摘要  研究了影響秸稈成型顆粒機生產(chǎn)效率和噸料電耗影響的因素，擬定了秸稈成型機的傳動設計方案，即采用立式結構，通過聯(lián)軸器將電動機與減速機相連，環(huán)模固定在主軸上，以物料作為中間介質(zhì)帶動壓輥轉動；確定了秸稈顆粒機所需電動機型號以及減速器型號；對秸稈成型顆粒機壓輥材料和壓輥的軸系結構分別進行了選擇和設計。該文著重研究了環(huán)模材料、速度、模孔有效長度、長徑比，模孔形狀、環(huán)模厚度、模孔排列和開孔率對成型顆粒機成型效率的影響，優(yōu)化了各項結構參數(shù)，設計出了一款高效率低能耗的生物質(zhì)環(huán)模成型顆粒機。
關鍵詞秸稈；環(huán)模成型顆粒機；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行了焚燒，既污染了環(huán)境也浪費了生物資源。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，人們開始對秸稈的高效利用進行了各方面的研究，其中秸稈成型顆粒機是目前秸稈合理利用研究的熱點。利用成型顆粒機可以使秸稈變成顆粒燃料，并且秸稈顆粒燃料在我國有很好的推廣應用條件，秸稈顆粒機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)對環(huán)境危害非常嚴重。如果利用秸稈資源生產(chǎn)出環(huán)保燃料，那么既緩解了我國能源緊張的局面、同時也減少了溫室氣體的排放、保護生態(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，我國作為農(nóng)業(yè)大國，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存和運輸?shù)葍?yōu)點，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，對新型能源需求不斷擴大，以及加強環(huán)境保護、應對全球氣候變化的戰(zhàn)略號召，秸稈顆粒燃料已成為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奶娲�能源。開發(fā)一種高效低能耗的成型顆粒機使秸稈能夠得到充分的利用，對于經(jīng)濟高效地利用生物質(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具有很好的推廣和應用前景。
    研發(fā)生物質(zhì)成型顆粒機的意義主要有4點：(1)有效解決我國能源短缺，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，同時保護生態(tài)環(huán)境。生物質(zhì)能源具有安全、清潔、可持續(xù)等特點。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)和資金機會；(4)有利于解決“三農(nóng)”問題。秸稈成型顆粒機的使用，將為廣大農(nóng)民帶來經(jīng)濟效益。
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)效率計算公式。經(jīng)理論推導，可得出環(huán)模顆粒成型顆粒機單位時間產(chǎn)量的表達式：
q＝zε｛πR²-π（R-h）²｝Bpn
式中：z→壓輥個數(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，影響成型顆粒機生產(chǎn)效率的主要因素包括：壓輥的個數(shù)，環(huán)模的開孔率、半徑和寬度以及轉速。其中任何一個參數(shù)的增加都會提高成型顆粒機的生產(chǎn)率，但各個參數(shù)又受到成型顆粒機結構、零部件材料力學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)模寬度增加會導致物料分布的均勻性受到影響從而引起振動；環(huán)模和壓輥的直徑受到成型顆粒機整體結構合理性的限制。轉速增加會提高生產(chǎn)率，但轉速會受到電機功率的限制，另外隨著轉速的提高機械能會增加，總體能耗會增加。壓輥數(shù)目增加也會提高生產(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)過理論分析和計算確定出壓輥的合理個數(shù)。
1.2噸料電耗影響因素分析
1.2.1原料性能對噸料電耗的影響。景果仙曾對環(huán)模生物質(zhì)顆粒成型顆粒機不同生物質(zhì)原料、粒度、含水率及噸料電耗的影響關系進行了研究和分析得出結論是：隨粒度增大，噸料電耗也相應的增加，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，會造成成型顆粒內(nèi)部粘結不牢；而含水率低又會導致顆粒成型困難，因此應根據(jù)成型顆粒機的具體情況合理控制原料的含水率。
1.2.2主軸轉速和模孔直徑對噸料電耗的影響。噸料電耗與主軸的轉速和模孔的直徑有關。噸料電耗隨主軸轉速的增大而減小。低速轉動時，顆粒生產(chǎn)率低，所需電能較多；隨著主軸轉速的提高，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。
    當主軸轉速相同時，模孔直徑大的成型顆粒機噸料電耗低。這是因為模孔直徑越大，單位時間內(nèi)進料量越多，使物料擠壓難度較模孔直徑小時要容易，克服秸稈原料彈性變形所需噸料電耗就低。
2、水平環(huán)摸成型顆粒機總體設計
2.1傳動方案的擬定環(huán)模成型顆粒機按照壓輥與環(huán)模的運動方式分為以下3種：模動、輥動、模輥雙動。目前應用較多的運動方式是輥動的方式。設計突破了傳統(tǒng)的設計理念，采用立式結構，通過聯(lián)軸器將電動機與減速機相連，環(huán)模固定在主軸上，通過物料作為中間介質(zhì)從而帶動壓輥轉動，通過環(huán)模與壓輥的轉動擠壓出顆粒物料，這種傳動方式結構簡單，傳動路線短、功率損耗低。
2.2電機及減速裝置的選擇生物質(zhì)燃料成型顆粒機對動力設備沒有特殊的要求，在我國三相交流電源容易獲得，因此選用市面上常見的Y系列三相異步電動機，型號為Y180L-4。
    電動機輸出的轉速高，不能完全被環(huán)模所利用，因此需在電機與主軸之間配置減速裝置。考慮到成型顆粒機工作場合條件惡劣，而且要求減速機的輸出轉矩較大，因此選用兩級斜齒輪和一級弧齒錐齒輪構成的減速機。
2.3壓輥的設計壓輥是成型顆粒機中的重要部件也是易磨損件之一，為了達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零件的材料，又要對各個零件進行適當?shù)臒崽幚硎蛊溥_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矩，因此應選用合金結構鋼如40Cr并對其進行調(diào)質(zhì)處理，使其表面硬度達到HB360以上；壓輥材料則選擇合金結構鋼20 CrMnTi，并對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，則會使磨損加劇；若間隙過大，則又會導致打滑，影響顆粒質(zhì)量。壓輥的軸系結構主要由一根壓輥軸、一個壓輥、一對圓錐滾子軸承、一對軸承蓋組成，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軸段的直徑及長度尺寸。
2.4環(huán)模的結構設計
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：碳素結構鋼、合金結構鋼、不銹鋼。碳素結構鋼以45鋼最為常見，通常將其熱處理使其硬度達到約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；合金結構鋼主要有20CrMnTi．其經(jīng)過表面滲碳處理后可使其硬度達到約HRC50，用此種材料生產(chǎn)的環(huán)模優(yōu)點是強度和耐磨性好，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，噸料環(huán)模費用也是最低的。
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)模設計中的重要參數(shù)，它將影響擠壓區(qū)料層厚度和物料通過模孔的時間，從而影響成型顆粒機的產(chǎn)量和成型顆粒的質(zhì)量。若線速度過高，就會導致就會導致擠壓區(qū)內(nèi)料層比較薄，料層分布會不均勻，會使擠壓區(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)時間長，產(chǎn)量低，自然成本就提高了。
    設計中減速機輸出的轉速通過主軸直接傳遞給環(huán)模，因此環(huán)模的轉速即為減速機的輸出轉速。根據(jù)所選減速機的型號可查得減速機的相關性能參數(shù)，其中減速機的輸出轉速為36r/min，根據(jù)速度與轉速的關系式，可算得環(huán)模的速度為1.88m/s。
2.4.3環(huán)模的結構參數(shù)的確定。環(huán)模的各項結構參數(shù)對成型顆粒機環(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，進而將影響到成型燃料的加工成本。
    (1)環(huán)模孔的有效長度(L)。環(huán)模孔的有效長度是指物料固化成型的模孔長度。模孔的有效長度￡越長，物料在模孔中的成型時間也就越長，所得到的成型顆粒越緊實，強度越高。本設計模孔的有效長度L=40 mm。
    (2)模孔長徑比(Ud)。模孔的長徑比即模孔的有效長度L與模孔直徑d之比。長徑比的大小影響著成型顆粒的密度、成型顆粒機的能耗和產(chǎn)量。長徑比值大，成型顆粒密度大，對應成型顆粒機的能耗大，但產(chǎn)量小，反之亦然。長徑比數(shù)值的選擇與多種因素有關，如成型燃料的種類、環(huán)模的材料等等。本設計中環(huán)模的有效長度為40mm，模孔的直徑d=8 mm，因此長徑比為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。每種孔型的適用場合不同，對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。本設計的物料主要是秸稈，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、模孔有效長度、環(huán)模強度以及減壓孔深度等因素有關；環(huán)模厚度大，孔徑越小，孔壁阻力越大，強度和剛性大，成型燃料密度也大。本設計的環(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位排布，如圖4所示。環(huán)模大多選擇錯位排布，這種排布方式能夠使物料均勻進入模孔。
    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雜，并且在確定模孔開孔率時還要考慮模孔間要有足夠的抗斷能力和結構強度。比較合理的環(huán)模模孔開孔率應在20%·30%之間。本設計的環(huán)模開孔率經(jīng)過理論計算約24%。
3、結論
    目前，國內(nèi)外對成型顆粒機的研究很多，大多成型顆粒機多用于生產(chǎn)飼料，隨著成型顆粒機技術的日趨成熟，全世界各國也對環(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逐漸研發(fā)出來。但環(huán)模成型顆粒機仍然普遍存在環(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。針對目前成型顆粒機存在的問題應從壓輥、環(huán)摸的結構參數(shù)人手，合理設計成型顆粒機結構，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的高效率低能耗。
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