目 錄1緒論 .本課題的研究背景 .國內外研究狀況 .研究目的和意義 .研究目標和內容 .大粒徑生物質壓縮成型的原理 .大粒徑生物質壓縮成型的過程研究 .大粒徑生物質壓縮過程的 .模擬結果的分析 .文章小結 .成型溫度場的有限元分析基本理論 .大粒徑生物質溫度場有限元分析過程 .立模型 .示結果 .文章小結 .大粒徑生物質燃料壓縮成型的影響因素分析 .大粒徑生物質燃料壓縮的試驗研究 .文章小結 .設計指導思想 .液壓缸的設計 .液壓缸尺寸參數的計算 .液壓缸的密封設計 .其他重要部分的設計 .其它關鍵部分的結構設計 .文章小結 .總結 .展望 . .攻讀碩士學位期間發表的論文 .章 緒 論11緒論本篇文章首先主要的部分是介紹了本課題目前的研究背景、國內外研究的狀況 、 研究的目的和意義以及研究的目標和內容 。 其次再通過對這一課題的綜合研究來設計出一種新型的大粒徑生物質燃料壓縮成型設備 ， 為的是使這種設備有如下優點 ： 成本低但效率高 、 結構較為簡單 、 工作狀況良好 、 性能更加穩定等 。 這種大粒徑生物質燃料壓縮成型設備比現有的生物質成型設備能夠在經濟條件相對落后 、 能源相對缺乏 、 原料相對充足的農村推廣的時候擁有較大的發展空間和很明顯的經濟效益 ， 這樣可以使國內大量的生物質秸稈資源得到非常合理的利用 ， 為今后生物質廢棄材料的處理提供了一種更加有效的途徑和方法。 中之一是可再生資源 ；另外一種則是不可再的生有限資源 。 現如今天然氣 、 煤炭以及石油這三種重要的珍貴能源都已經納入了不可再生資源的范疇 1。 一些學者研究分析發現以上三種主要能源的儲存量只能夠全世界的人采用 100年，說明了這些資源對于人類來說這是非常有限的 ， 因此 全世界的國家都著手準備 開發新的能源來 完全代替這三大有限且不可以再生的 能源 。每個國家都很重視開發新能源 ， 因為這樣做對各國 經濟 的 持續發 展很重要 ， 發展新型能源也是象征著社會正在進步一個重要標志 。 在新能源中就數生物質秸稈材料轉化的能源是最安全和最穩定的能源 。 有資料說明現在可以通過一些比較高端的技術來生產出很多不同種類的可代替能源 。 從過去到目前為止世界上的各個國家 都 在竭盡全力 開發 出 生物質能 及其相關 技術2。為了 保護 自己國家 的 不可再生 能源 及其有限的 資 源，同時也是為了各自的國家在經濟上的可持續發展提供一種有力保障 ， 各國的資源戰略逐漸向生物質能資源傾斜。 像生物質秸稈資源這么非常豐富的資源存在于地球上的各個地方 。 根據有關學者估算 ， 世界上現在每年消耗的有機資源的總凈產量大約為 1390到 1810億噸 。 這 其中 存在于陸地上的有機資源的凈 產量 大 約為 1110億噸，約占整個游擊資源凈產量的 70%3。 僅僅在 我國 的生物質 秸稈 資源每 年 的 總產量 約為 7億噸 。 在這些產量 中 能夠 作 為生物質 燃料的秸稈 材料大約 占 到總生物質 秸稈 資源生產量的 50%左右， 而且這樣的比例在 我國農村 日 常 生 活 耗 能 的 占 有率 達到 了 40%左 右4。 作為 可再 生 利用 資源 的 生 物質 能 源消 費總量通常都排在石油 、 煤炭和天然氣的后面 ， 現在排名位子位于全世界第四 位 。 但作為 一第 1章 緒 論2種 能源 來說直接利用它燃燒來獲取熱能是最普遍的 ， 因為這種燃燒方式在生物質燃燒特性 比 較 差 的 情 況 下 有 效 的 利 用 率 較 低 ， 一 般 約 為 10%到 20%。 除 此 之 外 我 國 如 今 已 經 有一部分的大中型城市開始禁止焚燒 6噸及其 以 下重量的生活用爐灶和燃煤鍋爐 。 取而代之的是采用清潔燃料比如說 天然氣 、 風能發 電等 。 但 是這樣的做法 對 于我國 各 個小地方的 居民來 說其價格是在是太高了 ， 對某些貧困家庭來說導致擔非常的重 。 若果要是能夠利 用 附 近 的 可 再 生 資 源 生 物 質 秸 稈 作 為 鍋 爐 及 其 附 屬 設 備 燃 燒 的 燃 料 就 可 以 改 變 這 種現狀了 4。我 國 2005年 就 開 始 正 式 將 風 能 、 水 能 、 太 陽 能 、 海 洋 能 、 地 熱 能 、 生 物 質 能 等 能源定為可再生能源 。 這樣就使得可再生能源的全力開發和有效利用有了可持續發展的空間 ， 同時這樣做也為生物質能源的全力開發和有效利用提供了政策上的全力支持和相關的法律依據。相比其他能源，這樣的能源生產成本較低且易于實現生產制造 5。 前 為 止 我 們 國 家 的 生 物 質 壓 縮 成 型 設 備 特 別 是 大 粒 徑 的 生 物 質 壓 縮 成 型 設 備在實用性上的改進還存在不足 ， 在生產上也有一些有待改進的地方 。 這樣以來我國就有必要在實踐方面對生物質壓縮成型設備的工藝進行參數優化和總體結構改進 6（ 1）管 絲 軸 圖 擠 壓式 成型 機 的 結 構簡 圖如圖 原理是利用了 螺桿 將 生物質 原材料擠壓成型的同時從內部 輸送 再將其 推進 到錐形套筒內 。 與此同時生物質壓縮成型設備的成型套筒外部都會使用一些電熱元器件來給錐形成型套筒加熱 。第 1章 緒 論3當 生 物 質 燃 料 的 成 型 溫 度 在 140 到 310 時 其 纖 維 素 、 木 質 素 等 內 部 物 質 會 軟 化 ， 在這個時侯的生物質燃料比較容易被擠壓成型 。 一般來說從生物質成型設備成型套筒被擠壓出來的 成型燃料 的直徑 為 套筒端部直徑大小 的棒 或塊狀燃料 。現 在 制 約 著 螺 旋 式 成 型 設 備 商 業 化 生 產 和 開 發 利 用 的 首 要 技 術 問 題 當 中 有 一 個 是這樣生產出來的單位產品能源消耗很高 ， 而且該單位的生產率相對其他單位的生產率來說又比較低 ； 另一個問題就是壓縮成型過程中的零部件磨損問題 ， 尤其是錐形成型套筒內的螺桿磨損非常嚴重 。 而且一般普通材質螺桿的使用壽命非常的有限 ， 雖然可以通過噴涂 、 堆焊和使用耐磨材質可以提高螺桿的使用壽命 ， 但是這些螺桿成型工藝很復雜導致成本增大。 （ 2）活塞式擠壓成型機像活塞式生物質壓縮成型機按照其驅動力的方式不同又可以分為兩類 ： 其中之一 是利 用發動機 或者是電動機通 過機械 傳動的方式來使生物質壓縮成型機驅動起來 ， 這樣的成型機就為機械驅動活塞式成型機 ； 另一類生物質壓縮成型機是利用液壓的方式來驅動的 ， 這種生物質壓縮成型設備就是液壓驅動活塞式成型機 。 有研究 表明 ： 將 活塞沖壓式生物質壓縮 成型機 和 螺旋擠壓式 壓縮 成型機相 對 比 ， 前者的構造 明顯改善了 壓縮 成型部件 如 螺桿 經常 會 磨 損嚴 重 的現 象 9 活 塞沖 壓式 生 物質 壓縮 成 型機 螺 桿的 使用 壽命 一般都可以超過 200小時 ， 并 且 在生產的時候該機型的 單位產品能耗 能夠 下降 很多 。 但 是現在研發出來的 機械驅動活 塞式生物質壓縮成型機也有它的缺點 ： 由于這種生物質壓縮成型機的振動負荷較大 ， 所以就會造成其運行的穩定性不好 ， 另外一個重要的方面又會導致很大的生產噪音 。 還有一點是活塞式生物質壓縮成型機的活塞運動速度比機械驅動活塞式成型機的機械驅動運動速度低很多 ， 所以生物質壓縮燃料的產量就會受到一些較大的影響。 燃 料圖 式 擠壓 成型 機 的 結 構 簡 圖如圖 塞式擠壓 成型機 的 端部錐形 成型模具部為 “ 閉式 ” 壓縮 ，這種 壓縮 方第 1章 緒 論4法 是 指 用 活動 柱塞 對裝入壓模內的生物質秸稈原材料進行擠壓 ， 形成高密度的成型物后取出樣品，這種成型機的成型內腔是封閉的。 （ 3）壓輥式成型機壓輥式生物質壓縮成型機一般用在顆粒狀壓縮成型燃料的生產上面 ， 為了能夠使生物質燃料完全成型 ， 壓輥式生物質壓縮成型機的基本工作部件主要由其壓模和壓輥組成的。這種壓輥式生物質壓縮成型機對生物質秸稈原材料的含水率要求不高，通常在 10%到 40%時就 能 夠較好的 成型。 如圖 刀 具 顆 粒 原 料 圖 模壓 輥式 擠壓 成型 機 的 結 構 簡 刀 具 顆 粒 原 料 圖 模 壓輥 式擠 壓成 型機 的 結 構 簡 圖相比起平模壓輥式生物質壓縮成型機而言 ， 環模壓輥式生物質壓縮成型機的耗電較少 、 產量較大 。 由于平模壓輥式生物質壓縮成型機的正常運行轉速比環模壓輥式生物質壓縮成型機要低一些 ， 導致平模壓輥式生物質壓縮成型機的產量比環模壓輥式生物質壓縮成型機的產量小。與此同時由于平模壓輥式生物質壓縮成型機的轉速低而且壓力大 ，第 1章 緒 論5導致了壓制生物質秸稈材料的時候產出的生物質燃料的顆粒密度較大 。 像木屑和秸稈這類難以成型的粗糙纖維就需要較大的壓力 。 環模壓輥式生物質壓縮成型機的模具壓輪軸承容易磨損，因為結構限制了壓力不可調，在壓制一些粗纖維物料時可能會超出負荷 。平模成型機的壓輪直徑大小不會受到模具直徑的限制，因為加大了內部裝軸的空間 ， 可以用大型號軸承加強壓輪的載荷能力 ， 這樣既能提高壓輪的承受能力又可以延長使用壽命 9。成型原料麥木屑、秸稈等生物質原料含有大量纖維素、木質素，由于他們聯系緊密 ， 輥壓磨具在對這類原料進行擠壓時 ， 需克服極大的應力做功 ， 所以磨具通常磨損嚴重 10。 此外 ， 壓輥式生物質壓縮成型機還有一些缺點 。 例如這種成型機的振動大 、 噪聲大，并且在使用的過程中還要配備專門的燃燒鍋爐，非常不方便。 目前在利用生物質能的發展過程期間 ， 我國吸取了發達國家的經驗 ， 然后結合我國自 身 的 情 況 生 產 了 一 些 適 合 我 國 使 用 的 生 物 質 壓 縮 成 型 機 711 國 內 已 經 有 研 究 人 員和 機 構 研 發 出 了 質 擠 壓 式 秸 稈 成 型 機 12； 在 遼 寧 省 能 源 研 究 所 開 發 出 了型 顆 粒 生 物 質 壓 縮 成 型 以 后 ， 中 國 農 機 能 源 動 力 研 究 所 就 研 發 出 了 體 。 在這之后 成型機 又通過 不斷 的 改進 使其性能得到極大提高 ， 克服了很多其他成型機不易處理秸稈廢棄物的問題13。 2003年 有的項目 又得到 了政府的支持 ， 隨后就可以將 秸稈擠壓 成 完全成型燃燒材料 并且 在農 村利用起來 14 為了研發出先進的機型及其技術投入了大量的人力物力 。 到目前為止 ， 國外的生物質成型機主要有 4種 ： 顆 粒成型機 、螺旋連續擠壓成型機 、 液壓活塞式成型機和機械活塞式成型機 16。 最早研制出的生物質成型機是螺旋擠壓式成型機 ， 當時這種成型設備有很多的優點例如如運行平穩 、 能夠連續生產、生產的成型燃料易燃等。 活塞擠壓式生物質壓縮成型機改變了成型的部件 ， 這樣就可以 大幅提高成型部件的使用壽命 。 同時 改變了 原料 的 作用方式 來 降低 生物質燃料單位產品的能耗 。 根據其驅動力來源不同 ， 這類型的生物質應力壓縮成型機又分為液壓活塞式和機械活塞式這兩種類型 。早在 1976年 ， 美國就率先 成功 的研發出 了生物質顆粒成型機 及其配套的 燃燒設備 ；在 從美 國引進成型燃料的相關生物質燃料的生產技術之前 ， 他們就已經 開始應用機械活塞 式成型機及其相關技術來處理農林生物質材料的廢棄物 ； 亞洲有些國家在成型機銷售市場當中也占據著一定的主導地位。在早期就在各地修建生物質致密成型研究的基地 。其他一些國家也對 生 物質成型技術重視起來 ， 經過研究 ， 也能研發顆粒成型機 、 活塞式成型機及其配套燃燒設備17第 1章 緒 為一種分散型的能源存在 ， 生物質有能源也有一些缺點嚴重限制了生物質能源大規模應用的能力 ， 這當中有著相當多的生物質不能有效而充分的利用 。 因為我們國家的生物質原材料資源很豐富 ， 現在如能將其轉化成為清潔 、 方便的能源 ， 那么這將有著十分顯著的社會效益 ， 對我國的可持續發展非常有利 。 因此 ， 生物質能轉化技術引起了政府的關注和人們的興趣 ， 尤其是生物質固化成型技術 。 現如今正在研究的生物質固化壓縮成型燃料有著很多的優點符合了現代化新型農村發展的要求 。 開發生物質能源不僅可以減輕環境污染還可以解決能源危機和保護生態環境。 通過研究本課題 ， 研發出一種大粒徑生物質壓縮成型機 ， 在保持原有生物質壓縮成型機原有優點的基礎上使其有著造價低 、 結構簡單 、 效率高 、 工況良好 、 系統性能穩定等優點 。 現在的常規能源很有限 ， 所以生物質壓縮成型技術的出現在推廣的時候有了發展的空間。 )應 用 料擠壓 成型 的 過程 進行模擬并且對壓縮過程中 加熱生物質 燃料的 內溫度場 分布的進行分析 。 為了試驗研究 、 分析生物質擠壓成型受哪些主要因素的影響 ， 本課題要運用 (2)通過 對擠壓 和壓縮 成型模 具和 進料裝置進行改進， 使生物質燃料 成型更容 易 、進料更簡捷 并保證很高的成型質量和工作效率。本課題液壓設計中的參數進行校核 ， 這樣有利使液壓系統運作得更合理并簡化設備的總結構布局。 (3)本課題為了 設計 出 一種 液壓 活塞式 大粒徑 生物質壓縮成型設備 ， 這種設備 有 著生 產成本低 、 原料運費少 、 田間作業便利 、 使用壽命長 等特點 。 新型的生物質壓縮成型機比原來的機型對生物質秸稈原料的要求更低，而且降低了對生物質原料的濕度要求 ，本 課 題 的 設 計 的 成 型 機 并 不 需 要 其 他 的 配 套 設 備 來 配 合 所 設 計 的 大 粒 徑 生 物 質 壓 縮 成型機。 物質 擠壓 成型 過程中的生物質原料變形形態 、 應力 、 內部位移規律等 ， 為找第 1章 緒 論7出各因素對成型燃料狀燃料的影響 ， 合理運用 機 械 部 件 進 行 分 析 時 給 出 重 要 依 據 。 對 加 熱 前 后 生 物 質 材 料 的 內 部 溫 度 場 進 行 模擬 ，為以后的壓縮工藝做好準備。 進行生物質壓縮 成型機 的原理 分析 是為了 對生物質 壓縮 成型 過程的參數進行分析 ，以此來 確定 影響成型的各個主要因素和 成型條件 ， 為生物質壓縮成型機總體設計提供充分的理論數據。 在 進 行 生 物 質 壓 縮 成 型 機 總 體 結 構 設 計 之 前 根 根 據 生 產 條 件 和 加 工 要 求 實 行 系 統設計 分析 。并著重對擠壓成型模具、進料裝置、和液壓系統設計進行計算。第 2章 生 物質 壓縮 成型 的有 限元 模擬 分析82大粒徑 生物質壓縮成型 的 以能夠在不添加粘結劑的情況下加熱壓縮成型。木材中的木質素含量一般為 26%到 3%， 當用 木質素衍射 時顯示 木質素 是以苯 丙烷為其主體結構的非晶體 。 通常有三種最基本的結構 ： 愈創木基結構 、 紫丁香基結構和對梭苯基結構 。 但是木質素具有一種玻璃態的是軟化點 ， 這一種轉化溫度的軟化點和木質素本身處于什么形態和其結構有著很大的關系19從試驗的數據可以表明 木質素開始軟化 的 溫度在 69 到 111 ， 但是它的 粘結力 從那時 開始增加 1923 而當溫度到 190 到 310 的 時 候木質素就 可以熔融 了 。 這個時候就在與最大應力垂直的方向上的原料顆粒通常相互嚙合 。 但是在與最小應力垂直的方向上 ， 原料顆粒通常相互靠緊 ， 那么這樣就使得生物質的體積縮小 、 密度增大 ， 這樣就可以維持固定的形狀，因為這時的成型材料有一定的強度了。 生 物 質 秸 稈 材 料 壓 縮 成 型 的 原 理 可 知 活 塞 式 生 物 質 秸 稈 壓 縮 成 型 機 的 壓 縮 過 程是一個連續擠壓的過程 。 為了方便問題的研究 ， 生物質壓縮成型時材料被擠壓的區域可以分為五個區 ： ： 供料區 、 壓緊區 、 穩定成型區 、 塑性成型區和保型區 25， 如 圖 活 塞 口 筒 腔 筒圖 質 成型 過程 分析 示意 圖第 2章 生 物質 壓縮 成型 的有 限元 模擬 分析9從圖 以看到 ， 為了給擠壓 油缸 準備向 預壓輸送 區域運送生物質燃料的區域 ； 活塞桿 從 封 住生物質秸稈進料口以后到生物質燃料壓縮成型前即將用活塞 推動 材料 前移 動的 區域 ； 穩 定成 型區 ，是 為了 推 動 材 料 活 塞前 極 限 位 置的 區域 ； 整個成型過程中 是 最 為 重要 的一段 塑性成型區 。 因為 物料在 錐形腔里面在加熱的同時受到擠壓變形； 保型區， 是使壓縮燃料保持成 型 的區域 。活塞桿在壓縮生物質燃料時為了將部分空氣排出 、 減小體積 、 使原料壓縮后的密度比一般自然狀態密度高 ， 那么在供料區域內 ， 物料首先被預壓縮 。 活塞每一次行程都完成以此壓縮 。 當活塞到了 置時 ， 生物質原材料在推力作用下向前移動 ， 當觸碰到錐型套筒端面時 ， 生物質材料的空間內被擠壓出空氣而產生塑性變形 。 在材料進入成型區的這個區間里柱塞壓力快速增大，這樣會將先前成型的生物質原材料擠壓進成型區 。然后在往復運動的柱塞帶動下保持一定的形狀 。 從保型區出來后的成型材料還需進過經過幾天才可以保持一定的形狀 26。 有一種在力學上可以利用來求解有限單元的方法就是有限元法27。 有限單元分析法可以運用到很多的地方 ， 例如力學中位移場以及應力場分析 、 振動特性分析 、 傳熱學中的流場分析 、 電磁學中電磁場分析等 。 在世紀工程中有許多力學問題都可以用計算機求解 ， 比如靜態分析 、 動態分析 、 應力 、 結構變形 、 振型及固有頻率等 。 有限單元分析法是最主要的分析方法 ， 這是因為它的應用性和實用性最最好 。 這種有效性可以從分析線性問題 ， 隨著其技術的發展分析非線性的問題 。 不僅如此分析對象也逐漸地廣泛了 ， 從彈性材料到塑性材料 ， 再到粘彈性 ， 最后到符合材料這種連續體到非連續體的變化。 問題 進行分析來建立 數學模型 ， 然后在工程問題的模型確定了之后利用該方法來進行分析 ， 隨后計算求解 。 有限元法的求解思路是先將結構上連續的區域進行網格劃分 ， 然后計算被網格劃分后的子域 ， 通過邊界節點來講子域結合成一個整體進行分析 。 網格劃分的多少和有限元法的精度和速度有關系 。 對建立的模型利 用 加 權 余 量 法 和 等 效 變 分 理 論 來 建 立 需 要 求 解 場 函 數 節 點 未 知 量 的 常 微 分 方 程 組 或代數方程組。方程組以矩陣的形式表示有限元的求解方程，最后用數值法求解得出解 。第 2章 生 物質 壓縮 成型 的有 限元 模擬 在實際工作中遇到的復雜結構體都能離散成為有限元模型 ， 這些模型可以由單元組合體的形式表示 。 這是有限元法對復雜結構的適應性特點 。 這種方法適應于許多物理問題 ， 并且可以解決各種單元互相耦合的問題 。 這是有限元法對問題的適應性 。 在 建立理論上的可靠性 方面 ， 建立有限元方程加權 余量法已被證明為等效積分 ， 因此有限元法求解的近似程度就會因為模型的正確建立而變高 ， 其結果也就更加精確 。 若單元是收斂的 ， 那么隨著單元數的增加以及自由度的增加 ， 求解的結果也會收斂于數學模型 。 最后因為有限元法在計算機上實現的高效性使得這種方法常用于解決復雜問題。論上 析過程包 括以下幾 個步驟。分 析 問 題 前 處 理加 載 并 求 解后 處 理結 果 是 否 合 理問 題 得 到 解 決 元 分析 流程 圖(1)加載求解加 載 求 解 主 要 是 先 求 出 在 節 點 處 的 自 由 度 ， 然 后 再 求 出 作 用 于 表 面 的 接 觸 分 布 載荷 。 其次再求作用于整個場域中的體積載荷 。 最后再求出由結構的慣性或者是質