中國農(nóng)村每年產(chǎn)6億t秸稈，其中有2億t被廢棄或荒燒，造成了嚴重的大氣污染．尤其在農(nóng)作物收獲季節(jié)，嚴重的秸稈荒燒已多次引起航空線關閉和高速公路撞車事件，成為政府關切的一個嚴重社會問題．生物質(zhì)秸稈固化成型技術將秸稈作為高品位的能源加以利用是解決秸稈荒燒的有效途徑之一，目前國內(nèi)部分成型設備及其配套產(chǎn)品已發(fā)展成熟，但還普遍存在工作部件易磨損問題，使用過程中液壓驅動活塞式成型機成型套筒（錐筒）的磨損最為嚴重，是影響成型套筒使用壽命的主要因素，本研究通過有限元分析軟件對成型套筒進行分析和改進，圖解求出套筒上的應力分布狀態(tài)，改善成型套筒的受力情況，減少應力和磨損，延長使用壽命，對成型套筒的進一步設計和改進提供依據(jù)。
1、生物質(zhì)成型機的工作原理
生物質(zhì)成型機在工作時，首先從喂料斗將生物質(zhì)物料喂人成型機中，喂料斗中的生物質(zhì)原料先進入沖桿套筒中，在合適的成型溫度下，由雙出桿油缸兩端的沖桿擠壓成型套筒中的生物質(zhì)，外力的作用使生物質(zhì)顆粒重新排列位置關系，并發(fā)生機械變形和塑性變形．在垂直于最大應力的方向上，粒子主要以相互靠近結合的形式結合．隨外力的增大，生物質(zhì)體積大幅度減小，容積密度顯著增大，生物質(zhì)內(nèi)部膠化和外部焦化，并具有一定的形狀和強度．沖桿不斷推擠，生物質(zhì)從兩端成型套筒中交替擠出，成為棒狀，富通新能源銷售
秸稈顆粒機、
秸稈壓塊機等農(nóng)作物秸稈成型機械設備。
生物質(zhì)成型機的成型部分如圖1所示，工作溫度為160~200℃，工作的成型壓強為4—8MPa，工作條件較為惡劣．生物質(zhì)原料從喂料斗裝入成型機后，活塞沖桿向右運動，推動物料在沖桿套內(nèi)向成型套筒方向移動，由于成型套筒對物料前進的阻礙作用，在沖桿套內(nèi)的物料密度隨活塞沖桿向右的移動而增大，物料對成型套筒有很大的作用力．
2、成型套筒的有限元分析
2.1成型套筒的靜力分析
2.1.1建立成型套筒的三維模型 在Pro/Engi-neer標準程序中繪制三維實物模型，套簡外形為一圓柱體，內(nèi)部為一錐孔，套筒長約260 mm，為防止有限元網(wǎng)格劃分時產(chǎn)生突變影響精度故將模型的倒、圓角忽略，成型機正常rI=作時，將物料從成型套筒的右部大孔進人套筒從套簡另一端的小孔被擠出，完成物料的成型．
2.1.2定義栽荷和約束條件成型套筒在成型機內(nèi)固定安裝，工作時套筒相對成型機無位移，由活塞沖桿推動生物質(zhì)物料進入成型套筒，物料的壓力作用于錐筒內(nèi)部的錐面上，物料受壓后從另一端擠出，以HPB -Ⅳ型生物質(zhì)成型機主要設計參數(shù)為依據(jù)，成型機主液壓油缸工作壓強為10 MPa，主液壓油缸內(nèi)徑為200 mm，故主油缸沖桿對物料可產(chǎn)生314.2 kN的壓力，最終成型套筒承受物料314.2 kN的壓力．錐筒的一端和保型套筒固定在一起，所以在該端添加6自由度的位移約束，錐體材料為耐磨鑄鐵MT -4，抗拉強度ab≥175 MPa，硬度HBS≥195~260，據(jù)此為錐體的實體模型添加載荷、約束，并定義模型的材料．
2.1.3 網(wǎng)格劃分 對維幾何模型進行網(wǎng)格劃分，由于套筒的模型為規(guī)則幾何體，所以采用四面體網(wǎng)格單元；而有限元分析的精度和效率與單元的密度和幾何形狀有著密切的關系，故對劃分的控制參數(shù)進行了一些調(diào)整，使網(wǎng)格劃分更細，提高計算精度，避免網(wǎng)格的畸形，且能完成分析計算．所以共劃分3237個單元，1052個節(jié)點．三維模型的網(wǎng)格劃分見圖2所示．
2.1.4靜力分析結果通過有限元分析，對錐體進行靜力分析，結果如圖3所示．
如圖3-a所示成型套筒的邊緣指示部分所受應力較大，最大應力為56_ 49 MPa，但未超出材料的許用極限，在靜力作用下不會發(fā)生破壞，由于成型機成型時是一個重復的工作過程，套筒的破壞多為疲勞磨損破壞，物料經(jīng)壓縮后除具有較大密度外，其硬度也有提高，物料與錐筒之間的作用類似于摩擦副2對偶表面的滾滑復合運動，由于交變接觸應力的作用，使表面材料疲勞斷裂，形成接觸疲勞磨損，盡管對套筒的靜力分析顯示套筒現(xiàn)有結構滿足強度要求，但在交變載荷的作用下最大應力區(qū)域將會最早出現(xiàn)疲勞破壞，對套筒的耐磨性有很大影響，因此需要對套筒進行疲勞分析．
2.2成型套筒的疲勞分析
疲勞破壞是一個積累損傷的過程，當材料高于疲勞極限的應力時，每一個循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定的損傷．一般鋼材在對稱循環(huán)下的應力持久極限與其靜強度極限a之間的關系大致為0. 28已知材料的最大拉應力ab為175 MPa，0.28ab為49MPa.由靜力分析可知，套筒上的最大應力為56.49MPa，已超出持久極限，表明套筒將發(fā)生疲勞破壞，設載荷類型為等幅值；幅值類型為零～峰值；材料的最大抗拉強度為175MPa;材料表面處理為磨光；材料選擇為鑄鐵；疲勞強度換算系數(shù)設定為2．
通過圖3-b可以看出，右端最早發(fā)生疲勞破壞，即右端容易發(fā)生疲勞破壞．通過與圖3-a的對比，可以發(fā)現(xiàn)疲勞破壞的位置與應力分布最大的位置是基本一致的，表面接觸疲勞磨損出現(xiàn)的主要原因是交變應力的作用引起的表面材料疲勞斷裂，若減小磨損較快部位的最大應力，將能有效改善疲勞磨損情況．
3、成型套筒結構的改進與優(yōu)化
由于成型機成型套筒的錐角與錐長都對成型套筒的結構有著很大的影響．在已有的成型設備中由于生物質(zhì)種類和所含木質(zhì)素含量不同，所需的成型壓強也不相同，要求的成型套錐角與錐長的大小也就不同，成型套錐角與錐長的大小又影響每次喂人生物質(zhì)前后的體積之比、成型壓強及成型棒的密度，當成型套錐角一定，增加成型套的錐長，或成型套錐長一定，增加成型套的錐角，成型后所得成型棒的密度都較大，所需的成型壓強高，能量消耗大．這里不考慮生物質(zhì)的種類，使用Pro/Engineer中的靈敏度分析工具．研究設計參數(shù)對套筒模型性能的影響情況，從而進行改進和優(yōu)化．在成型套筒的設計過程中，成型套筒的錐長和工作面錐角是影響成型套筒使用壽命和成型效果的2個重要參數(shù)，因此對這2個參數(shù)進行靈敏度分析，
通過計算已經(jīng)可以確定錐長與錐角的關系為
L= cot（0/2）(D -d)/2式中：L為錐長；θ為錐角；D為套筒大孔的直徑；d為套筒小的直徑。
3.1 成型套筒錐角的靈敏度分析
以HPB -Ⅳ型生物質(zhì)成型機主要設計參數(shù)為依據(jù)，成型套筒錐長260mm，錐角取4.5°．在成型套錐長不變的情況下通過改變錐角，這里為了便于構造模型，錐角p的大小由θ/2來表示，8/2,的變動范圍為3°～6°錐長L為260 mm，共對11個點進行計算；通過Pro/Engineer的仿真計算可得如下靈敏度曲線如圖4．
由圖4可知，套筒的最大應力隨著錐角的增大而增大，在0/2為4.5°之前曲線斜率較小，應力變化較為緩慢，在4.5°之后，曲線斜率逐漸增大，最大應力的增速也開始加快，當0/2達到50以后曲線斜率變得陡峭，最大應力急速增加．當θ/2為6°時，套筒的最大應力達到極值．
3.2 成型套筒錐長的靈敏度分析
成型套錐角不變的情況下通過改變錐長，0/2為4.5°，錐長L的變動范圍為150~ 300 mm，共對11個點進行分析．
當錐角一定而錐長變化時，最大應力的變化范圍相對較小，最大應力隨錐長變化的規(guī)律如圖5所示，最大應力隨錐長的增大而增大，錐長在270 mm以前，這是因為錐角不變、成型套簡直徑一定的情況下，錐體右端的壁厚隨著錐長的增大而減小，從而使得所受應力增大，所以錐角越小，套筒的最大應力也就越�。诔尚吞缀喼睆揭欢ǖ那闆r下，考慮到成型機的成型效果，錐角太小將無法使生物質(zhì)塊達到預期的密度，所以就無法成型，通過多次試驗可知，成型要求0/2的最小角度為4.2°，所以將改進后模型的0/2值定為4.2°而錐長的長短直接影響著成型效果，雖然錐長越短錐體所受的最大應力也越小，但錐長過小的話，成型機將無法成型；由于套筒的大孔直徑D要和前面的沖桿套相配套，所以D為定值，減小錐長會造成成型棒產(chǎn)品直徑的增大，大孔直徑和小孔直徑之比就會減小，成型密度也就無法保證，所以要求錐長最短為240mm．改進后參數(shù)為錐角θ為8.4°，錐長L為240 mm。
3.3成型套筒改進后的結果分析
按照上述改進后的參數(shù)，重新建立實體模型，重新進行靜態(tài)分析和疲勞分析，計算結果如圖6．
由圖6-a可知成型套筒在改變錐角后所受最大應力有明顯減少，已從原先的56.49 MPa減少到了43,74 MPa．從圖6-b中可以看出，其疲勞破壞情況也有好轉，所以，成型套筒的疲勞破壞情況有所好轉時，對減輕應力引起的疲勞磨損有一定的幫助。
4、結論
成型套筒的使用壽命是影響成型機能否正常工作的關鍵因素，而成型套筒的失效多為磨損失效，該磨損不僅與材料有關還和套筒的結構有關．通過有限元分析可以看出，套筒所受的最大應力雖然滿足了靜力要求，但其值已超過其持久極限，在一定循環(huán)次數(shù)的載荷作用下，會對套筒形成一定的疲勞破壞，從而加劇了磨損現(xiàn)象，
成型套筒的錐長和錐角是影響套筒結構的2個關鍵參數(shù)，通過對這2個參數(shù)的靈敏度分析，表明隨著錐長和錐角的增大，套筒所受的最大應力呈增大趨勢，綜合其變化趨勢及實際使用情況，對套筒結構參數(shù)進行了修改，在對修改后的模型進行了仿真分析計算后得出，套筒所受最大應力確有減小，對減輕磨損有一定的幫助，
秸稈顆粒機、
秸稈壓塊機等生物質(zhì)成型機械設備，專業(yè)壓制農(nóng)作物秸稈顆粒燃料。
