秸秆燃料平模成型机平模模孔仿真研究

谷志新，郑文超，赵林

(1．东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040;2．哈尔滨市园林动植物检疫站，黑龙江 哈尔滨 150008)

人类对传统三大化石能源(煤炭、天然气、石油)的大规模开发和利用，带来了气候恶化、生态破坏、环境污染等问题。用秸秆等生物质能源替代化石能源，既可改善能源结构，在一定程度上解决能源紧缺问题，又将秸秆变废为宝，变害为利。同时可有效地减排SO2与CO2，降低环境污染。秸秆致密成型燃料是一种新型洁净能源，采用农林废弃物秸秆为原材料，经过粉碎、烘干、混合、挤压等工艺，制成具有一定形状的可直接燃烧的一种新型燃料，可以看作是一种绿色煤炭。平模是秸秆燃料平模成型机的核心部件，分布着众多模孔，容易磨损，决定着生产的成本。

1 秸秆开发利用的目的和意义

秸秆是我国主要的农作物［1］，每年的产量在6亿吨以上，其中有超过12．7% 的剩余秸秆就地焚烧或闲置，造成了环境污染和能源的浪费［2］。如果把这些秸秆作为能源加以开发与利用，可以带来可观的经济效益和社会效益。秸秆转化的主要方式有直接燃烧或制成致密燃料(颗粒、块状)、气化燃料(秸秆燃气、沼气)和液化燃料(燃料乙醇和生物原油)等［3］。

由于秸秆致密燃料的原料利用率可达90% 以上，热值约为15．49～17．586 MJ/kg，不同秸秆热值稍有不同:玉米秆 15．49 MJ/kg，稻秆 12．56 MJ/kg，麦秆 14．65 MJ/kg，大豆秆 15．90 MJ/kg，薯类14．23 MJ/kg，油料 15．49 MJ/kg，棉花秆 15．90 MJ/kg［4］。秸秆致密燃料中 S 和灰分等的含量仅为中质烟煤的1/10左右。秸秆致密燃料中CO2的排放和吸收形成自然界碳循环，可实现CO2零排放，是减排CO2最有效途径，是防止全球环境恶化的一种科学选择，秸秆致密燃料燃烧技术参数为密度800～1 100 kg/m3，热值 15．49 ～ 17．58 MJ/kg，灰分 6% ～ 20%，水分≤12%，CO20，NO214 mg/m3，SO246 mg/m3，烟尘≤127 mg/m3。

国家发展和改革委员会关于“‘十二五’生物质致密成型燃料发展规划”中提出，到2020年，使秸秆致密燃料成为普遍使用的一种优质燃料，每年消耗致密燃料5 000万吨，代替3 000万吨煤［6］。每年如果消费5 000万吨致密燃料，可实现减排CO21～1．5亿吨，减排SO280～100万吨，因此，开发秸秆致密燃料具有十分重要的环境效益和经济效益。

2 秸秆燃料成型机工作原理

秸秆致密燃料是在一定温度和压力作用下，将各类分散的、没有一定形状的秸秆经过收集、干燥、粉碎等预处理后，利用致密成型设备挤压成规则的、密度较大的棒状、块状或颗粒状成型燃料［7］。

根据成型机工作原理把致密成型设备分为:活塞冲压式成型机(pistonpress)、螺旋挤压式成型机(extruderpress)、卷扭式成型机(twistpress)和模压成型机(matrixpress)。其中模压成型机生产成本较低，产能高，物料适应性强，现在被广泛应用。模压成型机的核心部件是压辊和压模。压辊可以绕转轴转动，压模上有模孔，物料在压辊的作用下被压入模孔内，挤出，用切刀切成秸秆致密燃料。根据压模结构的不同，模压成型机可分为环模成型机和平模成型机［8］。本文着重讨论平模成型机的工作原理及平模模孔仿真研究。

平模成型机由电动机、传动装置、传动轴、平模、压辊、喂料器、进料口、切刀、出料口等部分组成。平模成型机的平模上有多个压辊，压辊随轴做圆周运动，并与平模间有相对运动。电动机带动平模，以机械圆周运动为基础，使得压辊和平模之间有较高的摩擦温度。旋转的平模通过与物料的摩擦作用带动压辊旋转［9］。在平模和压辊的强烈挤压下，物料逐渐被压实，均匀地分布于平模表面。物料在强烈的挤压过程中，克服孔壁摩擦阻力，从模孔中挤出，挤压过程如图1所示。平模成型机对原料的粉碎度要求较低，含水率8% ～25% 的物料都能被致密成型，且由于其结构简单、成本低廉、易于维修维护，适于广大农村地区小规模灵活使用。

3 平模模孔结构分析及仿真

平模是平模成型机中的关键部件，是最容易损坏的部件，需要经常更换平模，增加了成型的成本［10］，工作中的平模如图2所示。平模上模孔众多，降低了平模抵抗变形的能力，特别是在工作过程中，孔与孔之间的薄壁承受着使秸秆成型所必须的压力［11］。虽然在布孔上考虑了平衡的布局，但模孔仍在局部范围内会发生变形，采用Pro/Mechanica对平模工作过程中受载后位移、应力进行分析仿真，可以为优化模孔设计提供理论基础。

图1 平模成型结构示意图Fig．1 The structure of extrusion of flat die

图2 工作中的平模Fig．2 The flat die in working

3．1 建模

首先要进行建模分析。要使秸秆物料能挤压成型，挤压过程中模孔内壁上承受着一定的压力。所以选取平模中的一个模孔及周围的6个模孔作为研究区域，即B区域为建模的单元，压力在这个区域内会起到一定的平衡作用，如图3所示。

使用Pro/Engineer软件，设定秸秆在模孔内满足等压强原理，所建模型在孔轴向所受压强相同，因此取厚度1 mm模孔进行建模，如图4所示，将建立的模型导入Pro/Mechanica中，模型材料选择45#钢，材料属性设定为:弹性模量E=2．1×1011Pa，泊松比μ=0．269，材料密度ρ=7 800 kg/m3，张力强度σb=1 080 MPa，屈服强度σs=930 MPa，热膨胀系数α =11．3 ×10－6℃。

3．2 施加载荷及结果分析

假定模孔受力均匀且平衡，在A区域与B区域交界的面施加约束，B区域内环面施加载荷。模型约束加载后得到位移云图如图5所示，由图5可以看出，受载下模孔内壁部分位移最大，进一步导入位移曲线，模孔内壁位移变形呈现小范围连续变动规律，最大位移值为5．42×10－4mm。

根据模型加载后的应力云图得出受载下模孔内壁部分应力最大，进一步导入应力曲线，根据应力曲线，模孔内壁应力呈现小范围连续变动规律，最大应力值为5．51 N/mm2。

通过仿真说明，模孔内壁受载下位移及应力是一个小范围连续变动的阈值，且不同载荷下的位移、最大应力呈一元线性回归。

图3 区域提取Fig．3 Area extracted

图4 Pro/Engineer模型Fig．4 Pro/Engineer model

图5 位移云图Fig．5 Displacement fringe

3．3 不同载荷下模孔的最大应力分析

在成型的过程中，模孔受到的压力并不是完全相同，根据成型压力曲线，当压力高于40 MPa，才能得到较好的秸秆成型燃料。因此对压力为45～70 MPa区间进行研究，通过仿真得到最大应力拟合曲线。对拟合曲线进行一元线性回归分析:

式中:y(t)—最大应力，N/mm2;x(t)—压力，MPa;a，b—回归参量;t—时间序数;u(t)—包括了除x(t)以外的影响y(t)变化的若干微小因素，u(t)是随机部分，变化是不可控的。利用MATLAB对最大应力拟合后，得到:

参考中华人民共和国机械行业标准JB/T 5161．1－1999《颗粒饲料压制机型式与基本参数》，结合仿真结果与理论分析确定平模的主要参数。确定平模外径D=500 mm，平模内径D1=140 mm，则攫取层厚度h=9 mm，如图6和图7所示。

图6 平模示意图Fig．6 The schematic diagram of flat die

图7 攫取层示意图Fig．7 The schematic diagram of grab layer

4 结论

成型过程模孔容易发生变形和磨损，需要经常更换平模，这样增加了成型燃料的生产成本。为了降低生产成本，优化模孔设计，提高模孔的强度，对模孔壁的受载情况进行仿真研究。根据秸秆燃料平模成型机成型原理，对平模进行建模，采用Pro/Mechanica对工作过程中模孔的受载进行位移、应力仿真分析。

结果表明，模孔受载下内壁位移及应力值呈现小范围连续变动，不同载荷下的位移、最大应力分别随载荷呈一元线性回归。参考中华人民共和国机械行业标准JB/T 5161．1－1999，确定平模的主要参数:平模外径D=500 mm，平模内径D1=140 mm，攫取层厚度h=9 mm，本文的研究旨在为平模成型机的设计和制造提供理论依据。

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