目前，对生物质颗粒机环模寿命虽有研究，但大都停留在实验阶段，对生物质颗粒机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，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

        生物质颗粒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颗粒机机失效现象—接触疲劳和磨粒磨损的失效机理。

1)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，导致环模疲劳失效。

2)磨损失效

        一是压辊调得太紧，与环模间隙小，互相摩擦；二是角度不恰当，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，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、环模疲劳寿命的数值模拟

        对环模的疲劳寿命研究将采用三维建模和有限元软件进行模拟分析。

        首先，利用三维建模建立生物质颗粒机环模的参数化模型；其次，利用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、不同环模孔数和不同环模孔的排列的疲劳寿命进行分析模拟，使环模的寿命分析定量化。

2.1环模疲劳几何模型的建立

        申述云对生物质颗粒机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。

2.2环模的结构静力分析

2.2.1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，如图3、4所示。

2.2.2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。

2.3环模寿命分析

2.3.1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下图所示。

        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，还需要依据对环模疲劳理论的研究，对疲劳参数参数进行设置。

2.3.2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。

        颗粒机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。

        从分析的数据得出，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℃时环模寿命曲线如下图所示。由图中可以看出，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。

3、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。