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秸秆燃料平模成型机平模模孔仿真研究 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 14-10-29

    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S02与C02,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,富通新能源生产销售的秸秆颗粒机木屑颗粒机专业压制生物质成型颗粒燃料。锯末颗粒机1、秸秆开发利用的目的和意义
    秸秆是我国主要的农作物,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。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。
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C02的排放和吸取形成自然界碳循环,可实现C02零排放,是减排C02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800~1100 kg/m3,热值15.49~17.58MJ/kg,灰分6%~20%,水分≤12%,C02 0,N0214mg/m3,S0246mg/m3,烟尘≤127mg/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5000万吨,代替3 000万吨煤。每年如果消费5 000万吨致密燃料,可实现减排C021~1.5亿吨,减排SO2 80—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。
    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。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。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%一25%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,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。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。
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/EngineerApp,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454钢,材料属性设定为:弹性模量E=2.1×1011Pa,泊松比肛=0.269,材料密度p=7 800 kg/m3,张力强度Ub=1080 MPa,屈服强度σ=930 MPa,热膨胀系数σ=11.3×1-6℃。
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,进一步导人位移曲线,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,根据应为曲线,模孔内壁应力呈现小范围连续变动规律,最大应力值为5.51N/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。
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45~70MPa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:
    y(t)=a+b·x(t)+u(t)式中:y(t)-最大应力,N/mrr12;x(t) -压力,MPa;n,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:
    y(t)=0.5+3.9x(t)+n(f)
    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D.=140 mm,则攫取层厚度h=9mm。
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/T5161.1-1999,确定平模的主要参数:平模外径D=500 mm,平模内径1D=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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