平模式秸稈成型機模壓參數優(yōu)化設計探析
2022-10-13 06:34:24張立
江蘇農機化 2022年5期
張立
0 引言
農作物秸稈作為一種重要的生物質資源，具有清潔、易取、成本低廉等特點。我國農作物秸稈資源豐富，開發(fā)應用秸稈成型燃料，可以延長農業(yè)生產鏈，實現農業(yè)生產的二次增值，促進新農村建設和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，是增加農民收入和保護生態(tài)環(huán)境的有效途徑。為此，國家出臺了一系列關于推進農作物秸稈綜合利用的扶持政策，許多省份還將秸稈成型設備列為農機購置補貼產品，鼓勵開展秸稈綜合利用設備的研制和開發(fā)。經過十多年的發(fā)展，我國的秸稈成型技術已漸趨成熟。
秸稈成型機按模壓裝置擺放形式分為環(huán)模式和平模式。平模式秸稈成型機在生物質特別是秸稈成型產業(yè)發(fā)展過程中，以其結構簡單、成本低廉、便于操作、易于維護等特點，深受農戶青睞，廣泛應用于各種秸稈成型加工點。物料生產率和秸稈塊（棒、粒）成型率是考量秸稈成型機性能穩(wěn)定與否的重要指標。試驗結果表明，模壓參數的設計對秸稈成型機性能影響較大?，F結合工作實際，探討通過優(yōu)化設計平模式秸稈成型機模壓參數，提高生產效率及秸稈成型率，為秸稈成型機的技術改進、完善提供參考。
1 平模式秸稈壓塊機工作原理
平模式秸稈成型機主要由電動機、變速箱、主軸、壓輥、平模和出料裝置等組成（如圖1所示）。壓輥安裝在一個水平設置的模壓輪軸的兩端，由主軸帶動旋轉。平模上均勻鑲嵌有若干個成型模套。模壓裝置包括壓輥和平模，其傳動方式可分為兩種：一種是壓輥固定在機架上，主軸帶動平模運轉；另一種是平模固定，主軸帶動壓輥運轉。雖然傳動方式不同，但工作原理基本相似，都是將粉碎好的秸稈物料經上料輸送機送入成型機進料口，經均料板將物料分散到壓輥與平模之間，通過擠壓、摩擦，經物料升溫、軟化，在平模中強制擠成塊狀、柱狀或粒狀，從出料口落下。壓輥和平模是秸稈成型機的關鍵部件，模壓結構及參數的設計對秸稈成型機性能影響較大。
圖1 平模式秸稈壓塊機結構圖
2 模壓參數優(yōu)化設計
2.1 平模結構
平模式秸稈壓塊成型機?？拙植荚谄侥５耐膱A上，通過優(yōu)化設計?？讛盗亢团帕行问剑梢栽诖_保秸稈物料成型率符合要求的前提下，有效提高機具生產效率。優(yōu)化方案有兩種：一是增加?？讛盗?。由于模孔直徑是固定的，增加?？讛盗啃枰鄳黾悠侥Ｖ睆?，平模直徑增大了，與平模連接的配套件均需要重新設計配套，必然會增加機具制作成本。二是適當增加模孔直徑（約5%)，將平模的單排?？捉Y構改進設計成雙排?？捉Y構［1］，以提高生產效率。此方案有其可行性。
2.2 成型模套結構
平模的作用是將受到擠壓的秸稈物料在?？字谐尚停潭？滓话銥閳A柱形。試驗結果表明，固定模孔擠壓出的物料成型效果不好，外觀不均勻［1］，成型率也不是很高；且平模的?？诙撕湍？變葌热菀啄p，磨損到一定程度后會影響物料成型。
固定?？椎钠侥Ｖ谱鞒杀据^高，平模的一只或幾只?？啄p至明顯影響物料成型時，就整體報廢，浪費嚴重。成型模套優(yōu)化方案有兩種：一是更換模套?？蓪⒃瓐A柱形固定模孔孔徑增大，嵌入若干個帶有錐度的模套。模套入口處的錐度可使秸稈物料更易于進入和擠壓成型，也有利于降低整機功耗。模套采用40 Cr材料，該材料經淬火處理后硬度和耐磨性較好，可以確保模套的使用壽命。二是調換平模工作面。將平模兩個平面表面質量均設計成同一技術狀態(tài)，當一個工作平面磨損到極限后可翻過來繼續(xù)使用另一平面。此時，需要將所有襯套調換方向安裝。
2.3 壓輪結構
粉碎的秸稈進入進料口后，在擠壓輪的擠壓作用下，均勻分散到壓輪與平模盤間［2］。有些平模式秸稈壓塊成型機只設計了1對壓輪，壓制效率不佳，生產效率和成型率也偏低，不能滿足用戶需求。優(yōu)化方案如下：設計增加1對擠壓輪（由原來的2個壓輪變成4個壓輪），將壓輪軸結構相應設計成十字軸，呈“十字”對稱分布，提高壓輪通過平模盤模口的頻率，增加對物料的擠壓次數，既可提高生產效率，又能提高物料成型率。
為提升擠壓輪的擠壓效果，可在擠壓輪的外圓上設計同步齒形帶式梯形齒，通過梯形齒的梯形推進和壓輪的自轉，將粉碎后的秸稈物料順利擠壓進平模的?？字??？紤]到農作物秸稈表面粗糙且摩擦力大，為提高壓輪的耐磨性和工作強度，可以選用耐磨性較好的20 Cr壓輪材料，并采用滲碳淬火熱處理工藝使其齒面具有較高硬度，延長零件的使用壽命［2］。
2.4 壓輥壓力
平模式秸稈壓塊成型機工作時，可通過液壓式中央螺母調節(jié)裝置，調整壓輥和平模之間的工作間隙和壓力［3］，壓制出適合用戶需求的不同密度的秸稈成型料。
受壓輥壓力，平模、壓輥與物料之間產生擠壓力，使物料產生變形，并在?？變葦D壓成型。壓輥壓力與秸稈壓塊密度之間的關系如圖2所示。從圖2可以看出：總體上壓輥壓力越大秸稈成型料密度越高，但當壓輥壓力高到一定程度時，對秸稈壓塊成型密度影響就不大了。在實際生產過程中，可以根據用戶壓塊密度需要調整壓輥的壓力。
圖2 壓輥壓力與秸稈成型料密度關系示意圖
2.5 壓輥轉速
壓輥轉速對成型率的影響較大。如果壓輥轉速過低，物料與平模之間的摩擦作用弱，平模的溫度難以達到成型所需要的溫度，會延長物料的成型時間，降低成型率；如果壓輥轉速過高，則切向線速度增加，由于物料有流變性，物料間相互錯動，壓輥的負荷出現不均勻和相對滑動［4］，使其對物料無法相對滾動摩擦和實施初壓，模孔內原料擠壓太緊，出料困難，進而影響物料成型。且轉速越高，離心力越大，對壓塊機的穩(wěn)定性影響越大。圖3為壓模轉速與成型率關系示意圖。如圖3所示，壓輥轉速和成型率之間沒有線性比例關系，但每種秸稈最佳成型率必然會在一定的轉速范圍內（如圖3中A點位置）。在產品設計過程中，可根據每種物料的特性，通過試驗確定壓輥的最佳轉速。
圖3 壓模轉速與成型率關系示意圖
2.6 ?？壮叽?/h3>
受壓輥的初壓力，秸稈物料以一定的密度進入平模?？浊粌?。物料在模孔腔內必須要有一定的停留時間和溫度，以確保成型的秸稈塊（棒、粒）在腔內應力充分松弛，以達到成型料密度要求。因此，?？捉Y構尺寸的優(yōu)化設計至關重要。如果設計的?？组L度和孔徑過小，則物料塊（棒、粒）出腔快，產量高，能耗低，平模磨損??；但生產出的塊料不夠結實，粉化率高。如果設計的?？组L度和孔徑過大，則壓塊出腔速度慢，塊料外觀光滑，粉化率低；但能耗大，產量低。
可以根據物料實際用途確定孔徑大小，但?？组L度則需根據秸稈成型料密度來確定。圖4是?？组L度與秸稈成型料密度之間的關系示意圖。由圖4可以看出，在平?？讖焦潭ǖ那闆r下，隨著?？组L度的增加，秸稈成型料的密度也隨之增加；但?？组L度增加到一定尺寸時，秸稈成型料的密度增加不明顯。因此，在?？變?yōu)化設計過程中，可以根據用戶對秸稈塊（棒、粒）密度的需要并考慮經濟性來確定?？组L度。
圖4 ?？组L度與秸稈成型料密度關系示意圖
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