1.5文主要研究內容
    本文采用有限元理論和有限元分析軟件ANSYS對生物質秸稈在環模式秸稈壓塊機中的成型過程進行模擬。
    1)結合秸稈生物質組成和環模的結構特點，探索環模式秸稈壓塊機的致密成型機理，提出在設計或選用環模式成型機時注意幾項主要技術參數，對生物質擠壓成型過程中影響的主要因素進行分析。
    2)對生物質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塑性理論，選用適合生物質秸稈的Druker-Prager屈服條件，推導出生物質彈塑性本構方程。
    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模內的流變規律，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化設計提供理論依據。
    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，為秸稈壓塊機的設計提供重要理論基礎。
第2章環模式秸稈壓塊機設計與分析
2.1環模式秸稈壓塊機主要結構及特點
2.1.1環模式壓塊機的總體結構與工作原理
    環模式秸稈壓塊成型機總體結構如圖2-1所示。
 
    環模式秸稈壓塊機工作時的擠壓方式屬于開式壓縮，利用環模、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轉動，從而帶動主軸轉動。由于主軸與壓輪機構和進料機構相連，進而帶動壓輪機構和進料機構2運轉。散狀物料經進料斗3進入帶有不等螺距的螺旋進料機構機體腔內，進料軸轉動將物料均勻送入壓縮室7內。主軸帶動壓輪轉動，由于壓輪和物料之間擠壓摩擦，將物料壓入環模成形孔，物料在壓輪壓力與孔壁摩擦作用下逐層成形。由于模塊的數量和電機的功率不同，環模式壓塊機的產量一般為500~2000kg．1-1，較為合適的主軸轉速為130rpm。
    環模式秸稈壓塊成型機有以下特點：
    1)無外部熱源。環模式秸稈壓塊機一般不需加熱。環模、壓輪、物料三者之間的相互運動、摩擦產生的熱量能使物料粘結在一起，完成致密成型這個過程，而且產品的效果比較好。
2)環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)設備運轉穩定，能耗低，產量大。
2.1.2環模式壓塊機的傳動與進料機構’
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和環模壓縮室。目前，進料機構與環模壓縮室的傳動機構是分開的，俗稱“兩根軸”，即壓輪機構傳動由連接帶輪的主軸帶動，螺旋進料機構由另一根軸帶動，所以使得機器機構變得復雜。
    本文傳動機構和進料機構采用“一根軸”，如圖2-2所示。其特點是在帶輪的帶動下，主軸1經后擋板6與壓輪2同時旋轉，再經前擋板5帶動進料軸4和螺旋進料筒3-起旋轉，這樣一組電機可帶動壓輪機構和進料筒同時工作。

2.1.3環模式壓塊機的壓縮室結構
    壓縮室結構如圖2-3所示。秸稈原料的壓縮是靠環模1與壓輪3間的相對運動實現的。環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，后擋板5與主軸連結由電機帶動旋轉，壓輪在公轉的同時由于物料的摩擦而自轉。
壓縮室采用雙壓輪機構，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模溝槽，不僅使產量增加，而且可保證主軸和進料軸的同心度。壓輪每完成一次公轉周期就將布滿環模溝槽內的物料壓入�？變�，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�，通過�？缀蟊阈纬闪宋锪蠅簤K。

2.2環模式秸稈壓塊機主要技術參數
    環模式秸稈壓塊機由于產量大、產品質量好、能耗低等優點，在實際生產中已廣泛的應用于生物質秸稈致密成型中，受到大家的好評。低品位的、密度小的秸稈經環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。成型塊產品的質量很依賴于環模式秸稈壓塊機性能的好壞，這要求我們在設計環模壓塊機時注意幾項主要技術參數。
    1)主電機功率
    環模式壓塊機的產量與主電機功率有著直接關系。在設計壓塊機時，根據壓塊機的產能來選取主電機。若電機功率太小，雖然能耗低，但是壓塊機產量小，成型壓塊的品質低；若電機功率太大，雖然產量增大，成型塊品質也高，但是能耗也大。因此，需要進行電機功率優化，合理選用電機，使產量與功率之比達到最大。
  2)環模長徑比
  環模的長徑比是指環模的有效工作長度和模孔直徑之比。在選用優質環模的前提下，可根據生物質原料配方和產品要求選用合適的�？仔问郊碍h模的長徑比。長徑比大成型塊結實，外觀光滑且有光澤，但能耗大、生產成本高。反之，長徑比小可增加成型機的產量，減輕壓輪和環模的磨損，降低能耗，但是成型塊松散，有裂紋，品質較低。通常依據壓塊產品品質的要求調整具體的長徑比。
    3)環模的開孔率
開孔率的大小影響環模強度和成型機的產量。開孔率小，產量低，環模強度高；開孔率大，環模強度小，壓塊機產量高。
    4)環模與壓輪之間的工作間隙
    環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率。所以，正確合理的調整環模與壓輪的間隙很關鍵。一般來說，環模與壓輪的間隙為1～5mm。以實踐經驗來說，若環模和壓輪的間隙太大，物料將在壓輪和環模之間打滑，物料很難被擠入模孔之內，導致機器工作效率低下，而且成型很困難；若間隙太小，壓輪和環模之間摩擦力增大，環模容易損壞，維修成本太高。一般情況在壓塊機剛開始工作時，盡量調小壓輪和環模的間隙，使環模與物料充分擠壓，容易成型，當成型機正常工作時，可以將他們的間隙調大，產品和產量提高了，也有利于減小環模的磨損。
2.3生物質致密成型原理
    由生物化學可知，植物細胞中含有纖維素、半纖維素、木質素、樹脂等物質。在生物質的擠壓過程中，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生改變，一部分粒子受到擠壓填入到粒子之間的空隙內。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，繼續增大壓力，粒子與粒子受到擠壓纖維素粘結后就會相互結合，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構形狀。
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