德雪紅 吳桂芳 李南丁 張建超 郭文斌 李 震

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 呼和浩特 010020； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 包頭 014010)

0 引言

生物質(zhì)能作為僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，因具備低污染、可再生性、分布廣泛且儲(chǔ)備量大等諸多優(yōu)點(diǎn)，其開(kāi)發(fā)與利用受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1-3]。生物質(zhì)常溫固化成型技術(shù)可以將農(nóng)林剩余物經(jīng)過(guò)機(jī)械壓縮方法加工成具有一定形狀和密度的塊狀、棒狀或顆粒狀燃料，這些顆粒燃料熱值高、無(wú)污染、儲(chǔ)運(yùn)方便，已成為國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)固化成型的研究熱點(diǎn)[4-5]。目前，生物質(zhì)成型設(shè)備主要分為活塞沖壓式、螺旋擠壓式和輥壓式等，而輥壓式成型機(jī)的研究主要集中于環(huán)模成型機(jī)和平模成型機(jī)[6-8]，此類成型機(jī)原料適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率較高，是固化成型設(shè)備研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究[9-22]可知，環(huán)模成型主要存在的技術(shù)問(wèn)題包括：部分投入生產(chǎn)的環(huán)模成型機(jī)有效壓縮成型率低；傳統(tǒng)環(huán)模成型機(jī)采用模輥外曲面擠壓形式，其成本高、能耗大及關(guān)鍵零部件磨損嚴(yán)重。

基于上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種內(nèi)嚙合行星輪柱塞式生物質(zhì)環(huán)模成型機(jī)。該成型機(jī)在壓輥周向布有數(shù)列與其軸心呈一夾角的壓縮凸模，使其在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)壓縮凸模與環(huán)模成型孔的位置嚙合，在完成物料高效壓縮同時(shí)，可有效避免成型孔外物料所受的壓輥擠壓與摩擦，以解決同類型成型機(jī)關(guān)鍵部件磨損嚴(yán)重、能耗大的問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 成型機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1a所示，內(nèi)嚙合行星輪柱塞式生物質(zhì)環(huán)模成型機(jī)主要由主機(jī)支架、主機(jī)裝置、加料漏斗、動(dòng)力支架、動(dòng)力源、帶輪等組成。其中主機(jī)裝置是設(shè)計(jì)核心，為回轉(zhuǎn)體式結(jié)構(gòu)，如圖1b所示，包括主軸、環(huán)模體、壓縮凸模、壓輥體、壓輥軸、聯(lián)軸座、直齒圓柱內(nèi)齒輪、壓輥軸齒輪、主軸齒輪等。

圖1 成型機(jī)裝配示意圖Fig.1 Assembly diagrams of briquetting machine1.主機(jī)支架 2.主機(jī)裝置 3.加料漏斗 4.動(dòng)力支架 5.動(dòng)力源 6.帶輪 7.環(huán)模體 8.壓縮凸模 9.壓輥體 10.壓輥軸 11.壓輥軸齒輪 12.主軸 13.主軸齒輪 14.直齒圓柱內(nèi)齒輪 15.聯(lián)軸座

1.2 工作原理

本設(shè)計(jì)所選動(dòng)力源為YE3-180L-6型電動(dòng)機(jī)，其參數(shù)包括：額定轉(zhuǎn)矩146.9 N·m、額定轉(zhuǎn)速975 r/min、額定功率15 kW、額定電壓380 V、額定頻率50 Hz。工作時(shí)，通過(guò)減速器將動(dòng)力輸出經(jīng)窄V帶傳動(dòng)傳遞至主軸上，帶動(dòng)主軸齒輪和2個(gè)壓輥軸齒輪在內(nèi)嚙合直齒圓柱齒輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成行星輪結(jié)構(gòu)，如圖1b所示。其中主軸齒輪為太陽(yáng)輪，而壓輥軸齒輪為行星輪，內(nèi)嚙合圓柱齒輪通過(guò)螺栓固定在支架上。2個(gè)壓輥軸齒輪對(duì)稱布置于主軸兩側(cè)，帶動(dòng)壓輥軸及壓輥體自轉(zhuǎn)并圍繞主軸在環(huán)模體內(nèi)旋轉(zhuǎn)。壓輥上均布一系列45°柱塞，可與環(huán)模體上均布的?？渍_位置嚙合。

此時(shí)，物料經(jīng)加料漏斗被送入滾壓區(qū)域，并進(jìn)入環(huán)模體和壓輥體之間，在物料與環(huán)模體和物料與壓輥體之間摩擦力的作用下，部分物料被壓入成型孔中。與此同時(shí)，壓輥體上的壓縮凸模逐漸和與之相對(duì)應(yīng)的環(huán)模成型孔進(jìn)行位置嚙合而壓入成型孔中，此時(shí)物料繼續(xù)被凸模壓入成型孔，之后凸模又逐漸分離。壓輥體每轉(zhuǎn)一圈，環(huán)模成型孔中的物料都要經(jīng)過(guò)填充、凸模擠壓的過(guò)程，生物質(zhì)松散物料最終在成型孔中一層一層致密成型，最后成為具有一定密度和長(zhǎng)度的顆粒型燃料，并被擠出成型孔外。其關(guān)鍵部件工作原理圖如圖2所示。

圖2 工作原理圖Fig.2 Diagram of working principle

設(shè)置壓縮凸模的目的，是利用類似內(nèi)齒輪嚙合原理，使壓縮凸模在嚙合力的作用下產(chǎn)生推擠力來(lái)推送物料入成型孔(圖2)，使物料在成型過(guò)程中，降低壓輥體和環(huán)模體之間的摩擦磨損、降低成本并提高成型效率。從工作原理可以看出，本設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)為：利用壓輥體和環(huán)模體間嚴(yán)格的相位關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮凸模和成型孔之間的位置嚙合來(lái)推擠物料成型，降低了壓輥體和環(huán)模體間的磨損，以提高其壽命；由壓輥體為主要磨損件轉(zhuǎn)化為壓縮凸模為主要磨損體，因壓縮凸模制造成本低，從而降低了整體成本；利用嚙合機(jī)理產(chǎn)生的推送力成型方式大大降低了能量損耗，效率也大大提高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效和節(jié)能。

1.3 技術(shù)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，內(nèi)嚙合行星輪柱塞式生物質(zhì)環(huán)模成型機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足定比關(guān)系

(1)

式中N1——壓輥壓縮凸模個(gè)數(shù)

N2——環(huán)模成型孔個(gè)數(shù)

z1——壓輥軸齒輪齒數(shù)

z2——直齒圓柱內(nèi)齒輪齒數(shù)

n1——壓輥轉(zhuǎn)速，r/min

n2——環(huán)模轉(zhuǎn)速，r/min

根據(jù)式(1)得到成型機(jī)的主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 成型機(jī)主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main design parameters of briquetting machine

2 關(guān)鍵部件運(yùn)動(dòng)干涉分析

環(huán)模成型機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是保證壓輥體壓縮凸模與環(huán)模成型孔不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。根據(jù)表1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在SolidWorks中構(gòu)建成型機(jī)構(gòu)實(shí)體模型，如圖3所示，按行星輪齒輪嚙合機(jī)理進(jìn)行虛擬裝配，調(diào)整初始位置，使其在成型區(qū)嚙合。在Motion模塊中添加運(yùn)動(dòng)分析算例，對(duì)該成型機(jī)壓縮凸模和環(huán)模成型孔關(guān)鍵部位運(yùn)行取點(diǎn)，為壓輥體和環(huán)模體添加轉(zhuǎn)速比為1的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤。經(jīng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，壓輥凸模能夠與環(huán)模成型孔很好地嚙合工作，無(wú)干涉，運(yùn)動(dòng)嚙合瞬時(shí)狀態(tài)如圖4(圖4a～4c表示運(yùn)動(dòng)順序，即瞬時(shí)狀態(tài)(1號(hào)凸橫)，圖4d、4e表示運(yùn)動(dòng)順序(2號(hào)凸橫)，圖中1、2表示嚙合瞬時(shí)的不同行的凸模)所示。

圖3 實(shí)體模型Fig.3 3-D assembly model

圖4 運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)嚙合狀態(tài)圖Fig.4 Instantaneous states of meshing

3 關(guān)鍵部件受力分析

3.1 環(huán)模關(guān)鍵部件

如圖5所示，柱塞式壓輥在旋轉(zhuǎn)力矩M的作用下，以n1轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。壓縮凸模(長(zhǎng)度L=25 mm)旋轉(zhuǎn)到p1(靠近)和p3(遠(yuǎn)離)位置時(shí)只與環(huán)模成型孔周圍及壓輥和環(huán)模體之間的物料接觸擠壓，但此時(shí)擠壓力非常小，可忽略不計(jì)；當(dāng)壓縮凸模旋轉(zhuǎn)到p2處時(shí)，與環(huán)模成型孔邊的物料接觸，產(chǎn)生一定的摩擦和擠壓，并利用旋轉(zhuǎn)作用卷起并推送部分物料；當(dāng)其旋轉(zhuǎn)到p1處位置時(shí)，壓縮凸模開(kāi)始與成型孔嚙合，此時(shí)物料被部分推入環(huán)模成型孔處；當(dāng)其到達(dá)p2處位置時(shí)實(shí)現(xiàn)完全嚙合，進(jìn)入深度H0(H0=6 mm)，此時(shí)，物料在嚙合瞬時(shí)被壓縮凸模壓入環(huán)模成型孔深處；隨后，柱塞式壓輥繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，壓縮凸模繼而到達(dá)p3處位置，即逐漸退出環(huán)模成型孔，完成一次嚙合。壓縮凸模實(shí)際受力為空間綜合力Fz，如圖5a所示。為了方便分析，可將其分解為徑向分力Fr、軸向分力Ft以及切向分力Ff，如圖5b所示，F(xiàn)t與Fr之合力記為Fs，即壓縮凸模所受沿中心軸向力。

圖5 壓縮凸模受力分析圖Fig.5 Force analysis of compression punch

根據(jù)齒輪嚙合機(jī)理知，在p1～p3點(diǎn)成型區(qū)內(nèi)，壓縮凸模與成型孔嚙合瞬時(shí)完成，停留時(shí)間極短，故可將其受力過(guò)程近似為一個(gè)穩(wěn)態(tài)情況進(jìn)行分析。R1為柱塞式壓輥體壓縮凸模嚙合圓半徑，R2為環(huán)模體成型孔嚙合圓半徑。則有

(2)

式中β——壓縮凸模Fs與Ft夾角，取45°

壓輥體在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中壓縮凸模(圖4b及圖5c)受到的切向分力Ff對(duì)壓輥體產(chǎn)生的阻力矩為

(3)

式中T——壓縮凸模所受切向分力Ff的阻力矩，N·m

m——嚙合瞬時(shí)參與嚙合壓縮凸模行數(shù)，取3

n——壓輥體個(gè)數(shù)，取2

Ffp1——某列壓縮凸模進(jìn)入嚙合區(qū)并實(shí)現(xiàn)初步嚙合時(shí)受到的切向分力，N

Ffp2——某列正在位置嚙合處完全嚙合時(shí)壓縮凸模受到的切向分力，N

Ffp3——某列壓縮凸模在嚙合區(qū)并準(zhǔn)備離開(kāi)嚙合處時(shí)受到的切向分力，N

x——環(huán)模體外表面和壓輥體外表面在嚙合處之間的直線距離，m

H——物料被擠出長(zhǎng)度，m

整個(gè)壓輥體在工作過(guò)程中受到的徑向力合力Frz計(jì)算式為

Frz=mn(Frp1+Frp2+Frp3)

(4)

式中Frp1——某列壓縮凸模進(jìn)入嚙合區(qū)并實(shí)現(xiàn)初步嚙合時(shí)受到的徑向分力，N

Frp2——某列正在位置嚙合處完全嚙合時(shí)壓縮凸模受到的徑向分力，N

Frp3——某列壓縮凸模在嚙合區(qū)并準(zhǔn)備離開(kāi)嚙合處時(shí)受到的徑向分力，N

整個(gè)壓輥體在工作過(guò)程中受到的軸向力合力Ftz計(jì)算式為

Ftz=mn(Ftp1+Ftp2+Ftp3)

(5)

式中Ftp1——某列壓縮凸模進(jìn)入嚙合區(qū)并實(shí)現(xiàn)初步嚙合時(shí)受到的軸向分力，N

Ftp2——某列正在位置嚙合處完全嚙合時(shí)壓縮凸模受到的軸向分力，N

Ftp3——某列壓縮凸模在嚙合區(qū)并準(zhǔn)備離開(kāi)嚙合處時(shí)受到的軸向分力，N

壓縮凸模所受力Fz在內(nèi)齒輪嚙合過(guò)程中實(shí)際上是變化的，變化規(guī)律服從齒輪嚙合受力過(guò)程規(guī)律，但由于嚙合速度快而使變化時(shí)間極短，為便于分析，將其簡(jiǎn)化為在完全嚙合即壓縮凸模軸線與成型孔軸線重合瞬時(shí)所受力峰值為恒定力，由此可得壓輥體壓縮凸模最大單位擠壓力p0取80 MPa[23-24]。

3.2 傳動(dòng)裝置關(guān)鍵部件

3.2.1壓輥軸

壓輥軸受力狀態(tài)如圖6所示，壓輥軸承受來(lái)自壓輥體的外力，在壓輥體上的壓縮凸模與環(huán)模體上的成型孔實(shí)現(xiàn)位置嚙合的過(guò)程中，單個(gè)成型孔中的物料給壓縮凸模反作用力F′s，也同時(shí)作用在壓輥軸上，則有

(6)

(7)

式中T1——壓輥軸所受轉(zhuǎn)矩，N·m

F′sz——壓輥軸沿45°軸向力合力，N

Li——壓輥軸某行壓縮凸模距離聯(lián)軸器支撐處長(zhǎng)度，m

圖6 壓輥軸受力分析圖Fig.6 Force analysis of plunger roller axis

3.2.2環(huán)模軸

環(huán)模軸受力狀態(tài)如圖 7所示，環(huán)模軸主要受力于聯(lián)軸座和主軸齒輪：受聯(lián)軸座所傳壓縮凸模徑向合力Frz和向上軸向合力Ftz作用，受主軸齒輪所傳環(huán)模體的徑向反作用合力F′rz和向下反作用合力F′tz以及力矩M1作用。在本設(shè)計(jì)中環(huán)模體內(nèi)180°對(duì)稱布置了2個(gè)壓輥體，壓輥體通過(guò)壓輥軸及壓輥軸齒輪與主軸齒輪及主軸相連。故環(huán)模軸在壓縮物料過(guò)程中水平方向上所受徑向力Fr及豎直方向上Ft相互抵消，且所受力矩也相互抵消。

圖7 環(huán)模軸受力分析圖Fig.7 Force analysis of spindle

4 關(guān)鍵零部件選取與設(shè)計(jì)

4.1 柱塞式壓輥部件

內(nèi)嚙合行星輪柱塞式生物質(zhì)環(huán)模成型機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的功率主要消耗在壓輥體在物料擠壓區(qū)和壓縮凸模在壓緊成型區(qū)對(duì)物料所做的功。故壓縮凸模在壓緊成型區(qū)對(duì)物料擠壓所消耗功率P1和擠壓區(qū)壓輥體克服物料阻力矩消耗功率P2是關(guān)鍵。壓縮凸模對(duì)物料擠壓所消耗功率P1為

(8)

式中t——壓輥體每轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間，s

k——壓輥凸模嚙合過(guò)程中同時(shí)參與系數(shù)，取1.3

v——壓縮凸模線速度，m/s

A——單個(gè)壓縮凸模橫截面積，m2

d——單個(gè)壓縮凸模直徑，m

壓輥體在物料擠壓變形區(qū)克服阻力矩所需要的功率P2為

P2=Tω=2πn1T

(9)

式中ω——柱塞式壓輥角速度

根據(jù)式(8)、(9)綜合分析，柱塞式壓輥結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大大降低能耗的目標(biāo)，圖8所示即為柱塞式壓輥部件結(jié)構(gòu)圖，主要由壓輥體和壓縮凸模等組成。柱塞式壓輥部件軸線垂直設(shè)置，與環(huán)模體軸線平行，其上設(shè)置有數(shù)列與壓輥體軸線呈45°角的壓縮凸模，壓縮凸模在壓輥體外表面周向均勻布置。為保證壓縮凸模與環(huán)模成型孔正確位置嚙合關(guān)系，布局方式沿環(huán)模體周向均勻布置，共計(jì)6列且每列布置12個(gè)孔，總共72個(gè)成型孔且對(duì)稱交叉錯(cuò)位排列。其中，壓縮凸模與壓輥體安裝孔為基孔制過(guò)盈配合；壓縮凸模與環(huán)模成型部件上的成型孔可以實(shí)現(xiàn)位置嚙合。

圖8 柱塞式壓輥部件結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of plunger roller

4.2 環(huán)模成型部件

圖9所示為環(huán)模部件結(jié)構(gòu)圖?；剞D(zhuǎn)體式環(huán)模成型部件軸線垂直設(shè)置，其上設(shè)置有數(shù)列與環(huán)模成型部件軸線呈45°角的成型孔；鑒于生物質(zhì)原料不同和成型模具長(zhǎng)徑比不同的情況，可設(shè)計(jì)2種規(guī)格環(huán)模體部件。環(huán)模成型孔為Φ8圓直孔結(jié)構(gòu)，加工工藝簡(jiǎn)單、成本低，布局方式沿環(huán)模體周向均勻布置，共計(jì)6列且每列布置38個(gè)孔，總共228個(gè)成型孔且對(duì)稱交叉錯(cuò)位排列。同時(shí)，為避免壓縮凸模與環(huán)模成型孔發(fā)生干涉，便于物料進(jìn)入環(huán)模成型孔，環(huán)模成型孔內(nèi)表面均設(shè)有45°×6 mm的入料大倒角。

圖9 環(huán)模部件結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure diagram of ring-die

本文所述成型機(jī)利用壓縮凸模與成型孔在類似齒輪嚙合的過(guò)程中，使壓縮凸模對(duì)成型孔處的松散物料產(chǎn)生擠壓推力。物料在推擠過(guò)程中被壓縮，密度不斷增大，達(dá)到一定密度后形成塊狀，并被推出環(huán)模成型孔外。壓縮凸模對(duì)物料的擠壓推力必須克服物料與環(huán)模成型孔內(nèi)壁的摩擦力。環(huán)模成型孔長(zhǎng)徑比越大，物料與成型孔內(nèi)壁的摩擦阻力越大。而當(dāng)壓縮凸模的擠壓推力無(wú)法克服物料與環(huán)模成型孔孔壁的摩擦力時(shí)，物料就無(wú)法再壓入成型[25-26]。因此，成型孔的長(zhǎng)徑比需要保證在一定范圍內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[6，11-13]，在此設(shè)計(jì)了2種規(guī)格的環(huán)模體部件，其長(zhǎng)徑比分別為4.75∶1和5∶1。

5 樣機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)

本文就所設(shè)計(jì)的內(nèi)嚙合行星輪柱塞式環(huán)模成型機(jī)(圖10)在DS SolidWorks軟件中進(jìn)行了設(shè)計(jì)和裝配，并對(duì)其進(jìn)行了初步物料成型運(yùn)行試驗(yàn)。

圖10 環(huán)模成型機(jī)樣機(jī)Fig.10 Model of ring-die briquetting machine

參數(shù)設(shè)置：環(huán)模成型孔長(zhǎng)徑比為4.75∶1，壓輥軸轉(zhuǎn)速為60 r/min。

5.1 試驗(yàn)條件

選用2020年內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市周邊黃河少村當(dāng)年產(chǎn)的白楊樹(shù)等混合木屑物料作為試驗(yàn)對(duì)象，要求其顆粒度為1～3 mm；調(diào)節(jié)物料水分，使其含水率達(dá)15%。

關(guān)鍵測(cè)試儀器：網(wǎng)孔直徑3 mm的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩(GB/T 6003.1—1997)、DHS-16A型快速水分測(cè)定儀、JAEIHAENE型電子秤(精度0.01 g)、100 mL量筒(精度1 mL)、游標(biāo)卡尺和秒表(精度0.01 s)。

5.2 試驗(yàn)方法

本文對(duì)內(nèi)嚙合行星輪柱塞式環(huán)模生物質(zhì)成型機(jī)的生產(chǎn)率、顆粒密度、成型率和機(jī)械耐久性進(jìn)行了測(cè)試[27-31]。

5.2.1生產(chǎn)率

在本成型機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，每10 min接取1次顆粒樣品，每次接取60 s，共接取5次，分別稱量，并取平均值作為稱得的質(zhì)量mo。平均生產(chǎn)率計(jì)算公式為

Q0=3 600mo/t0

(10)

式中Q0——實(shí)測(cè)平均生產(chǎn)率，kg/h

t0——接取樣品時(shí)間，s

5.2.2成型顆粒密度

取若干成型顆粒，端面磨平后通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)出顆粒的直徑與長(zhǎng)度，再稱得樣本質(zhì)量，最后計(jì)算得到顆粒密度。

5.2.3物料堆積密度

將篩分后的物料通過(guò)漏斗倒入量筒內(nèi)，使物料與100 mL刻度線水平。稱得量筒原料質(zhì)量，測(cè)量5次，取平均值，最后算得物料堆積密度。

5.2.4成型率

采用篩孔孔徑為3 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，并進(jìn)行稱量，成型率計(jì)算公式為

X=ms/mz×100%

(11)

式中ms——篩上質(zhì)量，g

mz——樣品總質(zhì)量，g

5.2.5機(jī)械耐久性

取篩分后的顆粒300 g放入試驗(yàn)篩內(nèi)進(jìn)行大幅度振蕩100次，然后再篩分，成型顆粒機(jī)械耐久性指數(shù)計(jì)算公式為

C=m2/m1×100%

(12)

式中m1——所取樣品質(zhì)量，g

m2——篩分后篩上顆粒質(zhì)量，g

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)條件為室溫環(huán)境，柱塞凸模伸入環(huán)模成型孔部分距離為6 mm(此距離可調(diào))。試驗(yàn)結(jié)果：物料堆積密度約0.25 g/cm3，最大擠壓壓力為79.60 MPa，顆粒密度達(dá)到1.05 g/cm3，成型率為96.2%，生產(chǎn)率達(dá)到115 kg/h，機(jī)械耐久性指數(shù)達(dá)到97.5%。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明木屑物料堆積密度為0.25 g/cm3，結(jié)合生產(chǎn)率可得出，采用新型內(nèi)嚙合行星輪柱塞式環(huán)模成型方法制取顆粒時(shí)，其生產(chǎn)率可達(dá)115 kg/h。

從對(duì)顆粒密度、顆粒成型率和顆粒機(jī)械耐久性的測(cè)定結(jié)果可得出：溫度為室溫，壓輥轉(zhuǎn)速為60 r/min的條件下，測(cè)得顆粒燃料的平均密度為1.05 g/cm3，成型率接近96.2%，機(jī)械耐久性指數(shù)達(dá)到97.5%，已經(jīng)達(dá)到生物質(zhì)顆粒燃料標(biāo)準(zhǔn)。

由于試驗(yàn)樣機(jī)主要用于成型方法的可行性驗(yàn)證，通過(guò)測(cè)得單個(gè)柱塞在擠壓過(guò)程中的最大擠壓壓強(qiáng)79.6 MPa，并計(jì)算得到耗電率，在壓縮鋸末顆粒密度達(dá)到1.05 g/cm3時(shí)，求得其能耗為45 kW·h/t。

經(jīng)過(guò)28 d試驗(yàn)，設(shè)備運(yùn)行正常，柱塞凸模及環(huán)模成型孔未出現(xiàn)明顯的磨損痕跡。根據(jù)該成型機(jī)的原理(圖10)，與傳統(tǒng)環(huán)模成型設(shè)備相比，柱塞凸模與環(huán)模體間的物料產(chǎn)生的壓力大大降低，從而降低環(huán)模體的磨損；柱塞凸模僅對(duì)環(huán)模?？渍戏降奈锪蠑D壓，因此實(shí)現(xiàn)了降低能耗與磨損。

5.4 樣機(jī)優(yōu)勢(shì)分析

本成型機(jī)生產(chǎn)率達(dá)到115 kg/h，大大高于傳統(tǒng)環(huán)模成型機(jī)生產(chǎn)效率[7,10]。本設(shè)計(jì)采用齒輪嚙合機(jī)理成型，即環(huán)模體上的成型孔與壓縮凸模一一對(duì)應(yīng)布局，可實(shí)現(xiàn)在局部區(qū)域集中較大壓力壓縮物料成型，且采用對(duì)稱行星輪結(jié)構(gòu)，受力均衡，大大提高了生物質(zhì)物料成型速度，較之傳統(tǒng)無(wú)壓縮凸模的壓輥體結(jié)構(gòu)成型機(jī)，生產(chǎn)效率高出數(shù)倍。

本成型機(jī)能耗為45 kW·h/t，與傳統(tǒng)環(huán)模成型機(jī)(能耗60.3 kW·h/t)和螺旋擠壓成型機(jī)(能耗90 kW·h/t)比較，壓輥成型機(jī)降低了近25.4%和50%，大大降低了能耗[7,9-10,32]。這是因?yàn)榄h(huán)模體及壓輥體內(nèi)嚙合以及45°角的柱塞式機(jī)構(gòu)的臥式布局設(shè)計(jì)，可以使物料均勻分布于壓輥和環(huán)模體之間；當(dāng)壓縮凸模與環(huán)模成型孔實(shí)現(xiàn)位置嚙合時(shí)，分布在壓縮凸模周圍的與環(huán)模體及壓輥體接觸的物料均勻且分布量很少，故可以實(shí)現(xiàn)壓縮凸模在壓縮區(qū)受到的切向分力Ff大大降低的目標(biāo)，壓輥體在物料擠壓變形區(qū)克服阻力矩T也大大降低；即本環(huán)模成型機(jī)構(gòu)大大降低整機(jī)功率P，從而降低能耗，節(jié)約成本。

根據(jù)本成型機(jī)經(jīng)過(guò)28 d試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)磨損不明顯，這是由于實(shí)現(xiàn)了壓縮凸模所受切向分力Ff的大大降低，且由于此力是摩擦磨損的重要參數(shù)，使得壓輥體和環(huán)模體內(nèi)表面單位時(shí)間的摩擦磨損量降低，可實(shí)現(xiàn)提高壓輥體和環(huán)模體壽命的目標(biāo)[4,6]。

6 結(jié)論

(1)提出內(nèi)嚙合行星輪柱塞式環(huán)模成型方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)和制造了樣機(jī)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該成型方法的可行性。

(2)以一定顆粒度的鋸末為原料，在壓輥軸轉(zhuǎn)速60 r/min、物料含水率15%、室溫條件下，進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)。在成型模具孔長(zhǎng)徑比4.75∶1情況下，制得成型顆粒直徑8 mm，顆粒成型率為96.2%，密度為1.05 g/cm3，機(jī)械耐久性指數(shù)為97.5%，根據(jù)擠壓成型力計(jì)算得到該成型設(shè)備的能耗為45 kW·h/t，生產(chǎn)率為115 kg/h，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足生物質(zhì)顆粒燃料的標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

(3)該樣機(jī)的壓縮凸模與環(huán)模成型孔采用類齒輪嚙合原理設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整環(huán)模成型孔的長(zhǎng)徑比可滿足不同種類生物質(zhì)物料的成型要求。