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何勛1，2，張志鵬2，王德福1，潘明存3，辛燕2，代戰勝2
(1.河南農業大學機電工程學院，鄭州450002；2.商丘職業技術學院，河南商丘476100；3.河南交通職業技術學院，鄭州450002)
摘要：基于廣大農村地區和城鎮的生活需要，設計了蜂窩狀生物質燃料活塞式成型機。利用ANSYSWork-bench14.0軟件對成型機的模具結構進行建模，并利用響應曲面法對模具結構進行優化設計，確定模具的主要結構尺寸。優化設計結果表明，模具主要結構的設計參數合理，能夠滿足實際生產的需要，為卸料液壓缸及成型機液壓系統的設計打下了基礎。
0引言
我國有豐富的生物質資源，年產農作物秸稈7億t以上，林業廢棄物也達到1億t[1-3]。目前，我國生物質資源利用率較低，秸稈焚燒和閑置現象還比較嚴重，不僅造成環境污染和資源浪費，且對生態農業的發展帶來不利影響。生物質成型燃料技術應用與推廣使生物質資源利用具有了更加廣闊的發展前景，生物質成型燃料具備密度大、便于運輸和貯藏、易點火、熱值高及不污染環境等優點，廣泛應用于工業鍋爐、生物質發電、農村取暖和炊事等[4-6]。利用不同生物質原料生產加工成型燃料時，成型工藝及成型設備的性能對成型質量有很大的影響，且要考慮比能耗、生產率、成型設備關鍵部件的使用壽命、成型率、成型燃料的松弛密度和耐久性等因素能否滿足實際生產的要求[7-10]。
活塞沖壓式成型機對生物質原料粉碎粒度要求較低，允許原料含水率達20%，對小麥秸稈、稻草等物料有較好的成型效果，且活塞桿不易磨損，正常使用壽命在200h以上，單位產品能耗和生產成本較低[11-15]。蜂窩狀生物質成型燃料成型密度高，具有燃燒充分、與采暖爐配套使用且具備封火性能的特點，易于推廣，能夠滿足廣大農村地區和城鎮日常生活的需要[16-17]。
1蜂窩狀生物質燃料活塞式成型機設計
1.1主要參數
蜂窩狀生物質燃料的形狀如圖1所示。其外形為圓柱形，外部直徑為120mm，高度為90mm；為提高燃燒性能，保障燃料最佳的成型密度和機械耐久性，成型后生物質燃料的孔隙率在20%～30%之間[18]。
因此，蜂窩狀成型燃料中間需均布4～5個相同直徑的圓柱孔。蜂窩狀生物質燃料活塞式成型機的工藝流程為：原料預處理→粉碎→送料→沖壓成型→卸料→冷卻。
如圖2所示，蜂窩狀活塞沖壓式成型機的主要結構由送料裝置、壓縮裝置、成型裝置、翻轉裝置和卸料裝置等組成。主要設計參數[19]如下：
適用原料：農作物秸稈
原料粒度/mm：≤12
原料含水率：10%～30%
成型壓力/MPa：≤10
最大壓縮比：10：1
生產率/kg·h-1：200～500
1.2工作原理
成型加工開始時，喂料口打開，將原料通過螺旋輸送裝置根據設定的壓縮比按一定的喂入量一次性送入壓縮筒內；同時，卸料液壓缸缸筒處于初始位置，供油管關閉，回油管始終與油箱相通。喂料工作停止后，沖壓活塞以一定的速度擠壓原料，擠壓變形的原料推動卸料液壓缸缸筒退回，原料在成型筒內成型。
保型一定時間后，沖壓活塞后退，同時卸料裝置的翻轉液壓缸工作，將成型筒與壓縮筒分離并翻轉一定角度；活塞固定式的單作用卸料液壓缸，將成型后的蜂窩狀生物質燃料擠出成型筒，燃料落入集料筒冷卻；隨后，翻轉液壓缸將成型筒與壓縮筒重新閉合，沖壓活塞回到初始位置；同時，喂料口打開，螺旋輸送裝置繼續按照一定的喂入量送料，成型機開始下一個工作循環。
2成型模具的優化設計
成型模具的結構如圖3所示。圖3中，錐角α=84°。成型筒的結構優化是在對成型筒結構靜力學分析結果的基礎上，以幾何體、載荷和材料屬性為輸入參數，以質量、等效應力和等效應變為輸出參數，以減輕設備的質量為目的，進一步確定卸料裝置中卸料缸的外徑尺寸而進行的。本文利用ANSYSWorkbench14.0軟件的DesignExplorer快速優化工具中ＲesponseSurface(響應曲面)優化方法對成型筒的結構進行優化設計，確定成型筒與卸料缸筒配合孔直徑D1與成型模具厚度H的大小。
2.1建立模型
利用ANSYSWorkbench14.0軟件主界面中Geometry模塊，建立分析模型，如圖4所示。
2.2參數化設置
在DesignExplorer中，主要設置輸入參數、輸出參數和導出參數[20]。將成型筒底部裝配卸料缸的圓孔直徑D1、成型柱直徑D2和成型筒厚度H進行參數化設置，定義成型筒材料屬性為灰鑄鐵，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.28，材料屈服極限為σs=300MPa，抗拉強度為σb=500MPa。對成型筒進行網格劃分，共計153003個單元、230532個節點，如圖5所示。
2.3施加邊界條件并求解
設置成型筒底部端面為固定約束，施加壓力載荷10MPa作用在成型筒內表面和4個成型柱外表面上；設置質量、應力、應變等輸出參數進行求解，在參數設置列表中，將總變形(TotalDeformation)、等效應力(E-quivalentStress)的求解結果(Ｒesults)的Maximum項設為優化參數進行計算，可以得出任意兩個設計點與整體變形的響應曲面，如圖6所示。將優化后的設計點置為當前模式，得出等效應力分析圖和總應變分析圖，如圖7、圖8所示。
3結論
1)從總變形分析云圖和應力應變分析云圖中可以看出，成型筒最大變形出現成型筒的內錐面上，大小為1.4616×10-2mm；最大應力為45.486MPa，小于許用應力[σs]=300MPa，符合設計標準。
2)通過響應曲面法分析，得出成型模具主要設計參數的最優方案，即成型筒與卸料缸筒配合孔直徑D1為22.86mm，成型模具厚度H為39.42mm，模具成型柱直徑D2為15mm。通過對成型模具進行優化設計，為下一步卸料液壓缸及成型機液壓系統設計打下了基礎。
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