生物質固化成型技術是將農作物秸稈、稻殼、鋸末、木屑等生物質廢棄物，在一定溫度、濕度和壓力下，將原來松散、無定形的粉碎原料壓縮成具有一定形狀、密度大、能量度高的固體成型燃料。目前，降低成型機能耗，提高成型機產量，延長成型機壽命已成為當今生物質固化成型的熱點和重點。
目前，成型機壽命的零部件分析方面國內外研究重點大多集中在成型機的核心工作部件壓輥和平模上，而主軸作為成型機傳動系統的核心工作部件，對成型機的壽命起著重要的影響。本文針對新研制的KLCX550平模成型機的主軸的軸肩部位出現的小裂紋現象，對平模成型機主軸應力進行有限元分析，研究主軸的應力分布，然后用實驗測試主軸的應力。
1、KLCX550生物質平膜成型機
本文以山東百川同創能源有限公司自主研制的KLCX550平模成型機作為測試實驗設備，實驗設備如圖1所示。該平模成型機屬于冷壓成型機，外接電機提供動力，基本的動力傳遞過程如下：電機通過減速器把動力傳給主軸，主軸用上下兩個軸承支撐；主軸將動力傳遞到壓輥，壓輥和平模相互碾切擠壓生物質原料，完成動力傳遞過程。其主要傳遞結構如圖1所示。
1.1主軸連接部件
平模成型機的傳動系統由主軸、花鍵、壓輥、軸承和減速器組成。主軸通過上端的花鍵與壓輥連接，中間部位有兩個軸承支撐；下端通過減速器與電機連接。該系統既有減速功能，又有動力和扭矩分配功能。在整個成型過程中，主軸為主要動力傳輸設備，是影響傳動系統工作壽命的關鍵部件。在傳統設計方法中，其結構強度和剛度通常采用加大安全系數的方法來保證，只能得到一定條件的局部應力和位移；但在實際工作過程中，主軸某些部位會有小裂紋產生。出現小裂紋的原因很復雜，一般包括以下幾種情況：原材料選材不合理；制造及安裝工藝不合理；使用維護不當；結構設計不合理。通常前3項較易處理，但結構設計不合理往往會造成結構所受應力應變過大，且伴有應力集中現象。采用傳統設計方法不能保證在整個生命周期中主軸不出現裂紋。因此，本文采用有限元分析軟件ANSYS對成型機主軸進行有限元分析，研究主軸工作過程中其整體應力和應變場分布規律，富通新能源生產銷售環模式木屑顆粒機、秸稈壓塊機等生物質燃料成型機械設備，同時我們還有大量的楊木木屑生物質顆粒燃料銷售。
1.2主軸的受力分析
根據成型機的工作條件和主軸的裝配關系，主軸受力情況如圖2所示。
2成型機主軸有限元分析
2.1模型的建立
2.1.1材料特性的設定
采用ANSYS對主軸進行有限元分析。主軸材料根據經濟型和使用性選用S45C，彈性模量200CPa，泊松比為0.3，屈服極限355MPa，選取強度安全系數n=1.5，經計算許用屈服應力為
2.1.2有限元模型
ANSYS Meahinr模塊-p提供了用于創建及管理節點和單元的命令。本文采用了Solid95體單元，利用自由網格劃分生成主軸的有限元模型如圖3所示。
2.2邊界條件的創建
2.2+1載荷施加
根據綜合分析，主軸工作系統所受外載荷主要包括兩方面：一方面為壓輥與主軸花鍵連接部位的扭矩作用；另一方面由于主軸所受止推軸承的作用，主軸模型端面處還受到一軸向拉力作用。
2.2.2位移約束
主軸系統采用Solid95單元，節點有3個自由度，即沿x，y，z軸的移動自由度。在實際工作中，軸分別由上下兩個軸承固定支撐，使整個軸只能繞Z軸連續旋轉和沿軸向移動；止推軸承具有止推作用，限制主軸的軸向移動。因此，根據實際約束的情況，約束軸與軸承接觸的圓周面上的2個自由度，并且約束右端面的1個自由度，
2.3優化前后計算結果分析
利用FRONT DIRECT渡前求解器，對該有限元模型進行計算求解。
圖4為主軸拉應力圖，圖4(a)是主軸出現小裂紋的拉應力。由圖4(a)可見．主軸拉應力最大值為237.43MPa，超過了軸的許用屈服應力235+ 7MPa：拉應力最大位置在下軸肩和鍵槽周圍，由于壓輥在工作時通過鍵施加給主軸反作用軸向力，反力傳遞到軸肩和鍵槽周圍，而軸肩和鍵槽具有軸向約束作用，因此在該部位附近形成較大的應力集中，屬于危險截面。圖4(h)把主軸的下軸肩加大，同時增大過渡圓角，進行ANSYS模擬的主軸部位拉應力分析。從圖4(h)應力的分布來看，應力部分較均勻；最大應力的數值有所減小，最大值208. 89MPa，低于軸的許用屈服應力235.7 MPa。
圖5為主軸剪應力圖，圖5(a)為主軸出現小裂紋的拉應力圖。由圖5可見，主軸剪應力的最大值為58. 2MPa．接近軸的許用剪切應力60MPa。切應力最大位置在鍵槽上，其原因是鍵傳遞電機與主軸的扭矩，主軸在鍵槽部位沿軸向應力較大，靠近鍵槽側的軸承斷面結合部位出現應力集中，屬于危險截面。圖5(b)把主軸下軸肩部位加大，同時增大過渡圓角，進行ANSYS模擬的主軸拉應力分析。從圖5上應力的分布來看，應力部分較均勻；最大應力的數值有所減小，最大值51.7MPa。
3、實驗測試驗證
在利崩ANSYS有限元對成型機主軸工作狀態時應力的模擬基礎上，采用東華DH5923動態測試儀對主軸作應力狀態進行測試：
3.1測試設備及成型原料
本測試應用DH5923測試儀、集流環、光點開關和激流環，對主軸應力進行測試，主軸是采用優化后主軸，成型原料是樟木松鋸末，含水率20.2%。
3.2測試方法
圖6是測試過程連接圖。由圖6可見，光電開關聯接到DH5923動態測試儀轉速通道1，動態測試轉速。應變片1和應變片2接到集流環上，通過集流環接到電橋盒1和電橋盒2，電橋盒l和電橋盒2接到DH5923動態測試分析儀的通道2和通道3，測試應力。DH5923測量界面圖形如圖7所示。
實驗過程過程：啟動成型機，打開測試儀，測量主軸的主應力和切應力。KLCX550成型機連續工作4—5h，記錄數據，共測得40—50組數據，數據繪制成曲線，如圖8和圖9所示。
3.3測試結果與分析
主軸拉應力的測試數據繪制成曲線，主軸拉應力如圖8所示。
圖8是原料為20. 2%樟木松鋸末，測試得到優化后主軸的拉應力圖。由圖8中可見，主軸的最大拉應力在208MPa附近波動，未超出材料的許用應力，主軸的軸肩部位沒有新的裂紋產生。由此可見，主軸的應力是主軸出現裂紋的關鍵因素。
主軸切應力的測試數據繪制成曲線，如圖9所示。
圖9是原料為20.2%樟木松鋸末，測試得到優化后主軸的剪應力圖。由圖9可見：主軸切應力加劇了軸肩和鍵槽附近裂紋的產生。主軸的最大切應力在50. 5MPa附近波動，未超出材料的許用切應力。由此可見，主軸的結構優化減小最大切應力的數值，同時切應力的分布較均勻。
4、結論
1)對小裂紋主軸進行ANSYS有限元分析，得到了主軸拉應力分布圖和主軸切應力分布圖，主軸上的軸肩部位拉應力是出現裂紋的關鍵因素。
2)對出現小裂紋的主軸進行結構優化，加大軸肩高度，增大過度圓角。對結構優化后的主軸進行有限元分析，并與原來的主軸進行對比，由應力分布云圖得出：結構優化后的主軸主應力和切應力分布比較均勻，應力的最大值都有所減小。
3)對結構優化的主軸進行實驗，實驗結果和模擬結果吻合較好，表明優化的主軸的拉應力和切應力數值都有所減小，沒有超出許用應力的范圍，而且沒有新的裂紋產生。
4)針對主軸的軸肩部位易出現小裂紋的情況，可通過改變主軸結構，加高和加厚軸肩，在軸肩與軸的連接處使用圓角過渡；或對主軸進行表面熱處理等優化方法提高軸肩的強度；對于鍵槽周圍的裂紋，可以用花鍵來代替單鍵，提高承受載荷能力。
