1、秸稈開發(fā)利用的目的和意義秸稈是我國主要的農(nóng)作物，每年的產(chǎn)量在6億噸以上，其中有超過12.7%的剩余秸稈就地焚燒或閑置，造成了環(huán)境污染和能源的浪費。如果把這些秸稈作為能源加以開發(fā)與利用，可以帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。秸稈轉(zhuǎn)化的主要方式有直接燃燒或制成致密燃料（顆粒、塊狀）、氣化燃料（秸稈燃氣、沼氣）和液化燃料（燃料乙醇和生物原油）等。
由于秸稈致密燃料的原料利用率可達90%以上，熱值約為15.49～17.586 MJ/kg，不同秸稈熱值稍有不同：玉米稈15. 49 MJ/kg，稻稈12. 56 MJ/kg，麥稈14. 65 MJ/kg，大豆稈15. 90 MJ/kg，薯類14. 23 MJ/kg，油料15. 49 MJ/kg，棉花稈15. 90 MJ/kg'4]。秸稈致密燃料中S和灰分等的含量僅為中質(zhì)煙煤的1/10左右。秸稈致密燃料中C02的排放和吸收形成自然界碳循環(huán)，可實現(xiàn)C02零排放，是減排C02最有效途徑，是防止全球環(huán)境惡化的一種科學選擇，秸稈致密燃料燃燒技術(shù)參數(shù)為密度800~1100 kg/m3，熱值15.49～17.58MJ/kg，灰分6%～20%，水分≤12%，C02 0，N0214mg／m3，S0246mg/m3，煙塵≤127mg/m3。
國家發(fā)展和改革委員會關(guān)于“‘十二五’生物質(zhì)致密成型燃料發(fā)展規(guī)劃”中提出，到2020年，使秸稈致密燃料成為普遍使用的一種優(yōu)質(zhì)燃料，每年消耗致密燃料5000萬噸，代替3 000萬噸煤。每年如果消費5 000萬噸致密燃料，可實現(xiàn)減排C021~1.5億噸，減排SO2 80—100萬噸，因此，開發(fā)秸稈致密燃料具有十分重要的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。
2、秸稈燃料成型機工作原理
秸稈致密燃料是在一定溫度和壓力作用下，將各類分散的、沒有一定形狀的秸稈經(jīng)過收集、干燥、粉碎等預(yù)處理后，利用致密成型設(shè)備擠壓成規(guī)則的、密度較大的棒狀、塊狀或顆粒狀成型燃料。
根據(jù)成型機工作原理把致密成型設(shè)備分為：活塞沖壓式成型機(pistonpress)、螺旋擠壓式成型機（extruderpress）、卷扭式成型機(twistpress)和模壓成型機(matrixpress)。其中模壓成型機生產(chǎn)成本較低，產(chǎn)能高，物料適應(yīng)性強，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用。模壓成型機的核心部件是壓輥和壓模。壓輥可以繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，壓模上有模孔，物料在壓輥的作用下被壓入模孔內(nèi)，擠出，用切刀切成秸稈致密燃料。根據(jù)壓模結(jié)構(gòu)的不同，模壓成型機可分為環(huán)模成型機和平模成型機。本文著重討論平模成型機的工作原理及平模模孔仿真研究。
平模成型機由電動機、傳動裝置、傳動軸、平模、壓輥、喂料器、進料口、切刀、出料口等部分組成。平模成型機的平模上有多個壓輥，壓輥隨軸做圓周運動，并與平模間有相對運動。電動機帶動平模，以機械圓周運動為基礎(chǔ)，使得壓輥和平模之間有較高的摩擦溫度。旋轉(zhuǎn)的平模通過與物料的摩擦作用帶動壓輥旋轉(zhuǎn)。在平模和壓輥的強烈擠壓下，物料逐漸被壓實，均勻地分布于平模表面。物料在強烈的擠壓過程中，克服孔壁摩擦阻力，從模孔中擠出，擠壓過程如圖1所示。平模成型機對原料的粉碎度要求較低，含水率8%一25%的物料都能被致密成型，且由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于維修維護，適于廣大農(nóng)村地區(qū)小規(guī)模靈活使用。
3、平模模孔結(jié)構(gòu)分析及仿真
平模是平模成型機中的關(guān)鍵部件，是最容易損壞的部件，需要經(jīng)常更換平模，增加了成型的成本，工作中的平模如圖2所示。平模上模孔眾多，降低了平模抵抗變形的能力，特別是在工作過程中，孔與孔之間的薄壁承受著使秸稈成型所必須的壓力。雖然在布孔上考慮了平衡的布局，但模孔仍在局部范圍內(nèi)會發(fā)生變形，采用Pro/Mechanica對平模工作過程中受載后位移、應(yīng)力進行分析仿真，可以為優(yōu)化模孔設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。
3.1建模
首先要進行建模分析。要使秸稈物料能擠壓成型，擠壓過程中模孔內(nèi)壁上承受著一定的壓力。所以選取平模中的一個模孔及周圍的6個模孔作為研究區(qū)域，即B區(qū)域為建模的單元，壓力在這個區(qū)域內(nèi)會起到一定的平衡作用，如圖3所示。
使用Pro/Engineer軟件，設(shè)定秸稈在模孔內(nèi)滿足等壓強原理，所建模型在孔軸向所受壓強相同，因此取厚度1 mm模孔進行建模，如圖4所示，將建立的模型導(dǎo)入Pro/Mechanica中，模型材料選擇454鋼，材料屬性設(shè)定為：彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比肛=0.269，材料密度p=7 800 kg/m3，張力強度Ub=1080 MPa，屈服強度σ=930 MPa，熱膨脹系數(shù)σ=11.3×1-6℃。
3.2施加載荷及結(jié)果分析
假定模孔受力均勻且平衡，在A區(qū)域與B區(qū)域交界的面施加約束，B區(qū)域內(nèi)環(huán)面施加載荷。模型約束加載后得到位移云圖如圖5所示，由圖5可以看出，受載下模孔內(nèi)壁部分位移最大，進一步導(dǎo)人位移曲線，模孔內(nèi)壁位移變形呈現(xiàn)小范圍連續(xù)變動規(guī)律，最大位移值為5.42×10-4mm。
根據(jù)模型加載后的應(yīng)力云圖得出受載下模孔內(nèi)壁部分應(yīng)力最大，進一步導(dǎo)入應(yīng)力曲線，根據(jù)應(yīng)為曲線，模孔內(nèi)壁應(yīng)力呈現(xiàn)小范圍連續(xù)變動規(guī)律，最大應(yīng)力值為5.51N/mm2。
通過仿真說明，模孔內(nèi)壁受載下位移及應(yīng)力是一個小范圍連續(xù)變動的閾值，且不同載荷下的位移、最大應(yīng)力呈一元線性回歸。
3.3 不同載荷下模孔的最大應(yīng)力分析
在成型的過程中，模孔受到的壓力并不是完全相同，根據(jù)成型壓力曲線，當壓力高于40 MPa，才能得到較好的秸稈成型燃料。因此對壓力為45～70MPa區(qū)間進行研究，通過仿真得到最大應(yīng)力擬合曲線。對擬合曲線進行一元線性回歸分析：
y（t）=a+b·x（t）+u（t）式中：y(t)-最大應(yīng)力，N/mrr12；x(t) -壓力，MPa;n，b-回歸參量；t-時間序數(shù)；u(t)-包括了除x(t)以外的影響y(t)變化的若干微小因素，u(t)是隨機部分，變化是不可控的。利用MATLAB對最大應(yīng)力擬合后，得到：
y(t)=0.5+3.9x(t)+n(f)
參考中華人民共和國機械行業(yè)標準JB/T 5161.1- 1999《顆粒飼料壓制機型式與基本參數(shù)》，結(jié)合仿真結(jié)果與理論分析確定平模的主要參數(shù)。確定平模外徑D= 500 mm，平模內(nèi)徑D．=140 mm，則攫取層厚度h=9mm。
4、結(jié)論
成型過程模孔容易發(fā)生變形和磨損，需要經(jīng)常更換平模，這樣增加了成型燃料的生產(chǎn)成本。為了降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化模孔設(shè)計，提高模孔的強度，對模孔壁的受載情況進行仿真研究。根據(jù)秸稈燃料平模成型機成型原理，對平模進行建模，采用Pro/Mechanica對工作過程中模孔的受載進行位移、應(yīng)力仿真分析。
結(jié)果表明，模孔受載下內(nèi)壁位移及應(yīng)力值呈現(xiàn)小范圍連續(xù)變動，不同載荷下的位移、最大應(yīng)力分別隨載荷呈一元線性回歸。參考中華人民共和國機械行業(yè)標準JB/T5161.1-1999，確定平模的主要參數(shù)：平模外徑D=500 mm，平模內(nèi)徑1D=140 mm，攫取層厚度h=9 mm，本文的研究旨在為平模成型機的設(shè)計和制造提供理論依據(jù)。
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