机械-生物质秸秆成型机多目标优化设计论文设计

生物质秸秆成型机多目标优化设计摘要伴随世界经济的迅速成长，能源危机和环境污染愈来愈严重。生物质能源以及太阳能、水能、风能一样是一种可再生的能源，潜质巨大，是继煤炭、石油、天然气以后的世界第四大能源。而秸秆压实燃料是生物质能源中的一种，有着原料充分、加工简便、方便存储运送、燃烧性比较好的优势，能够较好的当做是一种代替能源获得普遍的运用。本文研究的主要内容如下:1.生物质成型设备国内外研究状况简介生物质能源的运用状况还有秸秆压实成型技术的国内外研究情况。查阅有关材料，理解生物质成型设施的成型机理还有成型工艺。2.提出新式成型设备的工艺方案并运用MATLAB进行优化在当前的活塞式成型设施的基本之上，透过改良旋转式生物质成型机提出新型高效成型设施的总体成型工艺方式，按照新的成型工艺对成型设施的主要参数采取参数优化;用单位时间生产的产品品质最多，也就是生产一定品质的成品块所用的生产时间最短当做目标的函。3.设计成型的液压工作系统，给出液压系统控制方案依据成型设备的工作原理设计成型设备的液压驱动系统，并给出成型设备的液压控制方案。利用HOLLIAS-LECG3系列小型一体化PLC以及配套的编程工作软件PowerPro进行编程，通过在线仿真得出液压系统控制方案的可行性。4.对成型设备进行虚拟样机开发运用PRO/E软件，完成对成型设备的虚拟三维造型，为实体机生产提供理论依据。成型设备采用双出料口的设计，一个生产周期产生两个成品;增加一个具有四模腔结构的旋转工作台，使得预压与送料两个过程同步进行。并且对压缩装置做出相应的变化，使得压实与推出过程同步进行。5.进行生物质冷成型实验研究以及结果分析针对不同的生物质原材料，采用控制变量法分别对含水率、压缩速度、材料、保型时间进行控制，运用WDW-100型微机控制电子万能实验机进行冷成型压缩试验，总结实验结果。关键词:四模腔旋转工作台;生物质成型;双出料口;Abstract目录插图和附表清单绪论§1.1研究背景和意义能源在人类社会的发展中扮演着重要角色，是国家经济和社会活动赖以生存和发展的物质基础,当前人类使用的主要能源有煤炭、石油、天然气等化石燃料，[[1]李艳妮，生物质（秸秆）燃料挤压成型机的设计与研究，硕士学位论文，陕西科技大学，2012]这些都是不可再生能源,专家预测按当前经济发展的速度，以上三种资源全球的使用年限分别为220年、40年、60年。[2]而我国的能源主要以煤炭为主，据国家能源局初步统计显示，2013年我国能源消费总量为37.6亿吨标煤，相比2012年增速为3.9%，煤炭消费占一次能源消费比重为65.7%，非化石能源消费占一次能源消费比重为9.8%,[3]可见煤炭资源消耗过高。煤在直接燃烧的过程中产生co2,so2,粉尘及其他有害物质，对大气环境造成严重污染，今年全国大范围长时间的雾霾天气就是见证，已危及人民生命健康并引起国家高层的强烈关注，2013年9月12日，国务院发布《大气污染防治行动计划》，推出十项措施，其中前五项涉及能源消费，提出“加快调整能源结构，增加清洁能源供应。到2017年煤炭占能源消费总量比重降到65%以下”[1]李艳妮，生物质（秸秆）燃料挤压成型机的设计与研究，硕士学位论文，陕西科技大学，2012我国是农业大国，秸秆资源非常丰富。农作物光合作用的产物一半在果实中，一半在秸秆里，秸秆中蕴藏着丰富的能量。然而，以往常常重视果实而忽视作物秸秆，大量的秸秆未被科学利用，秸秆传统上作为农村的生活燃料，大牲畜饲料和有机肥料的主要来源。近年来，随着农村的经济水平提高，高质量的商品能源逐渐进入农村，所以秸秆在农村生活用能逐步下降，同时养殖业的规模化使农村的牲畜散养量下降，用作饲料的秸秆量大量减少，上述原因造成了秸秆的严重过剩。又由于人们对农作物秸秆的利用认识不足，缺乏利用农作物秸秆的技术手段，许多秸秆被闲置在田间、地头，占用了大量耕地。部分地区大量秸秆就地焚烧，农业部的一项全国性秸秆资源调查显示，我国现在每年的生物质秸秆产量约为7亿顿，而农作物秸秆废弃及焚烧量约为2.15亿吨，占秸秆资源可利用量的30%，[6]不仅浪费了大量的能源资源，还引起严重的烟雾污染，对空中和陆地交通造成很大影响，同时破坏了生态环境，影响了人们的身体健康，[[2]周良，对国内秸秆利用现状的思考[J]安徽农业科学，2012（32），15853-15855[2]周良，对国内秸秆利用现状的思考[J]安徽农业科学，2012（32），15853-15855[3]中国行业研究网[4]李新民等，2013年中国能源十大新闻，经济参考报，2013,12,30[5]中国行业研究网[6]翁伟、杨继涛、赵青玲等，我国秸秆资源化技术现状及其发展方向[J],中国资源综合利用，2004（7）：18-21；[7]王雅鹏，孙凤莲等，中国生物质能开发利用探索性研究[M]，北京，科技出版社，2010.7[8]李保谦，马孝琴，张百良等，秸秆成型与燃烧技术产业化分析[J]，河南农业大学学报，2001（1）：78-80[9]张国良，张振涛，孙兆斌，曲保雪，李成华，徐长明。生物质成型燃料的生产与应用的问题分析[J],农机化研究，2011（08）：177-183[10]赵立欣，孟海波，姚宗璐，中国生物质固体成型燃料技术和产业[J]，中国工程科学，2011,13（2）：79[11]郝永俊，宋逍，张曙光，刘彦博，王刚，张秀璋。生物质燃料固化成型工艺研究[J]天津科技，2011（04）：10-12[12]周春梅，许敏，易维明.生物质压缩成型技术的研究[J].科技信息（学术研究），2006（08）：72-75[13]侯鹏程，凸轮式生物质燃料致密成型机设计研究，硕士学位论文，内蒙古农业大学，2013[14]Hee-JonKim;Guo-QingLu;IchiruNaruse;JianweiYuanandKazutomoOhtake.ModelingonCombustingCharacteristicsofBiocoalbirquettes[J].JournalofEnergyRosourcesTechnology;Mar2001,vol,123Issue1:P27-31[15]CenterforBiomassTechnology.Doanishbioenergysolutions-reliableandefficiently[M].2002[16]郝永俊，张曙光、王刚等。生物质成型设备的最新研究进展[J].环境卫生工程，2011,19（4）：44-46.[17]钱能志、尹国平、陈卓梅。欧洲生物质能源开发现状和经验[J],中外能源，2007,12（3）：10-13[18]张永宁，陈磊。英国发展生物质能源的政策及启示[J].北学工业，2007,25（6）：12-15[19]郭康权，江崎春雄，佐厅隆显，日本木材废料压缩成型加工企业调研，新型燃料技术开发研讨会文集，1992，27-43[20]MartinJunginger,TorjusBolkjusj,DouglasBradley,etc.Developmentsininternationalbioenergytrade[J].Biomassandbioenergy,2008,32:717-729[21]刘圣勇，陈开啶，张百良，国内外生物质成型燃料及燃烧设备研究及开发现状[J]，可再生能源，2002,4:14[22]李保谦，牛振华，秸秆成型燃料技术的研究现状及应用前景[J],2009年中国生物质能源利用与可持续发展研讨会[23]S.Yaman,M,sahan,H.Hayriki-Acma.k.Sesen,S.Kucukbarrak,fuelbriquettes.Frombiomass-ligniteblends.fuelprocessingTechnology,2001,72:1-8[24]Atulkumar,PallvaPurchit,SantoshRana,TaraChandraKandpal.Anapproachtotheestimationofthevalueofagriculturalresiduesusedasbiofuels.BiomassandBioenergy,2002,22:195-203.[25]霍丽丽，侯书林，赵立欣，孟海波，田宜水，生物质固体燃料成型燃料技术及设备研究进展[J],安全与环境学报，2009年06期[26]刘辉，植物秸秆冷成型固化燃料成型系统设计与研究[D],安徽农业大学，2009[27]张百良，农业能源工程[M]，北京：中国农业出版社，1999.[28]郑戈，杨世关，孔书轩等，生物质压缩成型技术的发展与分析[J],河南农业大学学报，1998,32（4）：349-354[29]李保谦，张百良，夏祖章。HPB-I型活塞式成型机的研制[J],河南农业大学学报，1997,31（2）；112-116[30]卜农农，旋转式秸秆压实机的初步设计及结构优化[D],青岛：青岛大学，2010[31]刘小勇，李荣丽，孙丽霞，李建勇，张占国，吕相艳。液压式双向冲压秸秆冷压成型机机械系统设计[J]，中国农机化，2010，（6）:87-90[32]李建刚，生物质成型设备优化设计及实验研究，硕士学位论文，青岛大学，青岛，2012[33]章长荣，新型多头式秸秆成型设备的数值模拟与研制[D]，吉林大学，2011[34]林维纪，张大雷等，生物质固化成型技术及其展望[J],新能源，1999,21（4）：39-42[35]岳建芝，硕士论文，中国与IEA国家生物质能利用比较研究，河南农业大学，郑州，2001[36]宋贯华，硕士论文，CXJ-III生物质燃料机械活塞式成型机的研制，哈尔滨工业大学，哈尔滨，2012[37]刘石彩，蒋剑春，生物质能的转化与利用技术[J],生物质化学工程，2007，41（4）59-63[38]赵亭林，舒伟，邓大军等生物质致密成型技术研究现状与发展[J]农业工程技术（新能源产业）2007，（04）：29-33[39]王冬梅，基于ANSYS的生物质成型机的研制[D]，吉林大学，2008[40]李平，蔡鸣等。生物质固体燃料技术研究进展及应用效益分析[J]，安徽农业科学，2012（14）：8284-8286[41]陈永生，沐森林，朱德文等，生物质成型燃料在我国的发展[J]，太阳能，2006（4）：16-18[42]中国可再生能源规模化发展项目办公室。农林剩余物能源化利用技术及设备调研报告[R].2008(8)植物秸秆原料质地松散，体积大，热值低，不便于运输和贮存，由此人们提出生物质固体成型技术，采用生物质秸秆成型机使秸秆致密成型，成为高品位燃料。[8]秸秆成型燃料具有密度高、便于运输贮存，形状和性质均一，燃烧性能好，热值高，适应性强，燃料比操作控制方便等优点，可用于锅炉和煤气发生炉，也可用于工业、家庭、园林和农业的暖房取暖。[9]生物质能源是可再生清洁循环能源，开发利用生物质能源已列入国家重要发展规划，符合我国创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，尤其是在不可再生能源日渐匮乏、节能减排任务日益艰巨的形式下，发展生物质能源不仅可以缓解常规能源紧张的局面，增加生态效益；而且还可以解决由生物质浪费造成的生态环境破坏问题，同时可以为农民增收，增加社会效益，是贯彻科学发展观，实现国民经济可持续发展的重要举措。[10]本课题研究生物质秸秆成型机的多目标优化设计，为高效利用农作物秸秆提供了有效途径，对生物质能的开发利用具有深远的意义。§1.2生物质压缩成型技术概述生物质压缩成型工艺分：热压成型和常温湿压成型、炭化成型等几种类型[12]。热压成型技术：将生物质原料加热到一定温度（200-300℃），目的是软化植物细胞中的木质素，此时如果施加一定的工作压力，生物质燃料就会彼此粘连在一起，使植物体变的致密均匀，当取消外部压力后，由于非弹性的纤维分子的相互缠绕，一般不能恢复原来的结构形状，然后冷却增加强度，便可实现压缩成型。热压成型的工艺流程为：原料粉碎—干燥混合—挤压成型—冷却包装。常温湿压成型：该工艺没有辅助的外部热源供给热量，在成型过程中依靠压辊与模具的摩擦产生的热量软化木质素，从而达到粘结剂的效果。常温成型技术主要有：环模或五柱式颗粒燃料成型技术。其工艺流程为：原料粉碎—挤压成型—包装。常温成型工艺比热成型工艺少了原料烘干、成型时的加热及成型后的冷却降温三道工序，大大节约了能耗。常温湿压成型技术在泰国、菲律宾等国得到一定发展，在当地被称为“绿色碳”或“绿色燃料”，在燃料市场上具有一定的竞争力[13]，是现代成型技术的发展主流。炭化成型分为先炭化后成型（工艺流程一般为：原料粉碎除杂、炭化、混合粘结剂、挤压成型和产品干燥、包装等）和先成型后炭化（工艺流程一般为：原料粉碎干燥、成型、炭化、冷却包装等）两类。由于原料的纤维结构在炭化过程中受到破坏，高分子组受热裂解转换成碳并释放挥发，因此采用先炭化后成型工艺的原料挤压加工性能得到改善，成型部件的机械磨损和挤压加工过程的功率消耗明显降低。为防止贮运和使用时容易开裂和破碎，通常压缩成型时，加入一定量的粘结剂[14]。§1.3生物质成型机国内外研究现状§1.3.1生物质成型机国外研究现状国外对生物质燃料技术的研究起步较早，美国在1976年开发研制了生物质颗粒及成型燃烧设备，1978年又投资兴建了一座日产300t的废料压块工厂，20世纪末，已在25个州兴建了日产量为250—300吨的树皮成型燃料加工厂，进行工厂化生产，有效的缓解了常规能源的紧张及环境污染的压力。[15]西欧国家在20世纪70年代已有了冲压式成型机、颗粒成型机及其配套设备，并且发展很快。[16]例如意大利的努普公司[17]开发了一种联合成型一体机，能够在田间将秸秆收割、切碎、榨汁、烘干、成型，生产出固体成型燃料。德国若浮公司研制的RB-110型成型机可以对一些木屑、秸秆、刨花等材料进行压缩。[18]瑞典每年生产成型燃料200万t，并且在1998年率先颁布了生物质颗粒燃料以及生物质压块燃料的国家标准。[19]这些国家的生物质成型设备及成型燃料产品已进入商业化规模运作模式。在亚洲对生物质成型设备的研究和引进较为领先的国家当属日本。20世纪50年代，日本开始研究生物质成型设备，用来处理木材废弃物，于1954年成功研制棒料生物质成型机，1983年前后又从美国引进颗粒成型燃料生产技术，1987年已有十几个颗粒成型燃烧工厂投入运行，年生产生物质成型燃料十几万吨。[20]除日本外，20世纪80年代，亚洲一些国家（泰国、印度、韩国、菲律宾等）都已建立了生物质固化、炭化专业生产厂家，并研制出相关燃烧设备。20世纪90年代，日本、美国及欧洲一些国家研制的成型生物质燃料设备已经产业化，成型燃料在加热、供暖、发电、干燥等领域得到普遍推广应用。[21]这些设备具有加工工艺合理、专业化程度高、排烟污染小等优点。但相对于我国则存在价格高，使用品种单一，易结渣等缺点，不适合直接引进我国。[22]从2003年开始，南非一些厂家集中到南非北部城市沙比，抢购木材加工废料，4个巨大的成型燃料加工厂迅速崛起，生产规模达到年产20万吨，南非正成为非洲最大的生物质成型燃料及设备生产基地。[23]国外开发研制的生物质成型机见表1、表2、表3、表4。[24][25]从表格中可以看出国外对生物质成型设备的研究有：颗粒成型机、螺旋式挤压成型机、机械驱动冲压式成型机、液压驱动冲压式成型机。由于各个国家的研究条件、技术水平不尽相同，成型技术的相关技术指标有一定的差别。同时生物质成型技术越来越受到各国的重视，研究生物质固化成型技术已成为未来能源发展的重要趋势。国内外总的趋势是：装备生产专业化，产品生产批量扩大化，生产装备系列化、标准化。[26]秸秆压缩成型技术研究现状1）秸秆压缩成型理论现状1938年德国学者Skalweit首次开始研究在密闭容器内低速压缩农业纤维物料。在后半个世纪中，许多发达国家采用不同的压缩方式进行物理实验与分析研究，主要针对不同材料的压缩力与密度、压缩力与压缩量及密度与湿度之间的关系得出相应的数学模型「}]。近几年，我国学者在秸秆压缩成型方面获得一定的进步。1998年，长期从事麻类加工机械和加工技术研究的吕江南学者对红麻进行了压缩成型实验。在实验的数据分析基础上提出红麻压缩过程可分为松散、过渡和压紧三个阶段，并建立了不同阶段的数学模型「}]。同年，我国王春光博士采用波尔兹曼叠加原理推导出干牧草等压缩应力松弛试验的应力和应变关系式，并运用积分理论进一步得出应力松弛本构方程「6]02001年，学者杨明韶对玉米秸秆进行压缩实验分析，提出了压缩成型的四阶段理论;即压缩成型过程存在物料膨胀、物料变形恢复量平稳、物料变形恢复稳定和物料急速膨胀四阶段。这为秸秆压缩成型规律提供了理论依据，也为后续的研究工作打下了坚实的基础「钊。2）国外秸秆成型机发展现状20世纪40年代西方国家展开了生物质燃料成型机的研发并投入大量资金，机型表见表1.401948年日本研发了第一台利用锯末、木屑为原料，采用螺旋式挤压方法的棒状燃料成型机并申请了专利。在这基础上，日本进行技术改进，扩大产业规模进而发展成了压缩成型燃料的工业体系。13个颗粒燃料成型工厂投入运行，年生产生物颗粒燃料高达10万吨。80年代初期在燃料行业协会的推动下，日本针对压缩过程中的动力消耗、压模的结构与尺寸、压缩燃料的含水率、压缩时的温度、压力以及原料的颗粒大小等进行了实验研究，进一步改进了压缩成型燃料技术，使成型燃料更为实用化「8]70年代初，美国为了摆脱能源危机研究开发了环模挤压式颗粒成型机。而欧洲等发达国家先后对冲压技术与挤压式环模技术进行更新优化。其中己有120多年历史的世界著名饲料机械生产企业一德国卡尔公司(Kahl)生产的动辊式五柱式制粒机，不仅能生产中低密度的颗粒饲料，而且还能生产较优高密度的颗粒燃料[9]。五柱式制粒机具有产量大、能耗低、易于维护等优点。东南亚各国也开始自行研发生物成型机，其中日本逐渐从最初的螺旋挤压式转型为环模成型式。随着技术完善与市场的开发认可，固化生物质燃料在发达国家以成为商品化「10]§1.3.2生物质成型机国内研究现状我国研发生物质致密成型技术起步较晚，在20世纪80年代引进开发了螺旋推进式秸秆成型机，生物质压缩成型技术的研究开发至今已有三十多年的历史。南京林业化工研究所在“七五”期间设立了对生物质压缩成型机及生物质成型理论研究课题。湖南省衡阳市粮食机械厂为处理大量加工粮食剩余谷壳，于1985年根据国外样机试制了第一台ZT-63型生物质压缩成型机。江苏省连云港市东海粮食机械厂于1986年引进了一台OBM-88棒状燃料成型机。[27]1990年以后，陕西武功轻工机械厂、河南巩义包装设备厂、湖南农村能源办公室及河北正定县常宏木炭厂等单位先后研制和生产了几种不同规格的成型机和炭化机组。1994年湖南农大、中国农机能源动力所分别研究出PB-1型，CYJ-35型机械冲压式成型机。[28][29]1998年初，东南大学、江苏省科技情报研究所和国营9305厂研制出了MD-15型生物质燃料成型机。经过多年的研究与试验，国内部分成型设备及配套产品已发展成熟。1998年河南农业大学针对其他成型设备存在生产效率低、工作部件易磨损等问题，又研制出HPB-I型液压驱动双头活塞式成型机及生物质成型块专用燃烧炉，对秸秆具有较好的消化能力，克服了其他成型设备难以处理秸秆的问题。[30]2000年得到了国家科技部科技攻关和农业科技成果转化资金的支持，使课题组有条件进一步与企业和农村实际结合，为把技术转化为生产力开展深入研究，经专家鉴定后，2002年向企业转让了技术，正式投入了产业化示范生产。在这一年河南农业大学环境与能源工程系研究成功了第三代液压驱动式（HPB-III型）双头活塞式秸秆成型机，技术已经成熟。2006年HPB-IV型液压式生物质（秸秆）成型机已经设计成功并做了相应的实验研究，现在河南农业大学的HPB系列生物质成型机已经研发HPB-V型，并且做了相应的实验分析与改进。[31]2000年以后，我国的一些科研院所和大专院校陆续进行了生物质常温成型技术的研究。河南省科学院能源研究所研制了一种在常温下生产颗粒燃料的环模式成型机。清华大学清洁能源研究与教育中心通过对具有纤维结构生物质材料的研究和分析研究出另一种常温成型颗粒燃料成型设备，可将原料在自然干燥含水率状态下粉碎成细小颗粒或纤维状，再投放机器中制成颗粒成型燃料。该项技术已在北京的密云和怀柔地区推广使用。北京林业大学在研究生物质常温成型的机理基础上，研发成功了一种液压双向挤压的常温生物质成型机。2010年北华大学的刘小勇等结合秸秆冷压成型机理，以现有活塞式成型机为基础，设计出液压双向秸秆冷压成型机，并做了相关的理论研究，为生物质成型机中成型装置的设计奠定了理论基础。[32]2010年青岛大学李建刚、卜农农以提高生产率，降低成本为研究目标，对活塞式生物质成型机进行改进，提出了旋转式生物质秸秆压实设备的工艺方案，并对其中的重要参数进行优化。[33]2011年吉林大学章长荣设计出新式多头秸秆成型设备，并对生物质秸秆压缩成型技术应用有限元理论进行分析研究，对成型设备生产的生物质燃料做出了物理品质评价。[31][34]进入21世纪，中南林学院，辽宁省能源研究所研制的颗粒成型机，南京林产化工研究所研制的多功能成型机，河南农业大学机电工程学院研制的活塞式液压成型机，在国内都已形成或正在形成产业化。[35]表5，表6列出了几种比较典型的生物质成型设备性能参数。结合表5，表6，[36]我国运行的（曾有800多台运行）大多是螺旋挤压成型机，生产能力多在100-200kg/h之间，生产的成型燃料多为棒料，直径50-70mm，单位产品电耗为70-100kwh/t。目前这些设备大都停止运行，主要原因有：用木屑做原料，市场和资源的针对性差，成本高。螺旋挤压设备磨损严重，维修周期短（60-80h）,耗能高。由此看来，螺旋式挤压成型机的关键技术是螺杆的使用寿命。而液压式生物质成型机是液压驱动活塞冲压成型，其运行性能稳定，延长了易损件的使用寿命。§1.3.3分析国内外各种常用生物质成型机的特点一、主要成型机的类型[37]目前世界各地的成型机主要有两种类型：压块和颗粒成型机。根据成型原理的不同可分为：活塞成型机、螺旋式成型机和模压成型机。（一）活塞式成型机按驱动的动力不同可分为两类：一类是通过电动机或发动机通过机械传动驱动的称为机械驱动活塞式成型机（Pistonpresswithmechanicaldrive）(如图1示)，另一类是通过液压系统驱动的液压活塞式成型机(pistonpresswithhydraulicdrive)（如图2示）机械驱动式活塞成型机工作时，电机带动飞轮转动，借助曲柄连杆机构，带动活塞作高速往返运动，产生冲压力使物料成型。冲头是成型部件的关键部分，在压力作用下直接冲击原料成型，其稳定性对于整体机器运转的可靠性有重要影响。液压驱动活塞式成型机则是利用液压油缸提供的压力，带动冲压活塞使秸秆等生物质原料冲压成型，其运行稳定性得到极大的改善，噪声下，明显的改善了操作环境，但活塞的运动速度较机械驱动时低，所以其产量受到一定程度的影响。根据驱动动力的不同，活塞冲压式成型机(见图2-3)可分为液压驱动活塞式成型机和机械驱动活塞式成型机两类。机械式冲压成型机工作时，电机带动飞轮转动，通过曲柄连杆机构，带动冲压活塞做高速的往复运动，在活塞冲压力的作用下使原先松散的原料压缩成块状燃料。液压式冲压成型机是通过电机带动油泵，把电能转化成液体的压力能，从而驱动活塞冲压生物质原料，使其通过成型套筒制成生物质成型燃料[[19,33,53]。与机械式冲压成型机相比，其运行稳定性和操作环境都有了较大提高，但由于活塞的运动速度较机械驱动时低很多，因此，其产量受到了一定的限制。活塞冲压式成型机的设备生产成本低，适合各种农作物秸秆。。活塞式冲压成型机通常不需要额外的电加热，因此，与螺旋挤压式成型机相比，不但降低了单位产品的能耗，而且避免了成型机关键零部件的磨损，从而提高了成型机的使用寿命。但是该类型设备占地面积大，噪音大，产品质量不稳定，也很难实现连续生产，因此，很难被广泛应用。图1机械驱动活塞式成型机图2液压活塞式成型机下面介绍液压驱动式活塞成型机，如图3所示。该成型机是采用液压驱动活塞挤压成型机构，通过冲杆挤压成型套筒中的秸秆，在外力作用下，生物质秸秆颗粒开始重新排列位置关系，并发生机械变形和塑形流变。在垂直于最大应力方向上，粒子主要以相互靠近结合的形式结合。随外力的增大，生物质体积大幅度减小，容积密度显著增大，生物质内部胶合外部焦化，并具有一定的形状和强度。在冲杆的推挤作用下，生物质成为棒状从成型套筒中交替挤出，成为既定形状。图3活塞冲压式成型机活塞式成型机的优点有：（1）设备生产成本低，降低了单位产品能耗，（2）各种农作物秸秆均可压制成型，可加工不易成型的麦草和稻壳等。（3）原料粉碎粒度要求低，一般在1-100mm，压缩比为14-18。（4）该设备可生产大快或棒状燃料，适合农村和小型锅炉应用。活塞式成型机的缺点有：（1）这类设备间歇成型，占地面积大。（2）机械驱动活塞式成型机存在较大的振动负荷，工作时噪音较大。（3）液压驱动柱塞式成型机的液压油易泄露，易造成润滑污染。（二）螺旋式成型机根据成型过程中粘结机理的不同可分为加热（withdieheating）和不加热(withoutdieheating)两种形式。不加热型是先在物料中加入粘结剂，然后在锥形螺杆输送器的压送下，压在原料上的压力逐渐增大，到达压缩喉口时物料所受的压力最大。物料在高压下体积密度增大，并在粘结剂的作用下成型，然后从成型机的出口被连续挤出。加热型是在成型套筒上设置加热装置，利用物料中的木质素受热塑化的粘结性，使物料成型。此类成型机最早被研制开发。图4示螺旋成型机及其成品。根据生物质原料在成型过程中粘结机理的不同，可以将螺旋挤压成型机(见图2-2)分为加热和不加热两种类型。前一种类型是在压缩成型过程中，在成型结构部位安装电加热装置，将成型温度控制在1503000C，使原料中的木质素、纤维素等受热软化或塑化，从而粘结成型[[37]。后一种类型通常是在原料进入成型结构之前加入适当的粘结剂，然后在粘结剂的作用下挤压成型。螺旋挤压成型机对原料的含水率有着严格的要求，为避免在成型过程中因原料中水分的快速气化而造成成型燃料的开裂和“放炮”等现象的发生，原料的含水率一般控制在8%-12%之间。另外，使用螺旋挤压成型机进行压缩成型时，其成型压力也需保持在一定的范围内，由于成型压力的大小随原料种类和所要求成型燃料密度的不同而异，因而，一般控制在4.9Mpa}12.7Mpa之间。螺旋挤压式成型机具有噪音小、运行平稳、能实现连续生产等特点，因此，在成型机市场中的很长一段时间里都占据着主导地位，尤其是在一些东南亚国家，如老挝、越南、印度、泰国等。目前，该成型机在上述诸国中的应用仍较为普遍，其生产能力大多在100}200Kg/h之间，电机功率7.5}18Kw，生产的棒状成型燃料直径为50}70mm。但是该成型机存在成型部件磨损严重(尤其是螺杆的磨损)、单位能耗高、使用寿命短等缺点。另外，该成型机对原料的含水率和粒径大小有着严格的要求，因此，成型工艺不好掌握。为了解决部件磨损严重这一问题，现在大多采用喷焊钨钻合金生产螺杆，或对螺杆局部采用渗硼以及表面硬化等方法处理。图4螺旋式成型机及成型产品下面简单介绍加热式螺旋成型机，如图5所示。电机启动后，通过传送带带动螺旋输送器旋转，螺旋杆将料斗中的生物质原料推进到成型仓前端，利用锥形面进行成型，在成型筒上套有电加热环，对生物质原料进行加热，加热温度一般为270℃左右，在加热作用下生物质原料（秸秆）塑化后具有粘性，使秸秆燃料热压成型。成型产品（成型燃料一般为直径50mm-60mm的空心燃料棒）依靠后面成型的成品燃料快速推出。图5螺旋挤压部件结构示意图螺旋成型机的优点有：（1）成品密度高。以木屑、柴草、稻壳为原料，国内生产的几种螺旋挤压成型机加工的成型棒料的密度都在1100-1400Kg/m3。（2）成品质量好，热值高，更适合再加工成炭化燃料，用于烧烤、炊事、取暖以及木炭为原料的化工行业，还可以加工成活性炭，进行污水处理等。[38]螺旋成型机的缺点是：（1）产量低，目前国产设备的最高台时产量不到150Kg/h，距离规模化生产的产量需求相差很大。（2）能耗高，粉料在螺旋挤压成型前先要经过电加温预热，挤压成型过程的吨料电耗就在90Kwh/t以上。（3）易损件寿命短，国产设备的主要工作部件—螺杆的最高寿命不超过500h，距离国际先进水平1000h以上还有很大差距。通常采用喷焊钨钻合金，焊条堆焊618或碳化钨，或是采用局部渗硼处理和振动堆焊等方法延长螺杆的使用寿命。[39]（4）原料要求苛刻。其原料粒度一般要求为1-10mm,其中粒度在4-6mm以上原料的比例不超过10%，否则不易压紧。螺旋挤压成型机采用连续挤压、成型温度通常调整在220—280.℃之间，为了避免成型过程中原料水分的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生，一般要将原料含水率控制在8%-12%之间，[40]所以对有的物料进行预干燥处理，增加了加工成本。这一点对于移动式的成型燃料加工系统也许是个致命伤，因为与螺旋挤压工艺相衔接的还需要有配套的烘干机。（三）压辊式颗粒成型机根据压模形状的不同可分为：五柱式颗粒成型机（Diskmatrixpellet）（如图6示）和环模颗粒成型机（Ringmatrixpelletpress）（如图7示）。其中环模颗粒成型机根据其结构布置方式又分为立式和卧式两种形式。由于立式环模成型机具有压模易更换，保养方便，易进行系列化设计等优点而成为现有颗粒成型机的主流机型，其生产率可达到1-3t/h。卧式环模成型机的压模和压辊的轴线都为垂直设置，生产率可达到500-800kg/h。压辊式成型机可以分为五柱式成型机(见图2-4)、环模成型机(见图2-s}、对辊式成型机(见图2-6)3种。其主要工作部件都由压辊和压模组成。根据压模形状的不同，压辊式成型机可以分为五柱式成型机和环模成型机两种，其中，环模成型机又可以分为立式和卧式两种。目前，卧式环模成型机在颗粒成型机中占主导地位，该型机具有压模更换方便、自动化程度高，结构紧凑，单机产量大等特点，其加工能力为1}3t/h，适宜大规模生产，因此，在我国具有广阔的推广和应用前景。不管是五柱式成型机还是环模成型机，其压模上都加工有一定数量的成型孔，在压制室中，物料就是在压辊的挤压作用下通过模孔而成型的。压辊式成型机可广泛用于加工残枝落叶、秸秆、稻草等纤维较长的原料，而且一般不需要外部加热，同时，也可根据原料状况添加一定量的粘结剂，压制成的颗粒燃料为直径6}12mm的圆柱状，块状燃料的大小约为32mmX32mm}3}}o五柱式颗粒燃料成型机具有成本低，压制室空间大，对原料适应范围广以及对原料水分适应性强等优点，因此，适合被广泛推广。但是，其产量普遍较低，一般不超过O.St/h。对辊式成型机具有占地面积小，能耗低，可以实现生物质原料在自然含水率条件下不用任何粘结剂、添加剂的常温压缩成型。因此，开发应用的潜力巨大。表2-1是几种生物质固体成型设备性能特点的对比[[3]图6五柱式颗粒成型机图7环模颗粒成型机压辊式成型机的主要部件是压模和压辊，其中压辊为主动件，可绕自身旋转轴转动，在其外周开有加工齿或成型槽，用于压紧原料，压模上开有成型凹槽。原料在压辊压力的作用下被挤进压模的成型凹槽中，大多数情况下，这种成型机带有切刀，用于切断成型料，主要用于颗粒状或块状成型燃料的生产，原料适应范围广泛，可以加工木屑、秸秆、稻壳等纤维较长的原料，颗粒燃料为6-12mm的圆柱状，块状燃料为32x32mm的块状。[41]可以根据需要调整模孔尺寸，改变成型产品的形状和大小。下面是两种压辊式成型机部件的结构示意图图8环模成型部件结构示意图图9五柱式成型部件结构示意图表7两种压辊式成型机异同点的比较（二）三种生物质成型机的比较表8三种主要生物质成型技术的比较[42]表9三种主要成型机的性能比较[43]通过对以上三种成型机类型比较可以看出，螺旋挤压成型机和活塞冲压式成型机主要用于棒料成型燃料生产，两种机型均生产率不高，能耗高，主要压缩部件磨损严重，运行不稳定，设备配套性差，管理自动化程度较低，并且成型产品尺寸大，使用时需要手工进行填料，不易实现自动化运行，两种成型机尚未实现批量化生产。压辊式成型加工方法能满足用户对生物质成型燃料均匀要求，可实现工业化自动上料，而环模成型机以其生产率高、成型好等优势更被生产企业青睐，所以压辊式成型机具有较大的发展潜力。1.目前主要的成型工艺生物质燃料压缩成型技术发展至今，已经研发出了多种固化成型加工工艺及成型设备。依据主要成型工艺主要特征的区别，可以将这些成型加工工艺从广义某种程度划分为常温压缩成型和加热压缩成型以及使其炭化成型还有捆扎成型。其中，加热压缩成型工艺目前普遍采用生物质原料来压缩成型。这种工艺主要特点是在适当的温度条件下将生物质原料压缩成型，依据秸秆原料在成型机被加热的部位的不同，可以将这一工压缩艺划为两大类:一类是秸秆原料在成型部位加热，被称为“非预热热压成型工艺”;另一类是秸秆原料在给料过程中和在压缩成型部位依次被分别加热，被称为“预热热压成型工艺”。1.1非预热热压成型工艺目前，这种秸秆固化成型工艺在生物质压缩成型技术领域内的应用仍然占据着主导的地位。已经成功研制的固化成型应用技术主要有活塞冲压式和螺旋挤压式以及压辊式颗粒成型技术。1）.螺旋挤压式成型技术最早研制出的用于生产生物质燃料热压成型设备一一螺旋挤压式成型机就是采用螺旋挤压式成型技术。这一种类成型机以其生产连续和运行平稳以及所生产的成型棒易于燃烧(由于其表面的炭化层以及空心结构)等特性在成型设备的销售市场中(尤其是在泰国和印度以及马来西亚等东南亚国家还有我国)份额一直占据着主导地位。但有两个主要问题制约其的发展:一个是成型部件尤其是螺旋主杆磨损严重使其使用寿命缩短。并且国产成型设备的主要工作易损部件螺杆的最高寿命不会超过500个小时，距离国际先进水平最高寿命1000小时还有着很大的差距;二是单位产品的能耗高。原料在进行螺旋挤压成型前要先经过电加热管加温预热，在挤压成型过程每吨原料的电耗就在90kWh/t以上，并且生产率较西方设备而言相对较低，在成型过程中对物料的含水率和切割颗粒的大小等有严格的要求。因此，成型工艺流程不太好掌握。1.2.活塞冲压式成型技术此类固化成型技术由于改变了秸秆物料与挤压成型部件的作用方式，在使得成型部件的使用寿命得到大幅度提高的同时，也显著降低了秸秆煤单位产品能耗。根据驱动活塞的动力来源的不同，该类成型机可以分为:液压驱动活塞式成型机与机械驱动活塞式成型机。机械驱动活塞式成型机工作原理是通过曲柄一连杆机构带动活塞做高速往复运动，产生得冲击力将生物质原料压缩成型。这个种类的成型机以美国与北欧国家生产的大型压块机为代表，例如瑞典Bogma公司生产的M75型压块机，德国Krupp公司生产的生产率达2000kg/h的双向活塞式压块机，美国Hauamann公司生产的FH75/200型秸秆燃料成型机。但这个种类的成型机由于在成型过程中存在较大的振动负荷，所以一方面造成设备运行的稳定性差，另一方面由振动导致噪音也较大。而液压驱动活塞式成型机成功的研制很好地解决了机械式驱动成型机诸多不良问题。由于成型机构采用液压驱动，因此机器的运行稳定性有了极大的改善，并且工作时产生的噪音也非常小，明显改善了生产环境。但是，由于活塞的运动速度较机械驱动时缓慢很多，所以其产量相对较低。3.压辊式颗粒成型技术用于生产颗粒状成型燃料的压辊式颗粒成型机主要是以压辊式颗粒成型技术为主研制，成型过程中不用电加热，这种机型具有结构紧凑和构造简单以及使用方便等诸多特点。压辊式秸秆颗粒成型机的基本成型部件是由压模和压辊构成。其中压辊由电机驱动旋转，冲压模具上加工有成型孔，当物料进入压辊和压模之间时，在压辊的挤压作用下被压入成型孔内。从冲压模具的成型孔内被挤压出的原料就变成圆柱形或四棱柱形，最后用切刀切割成颗粒状的秸秆燃料。根据挤压模具形状的不同，可以将此类成型技术区分为环模成型设备和五柱式成型设备。其结构如图1.5、图1.6所示。环模成型设备又可以划分为立式和卧式两种机型。卧式环模成型设备在现有颗粒成型机中可以说是主流机型。由于挤压模具有更换和保养方便以及样机尺寸容易进行放大等特点，所以这种机型近年来有了很大发展。其生产能力为1}3t/h。立式环模颗粒成型机的压辊和压模的安装方式都为垂直设置。这种机型具有构造简单和结构紧凑以及使用方便等特点。英国Lister公司设计并生产的立式压辊式颗粒成型机，当主电机机功率为1820kW时，生产率可达600^-800kg/h。除用作于生产秸秆成型燃料外，该设备还可用于化工原料制造及药品的加工。由于在主要被加工物料的对象和制造五柱式的工艺水平这两方面与国外存在着一定的差距，并且以前在国内对五柱式式秸秆颗粒机的研究方面经验不足，国内加工设备能生产出的最大五柱式直径不过400mm而已。与其它生物质秸秆成型颗粒(块)的加工工艺技术相比，大型五柱式式秸秆颗粒机的优点在于:原材料种类适应性广、单位重量耗电低和辊模寿命长以及产量大还有成型密度可以调节控制。但是，五柱式颗粒成型技术美中不足就是成型密度相对较低。1.3非预热热压成型工艺这种成型方法对于成型机并未做结构上的变动，与上述“非预热热压成型工艺”的区别之处在于:这种成型工艺采纳了在原料进入成型模具以前就对其进行了预加热处理的方式，即将物料加热到100℃的左右，使其所含有的木质素软化，这不仅使木质素在堆积物料的内部起到了固化粘结剂的作用，而且在接下来的压缩过程中，同样也减少了秸秆成型部件与物料间的摩擦生热及磨损负作用，降低了秸秆成型所需挤压力，从而使秸秆成型部件的使用寿命得以大幅度提高，显著降低了单产能耗。因此，预热热压成型技术将是一种很有发展前景的生物质致密压缩成型工艺。目前，该项成型技术的研究与应用还处在起步阶段。§1.4研究的主要内容及方案1、本文研究设计机械驱动活塞成型机的整体结构，运用AutoCAD绘制成型设备装配图。对生物质秸秆成型机利用UG软件进行三维建模，设计出虚拟样机，为后续实体机的开发生产提供理论依据。2、本文通过分析成型设备工作原理以及结构，对影响生产率的重要参数即生产率最高和产品成本最小为多目标优化目标，在总功率一定的条件下，运用优化原理采用MATLAB软件对多目标函数进行最优化参数设计。3、针对不同的生物质原材料(玉米秸秆、小麦秸秆、树叶、木屑、花生壳等)，采用控制变量法分别对含水率、压缩速度、材料和保型时间等参数进行试验研究，利用WDW-100型微机控制电子万能实验机进行冷成型压缩试验，并分析实验结果。§1.5本章小结本章分析了生物质成型机的研究背景和意义，通过查阅大量相关的参考文献资料，介绍了生物质成型机国内外研究状况，比较分析了各种成型机的特点，为成型机优化设计奠定了理论基础，以生产率最高和产品成本最小为优化目标，设计改进机械驱动活塞成型机，最后提出了本文的研究内容及研究方案。第二章生物质成型机的结构设计及优化本课题设计的机械驱动柱塞式成型机，是在原有的柱塞成型机的基础上进行结构改造，对加工过程中所存在的问题进行优化解决，从而达到提高单机产量，提高生产效率，降低能耗的目的。2.1生物质成型机结构设计本文设计的五柱塞式秸秆成型机主要有三大部分组成：分别是动力部分、传动部分和冲压成型部分。下面分别进行介绍：2.1.1动力部分简介机电设备中最常见的动力源是电动机，它将输入的电能转化为机械能输出，驱动机械部分旋转。运用类比法，设计成型机的动力由三相交流电动机提供，主电动机功率为37KW，主电机转速为220r/min。如图所示。?图2.1三相交流电动机?2.1.2传动部分简介采用普通V带传动将动力传递给主轴，V带传动具有传动平稳，噪声低，结构简单，价格较低的优点，有缓冲吸振的作用。低速回转的小带轮依靠与V带产生的摩擦力带动腹板式的从动轮将转矩传递给主轴，为下一步冲压工作做好准备。将质量大的从动轮安装在低速主轴上，有以下两个好处：1、当冲压机构承受载荷过大时，从动轮的惯性力矩能抵消一部分载荷，从而保护机器免受破坏，延长机器的正常使用时间。2、增加机器的总体重量，能减轻机器工作时产生的振动，保证机器工作更加平稳。传动部分设计1)设计功率工作工况系数Ka=1.22）选取V带型号根据Pc和电机转速查参考文献选取型号为A型3）确定带轮基准直径（1）由于占用空间限制不严，取对传动有利，查《机械设计》P-118表6-9取（2）验算带速V在之间，故合乎要求（3）确定从动轮基准直径取标准值（4）实际从动轮转速和实际传动比I不计影响，若算与预订转速相差为允许故合乎要求4）确定中心距a和带的基准长度（1）初定中心距由上式可得：取（2）确定带的计算基准长度==2166（3）查参考文献得（4）确定中心距aa的调整范围5）验算包角故符合要求6）确定带的根数式中：--实际工作条件下单根V带额定功率的增量，由传动i可查得--小带轮包角修正系数，有小带轮包角查得--带长修正系数，由A型带和，查得所以取7）定初拉力==4908）计算轴压力图2.2传动机构模拟图2.1.3冲压成型部分简介冲压成型部分是本成型机的重要组成部分之一，该部分设计是否成功直接影响到成型产品的质量及生产效率，所以选择一种合适的机构完成冲压成型工作至关重要。通过查阅资料，我初步选择连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条机构这三种类型，下面以表格的形式将三种类型的作为冲压部分的运动方案进行分析：?表2.1.1冲压部分运动方案分析?类型性能特点连杆机构凸轮机构齿轮齿条机构运动速度高较高高行程大小与曲柄尺寸有关小可任意动力性能平衡较困难取决于凸轮形状好复杂程度较复杂简单简单可调程度可调调节困难可调机械效率一般一般较高承载能力高较低较高其他特点有急回特性可实现任意运动规律传动平稳运动简图综合表格中的各种性能特点，拟选用连杆机构中的曲柄滑块机构作为冲压机构，当曲柄较短时，往往用一个旋转中心与几何中心不重合的偏心轮代替曲柄，称为偏心轮机构。本论文中所用的偏心轮机构有输入轴、偏心轮、连杆、活塞冲头组成。2.2轴的设计2.2.1轴材料的选择由于合金重量轻，耐高温，耐腐蚀性能好，故选40调质处理，其，2.2.2轴径的确定由故取轴的最小直径为35加上轴上皮带拉力传动轴扭矩根据轴上零件的布置，轴的受力如图3-5：图3-5轴的受力图则轴的弯矩图如图3-63-6轴的弯矩图轴的扭矩图如图3-7所示3-7轴的扭矩图从图中可以看出B截面为危险截面当量弯矩式中为根据转矩所产生应力的性质而定的应力校正系数故取截面B取直径为50mm3生物质成型机主要设计参数之间的关系试验从目前生物质成型的现状分析来看，河南农业大学的HPB一工II型生物质成型机的基本设计思路是可取的，尤其是液压式双向压缩方式。因此本章将用HPB一工H型生物质成型机为试验装置进行各种试验，根据马孝琴博士做过的正交试验得出的影响秸秆成型的主要因素设计试验，找出HPB型生物质成型机相关设计参数之间的关系，为新型生物质成型机设计参数的选择提供试验依据。3.1秸秆成型原理秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。由于植物生理方面的原因造成秸秆的质地疏松。各种农作物秸秆之所以能够在不加粘结剂的情况下热压成型，主要是由于木质素的存在〔40.9l7。天然状态的木质素被称为原本木素，是一种白色或接近无色的物质，我们见到的木质素的颜色是在分离、制备过程中造成的。其密度在1.35^'1.Sg}crri，之间。木材中木质素的含量为27%^-32%(绝干原料)，禾苗类植物木质素含量为14%^-25%。由X射线衍射可知木质素属非晶体，目前认为木质素以本丙烷为主体结构，共有三种基本结构(非缩合型结构)，即愈创木基结构、紫丁香基结构和对梭苯基结构(见图3-1)。十分有意义的是，除了酸木质素和铜氨木质素外，原本木质素和大多数分离木质素为一种热塑性高分子物质，无确定的熔点，但具有玻璃态转化温度，而且较高。这种转化温度与其是处于湿态或者是干态关系很大(表3-1)。资料表明，当温度在}o}uo℃时木质素开始软化，其粘合力开始增加。当温度达到200-300℃时可以熔融，在此温度下给生物质施加一定的外力，原料颗粒开始重新排列位置关系，并发生机械变形和塑性流变。在垂直于最大应力方向上，粒子主要以相互啮合的形式结合，而在垂直于最小应力方向上，粒子主要以相互靠紧的形式结合，从而使生物质的体积大幅度减小，容积密度显著增大，成型棒内部咬合外部融合，并具有一定的形状和强度。在除去外力和恢复常温后，维持既定的形状。3.2成型压力与密度的关系试验本次试验的目的是通过测到的数据分析出成型压力与密度的关系。3.2.1试验设备与试验方法试验需要的设备是自制的一个液压压力装置和成型模具(如图3-2,3-3)、游标卡尺、天平、粉碎后的自然风干的玉米秸秆若干。压力的测定:通过液压装置所配置的压力表测定。成型密度的测定:采用直接}J量法，即直接测量成型块的尺寸和质量，计算出体积，进而求出成型块的密度的方法。这种方法较为简单，只适用于有规则形状的成型块，其步骤如下:W成型块出模2分钟后，用游标卡尺测量成型块尺寸，计算其体积;(2)用托盘天平称量成型块在空气中的质量;(3)计算成型块质量和体积比重，即为其密度;(4)至少测5块成型块，求其平均值。3.2.2试验结果与分析尽管本次试验的试验条件没有完全达到成型机成型条件，但是基本上可以说明压力和密度存在一定关系的，并得出达到燃料燃烧要求的密度((0.9^'1.2g}crri3)所需成型压力的大致范围，并以此推算出直径100~成型棒成型所需的压力大小(见表3-2)。通过表3-2的试验结果和图3-4拟合的关系曲线图，得出压力和密度成正相关关系，密度随压力的增大而增大，但是当密度达到一定值的时候压力就不再增大。通过HPB-III型生物质成型机在实际运行中测试得出成型的不同阶段所需压力是不同的，即开始压缩时由于秸秆松散，所需压力较小，成型阶段所需压力较大。所以在设计液压系统时要考虑压力的变化。3.3相同温度不同含水率条件下秸秆成型参数试验3.3.1试验目的本课题所要做的试验原料的含水率变化比较大，为了保证成型机组的正常运行和试验的连续性，成型机指示温度定为2500C。在原料的种类、粒度、成型压力、成型套的锥长和锥角、成型周期、摩擦力及喂入频率不变化，成型设备指示温度为250℃的情况下，利用HPB-III型生物质成型机测出在不同原料含水率条件下的生产率和单位产品能耗，以及各种成型条件下生产出来的成型棒的成型效果。然后分析结果，得出含水率对成型机的生产和单位产品能耗的影响程度。3.3.2不同含水率原料的制备试验原料取自新郑市周围的玉米秸秆，经自然晒干后，用粉碎机将其粉碎，粉碎后的原料长度为0^-60mm，平均粒度为31mm，含水率为9.5%。用磅秤称取粉碎好的经过自然干燥的秸秆原料100kg，然后称取一定量的水，把水装到喷雾器里面，然后对原料进行加湿。在加湿的过程中，要求环境相对密封，空气的流通比较小。对原料加湿时要不断的搅拌，这样可以使原料和水充分均匀混合。具体操作步骤为:(1)打开HPB-III型生物质成型机主机开关和加热按钮，对成型机进行预热;(2)用磅秤称取100kg粉碎好的经过自然干燥的秸秆原料，放到塑料布上边;(3)经过计算，用容器在台秤上称取一定量的干净的水;(4)把称好的水倒进喷雾器内，注意转移水的时候不要让水洒到外面，容器内的水要倒干净。(5)用喷雾器对称取好的100kg秸秆原料进行加湿。加湿过程当中，使用喷雾器的试验人员要尽量的喷施均匀，另外一个人要不停的搅拌秸秆原料，注意加湿的方法，尽量使原料加湿得比较均匀。(6)原料准备完毕，此时成型机预热也基本结束，开始准备试验。3.3.3试验地点河南省新郑市，结合当地实际情况进行HPB-III型生物质成型机(直径130mm)的各项生产试验。3.3.4试验装置与方法实验采用HPB-III型生物质成型机、粉碎机、电热干燥箱、分析天平、便携式喷雾器、台秤、磅秤、干湿温度计、噪音计、游标卡尺、30^-100A电度表、秒表、玉米秸秆等，其中HPB-III型生物质成型机和粉碎机为配套机组。测试方法为:将测试设备与成型机连接好后，使成型机处于稳定运行状态，从测试仪器设备中记录出相应的参数。在每一种原料含水率条件下即在同一种生产条件使型机平稳运行30min}测试3次，然后取其平均值。3.3.5试验结果与分析该试验进行时环境温度为16-190C，环境湿度为26%左右。在以上基本试验条件下，不同含水率条件下HPB-III型生物质成型机的生产率和单位产品能耗、成型棒直径、膨胀率和噪音如表3-3:通过本次试验结果可以得出以下结论:由图3-5可以看出，生产率和含水率的关系曲线接近抛物线，在含水率为14%左右时生产率最高，含水率向两边移动时HPH-III型生物质成型机生产率依次降低;由图3-6可以得出，单位产品能耗与含水率的关系曲线也大致接近抛物线，在含水率为14%左右时的单位产品能耗最小;由图3-7可以看出，含水率变化时生产出的成型棒直径变化趋势接近直线，在含水率为9.5%时的成型棒直径最小，密度最大，随着原料含水率的增加生物质成型棒的出模直径也逐渐增加。通过测试试验结果分析如图3-8，得出秸秆的含水率与压力的关系呈抛物线形，含水率在15%左右有较好的成型效果，所需压力偏小。通过试验含水率过低时，机器运行压力很大，噪音大，对机器的损耗较大，也增加了生物质烘干过程中的能量消耗;含水率过大时，如大于18%以上，相同的成型温度条件下，会降低秸秆的传热速度，一部分热量消耗在蒸发多余的水分上，这些水分会在成型套内气化后易形成高压蒸汽，会产生“放炮”现象，不能正常成型，即使成型，成型块也是膨胀较大「8}}9}03.4锥套锥长和柱塞直径与成型压力、密度和生产率的影响关系本课题利用马孝琴博士在做博士论文中做过的正交试验得出的结果，即影响成型压力、密度和生产率的主要因素是柱塞直径和锥套锥长。柱塞直径的增加意味着成型棒直径的增加，也就是冲杆套内径、锥套内径和保型筒内径的相应增大，而这些内径的增大意味着秸秆在成型过程中与各个筒壁的接触面积增加，造成阻力增加。从而使液压系统的负载明显加大，也就是增大了成型的总压力，但是柱塞直径的增加使得柱塞端面单位面积上的压力减小。而成型套锥长变化，根据张百良教授等的试验结果;成型压力随着成型锥角和锥长的增加而增加fsl。对于设计好的成型装置，其冲杆直径与成型棒直径己经确定，因而锥套大小端的直径也随之确定。对于大小端的直径己确定的锥套，锥长的增加势必引起锥角减小。从而使由于锥长增加引起成型压力增加的部分与成型锥角减小引起成型压力减小的部分相抵消。因此，成型锥长的变化对成型压力的影响最小。利用马孝琴博士做过的生产率与冲杆直径和单位能耗关系试验得出的结果，随着冲杆直径的增大生产率有增大的趋势，而单位能耗有减少的趋势，这主要是因为冲杆直径的增大导致喂料量增大所致;生产率与冲杆直径呈正相关关系，单位能耗与生产率呈负相关关系，而进料量与冲杆直径呈正相关关系，这就意味着在液压系统一定的情况下，要想提高液压成型机的生产率和降低单位能耗的方法有两种，即加大直径和提高预压的进料量。锥度和锥长也是影响成形密度和成型压力的重要因素之一。利用马孝琴博士做过的锥度、锥长与压力、密度的关系试验得出的结果可以看出:在锥套大、小端直径确定的情况下，改变锥度和锥长，成形密度将随着锥度的减小和锥长的增加而增加，成型压力也会随着锥度的减小和锥长的增加而增加;所以，成型直径在55^-130mm范围内设计时，设计锥套的大、小端的端面面积比应在1.23^'1.778范围内。3.5其他因素的影响3.5.1原料的种类不同种类的原料，其压缩成型特性有很大差异。原料的种类不但影响成型的质量，如成型块的密度、强度、热值等，而且影响成型机的产量及动力消耗。在大量的农林废弃物中，有的植物体粉碎以后容易压块成型，有的就比较困难。例如木材废料一般难压缩(在压力作用下变形较小);而纤维状植物秸秆和树皮等容易压缩(在压力作用下变形较大)。在不加热条件下，进行压缩成型时，较难压缩的原料就不易成型，容易压缩的原料则成型也较为容易。但是在加热的条件下进行压缩成型时.如棒状燃料成型机，木材废料虽然难于压缩，但木材本身的木质素含量高，在高温下能起粘结作用，其成型反而容易。而植物秸秆和树皮等，原料的粘结能力弱，因此不易成型。所以原料种类对压缩成型的影响与成型方式有密切关系。3.5.2原料的粒度原料粒度的大小也是影响压缩成型的重要因素。对于某一确定的成型方式，原料的粒度大小应不大于某一尺寸.例如:对于直径为6mm的颗粒成型燃料，通常要求原料的粒度不大于5mm。一般来说，粒度小的原料容易压缩，粒度大的原料较难于压缩。原料的粒径越小，在相同的压力及其条件下，其粒子的延伸率或变形较大。即粒径越小，越容易成型。这种倾向在要求原料粒度较小的成型方式条件下较为明显。原料的粒度同样影响成型机的效率及成型物的质量。例如原料粒度较大时，成型机将不能有效地工作，能耗大，产量小。原料粒度不均匀，特别是形态差异较大时，成型块表面将产生裂纹，密度、强度降低。但对有些成型方式，如冲压成型时，要求原料有较大的尺寸或较大的纤维，原料粒度小反而容产生脱落。3.5.3加热温度加热温度也是影响压块成型的一个显著因素。根据生物质的成型机理，生物质中的木质素能够联结在一起的基本条件是要有合适的成型温度。通过加热，一方面可使原料中含有的木质素软化;另一方面还可以使原料本身变软，变得容易压缩。在自然水率条件下，木质素的软化点温度为80^'1300C，当加热到70}-100℃时，木质素的粘合力开始增加，温度达到160^'250℃时可以熔融〔497。因此成型时生物质的加热温度不得低于其软化点温度。加热温度不但影响原料成型性，而且影响成型机的工作效率，加热温度应调整到一个合理的范围，温度过低，不但原料不能成型，而且功耗增加;温度增高，电机功耗减小，但是成型压力减小，成型物挤压不实，密度变小，容易断裂破损，且棒料表面过热烧焦，烟气较大。有些成型方式，如颗粒燃料成型机，虽然没有外热源加热，但在成型过程中，原料和机器部件之间的摩撩作用也可将原料加热到1000C，同样可使原料所含木质素软化，起到粘结剂作用。本课题在HPB-III型生物质成型机上做过一个不同温度相同含水率条件下秸秆成型试验，如图3-9:根据试验要求，进行了大量的测试，可以看出，在HPB-III型生物质成型机生产过程中，成型机指示温度在230℃以上时，成型棒表面光滑程度较好，在220℃和210℃时，其表面光滑程度降低，在200℃几乎不能成型。成型机指示温度在230℃以上时，成型棒出模比较顺利，成型温度为2200C成型棒出模开始出现困难，在210℃时，可以看到成型棒出模明显困难，在200℃时，成型棒几乎不能出模。成型机指示温度在210-230℃之间时，成型棒表面颜色为灰褐色;在2400C^'260℃之间时，其颜色为灰黑色;在270℃及其以上时，成型棒表面呈焦黑色。成型机指示温度在270℃以上时，成型棒出模冷却后的膨胀率较大，冷却后表面裂纹较多，但其裂口的大小随着成型温度的降低而减小。成型温度过高，不仅不能有效地降低成型压强，而且还会出现以下问题:(1)由于加热圈设在成型套筒外表面，会降低成型套筒耐磨性，使用寿命缩短;(2)温度过高会使紧贴成型套筒内壁的生物质形成的炭化层太厚，表面变软滑，摩擦阻力减少，不能成型;(3)由于生物质原料中水分的存在，温度过高，生物质中的水分易产生高压蒸气，会发生“放气”或“放炮”现象，中断成型。3.5.4保型筒长度和保型时间成型块在最大工作压力下的保持时间是对成型有影响的又一个重要因素。有关研究表明:将成型块在最高压力下保持一段时间能增加松弛密度。O'Dogherty和Wheeler的试验表明:在最高压力下保持lOs，能使松弛密度比没有滞留时间的增加10%。并且释放后没有明显的松弛现象。其他研究者的研究结果与O'Dogherty的研究结果相似，其结果为:当滞留时间从1min增加到30min时，压块的松弛密度从5%增加到8%0Mewes将压块在最高压力下保持1^-15min，发现随着滞留时间的增加，松弛密度增加，但滞留超过1min后，其松弛密度增加相对很小。Osobov将压块在最高压力下保持1^'30min，发现成型块在最高压力下滞留2^-3min后，可恢复的压缩张力相对很小。另外Kjelgaard和Federov也发现了相似的规律[46]。张百良教授用液压驱动式秸秆成型机对玉米秸秆进行了试验，结果表明保型时间或保型筒长度越长，保证成型所需的最低成型压强越小，能耗也较小。保型时间与保型筒长度和生产率有关，当保型时间一定时，生产率越高，保型筒长度应适当加长。3.6本章小结(1)成型压力与成型密度呈正相关关系，密度随着压力的增大而增大，但是当密度达到一定值时就不会再增大;在实际运行当中，由于聊的松弛密度不同各个成型阶段测成型压力也大不相同;1OOmm直径成型棒密度在0.9^'1.2g}cni，之间所需压力在7095吨力的范围内。(2)含水率对生产率、单位产品能耗、棒料松弛密度和成型压力都有一定的影响，试验结果表明:随着含水率的增加松弛密度降低;秸秆含水率在巧%左右时，生产率最高，单位产品能耗最低，所需成型压力较低。(3)增大柱塞直径可以提高生产率，降低单位能耗，又能使柱塞端面单位面积上的压力减小;在锥套大、小端直径确定的情况下，改变锥度喝锥长，成形密度将随着锥度的减小和锥长的增加而增加，成型压力也会随着锥度的减小和锥长的增加而增加，成型直径在55-130mm范围内设计时，设计锥套的大、小端的端面面积比应在1.23}1.778范围内。(4)加热指示温度控制在250^J2600C，成型效果较好，成型压力较低，单位能耗偏低。第四章、不同种类的生物质材料的实验研究1原料的种类不同种类的原料，由于其本身的组织结构和组成成分不同，因而压缩成型特性有着很大的差异。在大量的农林废弃物中，有的植物体经粉碎后较易压制成型，有的经粉碎后较难压制成型。例如，残留树枝、木材加工剩余物等原料一般较难压缩，而农作物秸秆、落叶、稻草等纤维状原料经粉碎后较易压缩。在各种纤维状秸秆中，含纤维素较少的玉米秸秆、芦苇又比含纤维素较多的麦秸秆容易压缩成型。原料在压缩成型时，如果没有外部的热源加热，较难压缩的原料将很难成型，但是，如果在有热源加热的情况下，如棒状燃料成型机，木材废料虽较难压缩，但因其含有较高的木质素，该物质在高温下会发生软化、塑化而起到粘结剂的作用，因此，反而较易压缩成型。原料的种类不仅影响成型燃料的质量，如强度、硬度、密度等，而且还影响生产效率以及电能消耗2原料的粒度在诸多影响生物质压缩成型的因素中，原料的粒度对生物质压缩成型的影响尤为显著，它不仅影响成型燃料的质量，而且对生产效率和成型过程中电能的消耗也有一定的影响。例如，原料粒度较大时，成型过程将不能顺利的进行，而且产量小，能耗大;原料粒度不均匀时，容易造成成型燃料表面开裂，使其强度、硬度以及密度下降。对于某一确定的成型方式，原料粒度的大小需控制在一定的范围内，或是不应大于某一尺寸。例如，对于直径为6mm的颗粒成型燃料，原料的粒度一般控制在Smm以下。一般来说，粒度较小的原料较易压缩，而粒度较大的原料压缩困难。有关学者在对不同粒径的生物质原料进行压缩成型试验时发现，在成型压力及试验条件均相同的情况下，原料的粒径越小，越容易成型。但是，原料的粒度也不是越小越好，相关的试验研究表明，在原料压缩成型过程中，原料的粒度越小，原料的粉碎能耗就越高，整个成型系统的能耗就会增加，进而使其整个成型过程的综合成本增加，因此，考虑到成型系统的综合成本，原料的粒度也需控制在一个合理的范围内。SudhagarMani等通过研究发现，原料粒度对生物质颗粒燃料的密度有着显著的影响。李美华通过对同一种原料在不同粒径下成型效果优劣的研究，得出:粒度较小的颗粒容易成型且成型效果较为理想，而颗粒较大的原料部分成型或未成型。由生物质压缩成型原理可知，压缩成型主要是颗粒不断填充物料间的空隙来完成，如果原料粒度较大，其充填特性