基于COSMOS的生物质颗粒机环模寿命分析【钜大锂电】

王慧，陆萍，吴云玉，杜红光

(高效洁净机械制造教育部重点实验室(山东大学)，济南250061)

摘要：为将环模寿命定量化，分析了环模的失效形式、失效机理和影响环模寿命的结构因素；根据材料的疲劳寿命实验数据，利用Weibull公式建立了环模疲劳失效的S-N曲线，对环模的疲劳寿命进行研究；最终借助COS-MOS有限元软件将环模的疲劳寿命量化，采用雨流计数法对不同结构参数下的环模进行数值计算，得出不同结构参数下环模的疲劳寿命数据，并确定模孔孔径为10mm、模孔交替排列且模孔数为720的环模为理想环模。

0引言

目前，对生物质固体颗粒成型机环模的寿命虽有研究，但大都停留在实验阶段，对生物质环模寿命的分析也没有定量化。本文将通过分析环模的失效形式、失效机理和影响环模寿命的结构因素，建立环模疲劳失效的S—N曲线，对环模的疲劳寿命进行研究。最后借助COSMOSWorks有限元软件，采用雨流计数法对不同结构参数下的环模进行数值计算，获得环模的疲劳寿命。

1环模失效特性研究

1.1失效形式

成型机环模为多孔环形零件，工作条件恶劣，使用过程中长期承受压辊的循环挤压和物料的摩擦，产生周期性的弯曲应力和接触压应力，其主要失效形式为疲劳破坏。这与环模实际使用中的失效现象吻合。

1.2失效机理

本文将从环模的结构特点分析成型机失效现象—塑性变形、接触疲劳和磨粒磨损的失效机理。

1)环模孔的塑性变形[1]。多孔的环模自身机械强度较低，加之压辊调整时过大的张紧力，导致环模出现局部微裂纹，最终出现疲劳失效现象。

2)接触疲劳。环模工作时低速旋转，同时承受较大的交变接触压应力，经过一段时间环模就会出现疲劳裂纹，终导致环模疲劳失效。

3)磨损失效。一是压辊调得太紧，与环模间隙小，互相摩擦；二是绞龙角度不恰当，导致分配物料不均匀而使环模部分先磨损，最终环模出现疲劳裂纹而失效。

上述分析表明，环模最终的失效形式都表现为疲劳失效。因此，本研究主要通过对环模的疲劳寿命分析来研究环模的使用寿命。

1.3影响环模疲劳失效的结构参数

环模结构主要参数为模孔的孔径、长径比、模孔的排列和孔数等。

2环模失效数学模型

本文根据王威强和陈举华等对42CrMo钢的疲劳特性的研究，再结合上述金属材料的疲劳特性特点，最终建立42CrMo材料的S-N曲线[4-6]，如图2所示。从图2可以看出，从实验获得的疲劳寿命曲线图2(a)与通用金属材料的理论疲劳寿命曲线图2(b)的形状基本吻合，属于正确的疲劳曲线，符合研究需要。该曲线是本研究分析环模疲劳寿命的重要数据和理论依据。

3环模疲劳寿命的数值模拟

本课题对环模的疲劳寿命研究将采用SolidWorks三维建模和COSMOSWorks有限元软件进行模拟分析。首先，利用SolidWorks建立生物质环模的参数化模型；其次，利用COSMOSWorks有限元软件对环模进行疲劳寿命分析；最后，运用相关的弹塑性力学理论和疲劳损伤机理，针对不同环模孔的形状、不同环模孔的排列以及不同环模孔数的疲劳寿命进行分析模拟，使环模的寿命分析定量化。

3.1环模疲劳几何模型的建立

申述云[2]对生物质颗粒成型环模特性的研究发现，环模孔的长径比为5：1时，环模所受的应力最小，故笔者只对模孔长径比为5：1的环模在模孔形状、模孔直径(d)、排列方式等条件下的疲劳寿命进行研究。

该研究环模材料取用42CrMo，基材料的参数如下[7]：

3.2环模的结构静力分析

3.2.1约束、载荷和边界条件

根据环模实际装配工作情况，对模拟环模施加载荷、约束和边界条件。对环模轴向的两个侧面施加固定约束，对周向两个侧面施加周向对称约束；对X，Y，Z等3个方向的所有移动自由度和所有旋转自由度进行固定定位；对模孔的内壁施加垂直于内表面的平均压力，以模拟生物质原料对环模孔的周向压力；同时，沿着模孔轴向在模孔的内表面施加摩擦力，模拟生物质原料对环模孔内壁的摩擦力[3]，如图4所示。

3.2.2静力分析结果

模孔的Mises应力分析计算结果和模孔位移场分析计算结果分别如图5和图6所示。

3.3环模寿命分析

3.3.1寿命参数设置

在对环模进行了结构静力分析的基础上，即可对环模进行疲劳寿命分析。划分网格后的圆孔环模模型如图7所示。

利用COSMOSWorks软件对环模进行疲劳寿命分析时，软件的参数设置除满足结构静力分析的需要外，还需要依据上述对环模疲劳理论的研究，对疲劳参数参数进行设置。首先，将环模的S-N曲线载入，同时设定因环模结构对S—N曲线造成的强度缩减因子；设置疲劳累积损伤理论为Palmgren-Miner线性累积损伤理论(简称Miner理论)，对软件计算器的计算方法设置为雨流循环计数法。

3.3.2寿命模拟结果分析

对环模使用寿命的衡量，既要考虑到环模的疲劳寿命，又要兼顾环模的产量。环模孔的数目对环模的产量有较大影响，在寿命相同的条件下，模孔数目越多环模的产量越高。对寿命模拟结果的分析将以这两个因素为分析重点。在120℃温度时，环模寿命数据如表1所示。

从表1分析的数据可以看出，在孔径10mm、长径比5：1、温度120℃的条件下：

1)模孔排列方式相同的环模，其疲劳寿命随着模孔数目的增多而减小，因为随着模孔数目的增多，环模的机械强度降低。

2)环模孔数相当时，模孔交替排列的环模寿命比模孔平行排列的环模寿命长得多，如交替800个模孔的环模寿命为2.15×107次，平行864个模孔的环模寿命为5.46×106次。两者相比，交替孔环模寿命是平行孔环模寿命的4倍，而模孔数之比约为1：1。这是因为环模孔交替排列使得环模受力更均匀，增强了机械强度。

120℃时环模寿命曲线如图8所示。由图8可以看出，在寿命相同的条件下，模孔直径10mm交替排列方式的环模寿命要比模孔直径15mm的环模产量大得多。在模孔排列方式相同的情况下，模孔的数目较少时，环模的寿命较高。

工程中，一般认为机械零件的疲劳寿命达到N=106～107次时，零部件的疲劳寿命视为无限长。考虑到环模颗粒机的产量问题，根据上面对环模寿命分析的数据和相关曲线综合衡量，将模孔交替排列且孔径为10mm、模孔总数为720的环模选定为基准品。

4结论

1)本文得出了生物质颗粒机环模主要的失效形式为疲劳破坏，分析了环模的失效机理。

2)建立了环模的S-N曲线，为分析环模疲劳寿命提供了重要数据和理论依据。

3)借助COSMOS有限元软件将环模的疲劳寿命量化，得出了不同结构参数下环模的疲劳寿命数据，研究得出模孔孔径10mm、模孔交替排列、模孔数720的环模为理想环模。

参考文献：

[1]Yao W X，Xia K Q，Gu Y.On the fatiguenotch factor Kf[J].International Journalof Fatigue，1995，17(4)：245-251.

[2]申树云.生物质颗粒成型环模特性研究[D].济南：山东大学，2008.

[3]汤爱君，马海龙，董玉平.生物质挤压过程中的静水压应力[J].可再生能源，2006(2)：28 - 31.

[4]王威强，徐楠，贺庆强.42CrMo硬齿面齿轮虚拟全寿命的试验与分析[J].农业机械学报，2006，37(3)：126-129；133.

[5]陈举华，徐楠，安艳秋.42CrMo材料硬齿面齿轮全寿命试验及数据分析[J].机械传动，2005(5)：63-65.