秸稈燃料平模成型機平模模孔仿真研究

谷志新，鄭文超，趙林

(1．東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040;2．哈爾濱市園林動植物檢疫站，黑龍江 哈爾濱 150008)

人類對傳統三大化石能源(煤炭、天然氣、石油)的大規模開發和利用，帶來了氣候惡化、生態破壞、環境污染等問題。用秸稈等生物質能源替代化石能源，既可改善能源結構，在一定程度上解決能源緊缺問題，又將秸稈變廢為寶，變害為利。同時可有效地減排SO2與CO2，降低環境污染。秸稈致密成型燃料是一種新型潔凈能源，采用農林廢棄物秸稈為原材料，經過粉碎、烘干、混合、擠壓等工藝，制成具有一定形狀的可直接燃燒的一種新型燃料，可以看作是一種綠色煤炭。平模是秸稈燃料平模成型機的核心部件，分布著眾多模孔，容易磨損，決定著生產的成本。

1 秸稈開發利用的目的和意義

秸稈是我國主要的農作物［1］，每年的產量在6億噸以上，其中有超過12．7% 的剩余秸稈就地焚燒或閑置，造成了環境污染和能源的浪費［2］。如果把這些秸稈作為能源加以開發與利用，可以帶來可觀的經濟效益和社會效益。秸稈轉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［3］。

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煙煤的1/10左右。秸稈致密燃料中CO2的排放和吸收形成自然界碳循環，可實現CO2零排放，是減排CO2最有效途徑，是防止全球環境惡化的一種科學選擇，秸稈致密燃料燃燒技術參數為密度800～1 100 kg/m3，熱值 15．49 ～ 17．58 MJ/kg，灰分 6% ～ 20%，水分≤12%，CO20，NO214 mg/m3，SO246 mg/m3，煙塵≤127 mg/m3。

國家發展和改革委員會關于“‘十二五’生物質致密成型燃料發展規劃”中提出，到2020年，使秸稈致密燃料成為普遍使用的一種優質燃料，每年消耗致密燃料5 000萬噸，代替3 000萬噸煤［6］。每年如果消費5 000萬噸致密燃料，可實現減排CO21～1．5億噸，減排SO280～100萬噸，因此，開發秸稈致密燃料具有十分重要的環境效益和經濟效益。

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過收集、干燥、粉碎等預處理后，利用致密成型設備擠壓成規則的、密度較大的棒狀、塊狀或顆粒狀成型燃料［7］。

根據成型機工作原理把致密成型設備分為: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成本較低，產能高，物料適應性強，現在被廣泛應用。模壓成型機的核心部件是壓輥和壓模。壓輥可以繞轉軸轉動，壓模上有模孔，物料在壓輥的作用下被壓入模孔內，擠出，用切刀切成秸稈致密燃料。根據壓模結構的不同，模壓成型機可分為環模成型機和平模成型機［8］。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，使得壓輥和平模之間有較高的摩擦溫度。旋轉的平模通過與物料的摩擦作用帶動壓輥旋轉［9］。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% ～25% 的物料都能被致密成型，且由于其結構簡單、成本低廉、易于維修維護，適于廣大農村地區小規模靈活使用。

3 平模模孔結構分析及仿真

平模是平模成型機中的關鍵部件，是最容易損壞的部件，需要經常更換平模，增加了成型的成本［10］，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［11］。雖然在布孔上考慮了平衡的布局，但模孔仍在局部范圍內會發生變形，采用Pro/Mechanica對平模工作過程中受載后位移、應力進行分析仿真，可以為優化模孔設計提供理論基礎。

圖1 平模成型結構示意圖Fig．1 The structure of extrusion of flat die

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

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個模孔作為研究區域，即B區域為建模的單元，壓力在這個區域內會起到一定的平衡作用，如圖3所示。

使用Pro/Engineer軟件，設定秸稈在模孔內滿足等壓強原理，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，將建立的模型導入Pro/Mechanica中，模型材料選擇45#鋼，材料屬性設定為:彈性模量E=2．1×1011Pa，泊松比μ=0．269，材料密度ρ=7 800 kg/m3，張力強度σb=1 080 MPa，屈服強度σs=930 MPa，熱膨脹系數α =11．3 ×10－6℃。

3．2 施加載荷及結果分析

假定模孔受力均勻且平衡，在A區域與B區域交界的面施加約束，B區域內環面施加載荷。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，受載下模孔內壁部分位移最大，進一步導入位移曲線，模孔內壁位移變形呈現小范圍連續變動規律，最大位移值為5．42×10－4mm。

根據模型加載后的應力云圖得出受載下模孔內壁部分應力最大，進一步導入應力曲線，根據應力曲線，模孔內壁應力呈現小范圍連續變動規律，最大應力值為5．51 N/mm2。

通過仿真說明，模孔內壁受載下位移及應力是一個小范圍連續變動的閾值，且不同載荷下的位移、最大應力呈一元線性回歸。

圖3 區域提取Fig．3 Area extracted

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

圖5 位移云圖Fig．5 Displacement fringe

3．3 不同載荷下模孔的最大應力分析

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45～70 MPa區間進行研究，通過仿真得到最大應力擬合曲線。對擬合曲線進行一元線性回歸分析:

式中:y(t)—最大應力，N/mm2;x(t)—壓力，MPa;a，b—回歸參量;t—時間序數;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對最大應力擬合后，得到:

參考中華人民共和國機械行業標準JB/T 5161．1－1999《顆粒飼料壓制機型式與基本參數》，結合仿真結果與理論分析確定平模的主要參數。確定平模外徑D=500 mm，平模內徑D1=140 mm，則攫取層厚度h=9 mm，如圖6和圖7所示。

圖6 平模示意圖Fig．6 The schematic diagram of flat die

圖7 攫取層示意圖Fig．7 The schematic diagram of grab layer

4 結論

成型過程模孔容易發生變形和磨損，需要經常更換平模，這樣增加了成型燃料的生產成本。為了降低生產成本，優化模孔設計，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、應力仿真分析。

結果表明，模孔受載下內壁位移及應力值呈現小范圍連續變動，不同載荷下的位移、最大應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標準JB/T 5161．1－1999，確定平模的主要參數:平模外徑D=500 mm，平模內徑D1=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計和制造提供理論依據。

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