关键词：生物质颗粒机；压辊；平模；有限元
农林生物质能有很高的开发潜力，是未来能源利用的重要途径。生物质颗粒成型机是生物质物料固化成型的一个主要技术。目前研究的生物质固化成型设备主要有螺杆挤压式成型机、机械驱动活塞式成型机、液压驱动活塞式成型机和辊压式颗粒成型机等4种形式，以辊压式颗粒成型机应用最为广泛。
文献[1]对环模生物质颗粒燃料成型机的颗粒成型进行了试验研究；文献[2]用热重分析仪对玉米秸秆、木屑、混合木屑3种生物质成型颗粒燃料进行了理论分析；文献[针对模辊式成型机在生产生物质颗粒燃料过程中存在能耗高等问题，以玉米秸秆为原料，研究了成型机模辊间隙、主轴转速和模孔直径等参数对生产率、吨燃料能耗、颗粒燃料的成型率、机械耐久性和颗粒密度等的影响，得出了满意的结果。下面，笔者研究了一款生物质颗粒机的设计，并针对其关键部件进行了有限元分析和实物验证。
1、总体结构生物质颗粒机主要由物料喂入、传动系统、电力控制系统和平模机构等部件组成。
2、主要部件设计
1)平模的设计分析平模作为颗粒机成型作业的心脏，在设计中一定要考虑到：①平模应具有较强的强度和耐磨性以及耐腐蚀性；②充分考虑平模材质和结构参数对物料成型的影响，其中包括平模孔孔型、模孔间距、平模圆周速度、模孔粗糙度等，以实现优化设计。
由文献[4]获知，通常情况下生产小尺寸生物质颗粒，平模表面边沿的线速度为2～5m／s。生产较大尺寸时，应将平模表面的速度限制在4～8m/s。由于本设计为生产小尺寸生物质颗粒，故平模表面边沿的最佳线速度选用2～5m/s。
由V=2πnR/60得D=60V/πn。式中，V为平模表面边沿的线速度，m/s；n为转速，r/min;R为平模半径，mm;D为平模直径，mm。
取D =500mm，通过大量试验，认为当平模厚度为25mm时较理想，故取平模有效厚度L=25mm。
2)压辊的设计对于生物质颗粒机来说颗粒机压辊的尺寸是其诸多基本参数中最为重要的，而选择最佳的压辊径比A(A=r/R，r为压辊的半径，R为平模半径)是设计颗粒机压辊的关键问题，也是设计和改进颗粒机的重要理论依据，从颗粒机工作时有关参数之间的几何关系加以研究，可得这些参数之间的关系如图2所示。图2中．ho表示压辊所能攫取的物料层厚度；攫取角a。表示压辊的一条半径OA的切线AB和平模上表面相交所成的角∠ABC;h为模辊间隙。
由此可取压辊所能攫取物料层的不同厚度。和压辊的一条半径的切线和平模上表面相交所成的攫取角a。得出A的不同取值。物料与钢材的摩擦角一般在20～25。之间，而攫取角口。为物料与压辊的摩擦角和物料与平模的摩擦角之和。取a0=40°，h0=20mm时，为的理论最佳值，即r=0.842。
3、平模总成有限元分析
1)建立有限元模型 使用Catia软件绘制的平模总成结构如图3所示。该结构主要由压辊、平模、动力轴和轴承等相关部件组成。动力传动轴选用45钢，材料的屈服强度为600MPa，弹性模量为209GPa，泊松比为0.269。压辊材料选用耐磨性、强度好的42CrMoTi，弹性模量为205.8GPa，泊松比为0. 293。
2)网格划分在Ansys/Workbench的DM模块中对平模机构进行前处理，全部采用六面体网格进行划分，共划分节点1914440，单元572547。六面体网格在对于计算的准确性上可以有很大提高。
3)加栽和约束根据平模运动状态在中心轴处添加约束，仅保留绕轴线转动的自由度，添加转速为104r/min。
4)静力学分析 完成压辊材料、约束、载荷等设置和有限元网格划分后，即进行有限元分析，得到压辊三维应力及等效应力。同时为了判断材料是否发生永久变形，对可延展材料按照最大等效应力失效原理计算安全系数。图5为压辊静力学分析结果，由图5可知，压辊机构在极限工况下受力为179.24MPa，变形量为0.037mm,静力学结果显示设计符合材料和机构的要求。同时通过对结果分析可以得知，压辊总成应力较大，是整个产品容易坏的部件。
5)疲劳分析 疲劳失效是压辊产生破坏的主要原因。当压辊在接受循环接触应力作用时，永久性累计损伤会在局部产生，经一定循环次数后，接触表面发生麻点、浅层或深层剥落。
从图6有限元分析的结果可以发现，安全系数较低的地方发生在压辊2侧，为2.4。图7显示的是600h的轴承安全寿命，看出最低的安全系数只有0.8，说明在缺少润滑和冷却条件下，轴承的寿命严重降低，在实际使用过程中，轴承运行600h就需要更换，后续的工作将针对这个问题作进一步改进。
4、试验验证
对研制成功的样机，进行了生物质颗粒生产试验。试验对象为竹粉，经测试竹粉颗粒含水率为8.3%，颗粒成型率为96%，成品颗粒坚实度为91.7%，并且颗粒机的吨耗电量为59.8kW·h/t，成产率高达524kg/h。
5、结语
通过对压辊的理论计算分析，从理论上说明了设计的正确性。通过对压辊进行有限元分析，得出了压辊在极限工况下应力、应变和平均疲劳系数，验证了压辊机构的合理性。通过样机的生产试验表明，采用这种结构的生物质颗粒机的能耗低、产量大、产品生物质颗粒品质高。
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