目前，對生物質(zhì)顆粒機環(huán)模壽命雖有研究，但大都停留在實驗階段，對生物質(zhì)顆粒機環(huán)模壽命的分析也沒有定量化。本文將通過分析環(huán)模的失效形式、失效機理和影響環(huán)模壽命的結(jié)構(gòu)因素，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的環(huán)模進行數(shù)值計算，獲得環(huán)模的疲勞壽命。

1、環(huán)模失效特性研究

1.1失效形式

        生物質(zhì)顆粒機環(huán)模為多孔環(huán)形零件，工作條件惡劣，使用過程中長期承受壓輥的循環(huán)擠壓和物料的摩擦，產(chǎn)生周期性的彎曲應(yīng)力和接觸壓應(yīng)力，其主要失效形式為疲勞破壞。這與環(huán)模實際使用中的失效現(xiàn)象吻合。

1.2失效機理

        本文將從環(huán)模的結(jié)構(gòu)特點分析顆粒機機失效現(xiàn)象—接觸疲勞和磨粒磨損的失效機理。

1)接觸疲勞

        環(huán)模工作時低速旋轉(zhuǎn)，同時承受較大的交變接觸壓應(yīng)力，經(jīng)過一段時間環(huán)模就會出現(xiàn)疲勞裂紋，導(dǎo)致環(huán)模疲勞失效。

2)磨損失效

        一是壓輥調(diào)得太緊，與環(huán)模間隙小，互相摩擦；二是角度不恰當(dāng)，導(dǎo)致分配物料不均勻而使環(huán)模部分先磨損，最終環(huán)模出現(xiàn)疲勞裂紋而失效。

        上述分析表明，環(huán)模最終的失效形式都表現(xiàn)為疲勞失效。因此，主要通過對環(huán)模的疲勞壽命分析來研究環(huán)模的使用壽命。

1.3影響環(huán)模疲勞失效的結(jié)構(gòu)參數(shù)

        環(huán)模結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為模孔的孔徑、長徑比、模孔的排列和孔數(shù)等。

2、環(huán)模疲勞壽命的數(shù)值模擬

        對環(huán)模的疲勞壽命研究將采用三維建模和有限元軟件進行模擬分析。

        首先，利用三維建模建立生物質(zhì)顆粒機環(huán)模的參數(shù)化模型；其次，利用有限元軟件對環(huán)模進行疲勞壽命分析；最后，運用相關(guān)的彈塑性力學(xué)理論和疲勞損傷機理，針對不同環(huán)模孔的形狀、不同環(huán)模孔數(shù)和不同環(huán)模孔的排列的疲勞壽命進行分析模擬，使環(huán)模的壽命分析定量化。

2.1環(huán)模疲勞幾何模型的建立

        申述云對生物質(zhì)顆粒機環(huán)模特性的研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)模孔的長徑比為5：1時，環(huán)模所受的應(yīng)力最小。

2.2環(huán)模的結(jié)構(gòu)靜力分析

2.2.1約束、載荷和邊界條件

        根據(jù)環(huán)模實際裝配工作情況，對模擬環(huán)模施加載荷、約束和邊界條件。

        對環(huán)模軸向的兩個側(cè)面施加固定約束，對周向兩個側(cè)面施加周向?qū)ΨQ約束；對X，Y，Z等3個方向的所有移動自由度和所有旋轉(zhuǎn)自由度進行固定定位；對模孔的內(nèi)壁施加垂直于內(nèi)表面的平均壓力，以模擬生物質(zhì)原料對環(huán)模孔的周向壓力；同時，沿著模孔軸向在模孔的內(nèi)表面施加摩擦力，模擬生物質(zhì)原料對環(huán)模孔內(nèi)壁的摩擦力，如圖3、4所示。

2.2.2靜力分析結(jié)果

        模孔的Mises應(yīng)力分析計算結(jié)果和模孔位移場分析計算結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

2.3環(huán)模壽命分析

2.3.1壽命參數(shù)設(shè)置

        在對環(huán)模進行了結(jié)構(gòu)靜力分析的基礎(chǔ)上，即可對環(huán)模進行疲勞壽命分析。劃分網(wǎng)格后的圓孔環(huán)模模型如下圖所示。

        利用COSMOSWorks軟件對環(huán)模進行疲勞壽命分析時，軟件的參數(shù)設(shè)置除滿足結(jié)構(gòu)靜力分析的需要外，還需要依據(jù)對環(huán)模疲勞理論的研究，對疲勞參數(shù)參數(shù)進行設(shè)置。

2.3.2壽命模擬結(jié)果分析

        對環(huán)模使用壽命的衡量，既要考慮到環(huán)模的疲勞壽命，又要兼顧環(huán)模的產(chǎn)量。

        顆粒機環(huán)模孔的數(shù)目對環(huán)模的產(chǎn)量有較大影響，在壽命相同的條件下，模孔數(shù)目越多環(huán)模的產(chǎn)量越高。

        對壽命模擬結(jié)果的分析將以這兩個因素為分析重點。

        從分析的數(shù)據(jù)得出，在孔徑10mm、長徑比5：1、溫度120℃的條件下：

1)模孔排列方式相同的環(huán)模，其疲勞壽命隨著模孔數(shù)目的增多而減小，因為隨著模孔數(shù)目的增多，環(huán)模的機械強度降低。

2)環(huán)模孔數(shù)相當(dāng)時，模孔交替排列的環(huán)模壽命比模孔平行排列的環(huán)模壽命長得多，如交替800個模孔的環(huán)模壽命為2.15×107次，平行864個模孔的環(huán)模壽命為5.46×106次。

        兩者相比，交替孔環(huán)模壽命是平行孔環(huán)模壽命的4倍，而模孔數(shù)之比約為1：1。

        這是因為環(huán)模孔交替排列使得環(huán)模受力更均勻，增強了機械強度。

        120℃時環(huán)模壽命曲線如下圖所示。由圖中可以看出，在壽命相同的條件下，模孔直徑10mm交替排列方式的環(huán)模壽命要比模孔直徑15mm的環(huán)模產(chǎn)量大得多。在模孔排列方式相同的情況下，模孔的數(shù)目較少時，環(huán)模的壽命較高。

3、結(jié)論

1)本文得出了生物質(zhì)顆粒機環(huán)模主要的失效形式為疲勞破壞，分析了環(huán)模的失效機理。

2)建立了環(huán)模的S-N曲線，為分析環(huán)模疲勞壽命提供了重要數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

3)借助有限元軟件將環(huán)模的疲勞壽命量化，得出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下環(huán)模的疲勞壽命數(shù)據(jù)，研究得出模孔孔徑10mm、模孔交替排列、模孔數(shù)720的環(huán)模為理想環(huán)模。