农林废弃物作为我国农村能源的重要组成部分,与传统的化石能源如石油、煤炭、天然气等相比,具有可再生、再生周期短、可生物降解、环境友好等诸多优点,是重要的生物质资源。生物质燃料是合理利用生物质资源的有效途径,其中,生产生物质燃料的主要方式是利用环模制粒机将农林废弃物加工成致密燃烧颗粒。而环模是环模制粒机的核心部件,其质量直接影响制粒效率和设备使用寿命。生物质原料由于纤维度高等特性,使得环模较易磨损、开裂,造成其质量差、使用寿命低的缺点,已成为严重制约生物质燃料颗粒推广的一大因素。从制造工艺与结构设计等方面来提高环模的力学性能和使用寿命已成为业内人士研究热点。本文围绕生物质颗粒成型机理、环模辗环成形新工艺和环模结构优化进行了分析研究。主要研究内容及成果如下:(1)环模辗环成形新工艺设计:对环模典型的加工工艺展开研究,发现现有工艺的不足,提出环模辗环制造工艺,将辗环成形工艺首次用在环模的加工工艺中,实现了环模辗环制造工艺;环模属于典型的外沟形异形环,辗环过程困难,因此本文对外沟形环件辗环过程做了系统的分析,建立了外沟形环件辗环过程的数学模型,分析了轧制条件和芯辊、驱动辊的合理取值范围,并设计了环模辗环方案和工艺参数。(2)环模辗环成形新工艺仿真计算与实验:基于Simufact软件对环模辗环工艺进行了虚拟加工,对预设方案的成形缺陷进行优化,确立“半闭式孔型与加长芯辊”的径向轧制方案;分析了芯辊进给速度和驱动辊转速对轧制力和等效塑性应变的影响,确立了环模合理的辗环工艺参数;进行了辗环加工实验,产品质量合格;对环件进行了拉伸试验,得到辗环工艺下环模锻件力学性能大幅提高。(3)生物质燃料颗粒成型机理研究:对环模制粒机的制粒机理进行了系统的分析,将制粒区域分成了备料区、变形区和挤压成型区,并对各个区域的工作状态进行了阐述,推导出生物质原料在模辊机构中的摄取条件,然后分析了模孔各结构参数对环模强度和制粒过程的影响规律。(4)环模结构优化:对环模结构受力进行理论计算,并对结构参数进行模拟分析;通过对模孔受力分析,得到锥角区域受力较大,较易磨损,并以锥角角度为自变量,以锥角处受力状态为应变量进行分析,得到最适锥角角度;通过研究环模最大应力随厚度变化的趋势,得到厚度对最大应力的影响规律,确定了保证环模强度的厚度要求。最后通过用户生产实验得到,采用辗环成形新工艺和结构优化参数生产的环模,其性能、寿命和综合效益得到了有效提高。