生物質(zhì)燃料粉碎成型機(jī)螺旋運(yùn)輸裝置設(shè)計

馮莉，李天舒，徐凱宏

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

摘要：以形成生物質(zhì)燃料粉碎成型一體化、機(jī)械化為目標(biāo)，對連接粉碎機(jī)和成型機(jī)的物料運(yùn)輸裝置設(shè)計。通過對生物質(zhì)燃料粉碎后的物料特性分析，取得物料特性參數(shù)。根據(jù)物料特性對比幾種不同的物料運(yùn)輸方式，選用適合粉碎后秸稈粉體的螺旋運(yùn)輸，并依據(jù)螺旋運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)公式，對螺旋輸送裝置本體部分進(jìn)行計算，完成螺旋運(yùn)輸裝置主要參數(shù)的設(shè)計。為了保證物料輸送效率最大化，采用遺傳優(yōu)化算法對螺旋體建立優(yōu)化模型。根據(jù)優(yōu)化模型分析可避免常規(guī)設(shè)計方法能耗高的缺點(diǎn)，有效降低螺旋體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輸送效率最大化。通過對螺旋運(yùn)輸裝置的設(shè)計可真正實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料粉碎與成型機(jī)間物料輸送的自動化、機(jī)械化。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)粉碎；生物質(zhì)成型；螺旋輸送

中圖分類號：S 776；[S 784]

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)03-0101-05

Abstract：In this paper，to achieve the goal of mechanization and integration of biomass fuels crushing and molding，the material conveyor was designed to connect the biomass fuels molding and biomass crushing machines.Through the analysis of the material characteristics of crushed biomass fuels，the material parameters were obtained.By comparing several different modes of delivery according to the material properties，the screw conveyor was selected for the crushed straw powder.Based on the design experiential formula of the screw conveyor，the body part of the screw conveyor device was calculated，and the design of the main parameters of the transport device was completed.In order to ensure the efficiency maximization of material delivery，the genetic optimization algorithm for helix was adopted to establish the optimization model.According to the analysis of the optimization model，the disadvantages of the conventional design method such as intensive energy consumption can be avoided，the mass of the helicoid can be reduced effectively，and the transmission efficiency maximization can be achieved.The design of spiral transportation device can realize conveying automation and mechanization between biomass fuel crushing and molding machines.

Keywords：biomass fuel crushing；biomass briquetting；screw conveyor

收稿日期：2014-12-20

基金項(xiàng)目：哈爾濱科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目(2013RFXXJ087)

作者簡介：第一馮莉，博士，副教授。研究方向：生物質(zhì)燃料。E-mail:505496096@qq.com

Design of Screw Conveyor Device for BiomassCrushing and Molding Machine

Feng Li，Li Tianshu，Xu Kaihong

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

引文格式：馮莉，李天舒，徐凱宏.生物質(zhì)燃料粉碎成型機(jī)螺旋運(yùn)輸裝置設(shè)計[J].森林工程，2015，31(3)：101-105.

能源短缺和生態(tài)污染是人類社會將長期面臨的兩大問題，也是阻礙社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。隨著近年來霧霾天氣的持續(xù)性增加，喚起了民眾對生態(tài)污染的強(qiáng)烈訴求，具備清潔能源諸多特性的生物質(zhì)燃料壓縮成型技術(shù)受到了人們廣泛的關(guān)注。我國是農(nóng)業(yè)大國，具備豐富的生物質(zhì)能源，隨著我國對清潔能源的重視，生物質(zhì)燃料粉碎技術(shù)和生物質(zhì)固化成型技術(shù)均已成熟，生物質(zhì)燃料壓縮成型設(shè)備加工簡單，運(yùn)輸儲存方便，熱值高，污染小。但在生物質(zhì)燃料粉碎成型一體化在投入使用中存在諸多問題，仍不能形成規(guī)?；褪袌龌?。完善粉碎成型一體化技術(shù)，加快促進(jìn)形成生物質(zhì)燃料成型產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)钱?dāng)今生物質(zhì)燃料行業(yè)市場化的瓶頸突破點(diǎn)。

1生物質(zhì)燃料成型技術(shù)

生物質(zhì)燃料成型是指應(yīng)用機(jī)械壓縮方法，在一定溫度和壓力作用下，將各類分散的、沒有一定形狀的農(nóng)林生物質(zhì)經(jīng)過收集、干燥、粉碎等預(yù)處理后，利用生物質(zhì)固化成型設(shè)備擠壓成規(guī)則的、密度較大的棒狀、塊狀或顆粒狀等高密度成型燃料[1-2]。我國生物質(zhì)資源廣泛但原料屬地分散，易留下火災(zāi)隱患；燃料密度小，儲存空間大；同時水分大，易于腐爛。加工固化成型后密度大，熱值高，便于運(yùn)輸和裝卸、燃燒性能好、適應(yīng)性強(qiáng)以及燃料操作控制方便等特點(diǎn)，提高了清潔能源的應(yīng)用力。

2生物質(zhì)燃料粉碎技術(shù)

生物質(zhì)燃料粉碎是燃料壓縮成型前最關(guān)鍵的工序之一，粉碎技術(shù)的研究在我國已有幾十年的歷史。其工作原理主要是利用高速回轉(zhuǎn)的錘片對物料進(jìn)行打擊來破壞物料內(nèi)部的凝聚力，從而達(dá)到粉碎的目的，具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)率高、工作平穩(wěn)和裝卸方便等優(yōu)點(diǎn)。生物質(zhì)粉碎機(jī)主要是由機(jī)架、粉碎轉(zhuǎn)子和粉碎室等組成[3]。根據(jù)其工作方式分為鍘切式、錘片式、揉切式和組合式粉碎機(jī)，目前應(yīng)用最廣泛的是錘片式和爪齒式。目前我國生物質(zhì)燃料經(jīng)初級粉碎后平均粒徑小于5 mm，現(xiàn)已有精細(xì)粉碎技術(shù)，即經(jīng)初級粗粉碎后，進(jìn)行二級精細(xì)粉碎，平均粒徑可達(dá)0.105~0.149 mm。粉碎后生物質(zhì)粉體的自然堆積密度為0.214×103kg/m3[4]。

3生物質(zhì)燃料粉碎成型運(yùn)輸設(shè)備選型

生物質(zhì)燃料經(jīng)粉碎后呈碎屑狀，粉碎顆粒體積小，質(zhì)量輕，環(huán)境差，起初經(jīng)過人力運(yùn)輸?shù)匠尚蜋C(jī)物料室中，不能形成機(jī)械化，耗費(fèi)大量的人力，生產(chǎn)效率低。

隨著生物質(zhì)燃料成型一體化技術(shù)的完善，結(jié)合粉碎顆粒的特性目前采用了幾種運(yùn)輸方式。

(1)帶式輸送機(jī)是一種摩擦驅(qū)動以連續(xù)方式運(yùn)輸物料的機(jī)械，主要由機(jī)架、輸送帶、托輥、滾筒、張緊裝置、傳動裝置等組成。它可以將物料在一定的輸送線上，從最初的供料點(diǎn)到最終的卸料點(diǎn)間形成一種物料的輸送流程。它既可以進(jìn)行碎散物料的輸送，也可以進(jìn)行成件物品的輸送[5]。利用兩個端點(diǎn)的滾筒套緊皮帶運(yùn)動，帶動皮帶上的貨物沿著皮帶運(yùn)送方向完成輸送任務(wù)。適于輸送濕度較大的物料，破損率低，但由于物料裸露在外，傾角不宜大于18°。而生物質(zhì)燃料經(jīng)粉碎后粉體顆粒細(xì)小，質(zhì)量輕的特點(diǎn)不易采用帶式輸送機(jī)。

(2)風(fēng)機(jī)輸送適用于小型粉碎成型聯(lián)合機(jī)的物料傳送。風(fēng)機(jī)由機(jī)殼、主軸、葉輪、軸承傳動機(jī)構(gòu)及電機(jī)等組成，依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體加速，把旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能和動能，提高氣體壓力并排送氣體，它是一種從動的流體機(jī)械。在小型粉碎成型聯(lián)合機(jī)中，風(fēng)機(jī)連接粉碎裝置出料口，經(jīng)粉碎后的物料被風(fēng)機(jī)沿著管道吹送至成型機(jī)進(jìn)料室[6]。由于風(fēng)機(jī)剛開始工作時軸承部位的振動很小，但是隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時間的加長，風(fēng)機(jī)內(nèi)粉塵會不均勻的附著在葉輪上，逐漸破壞風(fēng)機(jī)的動平衡，使軸承振動逐漸加大，故在選用風(fēng)機(jī)作為輸送裝置時，風(fēng)機(jī)需經(jīng)常清理，以免葉輪磨損嚴(yán)重。

(3)螺旋輸送機(jī)是一種螺旋式連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，在中短距離輸送中較為常見。利用螺旋葉片在封閉的腔體中繞機(jī)殼軸線自轉(zhuǎn)將物料沿軸線方向輸送。主要適用與粉狀、顆粒狀和小塊狀物料的運(yùn)輸并可在輸送物料的同時完成混合、摻合和冷卻等作業(yè)。具有結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜；工作可靠，維修方便；密封性能好、改善工作環(huán)境；無粉塵、噪音低，可多點(diǎn)裝料卸料等優(yōu)點(diǎn)，是具代表性的連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械。

螺旋輸送機(jī)按其空間布置位置可分為水平式、傾斜式、垂直式及空間可彎曲的四種結(jié)構(gòu)形式。在實(shí)際生產(chǎn)中由于生產(chǎn)場地和物料類型等的限制，經(jīng)常需要設(shè)計為大傾角螺旋輸送機(jī)(角度大于20°)。根據(jù)應(yīng)用于粉碎機(jī)出料口與成型機(jī)的進(jìn)料口高度差，故所選擇的輸送物料裝置須有一定傾斜角度。在本設(shè)計中，螺旋輸送裝置與粉碎機(jī)出口連接處，還應(yīng)設(shè)計儲料室，以避免螺旋裝置發(fā)生停車、湍流等堵塞情況。

水平式螺旋輸送機(jī)是指傾斜角度低于20°的螺旋輸送機(jī)，而傾斜式螺旋輸送機(jī)的螺旋面軸線與水平面夾角大于20°，如圖1所示。傾斜式螺旋輸送機(jī)一般選用的葉片螺距偏小，料槽選用焊接有法蘭的管材制成，機(jī)構(gòu)與垂直螺旋輸送機(jī)類似。大傾角的螺旋輸送機(jī)由于受到夾角小雨90°的重力和離心力產(chǎn)生的聯(lián)合作用，物料流內(nèi)部會出現(xiàn)滾動和湍流，極大的增大了物料運(yùn)輸?shù)淖枇Α?/p>

圖1　傾斜式螺旋輸送機(jī) Fig.1 Tilting screw conveyor

4應(yīng)用于粉碎成型中的螺旋輸送裝置主要參數(shù)設(shè)計

傾斜式螺旋輸送裝置的輸送量是已知量，設(shè)Q=3 t/h，其計算公式為：

Q=47D2ntρψC。

(1)

式中：D為螺旋葉片直徑，m；n為螺旋軸轉(zhuǎn)速，r/min；t-螺距，m；ρ為物料松散密度，t/m3；ψ為物料填充系數(shù)；C為傾角系數(shù)，見表1。

表1　傾角角度與傾角系數(shù)、填充系數(shù)對照表 Tab.1 Dip Angle，dip angle coefficients and filling coefficients

(1)螺旋葉片直徑的計算。螺旋直徑是螺旋輸送裝置的主要參數(shù)。它是影響輸送裝置外形結(jié)構(gòu)尺

寸的重要參數(shù)，它的合理設(shè)計影響螺旋輸送裝置效率最優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計傾角為30°。螺旋直徑可按照下式計算：

(2)

式中：D為螺旋直徑，m；Q為生產(chǎn)中的輸送量，t/h；C為傾角系數(shù)；ρ為物料松散密度，t/m3，經(jīng)查閱相關(guān)資料生物質(zhì)粉體自然堆積密度為0.214×103kg/m3；ψ為物料填充系數(shù)；K為物料綜合特性系為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，經(jīng)粉碎后的粉體屬于第一類無磨琢性且流動性好的物料，生物質(zhì)燃料經(jīng)粉碎后特性可參照木質(zhì)鋸末特性系數(shù)，取K=0.0490。物料綜合特性系數(shù)見表2。

表2　物料種類與綜合特性系數(shù)之間的關(guān)系 Tab.2 The relationship between material types and the synthetic characteristics coefficients

按規(guī)定將D圓整為整數(shù)，取D=250mm。

圖2　物料的運(yùn)動速度分析 Fig.2 The movement velocity analysis of the materials

對于物料的摩擦系數(shù)，秸稈類粉碎后原料與金屬的滑動摩擦系數(shù)f在0.40～0.47 之間，不同種類粉碎后秸稈原料差異不顯著[8]。取平均值f=0.435。

螺距的計算可根據(jù)公式：s=kD；對于具有傾斜角度的輸送機(jī)，k≤0.8。暫取k=0.8，計算得s=0.2m。

(3)螺旋軸轉(zhuǎn)速。在保障輸送能力的情況下，螺旋軸轉(zhuǎn)速不易設(shè)計過高。避免當(dāng)轉(zhuǎn)速超過輸送裝置的極限值時，物料會受離心力過大而被向外拋出。不僅加大輸送裝置的磨損，也極易發(fā)生故障。故根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速小于最大轉(zhuǎn)速可知：

(3)

式中：A為物料的綜合特性系數(shù)，根據(jù)K值查的A=50。

根據(jù)計算可得nmax=100r/min。如果轉(zhuǎn)速太高，則應(yīng)相對調(diào)整D、d、s的值保證轉(zhuǎn)速。

(4)傳動功率。因?yàn)閮A斜角度使得物料對螺旋體的摩擦增大，所以在輸送相同物料時，傾斜式螺旋輸送機(jī)消耗的功率要大于水平式和垂直式螺旋輸送機(jī)。螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動功率，用于克服物料在輸送過程中的各阻力所消耗的能量[9]。由物料運(yùn)行功率、空載運(yùn)轉(zhuǎn)功率和傾斜附加功率三部分組成。它和物料的提升高度、質(zhì)量、傾斜角度等因素有關(guān)。螺旋輸送裝置作為連續(xù)作業(yè)的重要設(shè)備，連接粉碎與成型設(shè)備，是生產(chǎn)的關(guān)鍵，故此場合應(yīng)保障較大的功率儲備。

螺旋輸送機(jī)所需功率計算公式：

P=Q(Lλ+H)/367+DL/20=0.106kW。

(4)

式中：L為輸送距離，m；H為傾斜高度，m；D為螺旋外徑，m；λ為物料運(yùn)行阻力系數(shù)。由資料查閱取λ=1.2。

螺旋輸送機(jī)的電動機(jī)驅(qū)動功率：

(5)

式中：ζ為功率備用系數(shù)，一般取2~4；η為電動機(jī)傳動效率，一般取0.9。故P1=0.35kW。 在實(shí)際生產(chǎn)中，傾斜式螺旋輸送機(jī)功率應(yīng)功率計算的基礎(chǔ)上乘以調(diào)整系數(shù)1.8～2.8作為修正。選擇系數(shù)2.8代入上式，得0.98kW。最后選擇電動機(jī)功率2kW。

5建立螺旋裝置的優(yōu)化設(shè)計模型

(1)設(shè)計變量。根據(jù)其主要尺寸：螺旋葉片直徑D、螺距S、空心軸的外徑d、內(nèi)徑d0、長度L以及葉片厚度t。長度、葉片厚度均已通過計算確定。故取D、S、d、d0為設(shè)計變量。

X=[X1,X2,X3,X4]T=[D,S,d,d0]T。

(2)目標(biāo)函數(shù)。在滿足生產(chǎn)輸送要求的前提下，降低輸送機(jī)能耗，減少材料，降低成本，便于輸送裝置與粉碎成型設(shè)備安裝、維護(hù)，最大限度提高輸送效率是輸送設(shè)備優(yōu)化設(shè)計的方向。所以本文以螺旋體質(zhì)量最小，物料輸送效率最大化作為優(yōu)化目標(biāo)。

選擇以螺旋體的質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，則有：

G=(V1+V2)ρ。

(6)

式中：G為螺旋體質(zhì)量，kg；V1為螺旋葉片的體積，m3；

將以上已知條件帶入上式中，則目標(biāo)函數(shù)為：

minf(x)=

g2(x):N0≤N。

式中：K為電機(jī)安全系數(shù)，取K=1.2；f1為物料與輸送裝置的摩擦系數(shù)；H1為進(jìn)料處物料堆積壓力的等效計算高度，m；L1為進(jìn)料口長度，m。

轉(zhuǎn)速限制條件：螺旋軸轉(zhuǎn)速越高，輸送能力雖越大，但輸送裝置內(nèi)物料的離心力越大。故轉(zhuǎn)速不能超過極限值。即g3(x):n≤[n]，其中n由輸送量Q公式可得。

扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度限制條件：螺旋輸送機(jī)空心軸所受最大剪應(yīng)力不超過所選用材料的極限應(yīng)力[10]。即：g4(x):τmax≤[τ]。

輸送效率限制條件：為提高輸送效率，降低不必要的功率損耗，應(yīng)對輸送效率進(jìn)行限制，即：

g5(x):η≥[η]。

(7)

邊界限制條件包括空心軸內(nèi)外徑要求、葉片直徑要求、螺旋體螺距要求、心軸壁厚要求以及葉片長度要求等。這些限制條件將根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)定[11]。

6遺傳算法求解

(1)T=0隨機(jī)生成初始種群P(0)={X(1)，X(2)，……，X(n)}。

(2)求解群體P(T)所有個體的適應(yīng)度函數(shù)Fit(x)。

(3)適用選擇算子生成臨時群體pr(T+1)。并按一定的概率對群體進(jìn)行交叉、變異等，生成新的群體p(T+1)[12]。

(4)當(dāng)T=T+1時，假如終止條件沒有滿足則回到步驟(2)。

7結(jié)論

生物質(zhì)秸稈燃料在我國有著豐富的資源，對秸稈粉碎后的粗飼料輸送裝置研究是生物質(zhì)燃料加工生產(chǎn)流水線作業(yè)機(jī)械化的迫切需求[13]。加大對螺旋輸送裝置，尤其是針對粉碎后秸稈粉體輸送設(shè)備的技術(shù)科研。遺傳算法是將問題的求解表示成染色體的適者生成過程，通過染色體群的一代代不斷進(jìn)化，包括復(fù)制、交叉、變異等操作，最終收斂到最適應(yīng)環(huán)境的個體，從而求得問題的最優(yōu)解或滿意解[14]。螺旋輸送機(jī)的常規(guī)設(shè)計得到的設(shè)計參數(shù)多，取值結(jié)果很難達(dá)到最優(yōu)化搭配，這樣會導(dǎo)致所設(shè)計的螺旋輸送設(shè)備質(zhì)量大、成本增高，但效率低下，引起的功耗大。應(yīng)用遺傳算法用于傾角螺旋輸送裝置優(yōu)化設(shè)計可有效減少螺旋本體的質(zhì)量，大大提高螺旋輸送裝置的輸送效率，還可減少求解時間，獲得最可靠的優(yōu)化方案。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曲直，么艷香，張永，等.生物質(zhì)燃料壓縮成型技術(shù)的研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2012(1)：7-8.

[2]劉大椿，黃逢龍，楊偉剛，等.林業(yè)剩余物棒狀燃料的成型技術(shù)研究[J].江西林業(yè)科技，2013，06：43-45.

[3]劉輝，曹成茂，孫燕，等.基于Pro/E生物質(zhì)粉碎機(jī)虛擬設(shè)計與研究[J].包裝與食品機(jī)械，2009，24(4)：18-20.

[4]姚向麗，肖波，鄒先梅.新型生物質(zhì)粉體燃料破碎系統(tǒng)[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2006(10)：18-21.

[5]馬兵.帶式輸送機(jī)[J].新疆有色金屬，2014(2)：204-206.

[6]譚敏堯，移動式生物質(zhì)粉碎成型聯(lián)合機(jī)的設(shè)計與研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2013.

[7]向冬枝，徐余偉.螺旋輸送機(jī)設(shè)計參數(shù)的選擇和確定[J].水泥技術(shù)，2010(1)：29-33.

[8]霍麗麗，孟海波，田宜水，等.粉碎秸稈類生物質(zhì)原料物理特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(6)：189-195.

[9] 于海燕，劉向陽.秸稈飼料加工機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展[J].糧油加工與食品機(jī)械，2003(6)：53-55.

[10]張東海，螺旋運(yùn)輸機(jī)的優(yōu)化研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[11]海濤，梁勇，杜茜楠.螺旋輸送機(jī)的優(yōu)化設(shè)計及效率研究[J].科技資訊，2010(27)：126.

[12]舒服華，喬天琴.遺傳算法在螺旋輸送機(jī)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].陶瓷，2008(10)：47-49.

[13]杜鵬東.生物質(zhì)固化成型機(jī)控制系統(tǒng)的綜述[J].森林工程，2013，29(5)：76-78.

[14]宋誠生.大跨度螺旋輸送機(jī)尺寸的系列設(shè)計[J].西南造紙，2001(1)：16-17.

[責(zé)任編輯：李洋]