环模制粒机中环模结构型孔的有限元分析_张炜
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由于环模型孔是轴对称结构， 建立模型时只建立
但决定草粉出模的顺畅程度， 而且对模孔及环模内环 环模型孔的 1/4。 环模型孔的主要结构参数： 环模型
表 面 磨 损 影 响 很 大 。 目 前 ， 国 内 外 学 者 从 环 模 的 选 孔 内 径 8mm， 环 模 型 孔 壁 厚 为 2.3mm， 分 别 建 立 了
Finite Element Analysis on Structure Mould Hole of Circular Mould Pelleting Machine
ZHANG Wei, WU Jing-feng (Gansu Agricultural University, Lanzhou, 730070, China)
d1=
2h1 tgθ
+d
(4)
由式(4)代入式(3)得：
圯 圯 N2=
F
(μsinθ+cosθ)h1
μ+
2h1 +2d tanθ
(5)
Байду номын сангаас
2dhsinθ
其中挤出力 F 可根据其与制粒密度 ρ 的关系求出：
- 2.072
F=33.1e ρ 在规定制粒密度 ρ=1.217g/cm3 时， 可得： F=6.032kN 其余结构参数根据 MUZL420 环模布孔参数可知： d=8mm， h=54mm， h1=7mm。 由 式(5)、 式(2)可 知 ， 当 θ 改 变 时 ， N2 将 发 生 改 变， 从而由 f=μN 可知， f1、 f2 也将发生变化 。 改变 θ 值实际上是改变了开孔率， 因此以上分析实际上可以 反映开孔率对环模受力的影响。 根据公式得到的不同 θ 值下的 N1、 N2 及 f1、 f2 的 值， 即为对 3 种模型施加的有限元载荷， 见表 1。
0 引言
优质、 高产、 低耗生产苜蓿草产品， 加速草机具 特别是加工机械的研究是苜蓿产业化顺利发展的必然 要求 。 环模(见图 1)是颗粒机的 主要零件， 是 一种多 孔环形易损件。
命和生产率起着决定性影响。
1 环模型孔的结构模型和有限元网格划分
在用 ANSYS 作有限 元分析过程 中， 几何建模 是 必不 可 少 的 一 个 过 程 ， 就 建 模 功 能 来 说 ， ANSYS 不 如 Pro/E、 UG 强大， 但 ANSYS 有强 大的接口能 力和 结构计算能力， 环模型孔采取 Pro/E 建立实体三维模 型 ， 通 过 中 间 软 件 IGES 作 为 中 间 数 据 转 换 的 平 台 ， 利用 ANSYS 的接口技术 ， 实现模型 的调入 。 [3~4] 环模 及型孔的 Pro/E 三维实体模型见图 1 和图 2。
图 1 环模三维实体建模图
环模中模孔密布， 臂薄， 规格不同， 模孔尺寸各
异。 环模质量的好坏和质量是否稳定， 直接影响环模
的使用寿命和颗粒机的产量、 饲料的质量， 从而影响 饲料加工的生产成本[1]。 环 模失效的主 要形式是模 孔 及环模内环表面磨 损报废[2]， 而模 孔的形状、 大 小不
30°倒角环模型孔 45°倒角环模型孔 60°倒角环模型孔 图 2 环模型孔示意图
DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2009.02.009
2009 年第 2 期 总第 222 期
中国农机化
Chinese Agricultural Mechanization
No.2, 2009 Total No.222
环模制粒机中环模结构型孔的有限元分析 *
张炜， 吴劲锋
Abstract: The wear between Alfalfa Grass and circular mould system is the main reason of the expiration of circular mould. The paper had finished model and finite element static analysis of three kinds circular mould hole by using Pore and ANSYS, obtained stress and distortion distribution three kinds circular mould hole in axial path, found the effect relationship between circular mould hole chamfer and circular mould hole in axial path. Circular mould hole chamfer 60°provided the basis for circular mould structure optimization. Keywords: finite element; stress; circular mould; mould hole; pelleting machine
2) 由 3 种环模型 孔沿轴向 方 向 的 位 移 分 布 图 可 以看出： 30°倒角环模型孔的位移和 45°倒角环模型孔 位移较 60°倒角环模型孔均较大。
3) 60°倒角环模孔结构好， 与实际吻合。
参考文献
[1] 杨向军. 卧式环模制粒机环模失效原因浅析[J]. 饲料工业, 2003,
24(9): 9~10. [2] 吴 劲 锋, 黄 建 龙, 张 维 果. 苜 蓿 草 粉 对 金 属 材 料 磨 损 性 能 的
图 4 环模型孔倒角受力分析图 由受力分析可知， 从模孔内压出成型物料必须满 足如下关系式：
F≥f1sinθ+N1cosθ+f2=μ1N1sinθ+N1cosθ+μ2N2 式中： F— ——挤出力；
f1— — — 倒 角 锥 面 的 摩 擦 力 ； N1— — — 倒 角 锥 面 的 正 压 力 ； f2— ——模孔内表面的摩擦力； N2— — — 模 孔 内 表 面 正 压 力 ； μ1— ——倒角锥面的摩擦系数； μ2— ——模孔的摩擦系数。
表 1 对 3 种环模型孔施加的载荷表
环模型孔类型
f1(N)
f2(N)
N1(N)
N2(N)
30°倒角环模型孔 881
1350 4894
7502
45°倒角环模型孔 800
2326
4442
12922
60°倒角环模型孔 790
3312
4146
18400
第2期
张炜 等：环模制粒机中环模结构型孔的有限元分析
85
4 求解
运行 Solution－Solve－Current LS， 进行静结构有限 元计算。 3 种环模型孔最大应力和最大变形见表 2。 3 种环模型孔沿轴向方向的应力分布和变形分布分别见 图 5 和图 6。
表 2 3 种环模型孔最大应力和最大变形 环模型孔类型 节点号 SEQV(Pa) 节点号 DMX(m)
取临界状态：
F=μ1N1sinθ+N1cosθ+μ2N2
(1)
为便于进行有限元分析， 先做如下假设：
1) μ1=μ2=c， 查阅相关资料取 0.18；
2) 假设倒角锥面和模孔内表面各处压强相等：
p1=p2圯
N1 A1
= N2 A2
圯
N1
= N2
πh1 2sinθ
(d1+d)
πdh
可得：
N1=N2
h1(d1+d) 2dhsinθ
材、 热处理及加工工艺等方面对其研究颇多， 但对其 30°、 45°和 60°倒角环模型孔模型。
结构型孔方面的研究并不多见。 本文探究环模的敏感
参数— ——型孔形状， 并对其进行优化， 将对环模的寿 ______________
在 ANSYS 软件中选取 Solid45 作为环模型孔的分 析 单 元 ， 材 料 为 45# 钢 ， 弹 性 模 量 E=2.06e+11， 泊 松
30°倒角环模型孔 45°倒角环模型孔 60°倒角环模型孔 图 3 环模不同倒角型孔有限元网格划分图
2 有限元模型约束
由于环模型孔是轴对称结构， 建立模型时只建立 环模型孔 1/4， 约束模型两个侧面和底面。
3 有限元模型加载
为进行环模模孔的有限元分析， 需先进行受力分 析和相关假设。 取环模任一模孔为研究对象， 对其进 行受力分析如图 4[7]：
收稿日期： 2008 年 12 月 29 日 * 基金项目： 农业部牧草种子基地建设项目资助(2003. 135) 张炜， 男， 1962 年生， 甘肃农业大学工学院副教授、 硕导； 研究方向为农机设计制造。 吴劲锋， 男， 1962 年生， 博士， 甘肃农业大学工学院教授； 研究方向为农机设计制造。
张炜，吴劲锋. 环模制粒机中环模结构型孔的有限元分析[J]. 中国农机化, 2009, (2): 83~85 ZHANG Wei, WU Jing-feng. The finite element analysis of structure mould hole of circular mould pelleting machine[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2009, (2): 83~85
84
中国农机化
2009 年
比 μ=0.3， 密度 ρ=7800。 为保证分析精度， 采用映射 网格划分单元。 30°倒角环模型 孔网格划 分单元数为 875， 节点数为 1248 个 。 45°倒角环模型 孔 网 格 划 分 单 元 数 为 360， 节 点 数 为 834 个 。 60°倒 角 环 模 型 孔 网格划分单元数为 420， 节 点数为 696 个 。 [5,6] 网格划 分结果见图 3。
(2)
可将式(2)代入式(1)得：
F=μN1sinθ+N1cosθ+μN2
=μN2+(μsinθ+cosθ)N2
h1(d1+d) 2sinθdh
N2=
F μ+(μsinθ+cosθ)
h1(d1+d)
(3)
2dhsinθ
根据图 4 可知 d、 d1、 θ、 h 满足关系式：
tgθ= 2h1 d1-d
即：
30°倒角环模型孔 316 14841
454
0.74e-6
45°倒角环模型孔 412 29936
374
0.11e-5
60°倒角环模型孔 510 42989
322
0.141e-5
图 5 环模型孔沿轴向方向的应力分布图
图 6 环模型孔沿轴向方向的变形分布图
5 结果分析
1) 由 3 种环模型 孔沿轴向 方 向 的 应 力 分 布 图 可 以看 出： 30°倒角环模 型孔应力 较大， 45°倒 角 环 模 、 60°倒角环模型孔较前者 在倒角处应 力依次递 减 ， 在 非倒角处应力值明显依次递减小。 这说明 60°倒角环 模孔在工作时的应力较 30°和 45°小。
影响[J]. 摩擦学学报, 2007, 27(1): 88~90. [ 3] Saeed Moaveni 著 ; 王 崧 , 刘 丽 娟 , 等 译 . 有 限 元 分 析 —
ANSYS 理 论 及 应 用 (第 三 版 )[M]. 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 , 2008. [4] 王 靖 岳, 丁 旺 才, 等. 基 于 Pro/E 和 ANSYS 的 曲 轴 有 限 元 分 析[J]. 机械工程与自动化, 2007, (1): 54~55. [5] 任德斌, 陈英, 荆朝晖, 等. 金属薄膜力学性能的有限元分 析 [J]. 沈阳建筑大学学报, 2007, 23(1): 29~32. [6] 黄 志 辉, 赵 红 伟. 钢 轨 应 变 分 析 场 的 有 限 元 分 析[J]. 机 电 工 程, 2007, 24(4): 13~22. [7] 饶 应 昌. 饲 料 加 工 工 艺 与 设 备[M]. 北京: 中国农业机械出版 社, 1996.
(甘肃农业大学工学院， 兰州市， 730070)
摘要： 苜 蓿 草 粉 对 环 模 系 统 的 磨 损 是 造 成 饲 料 制 粒 机 关 键 部 件 环 模 失 效 的 主 要 原 因 。 本 研 究 应 用 Pro/E 及 ANSYS 软 件 完成三种类型环模型孔的建模及有限元静力分析， 得到了三种类型环模型孔沿轴向路径的应力与变形分布， 找到了环模 孔倒角与环模孔轴向路径的应力与变形的影响关系， 60°倒角环模孔结构好， 为环模进行结构优化提供了依据。 关键词： 有限元； 环模； 应力； 型孔； 制粒机 中图分类号： TP15 文献标识码： A 文章编号： 1006-7205(2009)02-0083-03
但决定草粉出模的顺畅程度， 而且对模孔及环模内环 环模型孔的 1/4。 环模型孔的主要结构参数： 环模型
表 面 磨 损 影 响 很 大 。 目 前 ， 国 内 外 学 者 从 环 模 的 选 孔 内 径 8mm， 环 模 型 孔 壁 厚 为 2.3mm， 分 别 建 立 了
Finite Element Analysis on Structure Mould Hole of Circular Mould Pelleting Machine
ZHANG Wei, WU Jing-feng (Gansu Agricultural University, Lanzhou, 730070, China)
d1=
2h1 tgθ
+d
(4)
由式(4)代入式(3)得：
圯 圯 N2=
F
(μsinθ+cosθ)h1
μ+
2h1 +2d tanθ
(5)
Байду номын сангаас
2dhsinθ
其中挤出力 F 可根据其与制粒密度 ρ 的关系求出：
- 2.072
F=33.1e ρ 在规定制粒密度 ρ=1.217g/cm3 时， 可得： F=6.032kN 其余结构参数根据 MUZL420 环模布孔参数可知： d=8mm， h=54mm， h1=7mm。 由 式(5)、 式(2)可 知 ， 当 θ 改 变 时 ， N2 将 发 生 改 变， 从而由 f=μN 可知， f1、 f2 也将发生变化 。 改变 θ 值实际上是改变了开孔率， 因此以上分析实际上可以 反映开孔率对环模受力的影响。 根据公式得到的不同 θ 值下的 N1、 N2 及 f1、 f2 的 值， 即为对 3 种模型施加的有限元载荷， 见表 1。
0 引言
优质、 高产、 低耗生产苜蓿草产品， 加速草机具 特别是加工机械的研究是苜蓿产业化顺利发展的必然 要求 。 环模(见图 1)是颗粒机的 主要零件， 是 一种多 孔环形易损件。
命和生产率起着决定性影响。
1 环模型孔的结构模型和有限元网格划分
在用 ANSYS 作有限 元分析过程 中， 几何建模 是 必不 可 少 的 一 个 过 程 ， 就 建 模 功 能 来 说 ， ANSYS 不 如 Pro/E、 UG 强大， 但 ANSYS 有强 大的接口能 力和 结构计算能力， 环模型孔采取 Pro/E 建立实体三维模 型 ， 通 过 中 间 软 件 IGES 作 为 中 间 数 据 转 换 的 平 台 ， 利用 ANSYS 的接口技术 ， 实现模型 的调入 。 [3~4] 环模 及型孔的 Pro/E 三维实体模型见图 1 和图 2。
图 1 环模三维实体建模图
环模中模孔密布， 臂薄， 规格不同， 模孔尺寸各
异。 环模质量的好坏和质量是否稳定， 直接影响环模
的使用寿命和颗粒机的产量、 饲料的质量， 从而影响 饲料加工的生产成本[1]。 环 模失效的主 要形式是模 孔 及环模内环表面磨 损报废[2]， 而模 孔的形状、 大 小不
30°倒角环模型孔 45°倒角环模型孔 60°倒角环模型孔 图 2 环模型孔示意图
DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2009.02.009
2009 年第 2 期 总第 222 期
中国农机化
Chinese Agricultural Mechanization
No.2, 2009 Total No.222
环模制粒机中环模结构型孔的有限元分析 *
张炜， 吴劲锋
Abstract: The wear between Alfalfa Grass and circular mould system is the main reason of the expiration of circular mould. The paper had finished model and finite element static analysis of three kinds circular mould hole by using Pore and ANSYS, obtained stress and distortion distribution three kinds circular mould hole in axial path, found the effect relationship between circular mould hole chamfer and circular mould hole in axial path. Circular mould hole chamfer 60°provided the basis for circular mould structure optimization. Keywords: finite element; stress; circular mould; mould hole; pelleting machine
2) 由 3 种环模型 孔沿轴向 方 向 的 位 移 分 布 图 可 以看出： 30°倒角环模型孔的位移和 45°倒角环模型孔 位移较 60°倒角环模型孔均较大。
3) 60°倒角环模孔结构好， 与实际吻合。
参考文献
[1] 杨向军. 卧式环模制粒机环模失效原因浅析[J]. 饲料工业, 2003,
24(9): 9~10. [2] 吴 劲 锋, 黄 建 龙, 张 维 果. 苜 蓿 草 粉 对 金 属 材 料 磨 损 性 能 的
图 4 环模型孔倒角受力分析图 由受力分析可知， 从模孔内压出成型物料必须满 足如下关系式：
F≥f1sinθ+N1cosθ+f2=μ1N1sinθ+N1cosθ+μ2N2 式中： F— ——挤出力；
f1— — — 倒 角 锥 面 的 摩 擦 力 ； N1— — — 倒 角 锥 面 的 正 压 力 ； f2— ——模孔内表面的摩擦力； N2— — — 模 孔 内 表 面 正 压 力 ； μ1— ——倒角锥面的摩擦系数； μ2— ——模孔的摩擦系数。
表 1 对 3 种环模型孔施加的载荷表
环模型孔类型
f1(N)
f2(N)
N1(N)
N2(N)
30°倒角环模型孔 881
1350 4894
7502
45°倒角环模型孔 800
2326
4442
12922
60°倒角环模型孔 790
3312
4146
18400
第2期
张炜 等：环模制粒机中环模结构型孔的有限元分析
85
4 求解
运行 Solution－Solve－Current LS， 进行静结构有限 元计算。 3 种环模型孔最大应力和最大变形见表 2。 3 种环模型孔沿轴向方向的应力分布和变形分布分别见 图 5 和图 6。
表 2 3 种环模型孔最大应力和最大变形 环模型孔类型 节点号 SEQV(Pa) 节点号 DMX(m)
取临界状态：
F=μ1N1sinθ+N1cosθ+μ2N2
(1)
为便于进行有限元分析， 先做如下假设：
1) μ1=μ2=c， 查阅相关资料取 0.18；
2) 假设倒角锥面和模孔内表面各处压强相等：
p1=p2圯
N1 A1
= N2 A2
圯
N1
= N2
πh1 2sinθ
(d1+d)
πdh
可得：
N1=N2
h1(d1+d) 2dhsinθ
材、 热处理及加工工艺等方面对其研究颇多， 但对其 30°、 45°和 60°倒角环模型孔模型。
结构型孔方面的研究并不多见。 本文探究环模的敏感
参数— ——型孔形状， 并对其进行优化， 将对环模的寿 ______________
在 ANSYS 软件中选取 Solid45 作为环模型孔的分 析 单 元 ， 材 料 为 45# 钢 ， 弹 性 模 量 E=2.06e+11， 泊 松
30°倒角环模型孔 45°倒角环模型孔 60°倒角环模型孔 图 3 环模不同倒角型孔有限元网格划分图
2 有限元模型约束
由于环模型孔是轴对称结构， 建立模型时只建立 环模型孔 1/4， 约束模型两个侧面和底面。
3 有限元模型加载
为进行环模模孔的有限元分析， 需先进行受力分 析和相关假设。 取环模任一模孔为研究对象， 对其进 行受力分析如图 4[7]：
收稿日期： 2008 年 12 月 29 日 * 基金项目： 农业部牧草种子基地建设项目资助(2003. 135) 张炜， 男， 1962 年生， 甘肃农业大学工学院副教授、 硕导； 研究方向为农机设计制造。 吴劲锋， 男， 1962 年生， 博士， 甘肃农业大学工学院教授； 研究方向为农机设计制造。
张炜，吴劲锋. 环模制粒机中环模结构型孔的有限元分析[J]. 中国农机化, 2009, (2): 83~85 ZHANG Wei, WU Jing-feng. The finite element analysis of structure mould hole of circular mould pelleting machine[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2009, (2): 83~85
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中国农机化
2009 年
比 μ=0.3， 密度 ρ=7800。 为保证分析精度， 采用映射 网格划分单元。 30°倒角环模型 孔网格划 分单元数为 875， 节点数为 1248 个 。 45°倒角环模型 孔 网 格 划 分 单 元 数 为 360， 节 点 数 为 834 个 。 60°倒 角 环 模 型 孔 网格划分单元数为 420， 节 点数为 696 个 。 [5,6] 网格划 分结果见图 3。
(2)
可将式(2)代入式(1)得：
F=μN1sinθ+N1cosθ+μN2
=μN2+(μsinθ+cosθ)N2
h1(d1+d) 2sinθdh
N2=
F μ+(μsinθ+cosθ)
h1(d1+d)
(3)
2dhsinθ
根据图 4 可知 d、 d1、 θ、 h 满足关系式：
tgθ= 2h1 d1-d
即：
30°倒角环模型孔 316 14841
454
0.74e-6
45°倒角环模型孔 412 29936
374
0.11e-5
60°倒角环模型孔 510 42989
322
0.141e-5
图 5 环模型孔沿轴向方向的应力分布图
图 6 环模型孔沿轴向方向的变形分布图
5 结果分析
1) 由 3 种环模型 孔沿轴向 方 向 的 应 力 分 布 图 可 以看 出： 30°倒角环模 型孔应力 较大， 45°倒 角 环 模 、 60°倒角环模型孔较前者 在倒角处应 力依次递 减 ， 在 非倒角处应力值明显依次递减小。 这说明 60°倒角环 模孔在工作时的应力较 30°和 45°小。
影响[J]. 摩擦学学报, 2007, 27(1): 88~90. [ 3] Saeed Moaveni 著 ; 王 崧 , 刘 丽 娟 , 等 译 . 有 限 元 分 析 —
ANSYS 理 论 及 应 用 (第 三 版 )[M]. 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 , 2008. [4] 王 靖 岳, 丁 旺 才, 等. 基 于 Pro/E 和 ANSYS 的 曲 轴 有 限 元 分 析[J]. 机械工程与自动化, 2007, (1): 54~55. [5] 任德斌, 陈英, 荆朝晖, 等. 金属薄膜力学性能的有限元分 析 [J]. 沈阳建筑大学学报, 2007, 23(1): 29~32. [6] 黄 志 辉, 赵 红 伟. 钢 轨 应 变 分 析 场 的 有 限 元 分 析[J]. 机 电 工 程, 2007, 24(4): 13~22. [7] 饶 应 昌. 饲 料 加 工 工 艺 与 设 备[M]. 北京: 中国农业机械出版 社, 1996.
(甘肃农业大学工学院， 兰州市， 730070)
摘要： 苜 蓿 草 粉 对 环 模 系 统 的 磨 损 是 造 成 饲 料 制 粒 机 关 键 部 件 环 模 失 效 的 主 要 原 因 。 本 研 究 应 用 Pro/E 及 ANSYS 软 件 完成三种类型环模型孔的建模及有限元静力分析， 得到了三种类型环模型孔沿轴向路径的应力与变形分布， 找到了环模 孔倒角与环模孔轴向路径的应力与变形的影响关系， 60°倒角环模孔结构好， 为环模进行结构优化提供了依据。 关键词： 有限元； 环模； 应力； 型孔； 制粒机 中图分类号： TP15 文献标识码： A 文章编号： 1006-7205(2009)02-0083-03