作用下产生的应力，包含温度产生的应力，导致应力曲线变化不均匀。 3、结论 综上所述，可以看出环模温度随半径增大而降低，环模两端温度变化几乎相同。在3种模孔长径比中，模孔长径比为5：1的环模的温度场情况对加热生物质原料中的木质素更有利于成型。最大应力出现在环模端面法兰盘联接处。环模进行针对性地设计和优化，为延长环模使用寿命，提高成型机产量，降低能耗提供了重要的理论依据。 同创新能源生产销售秸秆压块机、木屑颗粒机等环模式木屑颗粒机，同时我们还大量销售杨木木屑生物质颗粒燃料。