周建萍，王家珂

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

隨著經(jīng)濟(jì)和人口的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)能源利用方式已經(jīng)難以滿足全中國(guó)的現(xiàn)代化需求。因此，改變能源生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生的清潔能源資源就顯得越加重要。生物質(zhì)固體成型燃料就是在這種情況下產(chǎn)生的。生物質(zhì)固體成型燃料是生物質(zhì)（如農(nóng)作物秸稈等）經(jīng)專門設(shè)備加工、壓縮、成型而成的固體燃料，具有儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用方便，清潔環(huán)保，燃燒效率高，使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

目前生物質(zhì)固體成型機(jī)的研制已初具規(guī)模，但要真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有一些技術(shù)障礙亟待解決。大部分機(jī)組可靠性能差，運(yùn)行不平穩(wěn)，部件易磨損，使用壽命太短，維修和更換不方便，而且生物質(zhì)固體成型機(jī)的生產(chǎn)率還有待提高[1-6]。

1 生物質(zhì)固體成型機(jī)的工作原理

通過(guò)對(duì)其他成型機(jī)資料的具體分析，并結(jié)合生物質(zhì)固體成型機(jī)的工作情況，設(shè)計(jì)了其總體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。本設(shè)計(jì)擬采用常溫致密成型技術(shù)來(lái)加工生物質(zhì)原料，這樣可滿足在原料產(chǎn)地加工的需要，這是因?yàn)榻?jīng)粉碎的生物質(zhì)原料不方便加熱。另外本設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行壓縮，又由于生物質(zhì)原料有體積大、密度小的特點(diǎn)，因此在原料進(jìn)入壓縮腔前要進(jìn)行一次預(yù)壓。為方便進(jìn)料，精簡(jiǎn)機(jī)構(gòu)預(yù)壓系統(tǒng)采用螺旋壓縮方式。因?yàn)橐话闵镔|(zhì)在常溫下致密成型所需壓強(qiáng)為160 MPa 左右，又因?yàn)槌尚蛪K密度增加速度與成型壓強(qiáng)增加速度之比越來(lái)越小，所以開(kāi)始?jí)嚎s時(shí)需要的壓強(qiáng)極小卻能壓縮非常大的空間，故初步確定螺旋預(yù)壓系統(tǒng)可提供的最大壓強(qiáng)為2 MPa，這樣足以滿足預(yù)壓的需要。

圖1 生物質(zhì)固體成型機(jī)的總體結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)確定要設(shè)計(jì)的固定式生物質(zhì)固體成型機(jī)的工作過(guò)程如下： 經(jīng)粉碎的生物質(zhì)原料從進(jìn)料口進(jìn)入預(yù)壓系統(tǒng)，預(yù)壓系統(tǒng)中螺旋壓縮器由帶輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)將物料經(jīng)預(yù)壓腔壓入成型腔。當(dāng)物料在成型腔積累到一定量時(shí)，成型滑塊由主液壓缸驅(qū)動(dòng)將進(jìn)入的原料壓入成型模進(jìn)行壓縮成型。當(dāng)成型滑塊移動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，行程控制閥被觸動(dòng)，此時(shí)輔助液壓缸啟動(dòng)上行將成型模向上提起，同時(shí)帶動(dòng)投出裝置將成型模中的成型塊投出。當(dāng)輔助液壓缸行進(jìn)到上止點(diǎn)時(shí)，液壓系統(tǒng)中壓力不斷升高。當(dāng)壓力達(dá)到一定時(shí)，系統(tǒng)中的控制閥被觸發(fā)，主液壓缸開(kāi)始收回。當(dāng)主液壓缸收回到左端時(shí)，行程控制閥換向輔助液壓缸下行。當(dāng)輔助液壓缸到下止點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)壓力增加到可觸發(fā)壓力控制閥的程度，主液壓缸開(kāi)始伸出。有一點(diǎn)需要注意，在工進(jìn)行程中，成型滑塊通過(guò)預(yù)壓腔與成型腔接口后，預(yù)壓螺旋依然在旋轉(zhuǎn)，成型腔中的原料密度繼續(xù)增大，直到成型滑塊回程通過(guò)接口，預(yù)壓腔壓力減小，當(dāng)成型腔被填滿后預(yù)壓腔壓力再次增加，直到工進(jìn)行程再次開(kāi)始，滑塊通過(guò)接口進(jìn)入下一循環(huán)。

為了不使機(jī)構(gòu)過(guò)于龐大，初步確定預(yù)壓腔與成型腔的直徑均為100 mm。又由于秸稈的壓縮比取平均值為8，且預(yù)壓已經(jīng)將原料密度壓至了原來(lái)的2 倍，故取從滑塊接觸物料開(kāi)始至壓縮完畢時(shí)間內(nèi)滑塊的行程為500 mm，壓縮完成后成型塊存在于90 mm 的成型模內(nèi)，等到成型模被提起后投出。但為了有更多的時(shí)間將預(yù)壓后的物料充滿成型腔，現(xiàn)讓成型滑塊在回程時(shí)多回一段距離，這段距離初步確定為100 mm。

2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

靜摩擦系數(shù)μs=0．2，動(dòng)摩擦系數(shù)μd=0．2。因?yàn)槌尚蜋C(jī)的壓縮腔水平布置成型滑塊由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)，因此要求循環(huán)流程為： 工進(jìn)—換向—快退—換向。由文獻(xiàn)[7]中的研究結(jié)果可知，秸稈成型塊的壓縮比在6．73～10．92 之間。又因?yàn)閿M讓螺旋預(yù)壓系統(tǒng)將生物質(zhì)原料壓縮到密度增至原料密度的2 倍后將其送入壓縮腔，故可確定成型滑塊的部分一直參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 成型滑塊的已知參數(shù)

表1 中的垂直運(yùn)動(dòng)方向受力主要來(lái)自于預(yù)壓腔中原料對(duì)滑塊及其上擋板的作用力，由于筆者已經(jīng)初步確定了預(yù)壓缸的壓強(qiáng)P=2 MPa，預(yù)壓缸半徑R=0．05 m，且預(yù)壓缸與成型腔之間成45°，故可知作用在成型滑塊及其上擋板上的正壓力即垂直于滑塊運(yùn)動(dòng)方向受力，其計(jì)算公式為

2.2 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定

由于生物質(zhì)固體成型機(jī)工作中需輔助液壓缸將成型模提起，故需設(shè)計(jì)輔助液壓缸，但因?yàn)檩o助液壓缸工作在主液壓缸停止的時(shí)候，并且因?yàn)檩o助液壓缸的工作壓力非常小，不影響主液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，故可將其并入到本液壓系統(tǒng)中，所以不影響主液壓缸的工作，只是在主液壓缸行至最大行程處需停頓一定時(shí)間，該時(shí)間初步確定為3 s。

考慮到生物質(zhì)固體成型機(jī)工作需要較大功率，故采用溶劑調(diào)速方式，為滿足速度變化有級(jí)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用壓力補(bǔ)償變量液壓泵供油，即在工進(jìn)時(shí)流量較小、在快退時(shí)用全流量，本機(jī)采用行程控制，利用行程開(kāi)關(guān)切換二位四通手動(dòng)換向閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)。根據(jù)上述討論，擬定生物質(zhì)固體成型機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖，見(jiàn)圖2。

圖2 生物質(zhì)固體成型機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖

3 螺旋預(yù)壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算

螺旋預(yù)壓系統(tǒng)起到了進(jìn)料與預(yù)壓作用。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，螺旋工作壓強(qiáng)P=2 MPa，工作腔半徑R=0．05 m。初步確定預(yù)壓螺旋長(zhǎng)度為350 mm。

3.1 螺旋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖3 為螺旋結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 螺旋結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 螺旋耐磨性的計(jì)算

軸向載荷的計(jì)算公式為

參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，得到螺旋軸直徑的計(jì)算公式為

根據(jù) 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取ξ=0．1，φ=1．2，p0［ ］=5 MPa，計(jì)算可得d2=0．041 m，圓整取為標(biāo)準(zhǔn)值40 mm。

螺旋長(zhǎng)取350 mm，則旋合圈數(shù)的計(jì)算公式為

式中： H 為螺距長(zhǎng)度； P 為螺距。因?yàn)閼?yīng)取Z≤10～12，故取P=60 mm，則Z=5．63，取6，故最終的螺距長(zhǎng)度H=ZP=360 mm。螺紋的工作高度h=0．5P=30 mm。螺旋工作壓強(qiáng)的計(jì)算公式為

由于計(jì)算可得p=677 507 Pa＜5 MPa，因此螺旋預(yù)壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的。

綜上所述，生物質(zhì)固體成型機(jī)在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)傳統(tǒng)成型機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，采用了活塞沖壓成型技術(shù)，避免了生物質(zhì)原料與成型部件連續(xù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦，解決了螺旋推進(jìn)成型機(jī)螺旋桿頭部磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，延長(zhǎng)了部件使用壽命。并且采用了切削式高速濕法粉碎技術(shù)、旋轉(zhuǎn)閃蒸式生物能氣流烘干法和碾壓中溫成型技術(shù)，成功解決了生物質(zhì)固體顆粒燃料成型難、效率低、能耗大等問(wèn)題。在動(dòng)力方面，采用了液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，并且選用適當(dāng)?shù)牟牧蟻?lái)制作機(jī)架及其他部件，以確保成型機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定。