我國(guó)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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生大量的熱，對(duì)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(guò)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(guó)畜牧業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)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(lái)越廣泛。為此，以9YK-0.4D型環(huán)模式壓塊機(jī)為研究對(duì)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(guò)程仿真分析，并且得出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)。對(duì)壓塊過(guò)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(zhǎng)度約為30mm左右）壓縮成型。壓縮方式屬于開(kāi)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(kāi)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(guò)程，將整機(jī)模型做簡(jiǎn)化處理，針對(duì)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(guò)程屬于大位移、大應(yīng)變等非線性問(wèn)題，無(wú)法在ADAMS中準(zhǔn)確描述，因此本文利用ANSYS系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物秸稈壓塊過(guò)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(guò)．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(lái)一定的困難此外考慮壓塊過(guò)程主要針對(duì)秸稈物料群體壓縮規(guī)律，因此對(duì)模型的幾何特征進(jìn)行簡(jiǎn)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(guò)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(duì)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(guò)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)人到ADAMS環(huán)境中，并對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)程，需要對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，將壓模固定考慮壓輥對(duì)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(wèn)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(guò)ADAMS/View中的菜單導(dǎo)人以后，并對(duì)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(duì)柔性體和虛構(gòu)件施約束。
經(jīng)過(guò)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(guò)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(zhǎng)。
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(kāi)始對(duì)秸稈物料進(jìn)行擠壓的時(shí)候，其主要作用力是對(duì)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(kāi)始進(jìn)行受迫轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而開(kāi)始對(duì)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(guò)ADAMS虛擬仿真技術(shù)來(lái)描述環(huán)模式壓塊機(jī)對(duì)秸稈物料的壓縮過(guò)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(duì)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(duì)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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