生物质颗粒环模常温致密成型机失效机理和摩擦磨损机理及预测研究

In biomass shaping domain, especially in the shaping process, friction and wear limit the ring mold machine usage and the market acceptance due to huge cost and energy inefficiency. Therefore, friction and wear research is significant in friction control, wear reduction, energy economy improvement and reasonable application of material potential. This research applies the fractal nonlinear theory to reveal the pattern of the key component dynamic behavior in biomass molding materials and ring mold during friction and wear processes. The ring mold.key component wear model could be established under finite element theory, and refined with modern control technology for parameter optimization and control. Along with the prediction of the total wear amount of the key components, the wear model provides significant theoretical basis and reference for new energy-efficient biomass ring molding machine design and manufacture.

在生物质成型领域，尤其是环模成型机成型过程中，由于摩擦磨损而产生的高能耗、高成本，大大削弱了环模机普及率，使环模市场接受能力一直不高。故控制摩擦、减少磨损以及改善节能性能等的摩擦磨损研究在工程中具有重要意义。本研究拟将运用分形非线性理论为基础理论，采用W-M函数法表征环模关键部件和成型物料粗糙表面曲线，利用MATLAB及Solidworks等建立分形表面接触几何模型及完整环模凹模-成型物料表面接触有限元模型，来研究成型物料-环模关键部件的摩擦磨损过程的动力学行为，揭示磨损过程中的行为规律，利用BP神经网络对环模关键部件的磨损进行建模，以生物质原料参数为输入变量、摩擦磨损试验数据为输出变量，采用L-M算法对网络进行训练，并对环模关键部件进行摩擦磨损性能预测和参数优化；同时对环模关键部件摩擦过程中最高温升进行预测并进行耦合分析，为节能新型生物质环模成型机的设计与制造提供重要理论与参考依据。

“力争于2030年前实现二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和。”是我国制定的新时期助推能源绿色低碳发展，解决全球降低温室气体排放问题的重要目标。生物质颗粒物料作为燃料燃烧后的产物对环境无影响，对降低温室气体排放有重要意义。在生物质成型领域，由于摩擦磨损而产生的高能耗、高成本，削弱了环模成型机普及率，使环模市场接受能力一直不高。本项目选取内蒙古生态物种（沙柳、柠条、苜蓿等）及农业剩余物（秸秆）为研究对象，针对生物质颗粒环模致密成型机成型机理和磨损机理进行了研究，以寻求解决生物质致密成型技术存在的设备能耗高、关键零部件磨损快、寿命短等问题。本课题根据研究内容获得如下重要结果：自制了一台生物质成型摩擦磨损试验台，计算推导出所测摩擦力与真实接触面积Ar之间变化关系；选择了45钢、40Cr、65Mn、GCr15四种材料为成型模孔材料，测出其表面形貌，提取轮廓数据，再采用尺码法计算出表面分形参数D和G。选用了成型模孔直径规格为6、8mm的环模成型机压缩而成的生物质成型颗粒为实验样本，通过电镜扫描其表面形貌，采集其圆周表面粗糙形貌数据，测量其直径、密度和硬度，并进行其相关性分析。成型模孔在与成型颗粒接触过程中，产生摩擦磨损，导致其直径d0增加，其压缩后的成型颗粒的直径d也同时增加；成型颗粒密度ρ和硬度HD随其直径d的增加而下降，成型颗粒的算数平均粗糙度Ra值随其直径d的增加而上升；圆周表面的粗糙度中心轮廓的最大材料率Mr2值随成型颗粒直径d的增加总体保持在85%左右。提出并设计了内啮合行星轮柱塞式生物质环模成型机样机。各项指标达到设计要求，样机关键部件磨损降低，使用寿命得到提高。