王述洋, 崔金磊
摘要: 通過對生物質平模成型機工作原理介紹以及壓輥運動分析, 得出壓輥產生滑動的原因, 並提出壓輥改進設計; 通過對錐輥的特性分析, 得出使壓輥產生最大擠壓力應滿足的條件. 認為直壓輥的滑動作用可以增加生物質的壓縮行程, 有利於物料的成型. 錐輥數學模型的建立, 有助於平模成型機相關尺寸的確定, 提高其性能和效率. 該研究為今後平模成型機的優化設計提供了理論支援.
隨著全球石油, 煤炭等一次性能源的枯竭, 人們居住環境汙染問題日益突出, 能源, 環保等問題得到人們的強烈關注. 近年來, 發展低碳型, 環境友好型, 可持續型經濟已經勢在必行.
作為傳統農業大國, 我國有豐富的生物質資源. 截至2010年底, 農村剩餘秸稈量每年達到7.26×109t, 相當於3×109t標準煤, 減去工業生產, 還田, 顆粒飼料加工以及生活燃燒部分, 還有2.5×109t左右. 林業廢棄物每年可達到3700萬hm2.
為了避免資源的浪費, 更好地保護環境以及緩解能源危機, 生物質成型顆粒燃料得到了廣泛的應用. 生物質顆粒平模成型機以其結構簡單, 製造, 安裝和維護方便且造價低廉, 同時對物料粉碎粒度及其含水率範圍要求大等優點, 在農村個人等小規模生產中得到廣泛的應用. 作為生產顆粒燃料的關鍵設備, 對生物質成型機的研究, 分析和優化必不可少.
1生物質顆粒平模成型機的關鍵結構與工作原理
生物質顆粒燃料平模成型機結構如圖(1)所示, 由電機, 減速器(差速器), 傳動主軸, 物料室, 壓輥, 壓輥架, 平模盤, 成型模具等關鍵部件組成.
正常工作時, 成型機的平模盤固定在機架上, 電機通過皮帶連接減速器的帶輪進行減速變向, 使傳動主軸得到相應的轉速; 傳動主軸將動力傳給壓輥架, 帶動壓輥架轉動. 由於生產過程中壓輥和平模盤之間充滿生物質物料, 在壓輥架轉動的過程中, 壓輥和物料以及物料和平模盤之間產生摩擦力, 壓輥在此摩擦力的作用下實現自傳, 同時不斷將物料擠壓到成型模具中. 在壓輥與平模盤強烈的擠壓作用下, 物料逐漸被壓實, 並隨著後續擠入物料的壓力而脫離模具. 成型顆粒燃料脫離模孔後, 由切刀切割成一定長度的顆粒後從出料口滾落收集.
為生產不同直徑的生物質顆粒燃料, 根據具體尺寸更換相應模孔直徑的平模盤和成型模具. 同時為更好地滿足生產要求, 平模盤周圍要配備相應的加熱裝置, 適時調節生物質原料的含水率, 以保證平模成型機的生產要求.
2生物質顆粒平模成型機壓輥特性
2.2壓輥受力特性 由圖3可知, 在實際生產中, 壓輥與平模盤問將有一條純滾動圓周線日. 在日線內側, 壓輥相對轉速較快, 這種超前性滑動稱作滑轉滾動; 在H線外側, 壓輥相對轉速較慢, 這種滯後性滑動稱為滑移滾動.
2.3壓輥對生物質原料擠壓的力學分析 圖4為壓輥對生物質原料擠壓的力學分析圖, 選取擠壓物料的任一點B點進行受力分析, 物料受到壓輥對其施加的擠壓力N'和摩擦力F', 其大小和壓輥所受力相同, 方向相反. 同時在生產過程中, 平模盤給物料一個水平的摩擦力Fx和豎直的支撐力Fy, 整理得:
由式(5)~ 式(8)得, 相較與純滾動, 壓輥的滑轉, 滑移滾動的產生就是把原有作用力重新分配, 不僅使物料水平方向上受力增大, 增長了物料的預壓行程, 同時也增強了在豎直方向上的擠壓力, 使得生物質顆粒平模成型機的平模盤厚度變薄, 遠小於環模盤的厚度. 因此, 直壓輥所產生的滑動效應並不完全是消極的.
由於壓輥同時存在滑移滾動和滑轉滾動, 這就加快了壓輥和平模盤的磨損速度. 為了節約成本, 設計加工時將平模加工成對稱結構, 正反使用; 同時將壓輥的形狀重新進行設計, 改換成錐形壓輥, 使壓輥在寬度範圍內線速度一致, 消除滑動產生的磨損.
3生物質顆粒平模成型機壓輥改進設計及特性分析
4結論
通過對生物質顆粒燃料平模成型機的工作原理以及壓輥的特性分析(壓輥受力分析, 壓輥對生物質的擠壓力學分析), 建立了壓輥受力模型. 通過對壓輥的運動分析, 以及改進設計和動力分析, 獲知錐輥能顯著改善現有平模成型機的性能, 降低壓輥與平模盤的磨損, 極大地提高其壽命與效益.
(1)由於壓輥和生物質問產生滑動, 產生摩擦力, 使兩者間產生剪切作用, 能夠對粗纖維含量較大物料進行更好地揉搓, 壓縮成型, 極大地提高了成型產品的質量.
(2)由於滑轉滾動區和滑移滾動區的引入, 使得錐輥對物料在豎直和水平方向的壓縮行程增加, 大大減少了平模盤的厚度, 節約製造, 加工成本.
(3)忽略壓輥與平模盤間的靜摩擦力和滾動摩擦阻力矩的影響, 當0滿足公式(16)和公式(18)時, 此時的錐輥產生的擠壓力最大, 這就為不同參數的錐輥平模成型機提供了設計理論, 以便更好地進行優化設計.
