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模孔內，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模孔中，通過模孔后便形成了物料壓塊。

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模孔形式及環模的長徑比。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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