摘要 研究了影響秸稈成型
顆粒機(jī)生產(chǎn)效率和噸料電耗影響的因素，擬定了秸稈成型機(jī)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案，即采用立式結(jié)構(gòu)，通過聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)相連，
環(huán)模固定在主軸上，以物料作為中間介質(zhì)帶動(dòng)壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)；確定了
秸稈顆粒機(jī)所需電動(dòng)機(jī)型號(hào)以及減速器型號(hào)；對(duì)秸稈成型
顆粒機(jī)壓輥材料和壓輥的軸系結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了選擇和設(shè)計(jì)。該文著重研究了環(huán)模材料、速度、模孔有效長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比，模孔形狀、環(huán)模厚度、模孔排列和開孔率對(duì)成型顆粒機(jī)成型效率的影響，優(yōu)化了各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)出了一款高效率低能耗的生物質(zhì)環(huán)模成型顆粒機(jī)。
關(guān)鍵詞秸稈；環(huán)模成型顆粒機(jī)；顆粒
農(nóng)作物秸稈是農(nóng)村非常豐富的資源，但大部分秸稈在入冬之前都就地進(jìn)行了焚燒，既污染了環(huán)境也浪費(fèi)了生物資源。秸稈作為一種可再生的生物質(zhì)能源，如果可將其充分利用既能大大減輕環(huán)境的污染，又能緩解燃料資源緊張的問題。目前，人們開始對(duì)秸稈的高效利用進(jìn)行了各方面的研究，其中秸稈成型顆粒機(jī)是目前秸稈合理利用研究的熱點(diǎn)。利用成型顆粒機(jī)可以使秸稈變成顆粒燃料，并且秸稈顆粒燃料在我國(guó)有很好的推廣應(yīng)用條件，秸稈顆粒機(jī)壓制的秸稈顆粒燃料如下所示：
生物質(zhì)能源是一種清潔能源，它具有可再生性和環(huán)境友好的雙重屬性。農(nóng)作物秸稈在農(nóng)村是非常豐富的生物質(zhì)資源之一，它是一種寶貴的可再在生資源。現(xiàn)實(shí)生活中，每逢入冬之前，田間就囤積了大量秸稈，由于找不到合理的處理方式，往往農(nóng)民們一把火將秸稈燒掉，使其成為第二年農(nóng)作物的肥料。但是，農(nóng)民們往往忽略了秸稈焚燒將產(chǎn)生的有害物質(zhì)，如一氧化碳、二氧化碳以及粉塵顆粒等，這些的物質(zhì)對(duì)環(huán)境危害非常嚴(yán)重。如果利用秸稈資源生產(chǎn)出環(huán)保燃料，那么既緩解了我國(guó)能源緊張的局面、同時(shí)也減少了溫室氣體的排放、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，又有利于改善農(nóng)村居民生產(chǎn)生活條件、增加農(nóng)民收入。眾所周知，我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈資源豐富。將秸稈經(jīng)過干燥和粉碎后在一定溫度與壓力作用下，可以壓制成顆粒狀、密度較大的新型清潔燃料。經(jīng)過加工后的顆粒燃料具有便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，既可以作為農(nóng)村家庭取暖和炊事用能，也可以替代煤、天然氣、燃料油等化石能源作為工業(yè)鍋爐和發(fā)電廠燃料。目前，隨著城鄉(xiāng)居民生活水平的逐步提高，對(duì)新型能源需求不斷擴(kuò)大，以及加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、應(yīng)對(duì)全球氣候變化的戰(zhàn)略號(hào)召，秸稈顆粒燃料已成為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奶娲茉础ｉ_發(fā)一種高效低能耗的成型顆粒機(jī)使秸稈能夠得到充分的利用，對(duì)于經(jīng)濟(jì)高效地利用生物質(zhì)資源，減少成型顆粒燃料的生產(chǎn)成本具有重要意義，并且秸稈燃料在我國(guó)具有很好的推廣和應(yīng)用前景。
研發(fā)生物質(zhì)成型顆粒機(jī)的意義主要有4點(diǎn)：(1)有效解決我國(guó)能源短缺，確保能源安全。調(diào)查研究顯示，目前天然氣、原油和煤供應(yīng)越來越緊張，如果能夠開發(fā)利用生物能源，可以起到顯著的緩解作用；(2)廢棄物污染問題得到治理，同時(shí)保護(hù)生態(tài)環(huán)境。生物質(zhì)能源具有安全、清潔、可持續(xù)等特點(diǎn)。開發(fā)利用生物質(zhì)能源，能夠有效處理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物；(3)能夠給企業(yè)帶來創(chuàng)造生產(chǎn)和資金機(jī)會(huì)；(4)有利于解決“三農(nóng)”問題。秸稈成型顆粒機(jī)的使用，將為廣大農(nóng)民帶來經(jīng)濟(jì)效益。
1、生產(chǎn)效率和噸料電耗影響因素分析
1.1生產(chǎn)效率
1.1.1生產(chǎn)效率計(jì)算公式。經(jīng)理論推導(dǎo)，可得出環(huán)模顆粒成型顆粒機(jī)單位時(shí)間產(chǎn)量的表達(dá)式：
q＝zε｛πR
2-π（R-h）
2｝Bpn
式中：z→壓輥個(gè)數(shù)；ε→環(huán)模的開孔率；R→環(huán)模半徑，mm;h→物料高度，mm；B→環(huán)模寬度，mm；p→物料密度，g/cm3；n→環(huán)模轉(zhuǎn)速，r/min。
1.1.2生產(chǎn)效率影響因素分析。由式(1)可看出，影響成型顆粒機(jī)生產(chǎn)效率的主要因素包括：壓輥的個(gè)數(shù)，環(huán)模的開孔率、半徑和寬度以及轉(zhuǎn)速。其中任何一個(gè)參數(shù)的增加都會(huì)提高成型顆粒機(jī)的生產(chǎn)率，但各個(gè)參數(shù)又受到成型顆粒機(jī)結(jié)構(gòu)、零部件材料力學(xué)性能以及能耗等因素的制約。環(huán)模直徑、寬度的增加、壓輥直徑的增加是提高生產(chǎn)率的有效方法。但環(huán)模寬度增加會(huì)導(dǎo)致物料分布的均勻性受到影響從而引起振動(dòng)；環(huán)模和壓輥的直徑受到成型顆粒機(jī)整體結(jié)構(gòu)合理性的限制。轉(zhuǎn)速增加會(huì)提高生產(chǎn)率，但轉(zhuǎn)速會(huì)受到電機(jī)功率的限制，另外隨著轉(zhuǎn)速的提高機(jī)械能會(huì)增加，總體能耗會(huì)增加。壓輥數(shù)目增加也會(huì)提高生產(chǎn)率，但壓輥數(shù)目增加又限制了壓輥的直徑尺寸，又會(huì)使生產(chǎn)率降低，另外也要考慮到壓輥受力的合理性。所以要經(jīng)過理論分析和計(jì)算確定出壓輥的合理個(gè)數(shù)。
1.2噸料電耗影響因素分析
1.2.1原料性能對(duì)噸料電耗的影響。景果仙曾對(duì)環(huán)模生物質(zhì)顆粒成型顆粒機(jī)不同生物質(zhì)原料、粒度、含水率及噸料電耗的影響關(guān)系進(jìn)行了研究和分析得出結(jié)論是：隨粒度增大，噸料電耗也相應(yīng)的增加，也就是說粒度越大的物料通過成型孔的摩擦力越大，越需要消耗更多的能量。此外，原料的含水率對(duì)噸料電耗的影響也很大，含水率的增加可有效降低噸料電耗，但含水率太大，會(huì)造成成型顆粒內(nèi)部粘結(jié)不牢；而含水率低又會(huì)導(dǎo)致顆粒成型困難，因此應(yīng)根據(jù)成型顆粒機(jī)的具體情況合理控制原料的含水率。
1.2.2主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑對(duì)噸料電耗的影響。噸料電耗與主軸的轉(zhuǎn)速和模孔的直徑有關(guān)。噸料電耗隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小。低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，顆粒生產(chǎn)率低，所需電能較多；隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，顆粒燃料出料的速度增加，克服彈性變形的能量減小，噸料電耗也逐漸減小。
當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速相同時(shí)，模孔直徑大的成型顆粒機(jī)噸料電耗低。這是因?yàn)槟？字睆皆酱螅瑔挝粫r(shí)間內(nèi)進(jìn)料量越多，使物料擠壓難度較模孔直徑小時(shí)要容易，克服秸稈原料彈性變形所需噸料電耗就低。
2、水平環(huán)摸成型顆粒機(jī)總體設(shè)計(jì)
2.1傳動(dòng)方案的擬定環(huán)模成型顆粒機(jī)按照壓輥與環(huán)模的運(yùn)動(dòng)方式分為以下3種：模動(dòng)、輥動(dòng)、模輥雙動(dòng)。目前應(yīng)用較多的運(yùn)動(dòng)方式是輥動(dòng)的方式。設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，采用立式結(jié)構(gòu)，通過聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)相連，環(huán)模固定在主軸上，通過物料作為中間介質(zhì)從而帶動(dòng)壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)，通過環(huán)模與壓輥的轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓出顆粒物料，這種傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)路線短、功率損耗低。
2.2電機(jī)及減速裝置的選擇生物質(zhì)燃料成型顆粒機(jī)對(duì)動(dòng)力設(shè)備沒有特殊的要求，在我國(guó)三相交流電源容易獲得，因此選用市面上常見的Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Y180L-4。
電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速高，不能完全被環(huán)模所利用，因此需在電機(jī)與主軸之間配置減速裝置。考慮到成型顆粒機(jī)工作場(chǎng)合條件惡劣，而且要求減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大，因此選用兩級(jí)斜齒輪和一級(jí)弧齒錐齒輪構(gòu)成的減速機(jī)。
2.3壓輥的設(shè)計(jì)壓輥是成型顆粒機(jī)中的重要部件也是易磨損件之一，為了達(dá)到提高壓輥使用壽命的目的既要合理選擇壓輥軸系中各個(gè)零件的材料，又要對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚硎蛊溥_(dá)到一定的硬度要求。壓輥和壓輥軸是壓輥軸系的核心部件。壓輥軸要承受較大的轉(zhuǎn)矩，因此應(yīng)選用合金結(jié)構(gòu)鋼如40Cr并對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，使其表面硬度達(dá)到HB360以上；壓輥材料則選擇合金結(jié)構(gòu)鋼20 CrMnTi，并對(duì)其表面做滲碳處理提高其硬度。
壓輥根據(jù)受力分布合理性，以3只壓輥為最佳。模輥之間要留有合理間隙，若間隙過小，則會(huì)使磨損加劇；若間隙過大，則又會(huì)導(dǎo)致打滑，影響顆粒質(zhì)量。壓輥的軸系結(jié)構(gòu)主要由一根壓輥軸、一個(gè)壓輥、一對(duì)圓錐滾子軸承、一對(duì)軸承蓋組成，如圖2所示。壓輥軸最小直徑尺寸可根據(jù)相關(guān)理論公式求得，根據(jù)各軸段所安裝零件的安裝尺寸確定各個(gè)軸段的直徑及長(zhǎng)度尺寸。
2.4環(huán)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.4.1環(huán)模材料的選擇。環(huán)模材料的選擇能夠直接影響環(huán)模的強(qiáng)度，耐磨性和抗腐蝕性。目前，環(huán)模常用的材料有3種：碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼以45鋼最為常見，通常將其熱處理使其硬度達(dá)到約HRC45左右，但其耐磨性和抗腐蝕型均不好，所以現(xiàn)在很少采用此種鋼；合金結(jié)構(gòu)鋼主要有20CrMnTi．其經(jīng)過表面滲碳處理后可使其硬度達(dá)到約HRC50，用此種材料生產(chǎn)的環(huán)模優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度和耐磨性好，但是抗腐蝕能力較差。不銹鋼材料主要有4Cr13，經(jīng)過整體淬火后，可使其硬度高于HRC50，具有良好的剛度、韌性、耐磨性和抗腐蝕性，用它作為環(huán)模的制作材料不僅壽命長(zhǎng)，噸料環(huán)模費(fèi)用也是最低的。
2.4.2環(huán)模速度的確定。環(huán)模速度（環(huán)模內(nèi)徑處線速度）是環(huán)模設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，它將影響擠壓區(qū)料層厚度和物料通過模孔的時(shí)間，從而影響成型顆粒機(jī)的產(chǎn)量和成型顆粒的質(zhì)量。若線速度過高，就會(huì)導(dǎo)致就會(huì)導(dǎo)致擠壓區(qū)內(nèi)料層比較薄，料層分布會(huì)不均勻，會(huì)使擠壓區(qū)物料斷層，成型顆粒松軟；若線速度過低，成型顆粒質(zhì)量好，但生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)量低，自然成本就提高了。
設(shè)計(jì)中減速機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速通過主軸直接傳遞給環(huán)模，因此環(huán)模的轉(zhuǎn)速即為減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。根據(jù)所選減速機(jī)的型號(hào)可查得減速機(jī)的相關(guān)性能參數(shù)，其中減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為36r/min，根據(jù)速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式，可算得環(huán)模的速度為1.88m/s。
2.4.3環(huán)模的結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。環(huán)模的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)成型顆粒機(jī)環(huán)模的壽命、成型顆粒的產(chǎn)量以及成型燃料的性能都有直接的影響，進(jìn)而將影響到成型燃料的加工成本。
(1)環(huán)模孔的有效長(zhǎng)度(L)。環(huán)模孔的有效長(zhǎng)度是指物料固化成型的模孔長(zhǎng)度。模孔的有效長(zhǎng)度￡越長(zhǎng)，物料在模孔中的成型時(shí)間也就越長(zhǎng)，所得到的成型顆粒越緊實(shí)，強(qiáng)度越高。本設(shè)計(jì)模孔的有效長(zhǎng)度L=40 mm。
(2)模孔長(zhǎng)徑比(Ud)。模孔的長(zhǎng)徑比即模孔的有效長(zhǎng)度L與模孔直徑d之比。長(zhǎng)徑比的大小影響著成型顆粒的密度、成型顆粒機(jī)的能耗和產(chǎn)量。長(zhǎng)徑比值大，成型顆粒密度大，對(duì)應(yīng)成型顆粒機(jī)的能耗大，但產(chǎn)量小，反之亦然。長(zhǎng)徑比數(shù)值的選擇與多種因素有關(guān)，如成型燃料的種類、環(huán)模的材料等等。本設(shè)計(jì)中環(huán)模的有效長(zhǎng)度為40mm，模孔的直徑d=8 mm，因此長(zhǎng)徑比為5。
(3)模孔的孔型。環(huán)模模孔的孔型主要有外錐孔、內(nèi)錐孔、直孔和階梯孔，如圖3所示。每種孔型的適用場(chǎng)合不同，對(duì)于高纖維物料適用于外錐形孔，而一些牧草類物料則選用內(nèi)錐形孔，混合型物料選用圓柱型孔。本設(shè)計(jì)的物料主要是秸稈，屬于高纖維物料，因此選擇外錐形孔。
(4)環(huán)模厚度(T)。環(huán)模厚度與固話過程中的壓力、物料特性、能耗、模孔有效長(zhǎng)度、環(huán)模強(qiáng)度以及減壓孔深度等因素有關(guān)；環(huán)模厚度大，孔徑越小，孔壁阻力越大，強(qiáng)度和剛性大，成型燃料密度也大。本設(shè)計(jì)的環(huán)模厚度T=60 mm。
(5)模孔的排列和開孔率。模孔的排布分為整齊陣列排布和錯(cuò)位排布，如圖4所示。環(huán)模大多選擇錯(cuò)位排布，這種排布方式能夠使物料均勻進(jìn)入模孔。
模孔的開孔率是指環(huán)模模孔總面積與有效面積之比。開孔率高雖提高了生產(chǎn)效率，但使模孔的加工工藝變得復(fù)雜，并且在確定模孔開孔率時(shí)還要考慮模孔間要有足夠的抗斷能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。比較合理的環(huán)模模孔開孔率應(yīng)在20%·30%之間。本設(shè)計(jì)的環(huán)模開孔率經(jīng)過理論計(jì)算約24%。
3、結(jié)論
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)成型顆粒機(jī)的研究很多，大多成型顆粒機(jī)多用于生產(chǎn)飼料，隨著成型顆粒機(jī)技術(shù)的日趨成熟，全世界各國(guó)也對(duì)環(huán)保節(jié)能提出了自己的要求，越來越多以農(nóng)作物秸稈為原料的燃料成型顆粒機(jī)逐漸研發(fā)出來。但環(huán)模成型顆粒機(jī)仍然普遍存在環(huán)摸、壓輥易磨損、生產(chǎn)率偏低、故障率高、穩(wěn)定性差等一系列問題。針對(duì)目前成型顆粒機(jī)存在的問題應(yīng)從壓輥、環(huán)摸的結(jié)構(gòu)參數(shù)人手，合理設(shè)計(jì)成型顆粒機(jī)結(jié)構(gòu)，從而提高環(huán)摸和壓輥的壽命，提高生產(chǎn)效率，真正做到成型顆粒機(jī)的高效率低能耗。
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