一种秸秆粉碎颗粒成型机的设计与有限元分析*

牟海晶 ，戚 麟 ，何慧聪 ，杨春龙 ，袁 豪 ，郭明强 ，崔有正

（齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

秸秆本身存在着纤维素难降解、密度小、不易存储及运输等问题，秸秆处理常采用的方式是直接堆放或是露天焚烧，该方法会污染环境、造成资源浪费。如何有效地利用秸秆资源成为当前研究的热点之一，秸秆粉碎颗粒成型机为解决秸秆资源的浪费和环境问题提供了一种选择，为生物质能的发展提供了一种新的途径和思路。秸秆粉碎颗粒成型机是一种用于将秸秆等农业废弃物进行粉碎和成型的设备[1-2]。国外一些发达国家在这一领域取得了一些成果[3-5]。目前国内的秸秆粉碎颗粒成型机主要分为机械式和生物质转化式两种类型，并且均取得了较好成果[6-9]。本研究设计了一款秸秆粉碎颗粒成型一体机，机具包括秸秆粉碎装置、颗粒成型装置和传动装置的设计。

1 秸秆粉碎颗粒成型机的设计

1.1 结构设计

秸秆粉碎颗粒成型机的结构设计采用一体化设计方案，将粉碎和成型的结构组合在一起，实现一体化操作。图1 和图2 分别为秸秆粉碎装置结构示意图、颗粒成型装置结构剖面图。

图1 秸秆粉碎装置结构示意图

图2 颗粒成型装置结构剖面图

1.2 工作流程设计

秸秆粉碎颗粒成型机工作原理：通过粉碎和成型两个主要步骤对秸秆材料进行处理。将秸秆从进料口放入粉碎装置后，电机带动高速旋转的多刀片切刀组将秸秆材料在短时间内彻底粉碎处理。粉碎后的秸秆材料通过输送管道被输送到颗粒成型装置内。成型装置主要由环模、压辊等机构组成。环模固定，压辊由电机驱动经减速器减速后增大扭矩，压辊沿环模表面滚动，将被粉碎的秸秆材料压缩，通过环模的成型孔挤出为条状，形成生物质颗粒。秸秆粉碎颗粒成型机的总体工作流程如图3所示。

图3 秸秆粉碎颗粒成型机总体工作流程

2 有限元模型的建立

对机具关键零部件展开强度、刚度分析是一项重要工作，为满足此项工作要求，选取秸秆粉碎颗粒成型机中的三个主要零件（即大齿轮、输出轴、环模）展开分析。运用SolidWorks 三维建模软件分别建立上述三个零件的数字化模型。为提高仿真时的效率，对三个零件外部的非必要特征进行简化[10-11]，进而将其导入ANSYS Workbench 软件，并对相关零件进行材料设置，大齿轮和输出轴均采用45 钢（调质），环模采用40Cr，具体材料属性参数设置如表1 所示。同时完成相关零件载荷及约束条件的施加。

表1 各零件的材料属性

进行网格划分时大齿轮和环模的模型采用四面体网格划分方法，输出轴采用六面体主导网格划分方法。为了提高有限元结果的准确性，经过调整，将网格大小定义为4 mm，经过划分得到三种零件的有限元模型，如图4所示。

图4 三种零件的有限元模型

3 秸秆粉碎颗粒成型机关键部件有限元分析

3.1 大齿轮的静力学分析

1）大齿轮总变形分析结果。由图5 总变形分布云图可知，当齿轮啮合时，齿顶部总变形量最大，其仿真数值为0.004 818 4 mm，变形数值较小，对齿轮啮合时的影响不大。

图5 大齿轮总变形分布云图

2）大齿轮等效应力分析结果。由图6 等效应力分布云图可知，当齿轮啮合时，齿根部的等效应力最大，其数值为24.797 MPa，低于45 钢（调质）的许用应力146 MPa，满足设计要求。

图6 大齿轮等效应力分布云图

3.2 输出轴的静力学分析

1）输出轴总变形分析结果。由图7 总变形分布云图可知，当输出轴工作受力时，键槽底部总变形量最大，其仿真数值为0.014 593 mm，变形数值较小，对齿轮啮合时没有太大的影响。

图7 输出轴总变形分布云图

2）输出轴等效应力分析结果。由图8 等效应力分布云图可知，在工作状态下，键槽根的等效应力是最大的，为41.588 MPa，比45 钢（调质）的许用应力低，在工作状态下，它对系统的影响很小，可以安全、稳定地工作，达到了设计要求。

图8 输出轴等效应力分布云图

3.3 环模的静力学分析

1）环模总变形分析结果。由图9 总变形分布云图可知，当环模工作受力时，孔周围的总变形量最大，其仿真数值为0.017 563 mm，变形数值较小，对齿轮啮合时的影响不大。

图9 环模总变形分布云图

2）环模等效应力分析结果。由图10 等效应力分布云图可知，在压力辊子被挤压时，齿根部的等效应力是最大的，为60.667 MPa，低于40Cr 的许用应力211.1 MPa，在工作中，对系统的影响很小，它可以安全、稳定地工作，达到了设计要求。

图10 环模等效应力分布云图

通过有限元分析可知，以上部件的各危险区域的变形均满足设计要求，从而保证了部件在设备对应的位置上能够正常工作，不会发生强度失效。

4 结论

1）将粉碎和成型这两个过程在一个设备上实现，可以达到节能、减排和提高工作效率的目的。

2）秸秆粉碎颗粒成型机大齿轮、输出轴、环模三个部件的应力应变均满足设计要求，不会发生强度失效，表明了设计的合理性。

3）秸秆粉碎和颗粒成型技术，可以有效解决秸秆资源的浪费和环境问题，为生物质能的发展提供一种新的途径和思路。