我國農(nóng)作物秸稈資源十分豐富，年產(chǎn)量將近7億t，其中約有1.8億t作為工業(yè)原料加T利用，約2.7億t作為燃料進(jìn)行焚燒，剩余的秸稈直接還田。農(nóng)作物秸稈作為一種重要的粗飼料，經(jīng)過揉碎處理壓縮成型后，不但減少了占地面積便于貯存，而且在壓縮過程中產(chǎn)生大量的熱，對秸稈起到熟化處理的作用，改善了適口性，提高了牲畜的采食率；此外，壓縮成型后還可以制成生物質(zhì)顆粒燃料。農(nóng)作物秸稈經(jīng)過加工后，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境并且使其利用價(jià)值得以充分體現(xiàn)。目前，隨著我國畜牧業(yè)的飛速發(fā)展，對農(nóng)作物秸稈壓縮理論等方面的研究也在不斷地深入，粗飼料秸稈壓塊成型技術(shù)應(yīng)用前景越來越廣泛。為此，以9YK-0.4D型環(huán)模式壓塊機(jī)為研究對象，利用Solidworks三維建模軟件建立樣機(jī)實(shí)體模型，將實(shí)體模型導(dǎo)人到AD-AMS中，利用ANSYS有限元分析軟件建立秸稈物料柔性體模型，然后將秸稈柔性體模型導(dǎo)人到ADAMS中并與虛構(gòu)件連接，進(jìn)行秸稈壓縮過程仿真分析，并且得出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)。對壓塊過程進(jìn)行理論分析，可為壓塊機(jī)壓塊裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)，富通新能源專業(yè)生產(chǎn)銷售秸稈壓塊機(jī)、秸稈顆粒機(jī)等農(nóng)作物秸稈成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還有大量的生物質(zhì)顆粒燃料出售，秸稈壓塊機(jī)壓制的塊狀顆粒燃料如下所示：
1、環(huán)模式壓塊機(jī)模型的建立1.1環(huán)模式壓塊機(jī)工作原理
環(huán)模式壓塊機(jī)主要是將揉碎后的農(nóng)作物秸稈（長度約為30mm左右）壓縮成型。壓縮方式屬于開式壓縮。工作原理是利用環(huán)模、壓輥和農(nóng)作物秸稈之間的摩擦和擠壓作用使秸稈壓縮成型。首先是將揉碎后的農(nóng)作物秸稈送人到喂人斗中，由喂人斗內(nèi)的螺旋攪龍將其農(nóng)作物秸稈輸送到壓縮室內(nèi)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)環(huán)模進(jìn)行旋轉(zhuǎn)：由于環(huán)模與農(nóng)作物秸稈之間的相互摩擦作用，環(huán)模帶動(dòng)秸稈轉(zhuǎn)動(dòng)，由壓輥的摩擦和擠壓作用將農(nóng)作物秸稈擠壓到模孔內(nèi)。隨著農(nóng)作物秸稈的不斷喂人以及環(huán)模和壓輥之間的擠壓作用，農(nóng)作物秸稈開始分層成型。周而復(fù)始，農(nóng)作物秸稈壓縮成塊后，被后續(xù)的秸稈擠出模孔外。
1.2建立環(huán)模式壓塊機(jī)模型
本文根據(jù)9YK-0.4D型環(huán)模式壓塊機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用白底向上的建模方式進(jìn)行建模，其結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：機(jī)架、動(dòng)力裝置、喂人裝置和壓塊裝置。壓塊裝置主要是由壓模和壓輥兩部分組成，如下圖所示：
本文研究了壓塊機(jī)的壓塊過程，將整機(jī)模型做簡化處理，針對壓塊裝置進(jìn)行仿真。2、建立農(nóng)作物秸稈柔性體模型
農(nóng)作物秸稈的壓塊過程屬于大位移、大應(yīng)變等非線性問題，無法在ADAMS中準(zhǔn)確描述，因此本文利用ANSYS系統(tǒng)對農(nóng)作物秸稈壓塊過程進(jìn)行柔性體建模。首先在ANSYS軟件中建立農(nóng)作物秸稈的模態(tài)中性文件再與ADAMS通過．mnf格式文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
由于農(nóng)作物秸稈揉碎后形狀不規(guī)則，給模型建立帶來一定的困難此外考慮壓塊過程主要針對秸稈物料群體壓縮規(guī)律，因此對模型的幾何特征進(jìn)行簡化處理。本文中的模孔采用的是方形孔，其截面尺寸規(guī)格為30mmx30mm，假設(shè)建立的秸稈模型為正方體模型。
2.1定義單元類型及材料屬性
將單元屬性選取為Brick 8 node 185，該單元具有塑性、超彈性、應(yīng)力強(qiáng)化、蠕變、大位移和大應(yīng)變能的特性，因此可以描述農(nóng)作物秸稈在壓縮過程中的變化特性。秸稈等農(nóng)業(yè)纖維物料屬于粘彈性體，采用Drucker - Prage材料對農(nóng)作物秸稈的屬性進(jìn)行定義。
2.2生成有限元網(wǎng)格
農(nóng)作物秸稈進(jìn)行揉碎處理后呈細(xì)絲狀，直徑約為4mm，因此將有限元的網(wǎng)格劃分尺寸設(shè)定為0.004，采用自由劃分網(wǎng)格的形式進(jìn)行劃分，如圖3所示。
2.3生成模態(tài)中性文件
網(wǎng)格劃分完畢后利用ANSYS與ADAMS之間的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在柔性體物料上選取主節(jié)點(diǎn)以便在ADAMS中與虛構(gòu)件進(jìn)行連接，如圖4所示。
3、建立壓縮裝置的虛擬樣機(jī)模型
利用Solidworks與ADAMS之間的數(shù)據(jù)接口，將Solidworks三維模型文件轉(zhuǎn)換成.x_t格式的文件。
然后，將建立的，x_t格式文件通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)人到ADAMS環(huán)境中，并對模型定義材料屬性、添加約束和驅(qū)動(dòng)。
3.1導(dǎo)入模型和定義材料屬性
1)導(dǎo)人模型。單擊菜單File_÷Import，將已經(jīng)建立的，x_t格式的parasolid類型文件導(dǎo)人到ADAMS環(huán)境中。
2)定義材料屬性。由于在Solidworks中建立的模型在導(dǎo)人到ADAMS過程中，造成材料屬性信息的丟失，因此在ADAMS中需要根據(jù)實(shí)際樣機(jī)的材料屬性重新對模型定義。
3.2添加約束和驅(qū)動(dòng)
1)添加約束。在Solidworks中建立的零部件之間的約束在導(dǎo)人到ADAMS中也同樣丟失，僅保留了幾何位置信息。因此，在ADAMS中需要重新添加約束條件。
2)添加驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際樣機(jī)中，該壓塊機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式采用的是模轉(zhuǎn)輥不轉(zhuǎn)的形式。為了便于分析粗飼料秸稈壓縮成型過程，需要對環(huán)模式壓塊機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且根據(jù)壓模與壓輥之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，將壓模固定考慮壓輥對秸稈物料的擠壓作用，因此在主軸上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，利用主軸帶動(dòng)壓輥進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和帶輪的傳動(dòng)比確定主軸的轉(zhuǎn)速為220r/min。因此，將驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為-1320d*time。
3.3創(chuàng)建虛構(gòu)件
當(dāng)剛性體零件和柔性體物料之間直接施加約束的時(shí)候，由于很多條件的限制，一些約束不能直接施加在柔性體上，為了解決這一問題，需要?jiǎng)?chuàng)建虛構(gòu)件將柔性體與零件之間進(jìn)行連接。
3.4 柔性體模型導(dǎo)入與連接
將柔性體模型文件通過ADAMS/View中的菜單導(dǎo)人以后，并對其位置進(jìn)行調(diào)整以及相關(guān)各個(gè)參數(shù)的設(shè)定，然后與ADAMS中的虛構(gòu)件進(jìn)行連接，并且對柔性體和虛構(gòu)件施約束。
經(jīng)過上述操作步驟，完成環(huán)模式壓塊機(jī)和柔性體秸稈物料在ADAMS環(huán)境中的設(shè)置。
4、仿真計(jì)算與結(jié)果分析
將上述準(zhǔn)備工作完成后，本文主要研究單壓輥對農(nóng)作物秸稈的擠壓作用。根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速，確出仿真時(shí)間，因此設(shè)置仿真時(shí)間為0. 06，仿真步數(shù)為100，進(jìn)行仿真計(jì)算：分別測得粗飼料秸稈模型上8個(gè)主節(jié)點(diǎn)的xy，Z三個(gè)方向的分力與合力，以及秸稈的位移、速度和加速度。運(yùn)行結(jié)果如圖6-圖9所示。
由圖6可以看出壓輥對秸稈物料作用力隨著時(shí)間不斷增大，當(dāng)秸稈被擠壓到模孔內(nèi)壓輥對秸稈的擠壓力逐漸減小。
由圖7可以看出，柔性體秸稈在X軸方向（即主軸的軸向方向）上位移幾乎不變，在y，Z軸兩個(gè)方向（y軸為壓模的徑向；Z軸為壓模的切向）上的位移非常明顯。
根據(jù)圖10中的力與位移關(guān)系曲線可知，秸稈物料受到壓輥的擠壓力隨著位移的增大呈指數(shù)分布，直至壓輥的擠壓過程結(jié)束后擠壓力減小。此時(shí)，因?yàn)榻斩捰袕椥曰謴?fù)，壓輥受到秸稈的反作用力，因此出現(xiàn)線性增長。
由此可知，當(dāng)秸稈物料被輸送到壓縮室以后，秸稈在壓模孔人口處產(chǎn)生堆積：，當(dāng)壓輥開始對秸稈物料進(jìn)行擠壓的時(shí)候，其主要作用力是對秸稈的向前推動(dòng)：隨著向前的推動(dòng)，壓輥與秸稈之間以及秸稈與壓模之間的摩擦力的不斷增大，致使壓輥開始進(jìn)行受迫轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而開始對秸稈產(chǎn)生擠壓作用。
5、結(jié)論
1)利用ANSYS有限元分析軟件建立柔性體物料，通過ADAMS虛擬仿真技術(shù)來描述環(huán)模式壓塊機(jī)對秸稈物料的壓縮過程。采用ANSYS與ADAMS聯(lián)合仿真的方法，提高了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性、真實(shí)性與可靠性。
2)分析環(huán)模式壓塊機(jī)的壓縮成型慢的原因在于壓輥對秸稈物料的推動(dòng)作用大，短時(shí)間內(nèi)秸稈與壓模很難形成較大的摩擦力，因此不易將秸稈物料壓至模孔內(nèi)。
3)根據(jù)仿真結(jié)果分析，對壓模的模口形狀、壓輥的齒槽的形狀可以進(jìn)一步地研究和改進(jìn)，從而縮短秸稈物料的成型時(shí)間。
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