作者：王述洋 王九龍 牛海峰
文章出自：《安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)》
生物質(zhì)不僅是替代日益短缺的化石資源的可再生戰(zhàn)略資源，而且是當(dāng)前和未來(lái)幾十年內(nèi)可以直接大規(guī)模利用的現(xiàn)實(shí)資源。我國(guó)每年有7×10
9多噸農(nóng)業(yè)秸稈（扣除各種利用還有4.7x10
9 t左右），3.3x10
9 t林業(yè)廢棄物和3x10
9多t沙生灌木廢棄生物質(zhì)，累計(jì)每年至少有10x10
9t廢棄農(nóng)林生物質(zhì)有待利用。目前，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)，大多數(shù)農(nóng)民將生物質(zhì)秸稈直接就地焚燒，這種利用方式的直接后果是利用效率低、環(huán)境污染大，并且對(duì)航空安全和路面交通安全有一定的影響。因此，這種直接燃燒生物質(zhì)秸稈的方式已不能適應(yīng)低碳生活、綠色生態(tài)的要求，富通新能源專業(yè)生產(chǎn)銷售
秸稈顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等
生物質(zhì)顆粒燃料固化成型設(shè)備。
由于生物質(zhì)中的灰分、氮、硫等有害物質(zhì)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于礦物質(zhì)能源，具有儲(chǔ)量大、炭活性好、容易著火、揮發(fā)性組分高等特點(diǎn)，因此生物質(zhì)是一種非常理想的能源燃料，十分適合燃燒轉(zhuǎn)化利用。生物質(zhì)燃燒以后殘余的灰渣富含磷、鈣、鉀、鎂等植物所需營(yíng)養(yǎng)元素，故可以作為肥料進(jìn)行還田。鑒于生物質(zhì)能源具有資源儲(chǔ)量的巨大性和獨(dú)特的可再生性等優(yōu)勢(shì)，目前全球各國(guó)都將其作為國(guó)家新能源發(fā)展的重要選擇。中國(guó)國(guó)家發(fā)改委在《“十二五”農(nóng)作物秸稈綜合利用實(shí)施方案》中明確提出：到2013年秸稈綜合利用率達(dá)到75%，到2015年力爭(zhēng)秸稈綜合利用率超過(guò)80%。
如何把生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換成優(yōu)質(zhì)、清潔、方便的能源成為亟待解決的問(wèn)題，生物質(zhì)致密成型技術(shù)是提高生物質(zhì)能源焚燒效率、方便運(yùn)輸?shù)挠行緩街弧Ｄ壳皣?guó)內(nèi)外市場(chǎng)上常見(jiàn)的致密成型設(shè)備主要有以下四種類型：螺旋擠壓顆粒機(jī)、活塞沖壓顆粒機(jī)、平模顆粒機(jī)和環(huán)模顆粒機(jī)。其中，環(huán)模顆粒機(jī)憑借工作時(shí)不需加熱、對(duì)原料含水率要求較寬(10%～30%)、單機(jī)產(chǎn)量大、壓縮密度大、成型效果好等特點(diǎn)被廣泛使用著，但這類顆粒機(jī)普遍存在模具易磨損、使用壽命短、維修成本高、更換不便等缺點(diǎn)。針對(duì)環(huán)模顆粒機(jī)的以上缺點(diǎn)，筆者對(duì)成型模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全新的改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低、維修方便的鑲嵌型成型模具。同時(shí)，本文對(duì)成型模具在工作過(guò)程中進(jìn)行了力學(xué)分析。
1、
環(huán)模顆粒機(jī)成型模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)
1.1擠壓成型過(guò)程簡(jiǎn)介 環(huán)模顆粒機(jī)根據(jù)環(huán)模所安放位置的不同，可以劃分為立式和臥式兩種機(jī)型；根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式又可以劃分為壓輥主動(dòng)一環(huán)模固定和環(huán)模主動(dòng)一
壓輥從動(dòng)兩種不同的運(yùn)動(dòng)形式。此款改進(jìn)設(shè)計(jì)主要針對(duì)運(yùn)動(dòng)形式為壓輥主動(dòng)一環(huán)模固定的環(huán)模顆粒機(jī)。其主要由輸送機(jī)構(gòu)和環(huán)模顆粒機(jī)構(gòu)兩部分組成。環(huán)模和壓輥是環(huán)模顆粒機(jī)的兩個(gè)核心部件，其中環(huán)模的四周分布著許多成型模孔，壓輥安裝在環(huán)模的內(nèi)部。壓輥與傳動(dòng)主軸相連，環(huán)模安裝在固定的支架上，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)壓輥?zhàn)餍D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作原理：首先由輸送機(jī)構(gòu)將粉碎成一定粒度(3～5mm)的生物質(zhì)物料輸送到壓縮室內(nèi)，然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸帶動(dòng)壓輥?zhàn)餍D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，壓輥?zhàn)鞯人龠\(yùn)動(dòng)將物料均勻分散到壓輥和環(huán)模之間，使環(huán)模與物料，壓輥與物料，物料與物料相互之間進(jìn)行擠壓摩擦。在擠壓摩擦的過(guò)程中，物料中的纖維素和半纖維素相互結(jié)合在一起。與此同時(shí)，擠壓摩擦產(chǎn)生的熱量使木質(zhì)素軟化成為天然的粘結(jié)劑，這種粘結(jié)劑使得纖維素和半纖維素以及其他組分更加牢固地結(jié)合在一起。隨著生物質(zhì)物料的不斷填充，成型模孔中受到擠壓摩擦的物料不斷增加。與此同時(shí)，生物質(zhì)之間的擠壓力不斷增大，在成型模孔當(dāng)中不斷致密成型。當(dāng)擠壓力大于摩擦力時(shí)，被擠壓成型的生物質(zhì)不斷從環(huán)模四周的成型模孔中擠出，形成了生物質(zhì)成型燃料，其成型密度約為1g/Cm3。
1.2成型模具的磨損環(huán)模顆粒機(jī)單機(jī)產(chǎn)量大，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，對(duì)原料的適應(yīng)性比較強(qiáng)，可廣泛用于加工多種生物質(zhì)原料，適合生物質(zhì)致密成型燃料的大規(guī)模生產(chǎn)，滿足生物質(zhì)致密成型燃料未來(lái)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展要求。因此，環(huán)模顆粒機(jī)被廣泛使用著。由于被加工的生物質(zhì)物料可能含有少量的沙子等其他非生物質(zhì)雜質(zhì)，因此這極易對(duì)顆粒機(jī)的環(huán)模造成巨大的磨損。環(huán)模的使用壽命按照產(chǎn)量計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)的環(huán)模使用壽命僅為100～1000t。
環(huán)模失效主要產(chǎn)生以下4種現(xiàn)象：①環(huán)模工作一段時(shí)間以后，成型模孔內(nèi)壁磨損，孔徑變大，所生產(chǎn)出的成型燃料變形比較厲害；②環(huán)模的成型模孔進(jìn)料斜面被磨掉，被擠入模孔的生物質(zhì)物料量減少，擠壓力減小，成型模孔易堵塞，導(dǎo)致環(huán)模失效（圖2）；③環(huán)模成型模孔內(nèi)壁磨損后，內(nèi)表面凹凸不平，使得生物質(zhì)物料流動(dòng)受阻，出料量急劇減少（圖3）；④環(huán)模內(nèi)孔磨損后，導(dǎo)致相鄰模孑L之間的壁厚變薄，因而環(huán)模的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，容易在最危險(xiǎn)的截面出現(xiàn)裂紋，并且隨著裂紋的不斷延伸，從而出現(xiàn)環(huán)模斷裂的現(xiàn)象。導(dǎo)致環(huán)模易磨損、使用壽命短的主要原因是成型環(huán)模的結(jié)構(gòu)不合理（環(huán)模與成型模孔于一體），二者集成于一體的結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)這樣的結(jié)果：有時(shí)環(huán)模只有幾個(gè)成型模孔磨損不能工作需要進(jìn)行更換時(shí)，卻要把整個(gè)環(huán)模一起換掉，不僅給更換工作帶來(lái)不便，而且造成了極大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，使得維修成本增加。
1.3成型模具的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)為了能夠延長(zhǎng)環(huán)模顆粒機(jī)的環(huán)模使用壽命、減少磨損、方便更換、降低維修費(fèi)用，必須要對(duì)環(huán)模的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新的改進(jìn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用了鑲嵌型的成型模具，改進(jìn)后的壓縮室結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖5為改進(jìn)后的成型模具的剖視圖。
該改進(jìn)設(shè)計(jì)主要針對(duì)運(yùn)動(dòng)形式為壓輥主動(dòng)一環(huán)模固定的環(huán)模顆粒機(jī)，下環(huán)模固定在機(jī)體上，兩個(gè)壓輥通過(guò)連接板與主軸相連，成型模具鑲嵌在下環(huán)模上（采用過(guò)盈配合），上環(huán)模通過(guò)螺栓固定在下環(huán)模上并卡住成型模具。與此同時(shí)，為了防止成型模具在壓輥滾過(guò)之后受力反彈，沿著環(huán)模徑向竄動(dòng)，采用沉頭螺釘將成型模具分別與上、下環(huán)模固定。為了能使物料的入孔阻力減小，更方便進(jìn)入模孔。設(shè)計(jì)的成型模具進(jìn)料孔口的錐形角度為60°～120°。
改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后的成型模具擁有多周期、長(zhǎng)壽命的使用特點(diǎn)：當(dāng)顆粒機(jī)工作一段時(shí)間以后，摩擦損耗導(dǎo)致成型模具孔徑變大、鈍化時(shí)，取下磨損的成型模具，進(jìn)行擴(kuò)孔加工以后可以用于其他規(guī)格成型顆粒的生產(chǎn)。如此可以實(shí)現(xiàn)模具的重復(fù)使用，節(jié)省維修更換成本。
為了延長(zhǎng)顆粒機(jī)的使用壽命和降低生產(chǎn)成本，壓輥采用耐磨性能好的高碳高錳鋼，如65Mn。成型模具選用合金滲碳鋼種或低碳鎳鉻合金，如含Cr、Mn、Ti等。由于壓縮室經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，上、下環(huán)模在工作的過(guò)程中所受摩擦力相對(duì)于成型模具來(lái)說(shuō)是很少的，因此其材料可選用普通的碳素鋼，如45鋼。相對(duì)于傳統(tǒng)的一體式成型環(huán)模，可以減少費(fèi)用昂貴的合金鋼使用，從而降低了生產(chǎn)成本。
2、環(huán)模顆粒機(jī)成型模具的力學(xué)分析成型模具工作過(guò)程中。
物料在成型的過(guò)程中，由于在成型模具中產(chǎn)生高壓、高溫的環(huán)境，使得物料中的木質(zhì)素完全軟化，當(dāng)擠壓力不在增加時(shí)，物料發(fā)生了塑化。塑化后的物料流動(dòng)很充分，因此可以把長(zhǎng)度為d。成型模具看作是一個(gè)壓力容器，對(duì)成型模具的受力進(jìn)行簡(jiǎn)化。
通過(guò)上述的力學(xué)計(jì)算分析可知：要想得到成型模具內(nèi)部任何一點(diǎn)的壓強(qiáng)，只要確定成型模具內(nèi)部該點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變。即可，進(jìn)而可以計(jì)算出該處的摩擦力和壓力。
3、結(jié)論
該文對(duì)環(huán)模顆粒機(jī)的成型模具進(jìn)行了全新的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用鑲嵌型的成型模具，可以有效地減少模具的磨損，延長(zhǎng)模具的循環(huán)使用壽命，方便更換維修，降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，對(duì)成型模具在工作過(guò)程中進(jìn)行了力學(xué)分析，為以后的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。
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