王述洋, 崔金磊
摘要: 通过对生物质平模成型机工作原理介绍以及压辊运动分析, 得出压辊产生滑动的原因, 并提出压辊改进设计; 通过对锥辊的特性分析, 得出使压辊产生最大挤压力应满足的条件. 认为直压辊的滑动作用可以增加生物质的压缩行程, 有利于物料的成型. 锥辊数学模型的建立, 有助于平模成型机相关尺寸的确定, 提高其性能和效率. 该研究为今后平模成型机的优化设计提供了理论支持.
随着全球石油, 煤炭等一次性能源的枯竭, 人们居住环境污染问题日益突出, 能源, 环保等问题得到人们的强烈关注. 近年来, 发展低碳型, 环境友好型, 可持续型经济已经势在必行.
作为传统农业大国, 我国有丰富的生物质资源. 截至2010年底, 农村剩余秸秆量每年达到7.26×109t, 相当于3×109t标准煤, 减去工业生产, 还田, 颗粒饲料加工以及生活燃烧部分, 还有2.5×109t左右. 林业废弃物每年可达到3700万hm2.
为了避免资源的浪费, 更好地保护环境以及缓解能源危机, 生物质成型颗粒燃料得到了广泛的应用. 生物质颗粒平模成型机以其结构简单, 制造, 安装和维护方便且造价低廉, 同时对物料粉碎粒度及其含水率范围要求大等优点, 在农村个人等小规模生产中得到广泛的应用. 作为生产颗粒燃料的关键设备, 对生物质成型机的研究, 分析和优化必不可少.
1生物质颗粒平模成型机的关键结构与工作原理
生物质颗粒燃料平模成型机结构如图(1)所示, 由电机, 减速器(差速器), 传动主轴, 物料室, 压辊, 压辊架, 平模盘, 成型模具等关键部件组成.
正常工作时, 成型机的平模盘固定在机架上, 电机通过皮带连接减速器的带轮进行减速变向, 使传动主轴得到相应的转速; 传动主轴将动力传给压辊架, 带动压辊架转动. 由于生产过程中压辊和平模盘之间充满生物质物料, 在压辊架转动的过程中, 压辊和物料以及物料和平模盘之间产生摩擦力, 压辊在此摩擦力的作用下实现自传, 同时不断将物料挤压到成型模具中. 在压辊与平模盘强烈的挤压作用下, 物料逐渐被压实, 并随着后续挤入物料的压力而脱离模具. 成型颗粒燃料脱离模孔后, 由切刀切割成一定长度的颗粒后从出料口滚落收集.
为生产不同直径的生物质颗粒燃料, 根据具体尺寸更换相应模孔直径的平模盘和成型模具. 同时为更好地满足生产要求, 平模盘周围要配备相应的加热装置, 适时调节生物质原料的含水率, 以保证平模成型机的生产要求.
2生物质颗粒平模成型机压辊特性
2.2压辊受力特性 由图3可知, 在实际生产中, 压辊与平模盘问将有一条纯滚动圆周线日. 在日线内侧, 压辊相对转速较快, 这种超前性滑动称作滑转滚动; 在H线外侧, 压辊相对转速较慢, 这种滞后性滑动称为滑移滚动.
2.3压辊对生物质原料挤压的力学分析 图4为压辊对生物质原料挤压的力学分析图, 选取挤压物料的任一点B点进行受力分析, 物料受到压辊对其施加的挤压力N'和摩擦力F', 其大小和压辊所受力相同, 方向相反. 同时在生产过程中, 平模盘给物料一个水平的摩擦力Fx和竖直的支撑力Fy, 整理得:
由式(5)~ 式(8)得, 相较与纯滚动, 压辊的滑转, 滑移滚动的产生就是把原有作用力重新分配, 不仅使物料水平方向上受力增大, 增长了物料的预压行程, 同时也增强了在竖直方向上的挤压力, 使得生物质颗粒平模成型机的平模盘厚度变薄, 远小于环模盘的厚度. 因此, 直压辊所产生的滑动效应并不完全是消极的.
由于压辊同时存在滑移滚动和滑转滚动, 这就加快了压辊和平模盘的磨损速度. 为了节约成本, 设计加工时将平模加工成对称结构, 正反使用; 同时将压辊的形状重新进行设计, 改换成锥形压辊, 使压辊在宽度范围内线速度一致, 消除滑动产生的磨损.
3生物质颗粒平模成型机压辊改进设计及特性分析
4结论
通过对生物质颗粒燃料平模成型机的工作原理以及压辊的特性分析(压辊受力分析, 压辊对生物质的挤压力学分析), 建立了压辊受力模型. 通过对压辊的运动分析, 以及改进设计和动力分析, 获知锥辊能显著改善现有平模成型机的性能, 降低压辊与平模盘的磨损, 极大地提高其寿命与效益.
(1)由于压辊和生物质问产生滑动, 产生摩擦力, 使两者间产生剪切作用, 能够对粗纤维含量较大物料进行更好地揉搓, 压缩成型, 极大地提高了成型产品的质量.
(2)由于滑转滚动区和滑移滚动区的引入, 使得锥辊对物料在竖直和水平方向的压缩行程增加, 大大减少了平模盘的厚度, 节约制造, 加工成本.
(3)忽略压辊与平模盘间的静摩擦力和滚动摩擦阻力矩的影响, 当0满足公式(16)和公式(18)时, 此时的锥辊产生的挤压力最大, 这就为不同参数的锥辊平模成型机提供了设计理论, 以便更好地进行优化设计.
