（机械设计及理论专业论文）基于ansys的生物质成型关键部件动静态特性研究.pdf

摘要 摘要 生物质成型技术可为其它的生物质能综合利用技术提供原料供给。生物质能 是一种重要的可再生能源，其高效开发利用有助于改善生态环境、缓解世界能源 供应紧缺的现状。世界各国高度重视开发生物质成型技术，但该技术目前还存在 一些发展瓶颈，如成型设备生产能耗高、成品质量参差不齐、关键部件使用寿命 短、设备振动噪声过大等。这些存在的问题指引着成型技术今后的发展方向。 本文通过研究生物质成型设备的能量消耗特点和结构破坏形式，运用弹塑性 力学、接触力学、粘弹性理论知识对成型过程进行数值模拟，得到生物质原料在 成型过程中的形变、流变规律。研究发现，生物质原料在棱角处的流动速度明显 滞后于其它部位，这是生物质成品发生棱角撕裂倒钝现象的主要原因。运用a n s y s 程序的静力分析模块对环模的应力分布进行了数值研究，得到环模发生材料剥落 现象的原因是环模棱角处产生的应力集中现象。然后根据生物质成品棱角撕裂倒 钝现象提出孔型改进方案，研究表明对模孔棱角倒圆处理后，环模与生物质成品 在棱角处的应力值均减小，不但使应力沿周向分布均匀合理，改善模孔受力状况， 而且为模孔孔型优化设计、降低成型设备能耗提供了理论依据。 主轴部件是设备运行过程中产生疲劳破坏的主要部件，本文通过建立主轴部 件的动力学运动方程与质量矩阵对其动力响应特性进行分析研究。首先，对系统 固有频率及振型进行了详细描述与分析，得到主轴部件的临界转速为3 6 6 5 5 2 r m i n ， 分析结果表明其工作转速远低于临界转速，能有效避开共振区域。其次，本文运 用振型叠加原理重点分析了主轴部件在承受简谐变化的成型压力时的动态响应情 况，得到在工作载荷频率下主轴部件的最大响应位移为1 2 5 x 1 0 0 所、最大响应应力 为1 5 6 m p a 。最后，通过对比研究，得到主轴结构支撑跨距对其动态响应特性的影 响规律，在将支撑跨距由4 8 0 m m 降低为4 3 0 r a m 的过程中，结构最大应力和最大位移 响应均呈上升趋势，结构稳定性降低。 本文利用a n s y s 程序对成型设备力学性能以及振动响应特性进行了系统地量 化分析。结合生物质成型压力、成型过程应力应变关系实验研究，对实验结果进 行理论分析验证，揭示了生物质成型过程中的应力变化规律。得到结构在工作载 荷下的稳态响应规律，为成型设备的系统结构优化、可靠性分析奠定了理论基础。 关键词：生物质；成型；有限元；静态分析；动态特性 i x a b s t r a c t a b s t r a c t b i o m a s sd e n s i f i c a t i o nt e c h n o l o g ys u p p l yr a wm a t e r i a l sf o ro t h e rb i o m a s se n e r g y u t i l i z a t i o nt e c h n o l o g i e s a sa ni m p o r t a n tr e n e w a b l ee n e r g y , e f f i c i e n td e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o no fb i o m a s se n e r g yc a nn o to n l yc o n t r i b u t et oa l l e v i a t ee n e r g ys h o r t a g es t a t u s a l lo v e rt h ew o r l d ，b u ta l s oi m p r o v et h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t c o u n t r i e sa r o u n dt h e w o r l da t t a c hg r e a ti m p o r t a n c et od e v e l o p i n gb i o m a s sd e n s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , b u tt h e r e a r es t i l ls o m ed e v e l o p m e n tb o t t l e n e c k s ，s u c ha s h i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，l o w p r o d u c t i v ec a p a c i t y , w i d er a n g i n gp r o d u c tq u a l i t y , s h o r tl i f e t i m eo fk e yc o m p o n e n t s ， e x c e s s i v ev i b r a t i o na n dn o i s e t h e s ep r o b l e m sg i v ed i r e c t i o n st od e v e l o p m e n tt r e n do f b i o m a s sd e n s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ed e s t r u c t i o n a lf o r m so ft h e e q u i p m e n ta r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r , c o m et oac o n c l u s i o nt h a tt h er i n gd i ea n ds p i n d l e p a r t sa r et h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fb i o m a s sd e n s i f i c a t i o ne q u i p m e n t b i o m a s s d e n s i f i c a t i o np r o c e s si sn u m e r i c a ls i m u l a t e db yu s i n gt h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo f p l a s t o e l a s t i c i t y , c o n t a c t m e c h a n i c sa n dv i s c o e l a s t i c i t y t h e o r y t h e d e f o r m a t i o n p r i n c i p l e s a n dr h e o l o g i cl a w sa r er e v e a l e d d u r i n gb r i q u e t t ep r o c e s s ，t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o no fr i n gd i ei so b t a i n e d ，a n dt h er e g u l a r i t yf o rc h a n g eo fb r i q u e t t ep r e s s u r ei s a l s oo b t a i n e d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tm a t e r i a lf l o wv e l o c i t yo na x i sp a r ti sf a s t e r t h a no t h e rp a r t s t h el o w e s tf l o wv e l o c i t ya p p e a r so ne d g e so fb r i q u e t t e s ，t h ev o n - m i s e s s t r e s sr e a c h e dt h eh i g h e s tv a l u ec o r r e s p o n d i n g l y t h e r eh a sas h a r pd e c l i n eo fs t r e s si n b r i q u e t t ea f t e rf l o w i n go u tf r o mt h ed i eh o l e ，b u tr e s i d u a ls t r e s ss t i l le x i s t t h i si st h e f i r s tt i m et os t u d yt h ep h e n o m e n o nt h a tr i n gd i em a t e r i a lf l a k i n go f fa n db r i q u e t t e r i p p i n go ne d g e sb ya n a l y z i n gd e n s i f i c a t i o nm e c h a n i s m a n dt h es t r e s s - s t r a i nd i s t r i b u t i o n a ni m p r o v e ds c h e m ei sp r e s e n t e da n dc o m p a r e dw i t ht h ec u s t o m a r ym o d e l t h es t u d y c o m e st oac o n c l u s i o nt h a tt h ei m p r o v e ds c h e m ec a nr e d u c et h es t r e s sv a l u eo nb r i q u e t t e e d g e se f f e c t i v e l y , a n dm a k es t r e s sd i s t r i b u t i o nm o r er e a s o n a b l e s p i n d l ep a r ti sa tt h er i s ko ff a t i g u ef a i l u r e ，t h ed y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s a r es t u d i e db ye s t a b l i s h m e n td y n a m i ce q u a t i o na n da n a l y s i sm a s sm a t r i x f i r s to fa l l ， s t u d yo nn a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h em o d eo fs p i n d l ep a r t sa r ec a r d e do u t t h ec r i t i c a l s p e e do fs p i n d l ei s3 6 6 5 5 2 r m i n ，a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ew o r kf r e q u e n c yi sf a ra w a y i i l 东大学硕士学位论文 f r o mt h ec r i t i c a ls p e e d ，t h es t r u c t u r ec a na v o i dt h er e s o n a n c er e g i o ne f f e c t i v e l y s e c o n d l y ，t h es p i n d l ep a r tw h i c hs u p p o r tt h el o a d ，v a r i e sa c c o r d i n gt os i m p l eh a r m o n i c r e g u l a ri sa n a l y z e db yu s i n gv i b r a t i o nm o d es u p e r p o s i t i o nm e t h o d ，t h ed y n a m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c si sg o t t e n t h el a r g e s tr e s p o n s et od i s p l a c e m e n ti s1 2 5 10 一m ， a n dt h el a r g e s tr e s p o n s et os t r e s si s15 6 m p au n d e rw o r k i n gf r e q u e n c y t h e r ei sa c o m p a r e ds t u d ya b o u te f f e c t i v e n e s so fs p i n d l es u p p o r ts p a nt o s t r u c t u r ed y n a m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s b yd e c r e a s et h es u p p o r ts p a nf r o m4 8 0 m mt o4 3 0 m m ，t h e m a x i m u ms t r e s sa n dt h em a x i m u md i s p l a c e m e n ta r ec o m et oa nu p w a r dt r e n di nb o t h ， s t a b i l i t yo fs t r u c t u r ei sd e c r e a s e d t h i s p a p e r c a r r i e do u t q u a n t i t a t i v ea n a l y s i ss y s t e m a t i c a l l y o nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dv i b r a t i o nr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fb r i q u e t t i n ge q u i p m e n tb a s e do n a n s y ss o f t w a r e al a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sw e r ed o n et os t u d yt h eb i o m a s s d e n s i f i c a t i o np r e s s u r ea n dt h er e l a t i o nb e t w e e ns t r e s s s t r a i ni nb r i q u e t t ep r o c e s s i nt h i s p a p e r , t h e s ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hd a t aw a sa n a l y z e da n dv e r i f i e db a s e do nt h e o r e t i c a l r e s e a r c hf o u n d a t i o n t h es t e a d y s t a t er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fb r i q u e t t i n ge q u i p m e n t i sm a s t e r e di nt h i sp a p e r , i ta l s ol a i daf o u n d a t i o nf o ro v i m i z i n gs t r u c t u r ed e s i g na n d a n a l y z i n gr e l i a b i l i t yo fb r i q u e t t i n ge q u i p m e n t k e yw o r d s ：b i o m a s se n e r g y ；b r i q u e t t i n g ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s t a t i ca n a l y s i s ； d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c x i l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 韵法律责任由本人承担。 论文作者签名：商垒些e l 期： 刁矿9 4 、2 d 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蕴毫龌导师签名 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题研究背景 能源是人类生存与发展的前提和基础，人类文明的每一步跨越和进步都与所 用能源种类及其利用方式紧密相连。全球生物质能源储量非常丰富，每年经光合 作用产生的生物质约1 7 0 0 亿吨，其能量相当于世界主要燃料贡献的1 0 倍【l 2 】。因 此，有效开发利用生物质能源是解决世界能源紧缺问题的有效途径。自上世纪7 0 年代以来，为了应对日益突出的能源危机和气候变化，世界各国开始高度重视生 物质能的开发与利用，生物质能技术水平得到不断提高，产业规模逐渐扩大，逐 渐成为促进能源多元化和实现可持续发展的重要途径之一【3 1 。 生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源之一，也是唯一可再生的碳源。 生物质成型技术是将木质类的木屑、秸秆、树叶等，在一定粒度和含水率的条件 下，经粉碎、调湿、压力成型为规则几何形状的生物质固体能源产品。其成型制 品用途广泛，不仅能作为炉灶燃料、锅炉燃料、热解气化原料，还可进一步用以 发电、加工成型炭和活性炭，同时可作为食草类牲畜的饲料等1 4 , 5 】。 成型后的生物质成品有如下特点【6 7 】：( 1 ) 与普通薪柴燃料相比，它具有密度高、 形状和性质均一的特点，便于运输、装卸、储存。生物质原料经挤压成型后，密 度由3 0 , - - , 5 0 k g m 3 提高到7 0 01 4 0 0 k g m 3 左右，含水率在2 0 以下。( 2 ) 热效率提 高、燃烧性能好。生物质成型燃料热值可达3 7 0 0 - 5 0 0 0 k c a l k g ，在专用炉具中燃 烧热效率可达5 0 以上，而我国农村每年消耗的2 1 3 3 9 m t 柴草，在传统的旧式炉 灶直接燃烧后热效率只有5 - - 1 0 。( 3 ) 与传统的化石燃料相比是清洁的可再生 能源，它使用方便、燃烧完全，含挥发物高( 7 0 以上) ，灰分低( 一般小于5 ) ， 燃烧过程实现“零排放”，即无烟尘、无二氧化硫等有害气体，不污染环境。( 4 ) 成型燃料取用方便且损失少，是易于进行商品化生产和销售的可再生能源。 ( 5 ) 成型饲料经过由生变熟、淀粉糊化、消毒灭菌、粗纤维降解等过程，使水溶性糖 类增加，粗蛋白含量提高到6 - - - 8 ，有机物消化吸收率可提高2 0 ，达到6 5 以上。 利用成型技术开发生物质能源的前景十分广阔，它不但可缓解能源短缺的状 况，改善生态环境，还能为其它的生物质能综合利用技术提供原料供给。据预测， 至1 j 2 0 5 0 年，生物质能用量将占全球燃料直接用量的3 8 ，发电量将占全球总电量 i il 东大学硕十学位论文 的1 7 。根据我国可再生能源中长期发展规划确定的主要发展目标，至0 2 0 1 0 年，生物质发电达至0 5 5 0 万千瓦；至u 2 0 2 0 年，全国生物质发电装机容量达至u 3 0 0 0 万 千瓦1 8 , 9 1 。但是，生物质成型技术还存在一些发展瓶颈，在现阶段，如何降低成型 设备生产能耗、提高产量与成品质量、延长关键部件使用寿命、减小设备振动是 研究的重点与难点。 1 2 课题研究的意义 生物质成型技术是松散生物质原料利用的关键技术之一。早在生物质压缩成 型之前，1 9 0 0 年日本就开始研究用于替代木材燃料的煤粉压缩成型块。随后许多 国家相继开始对容积大、热值低的生物质材料开展压缩成型技术的研究，通过将 生物质压缩成一定形状和密度的压缩块( b r i q u e t t e ) 或压缩粒( p e l l e t ) ，达到高 效地利用生物质潜在热能的目的 i o , i l 。 我国是一个农业大国，每年有大量的生物质废弃物产生，其中农作物秸秆年 产量超过6 亿吨，可作为能源用途的可折合1 5 亿吨标准煤【1 2 l ；薪炭林和林业及木 材加工废弃物的资源量相当于2 亿吨标准煤。一方面在农业主产区，大量的秸秆 资源过剩，农作物废弃物被大量遗弃堆弃在田间地头就地焚烧，释放出的大量污 染物造成大气污染，严重影响了公共交通，造成高速路关闭、机场停航等严重后 果。另一方面，生物质成型产品用途广泛，与长期以来燃用煤炭等固体燃料的利 用方式一致，作为煤的良好替代品，符合可持续发展的要求，实现了低品位燃料 向高品位、低污染燃料的转变。 为积极推动生物质成型产业的发展，我国政府给予了许多政策性引导和税收 优惠，如减少生物质成型行业的税收，优先发展生物质致密行业等。中国新能源 和可再生能源发展纲要( 1 9 9 6 - - , 2 0 1 0 年) 中提出要将“发展高效的直接燃烧技术、 成型技术、气化液化技术”作为今后工作的一个主要方面来抓i l3 1 。并且自“八五 计划后，我国以成型技术的研究开发为生物质现代化利用技术研究的重点方向。 本课题来源于2 0 0 7 年山东省自主创新重大技术专项济南机场周围烟尘污 染防治综合技术治理( 2 0 0 7 z h z x l1 0 0 1 ) 。以降低秸秆类生物质成型设备生产能 耗、提高可靠性和运行稳定性为依据，建立了关键零部件的数学模型，研究了设 备工作状态、作用载荷类型，运用三维制图软件进行参数化建模；从秸秆原料成 型机理入手，对原料成型过程进行了非线性静力学模拟分析，得到设备优化设计 2 第1 章绪论 的依据，并运用有限元分析方法模拟生物质成型过程中关键零部件的动力学特性， 从而突破了以往对成型机研究中只针对整机做定性研究的模式。本文对成型设备 力学性能以及振动响应特性进行了系统地量化分析，不但探索了一条从实体造型、 有限元网格划分、非线性分析、动力学分析到有限元计算全过程的模型仿真及应 用方法，而且为环模式成型机的制造与系统优化提供了技术支持。 综上所述，本课题基于生物质成型机理，结合弹塑性力学、摩擦学、振动学 等多学科理论，为提高成型设备寿命、降低生产能耗、提高成型产品质量、减小 设备振动噪音提供了理论依据。对于成型技术的推广应用与生物质资源规模化利 用具有重要的指导意义，是一项具有纵深理论基础和广阔应用前景的研究课题。 1 3 生物质成型技术 1 3 1 生物质成型机理 生物质成型主要是利用木质素的胶粘作用，自由基的水分、果胶质或糖类混合 成的胶体也起到胶粘的作用。松散的生物质原料颗粒在受到一定的外部压力后， 先后经历重新排列位置关系颗粒机械变形和流变体积大幅减小、密度显著增大三 个阶段，其粒子排列改变与变形情况如图1 1 所示【1 4 1 。 粒子的捧列改变 粒子交形 一图 r b l 图1 1 生物质颗粒压缩成型过程图解 农林废弃物中的木质素为光合作用形成的天然聚合体，具有复杂的三维结构， 是高分子物质，在植物中的含量约为1 5 - - - , 3 0 。当温度达到7 0 1 0 0 ，木质素 开始软化，并有一定的黏度。对于热压成型工艺，当温度达到2 0 0 3 0 0 时，木 质素呈熔融状，黏度变高。此时若施加一定的外力，可使它与纤维素紧密粘结， 使植物体积大量减少，密度显著增加，取消外力后，由于非弹性的纤维分子间的 3 山东大学硕士学位论文 相互缠绕，其仍能保持给定形状，冷却后强度进一步增加，成为成型燃料【15 1 。 对于冷成型工艺，主要是通过生物质颗粒间的机械嵌套来达到一定的结合力， 使成型块不松散，并且伴随着原料中黏性物质的粘结作用和由于高压作用造成的 颗粒变形破坏而使纤维间相互缠结的现象 1 6 , 1 7 】。在外力作用下，有一部分粒子会 进入粒子间较大的空隙中，粒子间发生滑移，相对位置不断改变，直到粒子间所 有较大的空隙都被能进入的粒子占据，这时再增加压力，只有靠粒子本身的变形 去填充其周围的空隙，粒子在垂直于最大主应力的平面上被延展，当粒子被延展 到相邻的两个粒子相互接触的时候，粒子被相互黏合。 1 3 2 生物质成型设备 目前国内外较为成熟、应用较多的生物质成型燃料加工技术有以下三种：辊 模碾压式( 包括环模式和平模式) 成型技术、螺旋挤压式成型技术、活塞冲压式 ( 包括机械式、液压式) 成型技术【1 8 2 0 1 。 辊磨碾压式生物质成型机的基本成型部 件由轧辊、环模组成，按照轧辊环模的形状 特点与工作方式可分为环模式成型、平模式 成型与对辊式成型。 环模式成型机主成型部件如图1 - 2 所示， 依据其模孔形状可分为压块成型机与制粒 成型机两种。原料成型及出模过程如下：生 物质原料经过铡切、除杂质、配水等预处理 工序后，经由进料设备输送至成型腔内；通 常情况下环模固定，压辊同时围绕自身中心 4 s 图1 2 环模式成型机成型部件示意图 1 环模；2 - a 区原料；3 - 车l 辊；4 成型产品； 5 模孔 o 及环模中心o 做旋转运动。为使整个结构受力平衡，轧辊通常成对使用，轧辊 运动方向见图1 2 ；原料在压辊环模相对运动产生的摩擦力、压辊径向压力的共同 作用下沿楔向进入模孔中，在成型压力的作用下移动出模，形成生物质成型成品。 由于该设备采用的是常温成型技术，无需外部热源，仅通过生产过程中自身 产热即可使原料中的木质素软化、粘结成型，从而使整体成型能耗较热压成型技 术能耗低。同时生产效率高，结构工艺优化空间大，更容易实现大规模生产应用。 4 第l 章绪论 2 3 4 图1 3 平模式成型机成型部件 1 平模；2 原料；3 轧辊；4 成型产品 2 图1 - 4 对辊式成型机成型部件 1 料斗；2 原料；3 - 车l 辊 平模式成型设备、对辊式成型设备的成型产品出模机理与环模式轧辊成型设 备相同。根据结构需要，环模式成型设备多为卧式；平模式成型设备多为立式， 如图1 3 所示；对辊式成型设备的成型产品落入中空的轧辊腔，由风机输送出腔， 其主成型部件如图1 4 所示。 螺杆挤压式生物质成型技术是利用螺杆输送推进并挤压原料，套筒和螺杆形 成一个成型腔，并提供成型压力，主成型部件示意图见图1 5 ，生产出的生物质成 6 爿：摹譬 v k ；鹚酶嗡 t 广7 一- 。：。j f ：j 图1 5 螺旋挤压式生物质成型机成型部件 1 连接法兰；2 原料；3 驱动轴；4 螺杆； 5 成型模具；6 - 成型棒料 图1 - 6 活塞冲压式生物质成型机成型部件 1 原料；2 驱动部件；3 活塞；4 成型模具； 5 成型棒料 品为中空棒料。该技术需要在套筒外部缠绕电阻丝，以维持成型温度在1 5 0 , - - , 3 0 0 。c 范围内。这种成型技术应用较早，但能耗高、产量低，且螺杆磨损严重。 5 l _ l i 东大学硕士学位论文 活塞式成型是依靠活塞的往复运动来实现生物质原料的压缩成型，如图1 6 所示。按驱动动力的不同可分为两类：一类是用电动机通过机械传动驱动，称为 机械驱动活塞式成型机，它利用曲柄连杆机构，带动活塞运动；另一类是利用液 压系统驱动，称为液压驱动活塞成型机。该成型设备由于活塞有回程，故对成型 棒料的压制属于间断冲击，存在不平衡现象。同时产量低、产品不适宜炭化，但 关键零部件磨损比螺旋挤压式成型设备小，工作寿命较长1 2 1 1 。 1 4 生物质成型技术国内外研究现状 ( 1 ) 生物质原料压缩特性分析 生物质原料具有流动性差、相互牵连力较大的特性，是成型喂入和压缩的难 点。对生物质原料压缩特性的研究主要集中在粘结机制和塑性变形等方面。当压 力较小时，生物质成型产品的密度随压力的增大而显著增大，但达到压紧阶段后， 密度变化缓慢，随后渐趋于常数。 德国的r u m p f 针对不同材料的压缩成型，对成型产品内部的粘结力类型和粘结 方式进行了分类，j a l i n d l e y 在对生物质燃料压缩成型的研究中认为，虽然成型物 的密度和强度受温度、含水量、压力、添加剂等诸多因素影响，但实质上都可以 用r u m p l t i f i 述的粘结类型和粘结力来解释生物质成型物内部的成型机制。国内的盛 奎川、吴杰等对农作物秸秆原料在成型模具内的流变特性进行了试验研究，并从 微观的角度，对玉米秸秆粉粒体的压缩成型过程进行了粒子结构的分析【2 2 1 。董玉 平、申树云等人通过对生物质原料在成型过程中的变形情况分析，得到环模在复 杂应力状态下的弹塑性本构方程，同时考虑了环模的弹性应变、塑性应变及热应 变等影响因素1 1 7 j 。 西班牙学者m j b l e s a 、j l m i r a n d a 以及国内的郭康权等人围绕生物质原料压 缩流变特性以及成型工艺方面进行了试验研究，研究指出，生物质纤维在成品内 部形成立体网状结构，对原料颗粒有明显的连结、包裹作用。根据压缩过程粒子 变形的二向平均径及结合形式，认为植物材料在压缩成型时，先是在垂直于最大 主应力的方向，粒子以相互啮合形式结合；接着在沿着最大主应力方向上，粒子 以相互贴合的形式结合1 2 3 2 5 1 。 f a b o r o d e 等根据成型过程中的物理机械特性进行了试验研究，根据弹性力和惯 性力的变化规律，采用一个无量纲参数柯西数( 惯性力和弹性力的比值) 将 6 第1 章绪论 生物质原料在闭模内压缩分为两个阶段，在松软阶段、过渡阶段中，物料在压缩 过程排除空气，惯性力占优势；进入压紧阶段后物料发生弹性变形，弹性力占优 势1 2 6 1 。 ( 2 ) 影响生物质成型产品品质的因素 对于不同的原料种类、不同的含水率、不同的粒度、不同的成型方式、成型 压力，成型特性有很大的差异，并对成型过程和产品品质有很大的影响。 张百良等人研究了生物质压缩力和压缩密度的关系，建立了相应的数学模型， 得出压缩力与压缩密度的变化表现为指数关系。通过研究压力、温度和切碎棉杆 粒度对成型块松弛密度的影响，得到在相同的温度及初始密度条件下，压力增大， 松弛比相应减小，相同的压力及初始密度条件下，常温压缩成型比有热源压缩成 型的松弛比大【2 刀。 康德孚对螺杆式挤压成型机进行了试验研究，并在d a r n e l l 和m o l 公式的基础上， 分析了生物质原料与螺杆槽壁间的滑动对成型压力的影响关系，指出压力随滑动 量的增加而减少，并给出了成型部件在成型过程中的轴向力与转矩的变化曲线。 文中还引入了5 元素m a x w e l l 模型，阐述了农业废弃物在加热的机筒内压缩时的流 变行为及压力分布情况，借助应力松弛曲线确定了物料在机筒内的滞留时间口引。 赵青玲、回彩娟等人通过原料含水率、成型直径对成型产品的耐久性、抗变 形性、抗渗水性的测量，给出了玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆的含水率与完全 分解时间之间的关系，得到成品抗变形性、承载能力与成型压力的关系。当原料 水分过高时，加热过程中产生的蒸汽不能顺利地从燃料中心孔排出，造成表面开 裂，严重时产生爆鸣。但含水率太低，成型也很困难，这是因为微量水分对木素 的软化、塑化有促进作用。俞国胜等对影响生物质高压冷成型的主要因素：施加 压力，原料含水率，原料种类等进行分析，回归出生物质成品密度与压力的函数 关系式2 9 3 1 1 。 邓波、高名旺等人对压缩成型过程中生物质温度场进行了理论分析，利用焓 法解决了材料由于温度引起的传热性能变化，得到了成型过程中的生物质温度场 分布规律，分析了静水压应力对原料致密化过程的作用机理，并给出其流动规律。 同时，对影响生物质成型产品品质的主要影响因素进行了分析，得到间歇式液压 成型条件下的生物质成型机理和规律 1 4 , 3 2 。 7 i j l 东大学硕七学位论文 ( 3 ) 成型能耗的研究 能耗是衡量生物质成型技术经济效益的非常重要性能指标，它是指在单位时 间内生产成型燃料所消耗的能量与该时间内生产的成型燃料质量的比值。设备成 型的能耗与前面两个研究方向密切相关，主要包括三部分：原料喂入所消耗的能 量；物料与成型部件内壁摩擦所消耗的能量；克服物料弹性变形所需的能量。 n d i e m ac k w 、l o g i n o vy n 以及国内的恩和等人对生物质成型工艺特点 进行了分析研究，探讨了成型速度及设备结构参数对成型压力大小、成型率、成 型能耗的影响【3 3 3 5 1 。杨波、翁伟等人对活塞冲压式生物质成型机能量消耗测试及 分析，从提高加热套的功率利用率，进料系统顺畅运行，增加进料量以及防止型 腔阻塞等方面提出节能降耗的措施 3 6 , 3 7 】。 农业部南京农业机械化研究所的陈永生、朱德文等人以降低物料与对辊式模 腔内的过量摩擦能耗为切入点，研制了一种新型空心对辊式生物质制粒成型机； 北京中汇信联技术发展有限公司开发出一种新型生物质螺杆挤压成型设备；江苏 牧羊集团有限公司研制的冲压式生物质成型机是以动力结构优化为主要特点。这 些是将理论转化为现实知识产权的典型案例。 1 5 研究中存在的问题 生物质成型方面的研究已经取得一些进展和成果，但是在研究手段、研究方 法和设备整机性能分析方面还存在一些问题。 第一，目前生物质成型方面的进展成果主要是基于某种条件下进行的实验研 究为主，对生物质压缩变形过程的理论研究还不够深入。尤其是针对冷成型工艺， 与生物质成型所需的压力相关的出模过程的应力应变关系等尚停留在实验研究阶 段，未从理论层面对成型原料的形变、流变过程给予分析验证，因此具有一定的 局限性。 第二，虽然已经有湿度、颗粒度、原料种类等原料特性与出料模孔关系的实 验研究，但由于所选用物料及实验持续时间的局限性，在生产中针对设备材料、 结构、磨损等不利因素的理论研究体系尚未建立，同时针对不同类型成型设备关 键部件的系统性力学分析、可靠性分析等相关研究还未有效开展。 第三，仅针对成型设备的环模进行了稳态工作状态下的应力分析，优化了模 8 第1 章绪论 孔的长径比，针对生产过程中出现的模孔棱角处材料剥落以及生物质成品棱角撕 裂倒钝现象而进行的理论分析研究尚未见到，同时对成型设备关键部件动态响应 特性的研究也鲜有报道。而压块式成型机械普及范围较广，因此有必要进行结构 分析及优化，以进一步降低生产能耗、提高设备使用寿命。 最后，国外生物质成型技术起步早，技术较为成熟，但欧美国家森林覆盖率 高，生物质成型原料主要为木屑、锯末等林业加工废弃物，原料中木质素含量较 高，容易成型；我国生物质绝大多数为农作物秸秆等，成型过程中相对比较困难。 针对原料的特殊性，成型工艺、设备结构还需进一步研究。 1 6 课题主要研究内容 根据国内外生物质成型技术的研究进展及存在的问题，选取适合国内农作物 秸秆原料成型的环模式成型设备为研究对象。研究的主要内容包括以下几点： ( 1 ) 根据设备能量消耗特点、结构破坏形式，确定设备需要进行静力分析与动态 特性研究的关键部件，并建立相应的数学模型。 ( 2 ) 运用弹塑性力学、接触力学、粘弹性理论数值分析秸秆原料成型过程，通过 模拟研究得到秸秆类生物质原料的成型所需正压力、生物质成品出模形变规 律以及环模应力分布情况；分析模孔内壁材料剥落和生物质产品棱角撕裂倒 钝现象产生的原因，提出改进方案并针对两种孔型进行对比分析，为优化设 计模孔孔型奠定理论依据。 ( 3 ) 建立主轴部件的动力学运动方程与质量矩阵，通过研究主轴模态得到结构固 有振动频率、固有振型以及主轴部件的临界转速，对可能发生的共振现象进 行有效预测。 ( 4 ) 运用振型叠加原理分析主轴部件对成型压力的动态响应特性，得到工作载荷 频率下主轴部件的最大响应位移与最大响应应力，从而确定结构在工作载荷 下的稳态响应规律；研究支撑跨距对结构动态响应特性的影响。 9 第2 章环模式生物质成型技术 第2 章环模式生物质成型技术 2 1 成型原料特性 本文所研究的生物质成型技术以玉米秸秆为原料。该成型原料分布范围广， 储量丰富，是农作物秸秆中最为常见的品种之一。玉米秸秆的基本组成成分及元 素分析见表2 1 。 表2 - 1 生物质的基本组成及元素分析【3 8 】 基本组成成分乃嘭a d元素分析谢发热量 原料 纤维素半纤维素木质素 chons k j k g - l 。 玉米 2 5 3 51 5 2 51 2 1 84 1 3 84 9 23 7 2 6 1 4 0 0 0 0 1 5 0 5 5 秸秆 注：表中a d 为空干基，即与空气湿度达到平衡状态。 玉米秸秆细胞中含有纤维素、半纤维素、木质素，它们互为伴生物，由于木 质素的存在，秸秆能在不用粘结剂的条件下挤压成形。通过互射线衍射可知木质 素属非晶体，没有熔点但有软化点，其具有芳香族特性的高分子化合物，结构单 体为苯丙烷型的空间立体结构，密度1 3 3 1 4 5 9 c i n 3 。用木质素充当成型时的粘结 剂( 不外加任何粘结剂) 可大大降低加工成本。 根据赵东博士的玉米秆粉粒体模压成形的试验研究及有限元分析、张志 强硕士在秸秆压块饲料机成型区的研究与分析一文中所做的实验研究，影响 玉米秸秆原料压缩成型效果的物理特性主要有以下几方面【3 叫1 】： ( 1 ) 剪切特性：是指秸秆在压缩过程中受力而体现出的抗剪切特性。粉碎后的 玉米秸秆原料抗剪强度r y 与正应力盯的关系符合摩尔库仑准则，即随着剪 切位移的增加，开始剪应力相应增大，增大到最大时发生剪切破坏，随后 剪应力开始减小。剪应力大小满足下式 下，= c + o t a n t p ( 2 - 1 ) 式中c 为粘聚力，q 为内摩擦角，经实验测定c = o 2 1 ，9 - 2 8 5 。 l li 东大学硕士学位论文 ( 2 ) 原料粒度：是指粉碎后秸秆颗粒的大小，以在空间范围内占据的线性尺寸 表示。原料粒度影响压缩成型的效果，若原料粒度小于2 0 r a m ，成型块的纤 维长度、成型率及坚实度都会急剧下降；若原料粒度大于8 0 m m ，会导致成 型过程中产生更多的破裂，同时增加生产能耗，也影响单位时间的产量。 ( 3 ) 原料含水率：以原料中所含水分的重量占其全干材重量的百分率表示。调节 含水率至适宜范围可软化原料、增强粘结力、降低生产能耗、减少环模磨损。 对于不同的压缩方式和原料种类，含水率不尽相同，一般范围在1 2 - - 2 0 。 通常采用将水均匀喷洒到原料上，通过连续搅拌的方法使原料含水率均匀。 2 2 成型机结构及工作过程 本文研究的成型设备为环模式压块成型机，其性能参数见表2 2 ，整机结构示 意简图见图2 1 。 表2 2 环模式成型机性能参数 25 1 2 图2 1 环模式成型机整机结构示意图 1 主成型部件；2 螺旋进料装置；3 轴承座；4 联轴器； 5 一级卧式直连型摆线针轮减速机；6 基座；7 成品收集装置 第2 章环模式生物质成型技术 设备运行的动力源为y 系列三相异步电动机，电机输出转速经减速器调整为 合理生产转速18 0 r m i n 。减速机输出轴通过联轴器与主轴连接，主轴通过轴承座固 定支撑，主轴前端悬臂，其余部件固定在基座上。螺旋进料装置与主成型部件均 由主轴驱动。经过预处理的生物质原料，由螺旋进料装置输送至主成型部件中压 制成型。在悬臂的主轴端下方放置着成品收集装置。 该型号成型设备适用原料范围广泛，包括木屑、小麦秸秆、玉米秸秆、棉花 秸秆等，生产过程中需将原料粉碎至合适粒度和含水率。本文成型过程中使用玉 米秸秆为生物质原料，原料粒度为5 0 - 8 0 r a m ，含水率为1 5 - 2 0 。原料粒度通 过调节铡草机的铡切长度得到，含水率由快速含水率测定仪测量。 2 3 成型能量消耗形式 生物质原料进入成型腔后在重力作用下落向成型腔下方，由于轧辊在成型腔 内绕主轴做旋转运动，因此处在下落过程中的秸秆原料被拨散。当轧辊与环模之 间的间隙被原料充积时，运行阻力逐渐增大。原料在轧辊环模形成的楔形空间受 摩擦力与成型正压力的作用发生体积变化，然后进入环模模孔中。进入环模模孔 的原料在模孔中平铺为一层，当轧辊第二次运行至此需克服原料与模孔壁之间的 摩擦阻力，才可将后续原料继续压入模孑l 。为减小轧辊在此过程中产生的磨损， 轧辊在与原料产生的摩擦力作用下绕自身轴心旋转。 轧辊在环模腔内匀速旋转，但对于模孔中秸秆成品来讲，所受外力为间歇性 冲击载荷。此外载作用在主轴悬臂端，可能引起主轴振动，不但会消耗额外的能 量、降低机器效率，而且会加剧构件的疲劳和磨损，甚至造成主轴大变形而发生 破坏，缩短设备的使用寿命【4 2 1 。 成型机在工作过程中，送料装置输送的是松散的秸秆原料颗粒，消耗的能量 较之主成型部件消耗的能量可忽略不计。 因此，设备能量消耗形式主要克服原料压入模孔和生物质成品出模的阻力， 在设备结构尺寸确定的情况下，此阻力大小取决于生物质原料的种类、粒度与湿 度，还包括模孔壁的表面光滑度；以及主轴振动消耗的能量，该部分能量消耗取 决于主轴部件的动态响应特性，包括主轴结构、材料以及所受载荷大小。 1 3 l