（化工过程机械专业论文）环模式秸秆压块机致密成型机理研究.pdf

摘要 于两要 能源和环境问题已成为全球关注的焦点。随着能源消耗的迅速增长，传统化石 燃料的大量使用给人类带来了两个突出的问题：一方面是矿物质资源渐趋枯竭；另 一方面是日益严重的环境问题。生物质能作为一种可再生能源，它具有可再生、污 染小、无公害等优点，是传统化石能源很好的替代品。大力开发利用生物质能等可 再生能源，对环境保护、促进国家经济发展和建立可持续发展的能源系统具有重大 意义。 本文主要对生物质秸秆致密成型技术进行了研究，为秸秆高效利用提供了技术 支持。本文设计分析了环模式秸秆压块机的结构，针对其特点，提出了影响环模式 成型机工作效率的几项主要技术参数，如主电机功率、环模长径比、环模的开孔率 以及压轮和环模的工作间隙等。 应用有限元软件a n s y s ，本文建立秸秆压缩模型，模拟了生物质秸秆的压缩成 型过程，分析得到了生物质秸秆压缩过程的应力应变规律、内部位移规律以及摩擦 应力分布，为生物质秸秆压缩成型机的研发和改进提供了必要的理论依据。 以玉米秸秆为原料，通过试验，本文研究了原料含水率、成型工作压力和原料 尺寸对致密成型的影响，确定了玉米秸秆压缩成型的最佳工作条件。 综上，本文通过对生物质秸秆成型机理的研究，为生物质致密成型设备的设计、 工艺参数优化以及结构改进等提供重要的理论基础。 关键词生物质；环模；压块机；致密成型；有限元分析 河北科技大学硕士学位论文 _ i ；j ；。_ 目_ _ _ _ _ j = = = j - _ _ | l = = = = ；目j 目自= = = = = 自 = = = = = - _ _ e ；= 目l e = = = l _ - ；= _ e | - a b s t r a c t e n e 略y 锄de n v 打0 姗e n t a lp r o b l e m sh a v eb e c o m et h ef o c i l so f 窖l o b a la t t e n t i o n w i t h t l l er a p i dg r o w t ho f e 玛yc o n s u m p t i o n ，h e a v yu s eo ft r a d i t i o n a lf o s s i lf u e l sh a sb r o u g h t t 0m a i l 蜮n d 铆00 u t s t 柚d i l l gp r o b l 锄s ：0 n ei s t h e 伊a d u a ld e p l e t i o n0 fm i n e r a lr e s o u r c e s ； t h eo t l l e r0 n ei s 锄i n c r e a s i n 舀ys e r i o u se n v i r 咖e n t a lp r o b l e m b i o e n e r g ya sar c n e _ w a b l e 朗e 玛y ，i sag o o da l t 锄a t i v ep r o d u c t st ot r a d i t i o n a lf o s s i le n e 玛y 1 th 嬲m a n ya d v a n t a g e s s u c h 嬲b e i n gr e n e w a b l e ，e n v 的n m e n t - f r i e n d l ya n dc l e a n ，m o r e 觚dm o r ep e o p l ep a i d d o s ea t t e n t i o ni nr e c 钮ty e a r s t h i sp 印e rm a i l l l ys t u d i e so na na s p e c to f b i o e n e 玛ye f ! f i c i e n tu t i l i z a t i o ns o l i d i f i c a t i o n t e c h o l o g y t h u 曲t h es t u d yo nt h es t m c t u r e 锄dc h a r a c t e r i s t 池o ft h ec i r c l l l a rm o u l do f s t r a wb r i q u e t t i n gm a c h i n ei 1 1 b r i e f ，p r o p o s e ds e v e r a lm a j o rt c c h i l i c a lp 锄n e t e ri nt h e d e s i g n0 rs e l e c t i o no fc i r c u l a rm o u l db r i q u e t t i n gm a c h i n e ：m a i nm o t o rp o w e r ；c i r c u l a r m o u l da s p e c tr a t i o ；c 讯m l a rm o u l d p o r o s i t y ；t h ew o r ks p a c eb e t w e e nd r c u l a rm o u l da n d p r e s s i i l g r o l l e r a p p l i c a t i o na n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t 、7 i ，a r et os i m u l a t et h ec o m p r e s s i o nm o l d i n g b i o m a s sp r o c e s s ， a l l a l y s i s0 b t a i n e ds t r e s s s t r a i nl a wo ft h ec o m p r e s s i o np r o c e s s ，t h e i n t e m a ld i s p l a c e m e n to fl a wa n d 僦c t i o ns t r e s sd i s t r i b u t i o n t h er e s u l tp r o v i d ean e c e s s a r v t h e o r e t i c a lb a s i st ot h eb i o m 勰ss t r a wb r i q u e t t i l l gm a c h i n er e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t ； a d o p tu n i v e r s a l t e s t i n gm a c l l i n e ，s e ec o ms t r a wb i o m a s sa sr a wm a t e r i a l ，w oc a nb vt e s t s m o i s t u r e n t e n t0 fr a wm a t e r i a l s ，t h es o l i d i f i c a t i o np r e s s u r ea i l dt h es i z e0 ft h em a t e r i a l s i nt h ec o m p r e s s i o np r o c e s st om a l 【e s u r et h eb e s tw o r kc o n d i t i o n s0 ft h eb i o m a s s b r i q u e t t i n gm a c h i l l e t h r o u 曲t h es t u d yo nb i o f u e ls h 印i i l gm e c h a l l i s m ，t h ef i n a lp u 印o s ei st op r o v i d e a c a d e m i cs u s t a i 舳e n tt 0t h ed e s i 伊0 ft h ee q u i p m e n t ，a m e l i o r a t i o no fs t m c t l i r e 跹d 叩t i m i z a t i o no fc r a f tp a r a m e t e l k e yw o r d sb i o m a s s ；c i r c l l l a rm o u l d ；b r ：i q u e t t i n gm a c l l i n e ；s o l i d i f i c a t i o n ； 弛i t ee l e m e n t 锄a l y s i s 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 生物质能利用的意义 能源和环境问题已成为全球关注的焦点。人类社会经济的发展以能源为重要动 力，经济发展越快，能源消耗越多【l j 。石油、煤炭和天然气至今仍然是人类使用的主 要能源，但是随着能源消耗的急剧增长，传统化石燃料的大量使用给我们人类带来 了两个突出的问题：一是矿物质资源渐趋枯竭1 2 】。据世界能源组织不完全统计，全球 可开采的煤炭储量使用2 0 0 年估计就要枯竭了，天然气储量虽然也挺多，但预计最 多能再使用6 0 年，目前石油的消耗量最大，可采石油预计可使用3 0 4 0 年，石油市 场价格也飞速增长；另一个是化石能源的大量使用引起的日益严重的环境问题【”l 。 表1 1 是化石能源的可使用的年限及占全球的消耗比例。 表1 1 化石能源的可用年限及占全球能量的消耗比例 1 曲1 - 1n cu s a b l e 丘x e d 此m b c ro f y 谢a n d 咖娜m c d 枷oo f 缸s n 姐c 唧s r c e si ng l o b a l 由于过度消费化石燃料，导致排放了大量的有害气体，如果不及时遏制，将造 成灾难性后果，例如全球气候变暖、海平面上升、酸雨等。如果不开发出新的可再 生、清洁能源，继续大量使用石化能源，能源危机和环境危机在不久的将来必将越 来越严重。可再生能源将是人类社会未来能源的基石，在不久的将来能很好的替代 常规化石能源，生物质能是可再生能源的重要组成部分，具有清洁、储存量大和无 污染等优点，所以发展生物质能势在必行1 6 j 。 近年来，各个国家都在致力于开发高效、无污染的新能源，生物质能就是其中 之一。有关专家预测，生物质能源将成为未来能源的重要组成部分，到2 0 1 5 。2 0 2 0 年，全球总能量消耗将有4 0 来自生物质能源【7 1 。 生物质是地球上一个巨大的可再生能源库，能储量大。它具有可再生性、燃烧 容易和污染小等特点，它光合作用吸收的c 0 2 量和燃烧释放的c 0 2 量相当，可认为 二氧化碳为零排放，甚至有所减少，这是煤、石油、天然气等常规能源无法比拟的。 生物质能，又称为绿色能源，是一种古老的可再生能源。太阳能照射到地球后，一 河北科技大学硕士学位论文 部分直接排放出去，转化为热能，一部分被植物吸收，转化为生物质能。太阳能转 化为热能的时候，能量密度较低，不容易收集，人类只能利用少量：生物质通过光 合作用，能够吸收大量的太阳能并且收集起来，储存在有机物中，这些能量是人类 进一步发展所需能源的基础和源泉。生物质能这一独特的形成过程，既不同于常规 的矿物能源，又不同于其它能源，但兼有两者的特点和优势，是我们最主要的可再 生能源之一。 生物质能可以直接转换生产含碳燃料，石油和煤都是生物质在地下经过很长时 间转换而来的。在可能替代石化燃料的能源中，由于它有着和矿物燃料相似性很大 的特性和利用方式，所以我们可以通过生物质致密成型技术和生物质气化技术等不 同技术开发利用生物质能。将它转换制造成为高热值、污染小的高品位的成型燃料， 在日常生活中代替煤和天然气，一定程度缓解煤和天然气紧张的局面【8 】o 1 2 我国生物质能源现状 我国作为农业大国，生物质资源十分丰富，因此，生物质能源将会成为一种发 展前景非常可观的替代能源【9 】。作为一个生物质能源大国，我国可利用生物质资源量 理论上为为5 0 亿吨左右，目前，我国的总能耗仅是它的四分之一左右。主要来源于 林业废弃物，如树枝、锯末、刨花废木材等；农业废弃物，如玉米秸秆、棉花秸秆、 稻壳等；工业废弃物，如酿酒厂、食品厂、造纸厂等的废料；城市生活垃圾；有机 废水，城市污水、工业有机废水等。 目前，可供利用开发的生物质资源主要包括农作物秸秆、畜禽粪便、树木枝丫、 城市生活污水、工业有机废水和生活垃圾等。据不完全统计，2 0 0 4 年我国的生物质 资源量约为，畜粪约3 9 2 亿吨；树木枝丫等林木生物质约2 1 8 亿吨；各类秸秆约7 3 亿吨；废水量为4 8 3 5 亿吨；城市生活垃圾约1 5 5 亿吨。总的蕴藏潜力量为1 0 2 9 1 0 1 9 j ，可获得量为1 3 5 x1 0 1 9 j 。据统计，我国2 0 1 0 年生物质能获得量为2 5 8 1 0 坞j 【1 0 】。 我国可利用的五种主要生物质资源比例如图1 1 所示： 3 4 农作物秸秆 林业树木枝丫 + - i _ 口能源作物 口畜禽粪便和工 业有机废水 城市生活垃圾 图1 1 可利用的五种生物质比例 f i g 1 1 a v a i l a b l eb i o c n c r g yp m p o n i o n so f 蠡v e 】( i i l d s 2 第1 章绪论 由图1 1 可知，我国可利用的农作物秸秆在生物质资源中占据很重要的地位，其 开发利用的潜力非常大。据统计，到2 0 0 7 年底我国各种农作物秸秆产量如表1 2 所 示。由表1 2 可知，玉米秸秆是产量最高的生物质能源。 表1 22 0 0 7 年我国各种农作物秸秆产量 t a b 1 2 0 l l t p u to f v 蕊伽sl d i l d so f 口o ps t m 鹏i nq i i n a2 0 0 7 1 3 生物质致密成型技术的重要性 中国是一个人口大国，也是消费大国，由于工业的迅速发展我国的能源需求不 断的增长，普通的化石能源消耗量加剧造成了环境污染问题。所以我国不仅在经济 增长方面面临压力，而且在环境方面也面临着严峻的考验。为了缓解能源紧张和大 量使用化石能源造成的环境污染问题，开发和利用新能源和可再生能源很有必要， 而且能够改善以煤、石油为主的能源结构，对我国经济的可持续发展有重大意义， 是发展生物质能源的大好机遇和挑战1 1 。因此，大力开发利用生物质能等可再生能 源，对环境保护、促进国家经济发展和建立可持续发展的能源系统具有重大意义【1 2 1 。 生物质能由于能量密度较低和具有分散性，高效利用和规模利用都比较困难， 这是导致目前生物质能不能转化为商品能源的主要原因。在生物质原料处理技术中， 压缩致密成型技术是最重要的技术之一。生物质致密成型技术是将各类松散的生物 质秸秆用机械加压的方法，使原来密度小、没有固定形状、质地松散的原料压缩成 密度较大的、具有一定形状的成型燃料【1 3 】，生物质秸秆致密成型技术目前是国内外 利用生物质能比较普遍的技术之一1 4 】。 生物质秸秆的压缩致密成型，相对原料成型密度大幅提高，将生物质本身原有 的密度从4 0 2 0 0 k g m 3 增大到成型的6 0 0 8 0 0 k g m 3 ，甚至更高，从而可以满足不同 地区和国家所要求的密度值【”】，有利于推广和使用。方便储存和运输，成型燃烧特 3 河北科技大学硕士学位论文 性与煤接近，可完全代替日常生活中的液化气、煤等常规能源，在工业上可代替煤 用于工业锅炉、生物质发电厂等。 综上所述，无论是从环境保护，还是从解决能源短缺问题出发，大力发展生物 质致密成型技术研究，具有极大的现实意义。 1 4 生物质致密成型技术研究现状 1 4 1 生物质致密成型理论研究现状 2 0 世纪初，生物质致密成型燃料技术开始有了发展，美国人对其成型机理进行 探讨研制出了螺旋挤压式成型机。2 0 世纪5 0 年代日本引进国外成型技术，经过研究 改进后，制造出了棒状燃料成型机，并应用于生产发展成日本致密成型燃料工业体 系。到了8 0 年代，日本对生物质致密成型技术进行了研讨，对成型机挤压模模具的 尺寸与结构、压缩时的温度、压缩物料的含水率、原料的尺寸大小以及压缩过程中 的能耗等进行了实验研究，大大改进了致密成型设备。1 9 8 4 年日本的成型燃料生产 厂家达1 7 2 家，生物质成型燃料生产总量达2 6 1 0 5 吨【1 6 1 。 德国的r u m p f 针对不同材料的挤压致密成型，研究了成型产品内部的粘结方式 和粘结力类型并进行了分类；在对生物质致密成型燃料的研究中j a u n d l e v 认为， 虽然成型燃料的密度和强度受温度、压力、含水量、添加剂等因素影响，但是生物 质成型燃料内部的成型机制都可以用粘结力和粘结类型来解释。国内盛奎川、吴杰 等人对生物质秸秆原料在挤压成型模具内的流变规律以及受力进行了试验研究，并 对玉米秸秆粉粒体的致密成型过程从微观的角度进行了粒子结构的分析【1 7 1 。 我国于2 0 世纪8 0 年代开始发展致密成型燃料技术，当时主要从国外引进致密 成型设备和技术【1 8 】。随后，我国研究人员针对国内现状，采纳国外先进技术，对致 密成型技术进行探讨研究，使致密成型燃料技术得到更快的发展。 董玉平、申树云等人通过对生物质原料在致密成型过程中的非线性变形情况分 析，推导了在复杂应力状态下环模的弹塑性本构方程，同时考虑了环模的热应变及 弹、塑性应变等影响因素【1 9 1 。 姜洋研究了影响成型燃料密度的三个因素，环模压缩比、生物质原料种类和原 料含水率。给出了致密成型过程中原料含水率、玉米秸秆尺寸、压力与成型产品密 度之间的关系，总结了在较低能耗情况下的致密成型燃料成型条件【刎。 赵东用计算机对生物质原料在杯型模具成型过程进行了模拟。该文通过a n s y s 有限元程序分析了生物质物料挤压模具时的状态，得到摩擦力一位移关系，确定了 物料在模具中的流变规律以及模具的应变分布，并探讨了模具锥度、摩擦系数等因 素对物料挤压成型的影响【2 1 1 。 回彩娟分析了不同生物质原料的常温高压成型压块密度对抗渗水性的影响，总 4 第1 章绪论 结出了成型压力与成形块的承载能力的关系。应用非线性弹塑性理论，建立本构方 程，对生物质常温高压致密成型机理进行研究【2 2 1 。 盛奎川对碎棉花秸秆进行致密成型试验。试验研究了压力、棉花秸秆尺寸和温 度三个因素对压块机工作效率以及成型松弛块密度的影响，得到了在初始密度和压 力相同的条件下，常温压缩比高温压缩的松弛比大，在初始密度和温度相同条件下， 压力增大，松弛比相应减小【矧。 恩和对环模粗饲料压块机行了分析研究，介绍了压块机的工作原理，研究了环 模的开孔率、环模的转速、压轮直径、环模的直径等对压块的成型率、成型压力的 形成、产品密度的影响，给出了环模转速与成型率、成型孔的长度与密度、成型压 力与密度之间的关系【2 4 】。 1 4 2 ：生物质致密成型技术研究现状 1 ) 致密成型方式 致密成型方式可根据有没有堵头分为“开式 压缩和“闭式 压缩。“开式 压 缩是指将物料连续不断的喂入没有堵头的模具内进行压缩，它是一个连续的过程， 是克服物料与模具之间摩擦阻力下，把物料挤出并成型的过程。在压缩过程中，每 加一次物料都影响到前面的物料的挤压，其成型阻力主要是模具壁与物料之间的摩 擦阻力、变形阻力及物料之间的相对移动等。由于开式模具没有堵头，成型阻力与 闭式压缩差异较大。“闭式 压缩是指将物料放入有封闭堵头的模具内的进行致密成 型，达到一定密度后取出，每压完一次物料都得拿出来成品，然后装入新物料进行 再次压缩，致密成型后的产品在模具内不移动，这个过程是不连续的。每次挤压过 程互不影响，每次的成型产品质量也不一，成型阻力主要来自于模具壁与物料之间 的摩擦阻力、变形阻力、模具堵头阻力及物料之间的相互移动等。目前，国内主要 进行“开式 压缩致密成型技术研究，旨在探索一般工程应用的压缩致密成型规制2 5 1 。 “开式 压缩和“闭式 压缩的方式有所不同，但都对致密成型技术的进一步提高 起到推进作用。 2 ) 致密成型工艺 生物质秸秆致密成型工艺可分为不同的类型，根据对原料是否预处理可分为湿 压成型和干态成型；根据对物料是否加热可分为热压成型和常温压缩成型闭。就目 前而言，我国应用比较广泛的生物质致密成型工艺主要分为常温压缩成型和热压成 型两种方式。 常温压缩成型 生物质秸秆常温压缩成型工艺是指，在常温下将粉碎后的生物质秸秆原料利用 压块成型机挤压成块状成型燃料的过程【2 7 1 。其成型机理是在一定原料含水率和压力 条件下，靠物料与模具之间的摩擦热使物料中的木质素软化和粘合，进而致密成型。 5 河北科技大学硕士学位论文 热压成型 热压成型工艺主要包括原料粉碎、加热物料( 模具) 、压缩致密成型三个过程。 它分为两种成型方式，非预热热压成型和预热热压成型。非预热热压成型是给模具 外部加热，通过模具将热量传递给物料，使物料温度升高；预热热压成型是原料进 入成型机模具之前经过预热处理。 3 ) 致密成型设备 目前，生物质致密成型设备有很多不足之处，比如对物料的适应性差，能耗大 等，有待于对其进行工艺参数的优化和结构改进。 我国应用的秸秆致密成型设备主要有螺旋挤压式、活塞冲压式和压辊式成型机 三种【2 9 】。 螺旋挤压式成型机是研发应用最早的成型机，成型部件结构简图如图1 2 所示。它是靠外部电阻丝加热，维持成型套筒温度在1 5 0 以o o 之间，由于热量传递 以致生物质中纤维素和木质素软化，能够使生物质很好的粘结在一起。物料经过螺 杆挤压推进，进而致密为成型燃料。螺旋挤压式成型机具有运行稳定、成型燃料燃 烧值高、可连续生产等优点，但是它在致密成型过程中对物料的尺寸大小、物料的 含水率以及螺杆的推进速度要求比较严格，成型工艺不好控制；还有就是单位生产 率相对较低，单位产品能耗高，并且成型部件螺杆磨损严重，使用寿命短。 54 3 2 1 原料；2 驱动轴；3 挤压螺杆；4 预热器； 5 法兰；6 锥形筒；7 威型棒 图1 - 2 螺旋挤压式成型部件结构示意图 f i g 1 2 n cs t n l c 阶o fs c r c wc x t n l d 廿 活塞冲压式成型机如图1 3 所示。它主要有部件活塞和套筒，根据驱动力的 不同分为液压式成型机和机械式成型机。活塞冲压式成型机主要用于生产棒状或块 状成型品，主要靠摩擦生热，一般不需要外部加热，这种机型是靠活塞的运动挤压 使物料致密成型。在实际的生产中主要用的是液压式活塞冲压成型机，靠液压油缸 提供动力使物料致密成型i 它有使用寿命长、能耗低等优点，但也存在机器噪音大、 6 第1 章绪论 运行稳定性差、润滑油污染严重等缺点。 不o l 5 4 32 1 原料；2 驱动力；3 活塞： 4 喉管：5 成型块 图1 3 活塞冲压式成型部件结构示意图 f i 舀1 3 1 飞es l n i c 廿eo fp i s t c 曩硼d e f 压辊式成型机。分为平模成型机如下图1 - 4 所示和环模成型机如下图1 5 所 4 5 2 4 3 1 平模； 2 原料；3 压辊；1 原料；2 压辊： 3 切刀； 4 成型颗粒；5 切刀4 颗粒燃料；5 环模 图1 _ 4 平模式成型部件结构示意图图1 - 5 环模式成型部件结构示意图 f i g 1 - 4 1 1 l es t n l 曲- co fc i | c u l 缸m 伽l d 坯t n l d “f i g 1 5 i h cs 咖c t r co fp l m em o l i l dc 】【t n l d 盯 压辊式压块成型机的主要由压轮和压模组成。压模上设计有成型孔，是被挤压 物料成型的模具，压轮外周表面加工比较粗糙，以增加摩擦力便于将物料压入模孔， 压轮可绕自己的轴转动。 压辊式压块机的工作原理是：物料在压轮的作用下，被挤入成型孔内克服物料 7 河北科技大学硕士学位论文 和模孔壁之间的摩擦阻力，然后被挤出成型，受重力的影响，压出的成型燃料自动 断裂。压辊式压块成型机按照结构不同，可分为平模式压块机和环模式压块机。由 于压辊式成型机能耗低、产量大、适应性强、产品质量高等优点，在实际生产中被 大量的采用。 我国学者对压块机在生产过程中出现的问题进行了探讨和分析，改进了设备的 关键部件，研究并开发了适合我国使用的致密成型设备。 辽宁省能源研究所、中国农机院能源动力所、江苏东海县粮食机械厂、河北正 定常宏木炭设备制造厂等1 0 余家单位研究和开发了生物质成型燃料设备，见表1 3 。 表1 3 我国生物质成型设备的主要性能 t a b 1 3 m a i l l p a b i l i t yo f b i o - f u e lb r i q u e t d n gi l lc h j n a 1 5 文主要研究内容 本文采用有限元理论和有限元分析软件a n s y s 对生物质秸秆在环模式秸秆压 块机中的成型过程进行模拟。 1 ) 结合秸秆生物质组成和环模的结构特点，探索环模式秸秆压块机的致密成型 机理，提出在设计或选用环模式成型机时注意几项主要技术参数，对生物质挤压成 型过程中影响的主要因素进行分析。 2 ) 对生物质秸秆压缩致密成型过程的非线性问题进行分析，借鉴可压缩的生物 质塑性理论，选用适合生物质秸秆的d n l k e r - p r a g e r 屈服条件，推导出生物质弹塑性 本构方程。 3 _ ) 应用有限元分析软件对秸秆压块成型过程进行模拟分析。通过对玉米秸秆在 环模内的流变规律，以及成型过程中摩擦力、应力、应变分布的分析，为挤压成型 8 第1 章绪论 部件的优化设计提供理论依据。 4 ) 对秸秆进行致密成型试验研究。分别改变原料含水率、原料尺寸、成型压力 等因素，以玉米秸秆为原料进行致密成型试验。对比试验结果，找出成型效果较好 的各种因素的最佳值。 5 ) 通过对生物质秸秆致密成型机理的研究，找到歇晌成型效果和工作效率的主 要因素，为秸秆压块机的设计提供重要理论基础。 9 河北科技大学硕士学位论文 第2 章环模式秸秆压块机设计与分析 2 1 环模式秸秆压块机主要结构及特点 2 1 1 环模式压块机的总体结构与工作原理 环模式秸秆压块成型机总体结构如图2 1 所示。 8 7 6 1 电机2 进科机构3 进料斗4 皮带轮 5 皮带6 保护罩7 环模压缩室8 底座 图2 1 环模式秸秆压块机结构 f i g 2 - 1 s t 加c h l co ft h ec i 枷l a rm 仰l ds t f a wb r i q u c t t i n g 环模式秸秆压块机工作时的挤压方式属于开式压缩，利用环模、压轮和物料三 者间的摩擦挤压作用使短段散状物料成型。其工作原理是电机1 通过皮带5 带动皮 带轮4 转动，从而带动主轴转动。由于主轴与压轮机构和进料机构相连，进而带动 压轮机构和进料机构2 运转。散状物料经进料斗3 进入带有不等螺距的螺旋进料机 构机体腔内，进料轴转动将物料均匀送入压缩室7 内。主轴带动压轮转动，由于压 轮和物料之间挤压摩擦，将物料压入环模成形孔，物料在压轮压力与孔壁摩擦作用 下逐层成形。由于模块的数量和电机的功率不同，环模式压块机的产量一般为 5 0 0 2 0 0 0 l 【g h ，较为合适的主轴转速为1 3 0 r p m 。 环模式秸秆压块成型机有以下特点： 1 ) 无外部热源。环模式秸秆压块机一般不需加热。环模、压轮、物料三者之间 的相互运动、摩擦产生的热量能使物料粘结在一起，完成致密成型这个过程，而且 产品的效果比较好。 2 ) 环模式秸秆压块机对秸秆原料的含水率要求低，一般在5 2 5 之间都能成 型。 1 0 第2 章环模式秸秆压块机设计与分析 3 ) 成型块品质好，强度高，热值高，成型块表面光滑，密度可达到o 8 1 2k g m 3 。 4 1 设备运转稳定，能耗低，产量大。 2 1 2 环模式压块机的传动与进料机构 压块机的传动方式采用带传动。带传动具有过载保护和缓冲吸振的能力。由于 进料有时不均匀，压块机的载荷变化较大且频繁，在工作过程中可能出现过载情况， 采用带传动可以降低过载带来的影响，保护压块机。压块机核心部件是进料机构和 环模压缩室。目前，进料机构与环模压缩室的传动机构是分开的，俗称“两根轴”， 即压轮机构传动由连接带轮的主轴带动，螺旋进料机构由另一根轴带动，所以使得 机器机构变得复杂。 本文传动机构和进料机构采用“一根轴”，如图2 2 所示。其特点是在带轮的带 动下，主轴1 经后挡板6 与压轮2 同时旋转，再经前挡板5 带动进料轴4 和螺旋进 料筒3 一起旋转，这样一组电机可带动压轮机构和进料筒同时工作。 4 3 2 1 1 主轴2 压轮3 螺旋进料筒4 进料轴5 前挡板6 后挡板 图2 2 传动与进料机构 f i g 2 - 2 讹i s m i 鹞i o n 姐df c c d i n gm c c h a n i s m 2 1 3 环模式压块机的压缩室结构 压缩室结构如图2 3 所示。秸秆原料的压缩是靠环模1 与压轮3 间的相对运动实 现的。环模通过螺栓固定在机体上，两个压轮由前挡板4 和后挡板5 固定连结，后 挡板5 与主轴连结由电机带动旋转，压轮在公转的同时由于物料的摩擦而自转。 压缩室采用双压轮机构，两个压轮以主轴为中心线成对称布置，使压轮受力均 匀，物料能够均匀及时地进入环模沟槽，不仅使产量增加，而且可保证主轴和进料 轴的同心度。压轮每完成一次公转周期就将布满环模沟槽内的物料压入模孔内，从 而形成了物料块的一个压层。随着物料的不断喂入，在压轮的压力作用下，物料被 接连不断地挤入模孔中，通过模孔后便形成了物料压块。 河北科技大学硕士学位论文 2 2 环模式秸秆压块机主要技术参数 环模式秸秆压块机由于产量大、产品质量好、能耗低等优点，在实际生产中己 广泛的应用于生物质秸秆致密成型中，受到大家的好评。低品位的、密度小的秸秆 经环模式压块机压缩后变成高品位、密度大的成型燃料，成型燃料的热值比原来大 大提高，而且便于储存和运输。成型块产品的质量很依赖于环模式秸秆压块机性能 的好坏，这要求我们在设计环模压块机时注意几项主要技术参数。 1 ) 主电机功率 环模式压块机的产量与主电机功率有着直接关系。在设计压块机时，根据压块 机的产能来选取主电机。若电机功率太小，虽然能耗低，但是压块机产量小，成型 压块的品质低；若电机功率太大，虽然产量增大，成型块品质也高，但是能耗也大。 因此，需要进行电机功率优化，合理选用电机，使产量与功率之比达到最大。 2 ) 环模长径比 环模的长径比是指环模的有效工作长度和模孔直径之比。在选用优质环模的前 提下，可根据生物质原料配方和产品要求选用合适的模孔形式及环模的长径比。长 径比大成型块结实，外观光滑且有光泽，但能耗大、生产成本高。反之，长径比小 可增加成型机的产量，减轻压轮和环模的磨损，降低能耗，但是成型块松散，有裂 纹，品质较低。通常依据压块产品品质的要求调整具体的长径比1 3 0 】。 3 ) 环模的开孔率 开孔率的大小影响环模强度和成型机的产量。开孔率小，产量低，环模强度高； 1 2 第2 章环模式秸秆压块机设计与分析 开孔率大，环模强度小，压块机产量高。 4 ) 环模与压轮之间的工作间隙 环模与压轮之间的工作间隙非常重要，太大或者太小都影响压块机的生产率。 所以，正确合理的调整环模与压轮的间隙很关键。一般来说，环模与压轮的间隙为 1 巧m m 。以实践经验来说，若环模和压轮的间隙太大，物料将在压轮和环模之间打 滑，物料很难被挤入模孔之内，导致机器工作效率低下，而且成型很困难；若间隙 太小，压轮和环模之间摩擦力增大，环模容易损坏，维修成本太高。一般情况在压 块机刚开始工作时，尽量调小压轮和环模的间隙，使环模与物料充分挤压，容易成 型，当成型机正常工作时，可以将他们的间隙调大，产品和产量提高了，也有利于 减小环模的磨损【3 1 】。 2 3 生物质致密成型原理 、 由生物化学可知，植物细胞中含有纤维素、半纤维素、木质素、树脂等物质【3 2 1 。 在生物质的挤压过程中，粒子的挤压变形如图2 - 4 所示。 粒子的排列改 粒子变形 塑性流动 爨了鞭 ( a ) 大的空同被填充( b ) 小的空同被填充 图2 _ 4 生物质粒子致密成型图解 f i g 2 4d i a g 皿m so f b i o m a 鲻b r i q u 酬【i n gp r o o c 鹞 由图2 4 可以看出，一开始粒子与粒子之间的空隙比较大，当施加一定压力时， 粒子之间相互移动位置发生改变，一部分粒子受到挤压填入到粒子之间的空隙内。 当粒子间的空隙被填满后，别的粒子就很难再进来了。要去填充周围的空隙，只有 经过再增大压力靠粒子本身的变形，当两个相邻的粒子相互挤压延展的时，继续增 大压力，粒子与粒子受到挤压纤维素粘结后就会相互结合，体积大幅度减小，密度 显著增大，原本分散的粒子就被致密成型了，一般不能再恢复原来粒子的结构形状 1 3 3 j 。 河北科技大学硕士学位论文 图2 5 是生物质秸秆致密成型过程示意图。经过连续的挤压过程，秸秆物料的密 度逐渐增大。 薮 父 父 图2 - 5 生物质秸秆致密成型过程 f i g 2 51 kb i o m a 醛b r i q u c t t i n gp m 潞 2 4 影响环模式压块机致密成型的因素 影响生物质燃料致密成型的因素有很多，主要包括原料的种类、尺寸、含水率、 成型压力和摩擦力等【粥6 1 。 不同因素对生物质致密成型影响各有差异，单独考虑一个方面的因素比较片面， 所以综合考虑压缩方式以及压缩对象差异，根据实际的生产情况选择最佳的成型条 件【3 7 捌。 2 4 1 原料的种类 不同种类的生物质原料，由于材料的构成及它的木质素和纤维素含量有所不同， 对其压缩成型过程和产品性能有很大的影响。一般木材废料难压缩，而纤维素植物 秸秆和树皮等容易压缩，在不加热条件下或温度较低时，较难压缩的原料就不易成 型，秸秆等纤维素植物则较易成型；但是在加热条件下或当温度较高时，由于木材 废料含有较多木质素，虽然其本身难于压缩成型，但木质素软化能起到粘结作用， 在高温条件下成型反而容易，而植物秸秆和树皮等含木质素较少，粘结能力弱，成 型后没有木质原料成型粘结得牢固。所以，原料的不同不但影响成型机的功耗和单 位产量，也影响成品的强度、密度和热值等物理品质。 2 4 2 原料的尺寸 不同的致密成型方式对原料尺寸的要求各不相同，因为原料尺寸对致密成型过 程以及产品的质量影响很大。在压力相同的情况下，尺寸小的物料比尺寸大的物料 更容易成型，这是由于较小尺寸物料的变形率比较大。对于确定的致密成型方式， 原料尺寸大小的要求有一定的范围，当原料的尺寸较大时，进料比较难、成型机工 作不稳定、能耗大且产品的成形效果不好。对于螺旋挤压成型，原料尺寸分布较大 时，成型产品密度、强度降低，表面产生裂纹。尺寸太小时，通过机械冲压成型机 1 4 第2 章环模式秸秆压块机设计与分析 生产的产品粉化率高，质量不易保证。 2 4 3 原料含水率 对于普通的生物质致密成型，一般原料含水率范围在l o 2 0 【3 9 1 。含水率过高 或过低都不能很好的成型，达不到预期目标。含水率太低时，物料比较干燥，物料 与成型模具之间以及物料与物料之间的摩擦力增大，虽然温度升高，木质素软化， 但是水分太少不能促进木质素塑化和物料之间的粘结，致密成型很困难，而且造成 太多的压缩能消耗。当原料含水率太高时，由于挤压摩擦产生的热量使温度升高， 能促进木质素的软化和粘结作用，但是部分热量消耗在蒸发多余水分上，会降低物 料的传热速度，造成能量损失，水分太多成型产品的松弛比比较大，成型表面不够 光滑。 2 4 4 成型压力 压力是生物质原料致密成型的关键因素之一，为物料在模具中挤压成型提供动 力。压力的大小不仅影响成型机的产量，而且对成型产品质量的影响很大，所以施 加适当的压力对生物质原料进行挤压致密成型很关键。当施加压力较小时，成型产 品的密度不够，表面粗糙，压力过小时，不能克服物料与模具之间的摩擦阻力，致 密成型过程将无法进行。当压力较大时，物料容易挤压变形，进入成型模具克服物 料与模孔壁的摩擦阻力进而成型，得到的产品质量表面光滑，密度高，压力过大时， 物料受力比较大在成型模具中流动比较快，而且受力不均匀，造成成型产品没有压 实，内部密度小，强度和热值都达不到要求。 2 4 5 摩擦力 摩擦力是物料的挤压成型过程中的关键因素之一，特别是在常温挤压成型中更 为关键。在物料挤压成型过程中，物料主要受到的就是外界施加的压力和它与模具 之间的摩擦力，由于摩擦力的作用，在模具中产生了热量可以软化木质素，使物料 相互之间更容易结合在一起，对致密成型效果起到很大的作用。但是摩擦力的存在 也使得在挤压过程中消耗更多的能量。有专家研究得出在压缩成型过程中施加的力 主要用于克服摩擦阻力，用在挤压的能量只占了3 5 左右。 2 5本章小结 本章简单介绍了环模式秸秆压块机的结构特点，提出了在设计或选用环模式成 型机时注意几项主要技术参数：主电机功率、环模长径比、环模的开孔率以及环模 和压轮之间的工作间隙。 分析了原料的种类、原料的尺寸、含水率、成型压力、摩擦力等对工作效率以 及成型效果的影响。 1 5 河北科技大学硕士学位论文 第3 章致密成型过程有限元非线性分析 3 1 有限元a n s y s 软件介绍 a n s y s 软件是融结构、流体、电磁场、声场、和耦合场分析于一体的大型通用 有限元分析软件。由世界最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它能 与多数c a d 软件界面，实现数据的共享和交换，如p r 0 肥、u g 、i d 巴蝎、q 气d d s 及a u t o a 蛐等，是现代产品设计中的高级q 如工具之一【柏】。 a n s y s 是一种应用广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，就是根 据机械系统受载时的应力、应变、温度、位移等变化，得知机械结构系统负载后的 状态，判断是否满足设计要求。由于机械结构负载较多，而且几何结构也相当复杂， 普通的理论分析很难进行，只有忽略一些条件，简化结构，采用数值模拟方法进行 分析。近年来由于计算机行业的快速发展，使得a n s y s 等。墟软件广泛应用在工 程上，例如在机械、电子、机电、航空和土木等领域的使用，颇受各界好评。 使用有限元软件，能够降低成本，缩短设计时间。2 0 0 0 年1 1 月北京飞箭软件公 司和中国科学院联合成功研发了世界上第一个可通过互联网使用的有限元分析软 件，大家可以通过网络平台共享资源，使我国在研究有限元法及应用方面获得了突 破性进展，该套系统突破了国内外的通用有限元软件只适用于特定领域和特定有限 元问题的限制，使广大科学家和工程师从重复、繁琐的编程工作中彻底解放出来， 原来人们需要数月才能完成的编程工作采用这一系统可以在数天甚至数小时内完 成。 a n s y s 软件有以下特点： 1 ) 前处理功能强。可以方便地构造有限元模型、定义材料特性、边界条件、各 种荷载、建立约束方程；提供了强大的划分网格工具，具有子结构、子模型等高级 功能。 2 ) 分析能力强。包括结构分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、电 压分析以及多物理场的耦合分析，具有多种方程求解器，求解精度高。 3 ) 后处理功能强。可将计算结果以彩色等值线显示，也可将结果以图表、曲线 形式显示或输出，可获得任何节点、单元的数据。 4 ) 开放型好。用户可以在a n s y s 系统上扩展新的用户功能。 3 2 有限元法基本理论 有限元法的基本思路可以归结为，用较简单的问题代替复杂的问题然后再求解。 。它是将连续的求解域看成由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每个单元假定 1 6 第3 章致密成型过程有限元非线性分析 一个简单的近似解，将一个连续的问题简化为离散的有限个问题求解，然后推导求 解域的满足条件，来逼近或模拟原来的求解域。这个解不是准确解，而是近似解。 求解域被离散后，通过对其中各个子域进行单元分析，再将所有子域按标准方法拟 合，最终得到对整个物体的分析。 a n s y s 有限元分析过程可概括如图3 1 n 图3 - 1a n s y s 有限元分析过程 f j 昌3 - 1a n s y s 血血cc l c m 饥t 柚a l y s i s 2 0 世纪7 0 年代，随着计算机科学技术飞速发展，将计算机与有限元方法相结合， 大大的减少了以前冗繁的计算，提高了计算速度。为工程计算以及数值模拟提供了 一个宽广的平台。 对于材料的致密成型而言，有限元方法可以分为流动型塑性有限元和固体型塑 性成型有限元两大类【4 1 】。流动型塑性有限元包括刚粘塑性有限元和刚塑性有限元； 固体型塑性成型有限元又包括弹粘塑性有限元和弹塑性有限元。流动型塑性有限元 不计材料的弹性变形，采用k v v m i s e s 方程作为本构方程，固体型塑性成型有限元 不但考虑弹性变形，还要考虑塑性变形，材料发生弹性变形时采用虎克定律，塑性 变形区采用p m d t l r e u s s 方程和m i s e s 屈服准则f 4 2 1 。 本文研究的生物质秸秆是弹塑性材料，在施加压力的条件下一开始生物质秸秆 会发生弹性变形，但是随着挤压的继续进行，它会发生较大的塑性变形，由于变形 过程中接触等条件不确定，流动型塑性有限元方法不适合该变形过程。生物质的材 1 7 河北科技大学硕士学位论文 料属性与金属有很大的区别，固体型塑性成型有限元基本假设与生物质秸秆有着很 大差别，它主要是针对金属材料建立起来的，例如金属材料属于单相介质，而生物 质秸秆是多相介质；生物质秸秆成型机理要比普通金属材料成型机理复杂很多，在 静压屈服方面，生物质秸秆不仅发生弹性体积变形，还会发生塑性体积变形，而金 属材料只发生弹性体积变形；在加载情况下，生物质秸秆粒子会发生滑动、滚动、 转动及压碎等现象。 生物质秸秆在致密成型时，由于秸秆的材料特性问题，挤压过程中变形比较明 显，属于大变形问题，为几何非线性问题。应该采用有限元法大变形非线性进