近年来，山东大学围绕生物质低能耗压块成型技术研究与设备开发方面取得了一定的研究进展。主要在以下几方面做了相关深入研究工作：a．生物质固化成型颗粒机理研究；b．生物质成型过程流变特性数值模拟；c．成型颗粒机设备关键部件的研究与设计；d．成型制品品质影响因素试验与数值模拟；e．整机设备的设计与研发，同创新能源生产销售的秸秆颗粒机、木屑颗粒机是客户们压制生物质颗粒燃料不错的选择。 1、生物质固化成型颗粒机理研究 高建辉推导出了生物质弹塑性变形的本构方程，重点研究了生物质成型过程中的形变、流变规律。邓波将液压成型过程分为三阶段并分别提出了在不同压缩成型阶段的成型颗粒机理。陈晓青从木质素粘结、粒子结合、水分含量和电势4个方面分析了生物质固化成型颗粒机理。吴云玉对环模固化成型压缩阶段的微观成型颗粒机理进行研究，建立了从宏观到微观的过渡成型颗粒机理。 2、生物质成型过程流变特性数值模拟 高名望以松散生物质热压成型过程为研究对象，根据固化成型的加热特点，采用ANSYS软件中的THERMAL模块对压缩成型过程中的温度场进行模拟，利用焓法解决了材料由于温度引起的传热性能变化，得到了压缩成型中生物质的温度场分布规律，并对不同条件下的温度场进行了比较。 邓波数值模拟了液压式生物质成型过程，揭示了成型过程中的应力应变演变过程和分布规律，并对局部应为过大区域进行了分析。 3、颗粒机成型设备关键部件的研究与设计 3.1颗粒机环模静态数值模拟 颗粒机环模是影响生物质压块成型设备成型质量的最关键部件，也是最容易损坏的部件。其结构参数不仅直接影响着压块的质量，而且对生产能耗、环模和压辊寿命、主轴受力等也有重要影响。通过对环模的截面尺寸、长径比、成型角度、材料类型和热处理工艺等进行理论分析和数值模拟，可以实现提高成型质量、扩展原料适应范围、降低生产能耗、延长使用寿命的设计目标。 申树云针对环模辊压式成型颗粒机存在的使用寿命短、结构特殊和性能要求高等“瓶颈”问题，总结了环模的温度场分布规律，对环模进行了结构静力学、结构动力学、结构热耦合数值模拟，得到环模的整体应力、应变、位移分布情况，并研究了环模结构参数对环模应力应变的影响。吴云玉研究了环模的失效形式、失效机理和影响环模寿命的因素，利用有限元软件依据环模S-N曲线和Palmgren-Miner线性累积损伤原则对环模的疲劳寿命进行数值模拟，得到不同温度环模寿命曲线。 在生物质成品径向均匀地取4个节点：节点A、节点E、节点F、节点G，图2(a)显示了这4个节点在整个加载周期内的Von - Mises应力对比曲线，反映了靠近模孔壁节点的应力值高于中心节点的应力值；在生物质成品底边均匀地取4个节点：节点A、节点B、节点C、节点D，图2(b)显示了这4个节点在整个加载周期内的Von - Mises应力对比曲线，图中可看出靠近棱角附近节点的应力值高于远离棱角部位的应力值。 由以上数值模拟结果可看出，模孔材料在棱角处易出现裂纹，甚至材料破裂剥落现象，与此同时易造成秸秆成品在棱角处的撕裂倒钝现象。因此，对环模结构进行结构改进以克服生物质成品棱角撕裂倒钝现象尤为重要。借鉴机械产品中改善应力集中问题的思路，对模孔横截面的四边形直角进行倒圆角处理，圆角R=3 mm。倒圆角处理后，对比模孔的应力分布情况，如图3所示。 从图3可看出，未经倒圆角处理的模孔最大SEQV值为37.7 MPa，经过倒圆角处理的模孔最大SEQV值降低到24.4 MPa。比较图3(a)和图3(b)可看出，在与秸秆生物质成品接触的整个接触面上，经过倒圆处理的模孔应力分布更为均匀合理，模孔在棱角处的应力集中情况得到明显改善。 3.2传动系统动态数值模拟 为保证成型设备传动系统运行的平稳性和结构的可靠性，以及工作的低能耗性，实验室对传动系统进行了完整的动力学设计和分析。 主轴是传动系统的关键部件，对压块成型设备的能耗和安全方面具有重要影响。高建辉通过研究成型压力对主轴的作用形式，得到主轴部件的前六阶模态振型、临界转速，以及在工作载荷频率下的动态响应特性，为研究设备运行稳定性奠定了基础。 螺杆是螺旋进料装置的核心工作部件，刘超通过Darnell - Moll理论，建立了螺旋部件挤压力力学模型，对螺杆进行静力分析和模态分析，得到了螺杆部件的固有频率和模态模型，为动力学设计提供了依据。 表l为主轴模态分析前六阶结果，从表中可看出主轴各阶固有频率都在61Hz以上。实践和分析表明，成型设备主轴部件的结构设计应远离表l列出的频率段，研制的压块设备主轴与成型部件工作转速为165r/min，外部激振频率为3Hz，远小于表l中的各阶固有频率最小值61Hz，因此该设计结构可有效避开共振区域，即在正常工作转速下不会发生共振现象，可避免共振产生的大变形导致的结构破坏，工作性能稳定可靠。 4、成型制品品质影响因素试验与数值模拟 陈晓青以生物质固化成型制品表面裂纹为研究对象，采用锯末、棉柴、秸秆和木屑4种原料，在液压成型颗粒机上进行了成型试验，研究了生物质原料、种类、含水率、成型压力、保型温度、螺旋进料速度等因素对成型制品品质的影响，探讨了生物质固化成型制品表面裂纹的形成原因及影响因素，分析了保型筒对减少成型制品开裂的重要作用。并对制品脱模后引起残余应力的弹性后效进行了详细阐述。表2为4种生物质成型试验制品品质比较。 贾剑以压缩腔内的衬套作为研究对象，通过对带衬套成型过程进行数值模拟，分析了衬套在成型过程中的作用，并编写了衬套概率有限元分析程序，分析了衬套的可靠性，得出衬套径向压强和厚度是影响可靠性的关键因素。最后通过对成型过程的热一应力耦合分析，研究了摩擦热对成型制品品质的影响。 5、整机设备的设计与研发 在上述成型理论研究的基础上，山东大学相继研究开发了生物质压块、颗粒、冲压3种成型技术与装备，形成了0.5、l、1.5、2t/h系列化产品。在此基础上，山东大学对技术装备进行了示范应用，生物质成型设备列入山东省、江苏省农机补贴目录，已在江苏、山东等地推广60余套，建设并独立运营了包括伊春、邹城等生物质成型燃料基地，年产成型燃料5万t，也为生物质能产业化推广利用的模式进行了积极探索。 同创新能源生产销售的秸秆颗粒机、木屑颗粒机是客户们压制生物质颗粒燃料很不错的选择。