作者：王述洋  王九龍  牛海峰
文章出自：《安徽農業科學》
    生物質不僅是替代日益短缺的化石資源的可再生戰略資源，而且是當前和未來幾十年內可以直接大規模利用的現實資源。我國每年有7×10⁹多噸農業秸稈（扣除各種利用還有4.7x10⁹ t左右），3.3x10⁹ t林業廢棄物和3x10⁹多t沙生灌木廢棄生物質，累計每年至少有10x10⁹t廢棄農林生物質有待利用。目前，在我國經濟欠發達的農村地區，大多數農民將生物質秸稈直接就地焚燒，這種利用方式的直接后果是利用效率低、環境污染大，并且對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秸稈的方式已不能適應低碳生活、綠色生態的要求，富通新能源專業生產銷售秸稈顆粒機、木屑顆粒機等生物質顆粒燃料固化成型設備。     如何把生物質能源轉換成優質、清潔、方便的能源成為亟待解決的問題，生物質致密成型技術是提高生物質能源焚燒效率、方便運輸的有效途徑之一。目前國內外市場上常見的致密成型設備主要有以下四種類型：螺旋擠壓顆粒機、活塞沖壓顆粒機、平模顆粒機和環模顆粒機。其中，環模顆粒機憑借工作時不需加熱、對原料含水率要求較寬(10%～30%)、單機產量大、壓縮密度大、成型效果好等特點被廣泛使用著，但這類顆粒機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。針對環模顆粒機的以上缺點，筆者對成型模具的結構進行了全新的改進設計，設計出一種使用壽命長、維護成本低、維修方便的鑲嵌型成型模具。同時，本文對成型模具在工作過程中進行了力學分析。
1、環模顆粒機成型模具結構的改進設計
1.1擠壓成型過程簡介  環模顆粒機根據環模所安放位置的不同，可以劃分為立式和臥式兩種機型；根據運動形式又可以劃分為壓輥主動一環模固定和環模主動一壓輥從動兩種不同的運動形式。此款改進設計主要針對運動形式為壓輥主動一環模固定的環模顆粒機。其主要由輸送機構和環模顆粒機構兩部分組成。環模和壓輥是環模顆粒機的兩個核心部件，其中環模的四周分布著許多成型模孔，壓輥安裝在環模的內部。壓輥與傳動主軸相連，環模安裝在固定的支架上，當主軸轉動時，帶動壓輥作旋轉運動。工作原理：首先由輸送機構將粉碎成一定粒度(3～5mm)的生物質物料輸送到壓縮室內，然后電機驅動主軸帶動壓輥作旋轉運動，壓輥作等速運動將物料均勻分散到壓輥和環模之間，使環模與物料，壓輥與物料，物料與物料相互之間進行擠壓摩擦。在擠壓摩擦的過程中，物料中的纖維素和半纖維素相互結合在一起。與此同時，擠壓摩擦產生的熱量使木質素軟化成為天然的粘結劑，這種粘結劑使得纖維素和半纖維素以及其他組分更加牢固地結合在一起。隨著生物質物料的不斷填充，成型模孔中受到擠壓摩擦的物料不斷增加。與此同時，生物質之間的擠壓力不斷增大，在成型模孔當中不斷致密成型。當擠壓力大于摩擦力時，被擠壓成型的生物質不斷從環模四周的成型模孔中擠出，形成了生物質成型燃料，其成型密度約為1g/Cm3。1.2成型模具的磨損環模顆粒機單機產量大，自動化程度相對較高，對原料的適應性比較強，可廣泛用于加工多種生物質原料，適合生物質致密成型燃料的大規模生產，滿足生物質致密成型燃料未來產業化的發展要求。因此，環模顆粒機被廣泛使用著。由于被加工的生物質物料可能含有少量的沙子等其他非生物質雜質，因此這極易對顆粒機的環模造成巨大的磨損。環模的使用壽命按照產量計算，目前國內的環模使用壽命僅為100～1000t。
    環模失效主要產生以下4種現象：①環模工作一段時間以后，成型模孔內壁磨損，孔徑變大，所生產出的成型燃料變形比較厲害；②環模的成型模孔進料斜面被磨掉，被擠入模孔的生物質物料量減少，擠壓力減小，成型模孔易堵塞，導致環模失效（圖2）；③環模成型模孔內壁磨損后，內表面凹凸不平，使得生物質物料流動受阻，出料量急劇減少（圖3）；④環模內孔磨損后，導致相鄰模孑L之間的壁厚變薄，因而環模的結構強度下降，容易在最危險的截面出現裂紋，并且隨著裂紋的不斷延伸，從而出現環模斷裂的現象。導致環模易磨損、使用壽命短的主要原因是成型環模的結構不合理（環模與成型模孔于一體），二者集成于一體的結構容易出現這樣的結果：有時環模只有幾個成型模孔磨損不能工作需要進行更換時，卻要把整個環模一起換掉，不僅給更換工作帶來不便，而且造成了極大的經濟浪費，使得維修成本增加。
1.3成型模具的結構改進設計為了能夠延長環模顆粒機的環模使用壽命、減少磨損、方便更換、降低維修費用，必須要對環模的結構進行全新的改進設計。設計中采用了鑲嵌型的成型模具，改進后的壓縮室結構如圖4所示，圖5為改進后的成型模具的剖視圖。
    該改進設計主要針對運動形式為壓輥主動一環模固定的環模顆粒機，下環模固定在機體上，兩個壓輥通過連接板與主軸相連，成型模具鑲嵌在下環模上（采用過盈配合），上環模通過螺栓固定在下環模上并卡住成型模具。與此同時，為了防止成型模具在壓輥滾過之后受力反彈，沿著環模徑向竄動，采用沉頭螺釘將成型模具分別與上、下環模固定。為了能使物料的入孔阻力減小，更方便進入模孔。設計的成型模具進料孔口的錐形角度為60°～120°。
    改進結構設計后的成型模具擁有多周期、長壽命的使用特點：當顆粒機工作一段時間以后，摩擦損耗導致成型模具孔徑變大、鈍化時，取下磨損的成型模具，進行擴孔加工以后可以用于其他規格成型顆粒的生產。如此可以實現模具的重復使用，節省維修更換成本。
    為了延長顆粒機的使用壽命和降低生產成本，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。由于壓縮室經過改進后，上、下環模在工作的過程中所受摩擦力相對于成型模具來說是很少的，因此其材料可選用普通的碳素鋼，如45鋼。相對于傳統的一體式成型環模，可以減少費用昂貴的合金鋼使用，從而降低了生產成本。
2、環模顆粒機成型模具的力學分析成型模具工作過程中。
    物料在成型的過程中，由于在成型模具中產生高壓、高溫的環境，使得物料中的木質素完全軟化，當擠壓力不在增加時，物料發生了塑化。塑化后的物料流動很充分，因此可以把長度為d。成型模具看作是一個壓力容器，對成型模具的受力進行簡化。
    通過上述的力學計算分析可知：要想得到成型模具內部任何一點的壓強，只要確定成型模具內部該點的環向應變。即可，進而可以計算出該處的摩擦力和壓力。
3、結論
    該文對環模顆粒機的成型模具進行了全新的結構改進設計，采用鑲嵌型的成型模具，可以有效地減少模具的磨損，延長模具的循環使用壽命，方便更換維修，降低了生產成本。同時，對成型模具在工作過程中進行了力學分析，為以后的進一步研究提供了理論依據。
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