文摘
高效生物质材料设计根据生物质致密化机制。这台机器的效率提高了重组饲养阶段,预压阶段,压实阶段,稳压阶段,和推动阶段的压缩过程中,这部分的工作阶段同时进行。进一步提高效率和在每个阶段合理分配权力,在本文中,我们建立了一个数学模型。我们使用Matlab中的非线性规划(2016 b)解决模型的最小值,使机器工作时间最短。
1。介绍
在自然界中,生物质能资源丰富,如麦秸、豆秸秆、稻草和玉米秸秆。碳生物量占很大比例,其中粮食秸秆和玉米秸秆碳含量可以达到40%以上(1]。硫的质量分数稻草远低于煤,只有0.12%∼0.18%(煤中硫的质量分数通常约0.8%)(2]。级联使用生物质来实现一个圆形bioeconomy被认为是一个环保的世界(一个可持续发展的解决方案3,4]。生产生物能源和生物燃料取代化石燃料被广泛视为一个选择级联生物炼制的5]。然而,低密度,高吸湿性、生物量和相对较低的加热值限制交通、转换和燃烧生物质固体燃料(6]。
生物质致密化是一个重要的预处理步骤考虑的生物质转换过程中成功使用的生物质材料在不同的应用程序。该方法更高效的处理、存储和运输和使用这些生物质材料(7]。目前的生物质材料压块机压缩效率低,成本高,不利于技术的传播和限制生物质资源的利用率8- - - - - -10]。
2。致密化机制
生物质成型过程的模型主要有两种:应力-应变模型和density-pressure模型。应力-应变模型将压缩过程划分为三个阶段:预压阶段,压实阶段,稳压阶段(11,12]。在预压阶段,材料颗粒之间的相对运动的距离逐渐减小,当材料挤压,但材料颗粒基本上没有变形,做不规则运动。这不是通常模型这一阶段。在预压阶段,压力增加。物质粒子之间的距离变得越来越嵌套。材料的弹塑性变形通常是由粘弹性模型。这是最关键的阶段。在稳压阶段,压实材料作用下走向出口的压力。应力松弛的现象(压力达到最大值之后缓慢下降)可以被指伯吉斯模型建模(13,14]。分析density-pressure关系,黑格尔通常采用(15]。它反映了密度和压力之间的关系形成的过程。
这两个模型可以反映应力应变的非线性过程,出生的密度和压力变化的压缩材料(16- - - - - -18]。力压实阶段的最大原因是材料发生塑性变形。这是一个决定性因素在确定生物质压块产品的质量(19,20.]。
3所示。参数优化
3.1。材料选择
选择常见的材料,如豆茎、锯末、木屑,Arundo donax,金合欢树枝。他们density-pressure模型是通过使用黑格尔模型。
豆茎在压缩之前的密度 。一般来说,beanstalk更好的成形效果,表面是光滑、干净。10∼15 MPa的压力时,表面粗糙,材料密度低,成型块不紧凑,容易断裂。当压力超过15 MPa,成型效果变得更好。当压力小于40 MPa,密度增加速度随着压力的增加,当压力超过40 MPa,密度增加以较慢的速度。密度和压力的拟合方程的豆茎(图1(一))如下:
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
锯末压缩之前的密度 。形成的压力大于30 MPa,压块的密度不会改变随着压力的增加,在一个固定值上下浮动。当压力超过40 MPa,成型块的表面碳化由于摩擦热成形块和模具型腔之间产生。密度和压力的拟合方程的锯末(图1 (b))如下:
之前的密度木屑压缩 。形成块紧凑。尽管裂缝出现在表面形成块的压力小于25 MPa放置几天后,他们仍然不容易破碎,满足交通需求。当压力大于40 MPa,压块的密度几乎没有改变随着成型压力的增加。密度和压力的拟合方程的木屑(图1 (c))如下:
的密度Arundo donax在压缩 。当10 MPa和25 MPa之间的压力,压块的密度随压强。当压力大于40 MPa,压块的密度是稳定的。密度和压力的拟合方程Arundo donax(图1 (d))如下:
的密度金合欢树枝在压缩 。当10 MPa和25 MPa之间的压力,压块的密度随压强。当压力大于35 MPa,压块的密度是稳定的。密度和压力的拟合方程的金合欢树枝(图1 (e))[21,22)如下:
beanstalk的目标压力、锯末、木屑,Arundo donax,金合欢树枝40 MPa, 30 MPa, 40 MPa, 40 MPa, 35 MPa,分别。预压压力被设计成10 MPa。在预压阶段,材料将被压缩形成块,然后它会被压缩到目标的压力。根据density-pressure拟合方程,相应的密度预压压力和目标可以获得的压力。它也可以获得的最大装载重量一个印前腔 (表1)。
3.2。Multidischarge出口生物质压块机的设计原则
multidischarge网点的工作阶段生物质压块机主要分为进料阶段,预压阶段,压实阶段,稳压阶段,推动阶段。为了提高生产效率,每个阶段的时间是重叠的。的生物质压块机主要由回转台,预压腔,预压活塞棒,压实蛀牙,压缩活塞棒。
转盘有六个预压腔,其横截面是一个 广场(图2)。当装载三个蛀牙和其他三个腔预压,它有三个压缩腔的横截面 广场上可以移动V形轨道。当一个腔的工作压缩腔,成型块从之前的周期可以同时推出。成型块由当前的周期可以容纳压力而活塞棒会回来。压缩活塞棒是由三个平行的活塞棒,它可以同时压缩和推动三个形成块(图3)。
(一)
(b)
机器的生产过程:漏斗喂三印前腔转盘,和活塞棒预加载其他三个。压缩活塞棒紧凑,推动了三个成型块压在前一个周期。压实和预压活塞棒返回到起始位置和转盘旋转60°。v型上的压缩腔转移跟踪(图4)。
活塞的压力棒快速后退 。机器的总功率为30千瓦。
3.3。结构分析
受力分析单个压实的活塞杆在图给出5)。摩擦力在压缩可以忽略不计。液压缸的力之间的关系,可以获得材料的电阻23,24]: 在哪里材料的电阻,F液压缸的力量,650 kN,然后呢是液压杆和连杆之间的角度。
由此可见,压力压缩活塞的增加(图6)。F增长最快的 ,60度的边界。当< 60°是用于预加载,加载材料活塞推到压实蛀牙。当> 60°用于材料压实。
连杆的长度设计l= 380毫米(图5)。它可以得出位移∆x压杆的动作α(图7): 在哪里是初始角。
从图可以看出7的移动速度压缩活塞棒逐渐减少。在压实的过程中,活塞棒需要移动100毫米prepressed材料推到压实蛀牙。在压实阶段,活塞杆的位移小于50毫米。所以,初始角 可以导出。压实的初始角 。
用(6) ,我们得到了 在哪里P材料抵抗和压力吗年代是压缩活塞头部区域, : 在哪里每时间和材料重量是边的长度在材料成形过程: 在哪里b材料的边长预先压缩后,100 mm:
这个隐式方程可以反映材料的压力和之间的关系在压实阶段。
从图可以看出8材料抵抗压力可以满足各种材料的压缩需求变化趋势。在压缩活塞的运动,可以达到材料的目标压力的均匀运动气缸(25]。
3.4。数学建模
3.4.1。假设
(一)生物质材料严格符合density-pressure拟合方程。在压缩的过程中,材料的质量不会改变和体积减少。(b)忽略每个汽缸的启动和停止时间。液压缸以一个恒定的速度移动。优化过程中忽略了各种因素的影响的过程中启动机器。目标周期工作循环后机器工作顺利。
3.4.2。建模
序列图(图4)表明,机器工作周期的四个阶段。他们是预压阶段,压实阶段,快速向后阶段,稳压阶段。因此,目标函数 在哪里预压阶段的时候,年代;压实阶段的时候,年代;的时间是快落后的阶段,年代;是稳压阶段时,年代:
同样的, 在哪里需要四分之一的总周期时间: 在哪里千瓦,每一阶段的力量吗 。
可以转化为目标函数
4所示。结论
非线性规划在Matlab (2016 b)是用于解决模型的最小值在最短的时间内使机器工作。每个成型块的平均生产时间是1/3t。生产效率和平均值计算(表2)。
计算结果显示如下:(1)在multidischarge出口生物质压块机的设计,合理安排每个阶段的工作,所以一些阶段,与此同时,提高效率。通过优化设计,设备的每个阶段的力量分配合理,进一步提高生产效率。相比之下,所花费的时间由旋转成型机生产单一产品,multidischarge出口生物质压块机有所改善(26]。(2)材料的压缩时间与它的压缩比。例如,木片压缩,压缩和高压缩难度较低。最高的权力和需要时间最长压实阶段,导致生产效率低。因此,multidischarge出口生物质压块机更适合软、大压缩比的材料。(3)低压缩比的压缩材料时,整个机器的力量可适当增加,以提高效率。例如,增加木屑40千瓦的压缩力量可以减少17.868秒的时间。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。