1.5文主要研究內(nèi)容
本文采用有限元理論和有限元分析軟件ANSYS對生物質(zhì)秸稈在環(huán)模式
秸稈壓塊機中的成型過程進行模擬。
1)結(jié)合秸稈生物質(zhì)組成和環(huán)模的結(jié)構(gòu)特點，探索環(huán)模式秸稈壓塊機的致密成型機理，提出在設(shè)計或選用環(huán)模式成型機時注意幾項主要技術(shù)參數(shù)，對生物質(zhì)擠壓成型過程中影響的主要因素進行分析。
2)對生物質(zhì)秸稈壓縮致密成型過程的非線性問題進行分析，借鑒可壓縮的生物質(zhì)塑性理論，選用適合生物質(zhì)秸稈的Druker-Prager屈服條件，推導出生物質(zhì)彈塑性本構(gòu)方程。
3)應用有限元分析軟件對秸稈壓塊成型過程進行模擬分析。通過對玉米秸稈在環(huán)模內(nèi)的流變規(guī)律，以及成型過程中摩擦力、應力、應變分布的分析，為擠壓成型部件的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。
4)對秸稈進行致密成型試驗研究。分別改變原料含水率、原料尺寸、成型壓力等因素，以玉米秸稈為原料進行致密成型試驗。對比試驗結(jié)果，找出成型效果較好的各種因素的最佳值。
5)通過對生物質(zhì)秸稈致密成型機理的研究，找到影響成型效果和工作效率的主要因素，為秸稈壓塊機的設(shè)計提供重要理論基礎(chǔ)。
第2章環(huán)模式秸稈壓塊機設(shè)計與分析
2.1環(huán)模式秸稈壓塊機主要結(jié)構(gòu)及特點
2.1.1環(huán)模式壓塊機的總體結(jié)構(gòu)與工作原理
環(huán)模式秸稈壓塊成型機總體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。
環(huán)模式秸稈壓塊機工作時的擠壓方式屬于開式壓縮，利用環(huán)模、壓輪和物料三者間的摩擦擠壓作用使短段散狀物料成型。其工作原理是電機1通過皮帶5帶動皮帶輪4轉(zhuǎn)動，從而帶動主軸轉(zhuǎn)動。由于主軸與壓輪機構(gòu)和進料機構(gòu)相連，進而帶動壓輪機構(gòu)和進料機構(gòu)2運轉(zhuǎn)。散狀物料經(jīng)進料斗3進入帶有不等螺距的螺旋進料機構(gòu)機體腔內(nèi)，進料軸轉(zhuǎn)動將物料均勻送入壓縮室7內(nèi)。主軸帶動壓輪轉(zhuǎn)動，由于壓輪和物料之間擠壓摩擦，將物料壓入環(huán)模成形孔，物料在壓輪壓力與孔壁摩擦作用下逐層成形。由于模塊的數(shù)量和電機的功率不同，環(huán)模式壓塊機的產(chǎn)量一般為500~2000kg．1-1，較為合適的主軸轉(zhuǎn)速為130rpm。
環(huán)模式秸稈壓塊成型機有以下特點：
1)無外部熱源。環(huán)模式秸稈壓塊機一般不需加熱。環(huán)模、壓輪、物料三者之間的相互運動、摩擦產(chǎn)生的熱量能使物料粘結(jié)在一起，完成致密成型這個過程，而且產(chǎn)品的效果比較好。
2)環(huán)模式秸稈壓塊機對秸稈原料的含水率要求低，一般在5～250之間都能成型。
3)成型塊品質(zhì)好，強度高，熱值高，成型塊表面光滑，密度可達到0.8～1.2 kg/m3。
4)設(shè)備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，能耗低，產(chǎn)量大。
2.1.2環(huán)模式壓塊機的傳動與進料機構(gòu)’
壓塊機的傳動方式采用帶傳動。帶傳動具有過載保護和緩沖吸振的能力。由于進料有時不均勻，壓塊機的載荷變化較大且頻繁，在工作過程中可能出現(xiàn)過載情況，采用帶傳動可以降低過載帶來的影響，保護壓塊機。壓塊機核心部件是進料機構(gòu)和環(huán)模壓縮室。目前，進料機構(gòu)與環(huán)模壓縮室的傳動機構(gòu)是分開的，俗稱“兩根軸”，即壓輪機構(gòu)傳動由連接帶輪的主軸帶動，螺旋進料機構(gòu)由另一根軸帶動，所以使得機器機構(gòu)變得復雜。
本文傳動機構(gòu)和進料機構(gòu)采用“一根軸”，如圖2-2所示。其特點是在帶輪的帶動下，主軸1經(jīng)后擋板6與壓輪2同時旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)前擋板5帶動進料軸4和螺旋進料筒3-起旋轉(zhuǎn)，這樣一組電機可帶動壓輪機構(gòu)和進料筒同時工作。
2.1.3環(huán)模式壓塊機的壓縮室結(jié)構(gòu)
壓縮室結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。秸稈原料的壓縮是靠環(huán)模1與壓輪3間的相對運動實現(xiàn)的。環(huán)模通過螺栓固定在機體上，兩個壓輪由前擋板4和后擋板5固定連結(jié)，后擋板5與主軸連結(jié)由電機帶動旋轉(zhuǎn)，壓輪在公轉(zhuǎn)的同時由于物料的摩擦而自轉(zhuǎn)。
壓縮室采用雙壓輪機構(gòu)，兩個壓輪以主軸為中心線成對稱布置，使壓輪受力均勻，物料能夠均勻及時地進入環(huán)模溝槽，不僅使產(chǎn)量增加，而且可保證主軸和進料軸的同心度。壓輪每完成一次公轉(zhuǎn)周期就將布滿環(huán)模溝槽內(nèi)的物料壓入�？變�(nèi)，從而形成了物料塊的一個壓層。隨著物料的不斷喂入，在壓輪的壓力作用下，物料被接連不斷地擠入�？字校ㄟ^�？缀蟊阈纬闪宋锪蠅簤K。
2.2環(huán)模式秸稈壓塊機主要技術(shù)參數(shù)
環(huán)模式秸稈壓塊機由于產(chǎn)量大、產(chǎn)品質(zhì)量好、能耗低等優(yōu)點，在實際生產(chǎn)中已廣泛的應用于生物質(zhì)秸稈致密成型中，受到大家的好評。低品位的、密度小的秸稈經(jīng)環(huán)模式壓塊機壓縮后變成高品位、密度大的成型燃料，成型燃料的熱值比原來大大提高，而且便于儲存和運輸。成型塊產(chǎn)品的質(zhì)量很依賴于環(huán)模式秸稈壓塊機性能的好壞，這要求我們在設(shè)計環(huán)模壓塊機時注意幾項主要技術(shù)參數(shù)。
1)主電機功率
環(huán)模式壓塊機的產(chǎn)量與主電機功率有著直接關(guān)系。在設(shè)計壓塊機時，根據(jù)壓塊機的產(chǎn)能來選取主電機。若電機功率太小，雖然能耗低，但是壓塊機產(chǎn)量小，成型壓塊的品質(zhì)低；若電機功率太大，雖然產(chǎn)量增大，成型塊品質(zhì)也高，但是能耗也大。因此，需要進行電機功率優(yōu)化，合理選用電機，使產(chǎn)量與功率之比達到最大。
2)環(huán)模長徑比
環(huán)模的長徑比是指環(huán)模的有效工作長度和�？字睆街�。在選用優(yōu)質(zhì)環(huán)模的前提下，可根據(jù)生物質(zhì)原料配方和產(chǎn)品要求選用合適的�？仔问郊碍h(huán)模的長徑比。長徑比大成型塊結(jié)實，外觀光滑且有光澤，但能耗大、生產(chǎn)成本高。反之，長徑比小可增加成型機的產(chǎn)量，減輕壓輪和環(huán)模的磨損，降低能耗，但是成型塊松散，有裂紋，品質(zhì)較低。通常依據(jù)壓塊產(chǎn)品品質(zhì)的要求調(diào)整具體的長徑比。
3)環(huán)模的開孔率
開孔率的大小影響環(huán)模強度和成型機的產(chǎn)量。開孔率小，產(chǎn)量低，環(huán)模強度高；開孔率大，環(huán)模強度小，壓塊機產(chǎn)量高。
4)環(huán)模與壓輪之間的工作間隙
環(huán)模與壓輪之間的工作間隙非常重要，太大或者太小都影響壓塊機的生產(chǎn)率。所以，正確合理的調(diào)整環(huán)模與壓輪的間隙很關(guān)鍵。一般來說，環(huán)模與壓輪的間隙為1～5mm。以實踐經(jīng)驗來說，若環(huán)模和壓輪的間隙太大，物料將在壓輪和環(huán)模之間打滑，物料很難被擠入�？字畠�(nèi)，導致機器工作效率低下，而且成型很困難；若間隙太小，壓輪和環(huán)模之間摩擦力增大，環(huán)模容易損壞，維修成本太高。一般情況在壓塊機剛開始工作時，盡量調(diào)小壓輪和環(huán)模的間隙，使環(huán)模與物料充分擠壓，容易成型，當成型機正常工作時，可以將他們的間隙調(diào)大，產(chǎn)品和產(chǎn)量提高了，也有利于減小環(huán)模的磨損。
2.3生物質(zhì)致密成型原理
由生物化學可知，植物細胞中含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、樹脂等物質(zhì)。在生物質(zhì)的擠壓過程中，粒子的擠壓變形如圖24所示。
由圖2-4可以看出，一開始粒子與粒子之間的空隙比較大，當施加一定壓力時，粒子之間相互移動位置發(fā)生改變，一部分粒子受到擠壓填入到粒子之間的空隙內(nèi)。當粒子間的空隙被填滿后，別的粒子就很難再進來了。要去填充周圍的空隙，只有經(jīng)過再增大壓力靠粒子本身的變形，當兩個相鄰的粒子相互擠壓延展的時，繼續(xù)增大壓力，粒子與粒子受到擠壓纖維素粘結(jié)后就會相互結(jié)合，體積大幅度減小，密度顯著增大，原本分散的粒子就被致密成型了，一般不能再恢復原來粒子的結(jié)構(gòu)形狀。
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