1、生物质成型机的工作原理
生物质成型机在工作时，首先从喂料斗将生物质物料喂人成型机中，喂料斗中的生物质原料先进入冲杆套筒中，在合适的成型温度下，由双出杆油缸两端的冲杆挤压成型套筒中的生物质，外力的作用使生物质颗粒重新排列位置关系，并发生机械变形和塑性变形．在垂直于最大应力的方向上，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，生物质内部胶化和外部焦化，并具有一定的形状和强度．冲杆不断推挤，生物质从两端成型套筒中交替挤出，成为棒状，30码期期必中销售秸秆颗粒机、秸秆压块机等农作物秸秆成型机械设备。
生物质成型机的成型部分如图1所示，工作温度为160~200℃，工作的成型压强为4—8MPa，工作条件较为恶劣．生物质原料从喂料斗装入成型机后，活塞冲杆向右运动，推动物料在冲杆套内向成型套筒方向移动，由于成型套筒对物料前进的阻碍作用，在冲杆套内的物料密度随活塞冲杆向右的移动而增大，物料对成型套筒有很大的作用力．
2、成型套筒的有限元分析
2.1成型套筒的静力分析
2.1.1建立成型套筒的三维模型 在Pro/Engi-neer标准程序中绘制三维实物模型，套简外形为一圆柱体，内部为一锥孔，套筒长约260 mm，为防止有限元网格划分时产生突变影响精度故将模型的倒、圆角忽略，成型机正常rI=作时，将物料从成型套筒的右部大孔进人套筒从套简另一端的小孔被挤出，完成物料的成型．
2.1.2定义栽荷和约束条件成型套筒在成型机内固定安装，工作时套筒相对成型机无位移，由活塞冲杆推动生物质物料进入成型套筒，物料的压力作用于锥筒内部的锥面上，物料受压后从另一端挤出，以HPB -Ⅳ型生物质成型机主要设计参数为依据，成型机主液压油缸工作压强为10 MPa，主液压油缸内径为200 mm，故主油缸冲杆对物料可产生314.2 kN的压力，最终成型套筒承受物料314.2 kN的压力．锥筒的一端和保型套筒固定在一起，所以在该端添加6自由度的位移约束，锥体材料为耐磨铸铁MT -4，抗拉强度ab≥175 MPa，硬度HBS≥195~260，据此为锥体的实体模型添加载荷、约束，并定义模型的材料．
2.1.3 网格划分 对维几何模型进行网格划分，由于套筒的模型为规则几何体，所以采用四面体网格单元；而有限元分析的精度和效率与单元的密度和几何形状有着密切的关系，故对划分的控制参数进行了一些调整，使网格划分更细，提高计算精度，避免网格的畸形，且能完成分析计算．所以共划分3237个单元，1052个节点．三维模型的网格划分见图2所示．
2.1.4静力分析结果通过有限元分析，对锥体进行静力分析，结果如图3所示．
如图3-a所示成型套筒的边缘指示部分所受应力较大，最大应力为56_ 49 MPa，但未超出材料的许用极限，在静力作用下不会发生破坏，由于成型机成型时是一个重复的工作过程，套筒的破坏多为疲劳磨损破坏，物料经压缩后除具有较大密度外，其硬度也有提高，物料与锥筒之间的作用类似于摩擦副2对偶表面的滚滑复合运动，由于交变接触应力的作用，使表面材料疲劳断裂，形成接触疲劳磨损，尽管对套筒的静力分析显示套筒现有结构满足强度要求，但在交变载荷的作用下最大应力区域将会最早出现疲劳破坏，对套筒的耐磨性有很大影响，因此需要对套筒进行疲劳分析．
2.2成型套筒的疲劳分析
疲劳破坏是一个积累损伤的过程，当材料高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤．一般钢材在对称循环下的应力持久极限与其静强度极限a之间的关系大致为0. 28已知材料的最大拉应力ab为175 MPa，0.28ab为49MPa.由静力分析可知，套筒上的最大应力为56.49MPa，已超出持久极限，表明套筒将发生疲劳破坏，设载荷类型为等幅值；幅值类型为零～峰值；材料的最大抗拉强度为175MPa;材料表面处理为磨光；材料选择为铸铁；疲劳强度换算系数设定为2．
通过图3-b可以看出，右端最早发生疲劳破坏，即右端容易发生疲劳破坏．通过与图3-a的对比，可以发现疲劳破坏的位置与应力分布最大的位置是基本一致的，表面接触疲劳磨损出现的主要原因是交变应力的作用引起的表面材料疲劳断裂，若减小磨损较快部位的最大应力，将能有效改善疲劳磨损情况．
3、成型套筒结构的改进与优化
由于成型机成型套筒的锥角与锥长都对成型套筒的结构有着很大的影响．在已有的成型设备中由于生物质种类和所含木质素含量不同，所需的成型压强也不相同，要求的成型套锥角与锥长的大小也就不同，成型套锥角与锥长的大小又影响每次喂人生物质前后的体积之比、成型压强及成型棒的密度，当成型套锥角一定，增加成型套的锥长，或成型套锥长一定，增加成型套的锥角，成型后所得成型棒的密度都较大，所需的成型压强高，能量消耗大．这里不考虑生物质的种类，使用Pro/Engineer中的灵敏度分析工具．研究设计参数对套筒模型性能的影响情况，从而进行改进和优化．在成型套筒的设计过程中，成型套筒的锥长和工作面锥角是影响成型套筒使用寿命和成型效果的2个重要参数，因此对这2个参数进行灵敏度分析，
通过计算已经可以确定锥长与锥角的关系为
L= cot（0/2）(D -d)/2式中：L为锥长；θ为锥角；D为套筒大孔的直径；d为套筒小的直径。
3.1 成型套筒锥角的灵敏度分析
以HPB -Ⅳ型生物质成型机主要设计参数为依据，成型套筒锥长260mm，锥角取4.5°．在成型套锥长不变的情况下通过改变锥角，这里为了便于构造模型，锥角p的大小由θ/2来表示，8/2,的变动范围为3°～6°锥长L为260 mm，共对11个点进行计算；通过Pro/Engineer的仿真计算可得如下灵敏度曲线如图4．
由图4可知，套筒的最大应力随着锥角的增大而增大，在0/2为4.5°之前曲线斜率较小，应力变化较为缓慢，在4.5°之后，曲线斜率逐渐增大，最大应力的增速也开始加快，当0/2达到50以后曲线斜率变得陡峭，最大应力急速增加．当θ/2为6°时，套筒的最大应力达到极值．
3.2 成型套筒锥长的灵敏度分析
成型套锥角不变的情况下通过改变锥长，0/2为4.5°，锥长L的变动范围为150~ 300 mm，共对11个点进行分析．
当锥角一定而锥长变化时，最大应力的变化范围相对较小，最大应力随锥长变化的规律如图5所示，最大应力随锥长的增大而增大，锥长在270 mm以前，这是因为锥角不变、成型套简直径一定的情况下，锥体右端的壁厚随着锥长的增大而减小，从而使得所受应力增大，所以锥角越小，套筒的最大应力也就越小．在成型套简直径一定的情况下，考虑到成型机的成型效果，锥角太小将无法使生物质块达到预期的密度，所以就无法成型，通过多次试验可知，成型要求0/2的最小角度为4.2°，所以将改进后模型的0/2值定为4.2°而锥长的长短直接影响着成型效果，虽然锥长越短锥体所受的最大应力也越小，但锥长过小的话，成型机将无法成型；由于套筒的大孔直径D要和前面的冲杆套相配套，所以D为定值，减小锥长会造成成型棒产品直径的增大，大孔直径和小孔直径之比就会减小，成型密度也就无法保证，所以要求锥长最短为240mm．改进后参数为锥角θ为8.4°，锥长L为240 mm。
3.3成型套筒改进后的结果分析
按照上述改进后的参数，重新建立实体模型，重新进行静态分析和疲劳分析，计算结果如图6．
由图6-a可知成型套筒在改变锥角后所受最大应力有明显减少，已从原先的56.49 MPa减少到了43,74 MPa．从图6-b中可以看出，其疲劳破坏情况也有好转，所以，成型套筒的疲劳破坏情况有所好转时，对减轻应力引起的疲劳磨损有一定的帮助。
4、结论
成型套筒的使用寿命是影响成型机能否正常工作的关键因素，而成型套筒的失效多为磨损失效，该磨损不仅与材料有关还和套筒的结构有关．通过有限元分析可以看出，套筒所受的最大应力虽然满足了静力要求，但其值已超过其持久极限，在一定循环次数的载荷作用下，会对套筒形成一定的疲劳破坏，从而加剧了磨损现象，
成型套筒的锥长和锥角是影响套筒结构的2个关键参数，通过对这2个参数的灵敏度分析，表明随着锥长和锥角的增大，套筒所受的最大应力呈增大趋势，综合其变化趋势及实际使用情况，对套筒结构参数进行了修改，在对修改后的模型进行了仿真分析计算后得出，套筒所受最大应力确有减小，对减轻磨损有一定的帮助，秸秆颗粒机、秸秆压块机等生物质成型机械设备，专业压制农作物秸秆颗粒燃料。
