（机械工程专业论文）生物质秸秆燃料挤压成型机的设计与研究.pdf

生物质( 秸秆) 燃料挤压成型机的设计与研究 摘要 一直作为人类消耗的主要能源的化石燃料，是不可再生的，但工业的发 展，使得能源问题很严重。生物质能是可再生能源之一，开发利用生物质能 可以明显缓解环境危机和能源危机。研究生物能转换技术，变废为宝，对保 护生态环境有重要意义。通过挤压成型将生物质( 秸秆) 挤压成固态燃料是 其中方法之一。 成型条件对生物质( 秸秆) 燃料成型物的质量影响重大。本文主要通过 压制成型实验研究了玉米秸秆在不同含水率、成型温度、成型压力、粒度下 的成型状态，最佳的成型条件，为秸秆挤压成型过程的工艺参数的选择提供 了依据。 本文首先从锥形双螺杆挤压机的设计入手，根据锥形螺杆的相关设计资 料，结合秸秆燃料的成型特点，及挤压原理设计了挤压机，并借助于三维造 型软件p r o e 5 0 完成了整机的造型。 挤压成型设备的关键组成部件螺杆和机筒，其设计的合理与否，对挤压 机的性能好坏起着关键作用。螺杆和料筒结构的合理性，通过应用有限元分 析软件a n s y s l 2 0 得到了验证。同时，研究了挤压机的螺杆磨损原因，以 及延缓磨损的措施。分析了加热过程热量的来源，根据合适的计算公式确定 了加热功率。通过计算c 型容腔，得该机的挤出量，从而确定了其生产能 力。 本文借助于p r o e 系统提供的机构运动仿真功能，对本次设计的锥形双 螺杆挤压机的双螺杆、扭矩分配箱进行了运动学、动力仿真，获得实际运行 形式，得到相关的力学参数。 本课题的研究，对生物质( 秸秆) 燃料的成型机械设计，成型条件和参 数确定有一定的指导意义。 关键词：生物质，秸秆实验，锥形双螺杆，挤压机，有限元分析，运动仿真 d e s i g na n ds t u d yo ne x t r u s i o nm a c h i n e o fb i o ma s sf u e l s ( s t r a w ) a b s t r a c t f o s s i lr u e li st h em a i ne n e r g yw eu s ea l lt h et i m e w h i c hi sn o nr e n e w a b l e r e s o u r c e b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h ed e s i r eo fe n e r g yi sb e c o m i n g m o r ea n dm o r es e r i o u s t h eb i o m a s se n e r g yi sak i n do fr e n e w a b l es o u r c e ，a n dt o f i n da n du s eb i o m a s se n e r g yc a no b v i o u s l yr e l e a s et h ee n v i r o n m e n t a lc r i s i sa n d e n e r g yc r i s i s i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n tt os t u d yt h e c o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , r e c y c l i n gw a s t em a t e r i a l e x t r u d i n gt h eb i o m a s s ( s t r a w ) i n t os o l i dr u e li so n eo fm e t h o d s t h ef o r m i n gc o n d i t i o n sa r ev e r ys i g n i f i c a n tf o rf o r m i n gb i o m a s s ( s t r a w ) f u e l b ys u p p r e s s i o ne x p e r i m e n t , t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d i e dt h ef o r m i n gs t a t eo f c o r ns t r a wa td i f f e r e n tm o i s t u r ec o n t e n t , m o l d i n gt e m p e r a t u r e ，f o r m i n gd e g r e e ， m o l d i n gp r e s s u r e ，f o r m i n gp o w e ra n dp a r t i c l es i z e ，a n dt h eb e s tf o r m i n g c o n d i t i o n ，w h i c hp r o v i d e di n d u s t r yp a r a m e t e rf o rt h ep r o c e s so ff o r m i n g a c c o r d i n gt o t h er e l a t i o n a lc o n i c a lt w i n - s c r e wa r t i c l e s ，t h ef o r m i n g c h a r a c t e ro fs t r a wr u e la n dt h et h e o r yo fe x t r u s i o nm a c h i n e ，t h i sa r t i c l es h o w e d t h ed e s i g no ft w i n s c r e we x t r u d e r a tt h es a m et i m e ，t h ew h o l em a c h i n ew a s m o d e l e di nt h et h r e ed i m e n s i o nm o d e l i n gs o f t w a r ep m 厄5 0 1 1 1 es c r e wa n dt h eb a r r e lw e r et h ec e n t e rp a r t so ft h ee x t r u s i o nm a c h i n e ，s o t h e i rs t r u c t u r e sw e r er e a s o n a b l eo rn o t ，w h i c hd e c i d et h ef u n c t i o no fe x t r u s i o n m a c h i n e 耵1 i sa r t i c l eu s e dt h ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sl2 0t oa n a l y s i ss c r e w a n db a r r e l w h i c hp r o v e dt h er e a s o n a b l eo ft h e i rs t r u c t u r e ，a n dw a su s e f u lf o r c h a n g i n gt h e i rs t r u c t u r e s m e a n w h i l e ，t h i sa r t i c l es t u d i e dt h er e a s o n sf o rs c r e w w e a ra n dt h em e a s u r e st od e l a yt h ew e a r t h eh e a tp o w e rw a sg a i n e db y c a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h e f o r m u l a t h ep r o d u c t i o na b i l i t yw a so b t a i n e db y c a l c u l a t i n gt h ecc a v i t y , g e t t i n gt h eq u a n t i t yo fe x t r u s i o no f t h em a c h i n e b a s e do nt h em o t i o ns i m u l a t i o nf u n c t i o no ft h es o f t w a r ep r o i 5 0 ，t h i s a r t i c l es h o w e dt h ek i n e m a t i c s ，d y n a m i cr u no ft w i n s c r e wa n dt o r q u ed i s t r i b u t i o n b o x ，w h i c hm a d et h er o t a t ew a y m o r eo b v i o u s ，m e a n w h i l e ，g e t sa l lt h ed y n a m i c s n i p a r a m e t e r s t h es t u d yo ft h i sa r t i c l ei su s e f u lf o rt h ed e s i g no fe x t r u s i o nm a c h i n eo f b i o m a s sf u e l s ( s t r a w ) ，t h ef o r m i n gc o n d i t i o na n dt h ep a r a m e t e r k e yw o r d s ：b i o m a s s ，s t r a we x p e r i m e n t ，c o n i c a lt w i n - s c r e w ，e x t r u s i o n m a c h i n e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m o t i o ns i m u l a t i o n i v 生物质( 秸秆) 燃料挤压成型机的设计与研究 1 绪论 1 1 课题的研究意义 能源从柴草时期到煤炭时期，再到现在的石油时期，在人类社会的发展中扮演重要 角色。人类消耗的主要能源长期以来一直都是石油、天然气、煤炭等化石燃料，它们为 人类经济和社会的进步，及生活水平的提高做出了很大的贡献。人类经济是不断发展的， 工业也在迅猛发展，解决能源问题就变得更加的迫切。据m a ( 国际能源署) 发布的i e a - 世界能源展望2 0 0 7 预测，全球2 0 0 5 年到2 0 3 0 年间的一次能源需求将增加5 5 ，年均 增长率为1 8 t 荔l ，其中化石燃料占总能源需求增长量的达到8 4 。和其他国家一样，能源 安全同样是我国的国家战略安全保障基础之一对我国而言，原油产量增长幅度较小。 而石油消耗量增长幅度较大，能源短缺表现的日益明显。由世界能源储备和消费状况， 我们可以清楚的意识作为主要能源的矿物资源是不可再生的，有一天会耗竭。 在自然界中不断再生、永续利用的可再生能源，具有取之不尽，用之不竭，循环再 生的特点，如太阳能、风能、水能、地热能等。研究、开发、利用各种可再生资源，借 此节约规资源，对人类社会的发展有着重大意义。在可再生资源中，生物质能是一种值 得人们去研究、开发、利用的可再生资源。 植物可以通过自身的光合作用，把太阳能转化成化学能，并且固定和储藏在其体内， 即产生了生物质能【6 l 。生物质能在可再生能源中占有重要地位，是第四大能源，其资源 也是很广泛的，比如农业废弃物、林业生物质等。其中因其农作物的品种较多，种植面 积大即数量大等特点，农作物秸秆在生物质资源中占很大的比例。对于秸秆，我国一直 对其进行了合理的利用，比如秸秆被用于烧火取暖做饭，建房避雨遮日，养畜积肥还田。 随着社会、经济的发展，传统农业向现代化农业的转变，农村能源结构的变化，以及农 民生活水平的提高，传统的秸秆利用方式已不能适应。一些农业主生产区秸秆资源大量 过剩问题日趋突出，这些废弃物密度小、体积膨松、占地面积大，需要一定的人力、物 力进行销毁处理，一部分农民采取就地焚烧秸秆的办法处理，这样会造成气体的污染， 烟雾使得高速公路被迫关闭，附近机场的飞机不能下降等严重的社会问题。 研究、开发、利用各种可再生资源，借此节约常规资源，对人类社会的发展有着重 大意义。开发利用生物质能可以明显缓解环境危机和能源危机，因为生物质的燃烧缓解 了煤炭等资源的消耗速度，并降低了污染气体的排放量，实现了高效、洁净化。作为可 再生资源的生物质能值得人们合理地去开发、利用。这样可使能源得到有效利用，改善 我国的能源利用和人类的生态环境，实施可持续发展战略。 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 生物质燃料成型机的发展现状 社会经济的飞速发展，人们环保意识的提高，而石油危机在全球越来越严重，开发 生物质能的重要性突显出来，为人类的不断进步，世界各国对生物质成型设备的研究都 投入了一定的力量。 1 2 1 国外生物质燃料成型机的发展现状 目前，美国、瑞典、芬兰、日本等国在该领域的科研与技术的发展已达到世界领先 水平。2 0 世纪3 0 年代，美国就开始研究压缩成型燃料技术及燃烧技术，并研制了螺旋 压缩机及相应的燃烧设备；日本开始研究机械活塞式成型技术处理木材废弃物 7 1 。2 0 世 纪5 0 年代，日本就开发了用于制造棒状燃料的成型机。到7 0 年代，由于出现世界能源 危机，石油价格上涨，西欧一些国家( 荷兰、瑞典、比利时、芬兰、丹麦等) 也开始重 视压缩成型技术的研究，冲压式成型机、颗粒燃料成型机出现。法国开始用秸秆的压缩 粒作为奶牛饲料，近年来也开始研究压缩块燃料及燃烧设备，并达到了应用阶段；意大 利的阿吉普公司开发出一种类似与玉米联合收割机那样的大型秸秆收获。致密成型的大 型机械，能够在田间将秸秆收割、切碎、烘干、成型。 2 0 世纪8 0 年代，除日本外，亚洲一些国家( 泰国、印度、韩国、菲律宾等) 都已 建了专业的生物质固化、炭化厂，并研制出相关的燃烧设备。2 0 世纪9 0 年代，日本、 美国及欧洲一些国家研制的成型生物质燃料的设备已经产业化，成型的燃料被在加热、 供暖、发电等多领域已普遍应用。同时，这些设备具有加工工艺合理、自动化程度好、 热效率高、排烟污染小等优点。碳化炉与焦碳燃烧炉等生物质成型燃料燃烧设备在东南 亚一些国家出现，可是直接燃用生物质成型燃料的设备却较少，劳动强度大、加工工艺 差、热效率低、排烟污染严重等是这些燃烧设备存在的缺点，进一步的研究、实验与开 发是必须进行的。 国外成型的主要设备有颗粒成型机、螺旋式成型机、机械驱动冲压成型机和液压驱 动冲压式成型机。在生物质固化成型技术装备研究、开发方面，国内外发展的总趋势是： 装备生产专业化、产品生产批量扩大化、生产装备系列化和标准化。 1 2 2 国内生物质燃料成型机的发展现状 我国开始开发生物质致密成型技术起步较晚，这就与国外在该方面的技术有了差距。 2 0 世纪8 0 年代，为缓解能源危机，我国开始重视可再生能的利用，如生物质压块，生 物质固化技术被提出旧。七五一期间，中国林业科学院林产化工所通过对引进的样机消 化吸收，对成型工艺条件进行了系统地实验，木质成型设备的试制最终完成，西北农业 大学对该技术的工艺做了进一步的研究和探讨。_ 八五一期间，国家的几个能源重点研究 单位联合起来对压块式、挤压式和烘烤炭等生物质转换技术进行攻关，主要是对生物质 致密成型和炭化工艺及设备的关键技术进行解决，生物质能的在我国的利用提升了，使 2 生物质( 秸秆) 燃料挤压成型机的设计与研究 研究和开发水平上了一个台阶。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国部分省市能源部门、乡镇企业及个体生产者积极引进成 型技术，创办生产企业，并进行了产业化生产。但一些技术与工艺方面的问题在我国的 国产成型加工设备引进及设计制造过程中不同程度地出现：原料市场和资源的针对性差， 成本高；螺旋挤压设备磨损严重，耗电高，成型设备单台生产率低，规模小，不能满足 商业化的要求；对秸秆压缩成型基础理论方面的研究很少，生物质压缩成型设备开发与 生产的需要无法满足，专用的燃烧设备少，秸秆成型燃料的大量生产受到了影响，秸秆 成型行业的发展受到了严重制约。这就有待于人们去深入研究、开发，逐渐解决秸秆在 成型方面的问题。 根据生物质成型燃料燃烧理论、规律及主要设计参数重新设计与研究生物质成型燃 料专用燃烧设备是非常紧迫的。目前，为更大范围的实现节能减排，我国加大了在生物 质能研究方面的投资。 1 3 研究目的和内容 1 3 1 研究目的 针对目前生物质燃料制备的技术存在的问题，设计出锥形异向旋转双螺杆挤压机来 实现对生物质( 玉米秸秆、稻秸秆等) 挤压成型用作燃料的目的，不仅降低了环境污染、 节省了能源，同时废旧资源得到了合理利用。 本课题的研究对象是异向锥形双螺杆挤压机。课题希望利用三维造型软件建立锥形 异向旋转双螺杆挤压机模型，为实现后续加工带来便利；利用有限元分析软件，分别对 螺杆、料筒进行有限元分析，对双螺杆、料筒等的结构作以改进达到减小磨损以延长挤 压机寿命的目的：针对秸秆挤压成型的相关影响因素的参数，通过实验，确定其大概的 成型范围，为实际秸秆挤压成型过程的工艺参数的选择提供依据。 1 3 2 研究内容 本课题的研究内容： ( 1 ) 用液压万能试验机挤压秸秆颗粒，以模拟挤压腔中物料变化情况，获得秸秆压 缩比与压力等的相互关系，为实际秸秆挤压成型过程的工艺参数的选择提供依据。 ( 2 ) 利用p r o e n g i n e e r 软件对挤压机各个部件及整机进行造型，从而设计变得更加 直观和形象。锥形螺杆、套筒模型的有限元分析应用a n s y s 软件来实现。 ( 3 ) 研究了螺杆的磨损、料筒所需的加热功率及设计完成的挤压机的生产能力。 ( 4 ) 虚拟装配下，利用p r o e n g i n e e r 系统的机构运动仿真功能，进行运动学和动力 学分析。 3 生物质( 秸秆) 燃料挤压成型机的设计与研究 2 生物质燃料成型工艺参数研究 生物质燃料成型的理论和技术研究对生物质燃料应用是至关重要的。 2 1 生物质及其成型工艺 2 1 1 生物质 生物质是指生物体通过光合作用生成的有机物，由c 、h 、0 、n 和s 等元素组成， 包含所有动植物、微生物以及由这些生命体排泄和代谢所产生的有机物质，是地球上存 在最广泛的物质旧。 如果化石燃料被生物质资源代替，不仅可以减少化石燃料的供应量，而且污染气体 的排放量可得到减少，从而有效地改善了环境。生物质能存在形式是实物，可存储、运 输的。 2 1 2 生物质固体燃料 水分、多种可燃的高分子有机化合物及不可燃的无机矿物质混合形成了生物质固体 燃料 6 1 。秸秆燃料棒需要保留较多的粗纤维，有利于燃烧，表面的炭化层也有利于燃烧， 其衡量指标应是其密实性。 2 1 3 生物质成型工艺及影响因素 纤维素生物质的特点是分散、不便使用；密度小，储运空难。但经压缩成型和炭化 后，成了燃料，这种技术也被称作致密固化成型。所制备成的燃料就有容量和热值高， 好的燃烧性能，成为主要的能源商品。 目前采用的主要的生物质压缩成型工艺是热压成型，工艺流程： 原料的粉碎一干燥、混合一挤压成型一冷却、包装 其中挤压成型是非常关键的工艺嗍。 我国研究较多的是生物质燃料热压成型，而在常温致密成型上研究较少，因而成型 影响因素的研究也主要集中在热压成型上。原料种类、原料粒度、成型温度及压力、含 水率等是影响生物质挤压成型质量的主要因褰- 2 l 。 通过研究这些因素对成型块密度的影响，为秸秆挤压成型过程的工艺参数选择提供 了依据，以确保成型块具有良好的物理品质特性，提高压缩成型率。 2 2 实验原材料 稻壳、木屑、秸秆等是用于成型生物质燃料的主要原料，这些生物质中含有c 、h 、 o 、n 、s 等元素。可压缩性是大部分生物质所具有的，所以固化成型后其内部结构和化 学成分不会发生改变，其易挥发和能燃尽的特点也不会改变 下表2 1 列出了几种较常用到的生物质的基本组成成分。 5 陕西科技大学硕士学位论文 表2 - 1 生物质的基本成分 m l b l e 2 1t h ee l e m e n to f s e v e r a lk i n d so f b i o m a s s 近年来，因含有丰富的营养和可利用的化学成分的特点，成为重要资源。玉米秸秆 的应用范围越来越广泛，比如对秸秆进行加工处理后，可制作成高营养牲畜饲料， 也可以直接还田。这样不仅畜牧业发展了，而且经济效益和生态效益实现了提高。 作为一种资源，在陕西地区主要以种植玉米为主，玉米秸秆易于取得。 本次实验的原材料为玉米秸秆：于西安北郊采集( 经粉碎机粉碎，或剪切使其粒度 达到5m m ) 。 2 3 实验设备及方法 2 3 1 实验设备 应用于实验的主要设备： 表2 - 2 主要的实验设备 t a b l e2 - 2m a i ni n s t r u m e n t su s e df o re x p e r i m e n t 除了以上提到的主要设备外，还有其它仪器： 模具( 成型尺寸：1 2 0 5 1 8 ) 、水、尺子、手套、台秤、小盆、纸杯、剪刀 2 3 2 实验方法 工艺流程：原料一粉碎一千燥一配料一压缩成型。 把一定质量的玉米秸秆，放入粉碎机进行粉碎，再通过标准检验筛筛选，或通过剪切 使其粒度为3 - 5 m m 。 6 生物质( 秸秆) 燃料挤压成型机的设计与研究 取一定规格的制备好的玉米秸秆试样称重，精确至0 0 0 1 9 ，然后放入烘箱以1 0 0 + 2 。c 温度烘干后进行称重。接下来每烘烤2 h ，进行一次称量，当两次称量的数值相差小 于0 0 0 2 9 时，结束干燥。 本次实验需要不同的含水率的秸秆，每次配比的总质量为2 0 9 , 根据下式计算出各个 含水率下水的质量，进行不同的配比。 竺查- - - n ( 2 1 ) m 秸秆+ m 水 压力机的温度达到预定的温度后，取下模具，填满物料，再把模具放到工作台上， 根据实验设计施加预定的压力，进行保压。成型后，从磨具中取出成型块，使用直尺测 量成型块的厚度，用电子秤称出其重量，再按照密度公式进行计算。 2 4 实验结果分析与讨论 不同品种的作物，不同的成熟度等原因，造成秸秆的物理特性不同，进而影响秸秆 的切碎和压缩成型t 叼。 2 4 1 含水率与密度 原料的含水率对棒状燃料的成型过程及产品质量影响很大，根据参考文献【1 3 l ，自然 风干状态下玉米秸秆含水率约7 5 。农作物秸秆含水率过于高或过于低对压缩成型造成 不良影响。相同的成型温度下，当含水率过高时，热量消耗严重，生物质相互间传热速 度被降低。随料筒内水分的增加，压强不断增大，当压强大于秸秆与料筒壁间的摩擦力 时，会发生“放炮”现象，成型过程被迫中断，生产率降低，成型部件的寿命也受到影 响，而且操作人员的安全被崩裂出的成型燃料威胁。因木质素会被微量水分软化，当含 水率太低时，成型过程就较难实现。所以合适的含水率，实现更佳的压缩成型效果是我 们所追求的。 根据相关参考资料，本次实验取含水率分别为8 、1 5 、3 0 0 , 6 。 表2 3 不同含水率 t a b l e 2 3d i f f e r e n tm o i s t u r ec o n t e n t 表2 3 为玉米秸秆( 3 5 m m ) 在初始密度相同的，1 5 0 c 的成型温度，3 0 m p a 成型压 力条件下，含水率变化对成型密度的影响。实验结果表明，随含水率从8 到3 0 变化， 成型块密度有所增加，但当含水率超过一定值，将不能成型。 7 陕西科技大学硕士学位论文 2 4 2 成型温度与密度 原料成型时获得热量的多少与其成型状态及生产效率有密切关系。秸秆中的木素是 非晶体，熔点是没有的，但其软化点是存在的。根据资料，秸秆的软化在1 3 0 2 0 0 。c 左右发生，具有了粘结性。一般来说，加热温度调整在1 5 0 1 2 - 2 4 0 1 2 ，超过2 5 0 。c 可 能引起炭化。温度过低，传入套筒的热量很少，原料中木质素不能达到塑化；而且原料 与套筒之间的摩擦被加大，功耗增加，料筒可能会被堵塞，成型过程无法实现。温度过 高，输送速度过快，原料严重分解，有效的压力不能形成，成形块不能被完全压缩，成 型的密度变小。 本试验取加热温度分别为1 5 0 。c 、1 8 0 c 、2 1 0 1 2 、2 4 0 。 表2 4 不同的成型温度 t a b l e 2 - 4d i f f e r e n tm o l d i n gt e m p e r a t u r e 相同的初始密度，玉米秸秆( 3 5 r a m ) 具有3 0 的含水率，2 0 m p a 成型压力条件下， 不同成型温度对成型密度的影响。实验结果表明，随成型温度的增加，成型块密度变化 没规律。在2 4 0 ( 2 成型温度下，成型块有烧焦现象，所以要严格控制成型温度。 2 4 3 成型压力与密度 对于压缩成型，只有对物料施加足够的压力才能实现压缩，成型压力是最基本条件之 一。挤压成型是大多数成型机采取方式，即从成型模具的一端把原料连续压入，经过变 形，从另一端被连续不断地挤出，这时机器能产生的成型压力与成型孔内壁面的摩擦力 大小相同。对于摩擦力，其大小与使用的模具有直接关系，所以成型压力与模具关系密 切。秸秆成型燃料压缩成型中模具的形状、长径比都是关键参数。目前国内压缩成型技 术研究主要采用圆筒模进行，对矩形模研究较少。 随成型压力的增加，成型块密度逐渐地增加，但当成型压力达到一定值后，密度不 再会有变化。本次实验施加的成型压力分别为1 5 m p a 、2 0 m p a 、3 0 m p a 。 表2 - 5 不同的成型压力 t a b l e 2 - 5d i f f e r e n tm o l d i n gp r e s s u r e 0 生物质( 秸秆) 燃料挤压成型机的设计与研究 表2 5 为玉米秸秆( 3 5 r a m ) 在初始密度相同的，1 5 0 的成型温度，3 0 的含水率 条件下，成型压力变化对成型密度的影响。实验结果表明，随成型压力的增加，成型块 密度逐渐增加，但当成型压力达到一定值后，密度不再有变化。为便于贮藏运输，应选 择合适的压力。 2 4 4 粒度与密度 如果秸秆粉碎的长度较长和粉碎处理的质量较差，将直接影响成型机的成型效果、 生产效率和能量消耗。 一般来说，在相同的压力下，被压缩的原料粒度越小，其变形率越大，也就是越易 成型；粒度越大越较难压缩，能耗大，产量也低。通常情况下，原料的粒径小于5 m m 。 粒度的均匀性对成型产品的质量也是至关重要的，特别对用螺旋挤压成型。 表2 - 6 不同的粒度 t a b l e 2 - 6d i f f e r e n tp a r t i c l es i z e 表2 6 为玉米秸秆在初始密度相同的，3 0 的含水率，1 8 0 的成型温度，3 0 m p a 成 型压力条件下，物料粒度变化对成型密度的影响。不同粒度下压缩成型的物块分别如下 图所示： t - - _ 二一奠 己盛餮一一一。一一一。一一j t-l_ + ，r 。，- ：j 黼 o ；一- _ “一l 一一 r | 1 一一 图2 1 用玉米秸秆粉成型的物块 f i g 2 - it h eb l o c kf o r m e db yp o w e r so f c o r l ls t r a w 图2 - 2 用 3 m m 玉米秸秆成型的物块 f i & 2 0 2t h eb l o c k f o r m e db yc o r ns t r a w o - 3 m m 西 陕西科技大学硕士学位论文 图2 3 用3 - 5 m m 玉米秸秆成型的物块 f i g 2 - 3t h eb l o c kf o r m e db yc o r ns t r a w3 - 5 m m 结合上图及表2 - 6 可以看出，用秸秆粉成型的密度比较大，但是易碎，不便于储藏 和运输；3 衄成型的密度较小。所以从实际应用出发，最好选用3 - 5 r a m 的玉米秸秆 用于成型。 2 5 本章小结 本章首先介绍了生物质和生物质固态燃料的概念，以及成型工艺和影响因素。通过 实验结果分析了不同含水率、成型温度、成型压力及粒度对玉米秸秆成型块密度的影响。 对于含水率，不能太低，也不能太高，应该在一个合适的范围。成型温度不能高于2 4 0 ，不然会引起烧焦和碳化，不能低于1 3 0 ，否则不能成型。为了便于储藏和运输， 应选择合适的成型压力。对于玉米秸秆粒度，最好选用粒度为3 - 5 r a m 的进行成型。事实 上，影响秸秆成型压块密度的影响因素还有保压时间、加料次数、加料方法等等，相互 间的作用规律很复杂，呈非线性关系。在实际操作时，应该结合实践经验设置工作参数， 使成型效果最佳。 1 0 生物质( 秸秆) 燃料挤压成型机的设计与研究 3 生物质( 秸秆) 燃料挤压成型机的设计 3 1 生物质燃料成型技术 生物质固态燃料成型常用技术有螺旋挤压、活塞冲压两种热压成型技术和辊压成型 这种冷压成型技术 2 1 1 。目前晟常采用的生物质燃料成型技术是螺旋挤压成型，成型成 品的质量好、密度高、热值高、适宜炭化是它的优点；但能耗高、易损件寿命短、原料 要求苛刻，需严格控制成型温度及原料含水率。物料水分高达2 0 左右在进行活塞冲压 成型是可以的，且成型物的密度较大，但因为油缸往复运动，造成成型模腔容易磨损： 属于间歇成型，产品质量的稳定性也不好，而且不适宜炭化，所以活塞冲压生产率不是 很高。在颗粒饲料生产技术基础上发展起来的辊模挤压技术，属于冷压成型，主要用于 生物质颗粒燃料的成型。辊模挤压成型需要的动力较大，磨损修复费用较高。 基于本次研制的挤压机要求实现高效率生产，达到合理的经济性，要求该挤压机能 适应多种原料的挤压加工，实现一机多用的目的。由以上所作出的比较分析可知，最终 选择采用螺旋挤压机来实现。生物质挤压成型机有多种形式，常用的有单螺杆挤压机和 双螺杆挤压机，二者的性能比较如下： 表3 - 1 单双螺杆的性能比较 t a b l e 3 1t h ec o m p a r i s o nb e t w e e l ls c r e wa n dt w i ns c r e w 基于本次研制的挤压机要实现大批量生产，且双螺杆比单螺杆存在的诸多优点，能 陕西科技大学硕士学位论文 够对生物质实现高压缩比以提高燃料的强度，综合考虑最终确定采用双螺杆挤压机。 双螺杆挤压机按螺杆旋向分为同向旋转型、异向旋转型；按照两螺杆的中心线是否 平行，被分为圆柱形双螺杆挤压机和锥形双螺杆挤压机。现对这几种形式的应用场合作 以比较，确定合适的类型。 异向圆柱形双螺杆挤压机：工作中的输送能力和产生的熔料压力都比较大；转速低， 以防止“压延效应 的产生。平行双螺杆的优势之一是长径比的可塑性，即可根据不同 的成型条件和原料的加工工艺要求，这一点是锥形双螺杆挤压机是难以实现的。 异向锥形双螺杆挤压机：螺杆尾部的轴承部位空间较大，故承受螺杆工作轴向力的 轴承规格较大，所以大工作扭矩、大承荷能力是锥形双螺杆挤压机的一大特点，这一点 是比平行双螺杆挤压机突出的地方。在基本相同的加工成型工艺条件情况下，较大的机 头压力，锥形双螺杆挤压机可以适应，而平行双螺杆挤压机却不能适应。当挤出量相同 时，机器总长比平行双螺杆挤压机短很多，且拆卸螺杆方便。 同向双螺杆挤压机：一般多是圆柱形。螺杆转速较高，原料在啮合型同向旋转的螺 槽中受较大剪切力作用，成c o 字形螺旋流动，对原料的分散混合能力好，原料在机筒内 停留时间也较短，还具有很好的自清理效果。但是输送物料效率低，熔料压力较小，压 力的稳定性也较差，所以很少用这类挤压机成型制品，主要用于挤出造粒。 综合以上对双螺杆挤压机应用特点的分析，最终确定采用异向旋转锥形双螺杆挤压 机，虽然其制造成本高，但是由于其能适应较大的机头压力可以确保得到高压缩比的生 物质固态燃料，保证制品的密度和强度。 昔通匏双锥塑高效双锥蹙 图3 l 锥螺杆结构 f i g 3 - 1t h es t r u c t u r eo f c o n i c a lt w i n s g l c w $ 于1 9 6 7 年，异向锥形双螺杆挤压机最初出现，而螺杆主要经历了三种结构型式的 变换：普通型( c m ) 、双锥形( c m s ) 、高效( 超) 双锥形( c m t ) 。而c m 型目前已基 本淘汰，c m t 的螺杆长度比c m s 大，这样可以加大加料段的加热面积，使物料更好的 吸收热量，加快升温；且螺杆大端与小端直径之比大于2 ，加大了加料段的剪切和加热 面积：c m t 型有效地提高螺杆的性能，进而整机生产效率的提高得以实现。该方案最终 选定为高效双锥型异向型双螺杆1 2 e l 。 1 2 生物质( 秸秆) 燃料挤压成型机的设计与研究 3 2 曩杆的设计 螺杆是挤压成型设备的核心部件，无论是基于工程要求的螺杆设计，还是挤压 机理的理论分析，螺杆的几何构型对挤压机性能的好坏起关键作用。 3 2 1 螺杆参数 不完善的相关理论和计算方法，使得螺杆设计比较困难，目前主要采取经验类比和 实际生产相结合的方法对锥螺杆进行设计。 ( 1 ) 小端直径 在我国挤压机的螺杆直径都有标准规定，螺杆直径应根据标准来选取。一般情况下， 根据该挤压机产量的要求来确定螺杆的直径。就锥形双螺杆挤压机而言，主要是用于生 产型材、管材和造粒等，通过大量数据统计，得出的产量q 与螺杆小端直径d ，、关系如 图3 2 所示： 口 a：o4 06 as oi o a 螺f 小端t t i o 细皿) 图3 - 2 产量q 与螺杆小端直径d 小关系 f i g 3 2t h er e l a t i o nb e t w e e np r o d u c t i o nqa n dd i a m e t e rd 小o fs c r e w 为获得较高的产量，由上图初步确定螺杆小端直径d 血为6 0 m m 。 ( 2 ) 长径比和有效长度 挤压机的性能可通过螺杆的长径比来显示。对锥形螺杆而言，由于螺杆直径是个变 数，实际上已经失去了原来的意义，只不过为了在与其它类型的挤出机比较时( 如与平 行异向双螺杆挤压机比较) 有一个相对应的参数，故一般将锥形双螺杆的长径比定义为 螺杆的有效长度l 与螺杆的平均直径d 一之比，即l d 一，其值一般在1 2 1 5 之内。螺 杆的平均直径为： 见= ( 钆+ d 矾) 2 ( 3 1 ) 式中： d 蛐螺杆小端直径c r a m ) ： 1 3 o o o o o 铀 如 -，o口墨电若点 陕西科技大学硕士学位论文 d 哦螺杆大端直径( 衄) 。 增大螺杆的长径比，可使挤压机实现高的挤出速率；物料到达机头时速度平稳，物 料可以被稳定地挤出。最终确定双螺杆的长径比l d 。为1 5 。 螺杆上螺纹段的长度被称为有效长度。锥形双螺杆螺杆有效长度与螺杆小端直径的 关系可得到以下的关系式： l = 2 8 0 5 5 d + 一2 “9 7 = 1 4 1 8 3 3 ( 3 - 2 ) 根据计算结果，并结合有关塑料挤出机的规格参数，最终确定双锥形螺杆的有效长 度l 为1 4 0 0 m m 。 ( 3 ) 大端直径d 一 由式3 - l 知： 【d 一圳【( d 血+ d 叫) 2 = 1 5 ( 3 - 3 ) 计算得出：d 一= 1 2 6 6 7 m m 最终圆整得大端直径d 一为1 3 0 m m 。 ( 4 ) 内锥角和外锥角，中心线锥角0 螺杆外径与螺杆轴线所成的夹角称为外锥角，螺杆根径与螺杆轴线所成的夹角被称 为内锥角。因为螺杆的两个锥角是不相同的，所以称作双锥形螺杆。 图3 - 3 双锥形螺杆的尺寸图 f i g 3 - 3t h ed i m e n s i o n a lp i c t u r eo f c o n i c a l t w i l l - s c r e w 根据螺纹大小端直径和有效长度l 计算： 外锥角= 咖丝半也哪伽0 2 5 = 1 4 5 。 ( 3 _ 4 ) 锥螺杆的内外锥角和的范围为l 。2 。，本设计选取内锥角为1 2 5 。 对于全啮合双螺杆来说，上面螺杆的螺棱必须与下面螺杆的螺槽相啮合，也就是说 在一条直线上，因而与水平线的夹角相等，则： s o c = 见一g 1 4 以= 半 ( 3 5 ) 生物质( 秸秆) 燃料挤压成型机的设计与研究 从而可以得到，中心线锥角为1 3 0 。 ( 5 ) 螺槽深度h 在螺杆相同的转速下，随挤出段螺槽深度h 的减小，剪切速率不断增大，分子间的 内摩擦也增加，产生的热量越来越多。对于不能承受高剪切速率的热敏性原料和加工温 度范围比较窄的原料，内摩擦过于强烈势必会造成物料过热分解甚至烧焦。因此，一般 较大的螺槽深度应用于挤压这类原料挤压机的挤出段。 h 小，珠= k ( 3 6 ) k 一般为小端直径的1 4 1 5 。参考论文中螺纹牙高取l l - - 1 5 m m ，取k = 0 2 5 ，得 出h 小2 1 5 m m 。 螺槽深度( 轴向任一位置) 为： h ( z ) = ( l - z ) ( t 9 6 一错) + h d 、 ( 3 7 ) 式中： k 沿螺杆轴向任一位置的距离( 咖) ； i 广一- 螺杆的有效长度( m m ) ： o 矽f 锥角( 1 4 5 0 ) ； 内锥角( 1 2 5 0 ) ； h 螺杆小端的槽深( r a m ) 。 由式3 - 6 计算得出：h 大= l ( t g c t g q ) + h 4 , = 4 8 9 + 1 5 2 0 r a m ( 6 ) 螺杆外径见、内径4 沿螺杆轴向任一位置的锥形螺杆的外径和内径： d 。( z ) = 2 ( l z ) t 9 6 + d 奎 d ( z ) = 2 ( l z ) t g g + d 4 , - 2 h 4 , 式中： 卜沿螺杆轴向任一位置的距离( m m ) ； i 一螺杆的有效长度( 咖) ； e 外锥角( 1 4 5o ) ； 内锥角( 1 2 5o ) ； h 小螺杆小端的槽深( i 锄) ； d 小螺杆的小端直径( r a m ) 。 计算得：( 1 ) 小端d e = 6 0 m m d e s = 6 0 2 1 2 = 3 6 m m ( 2 ) 大端d e = 2 1 4 0 0 t g c + 6 0 = 1 3 0 9 r a m d f = 2 x 1 4 0 0 t g q + 6 0 - 2 x 1 2 = 9 7 m m 1 5 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 陕西科技大学硕士学位论文 ( 7 ) 螺杆中心距a 锥形双螺杆的轴线中心距沿机筒轴向也是个变量。顶隙5 r 相对较小，故计算中有时 可以忽略不计。通常情况下，螺杆中心距是指螺杆小端的中心距，是机筒设计必不可少 的参数，也是决定两螺杆啮合顶隙的重要参数。 c = d h + 蟊 ( 3 - 1 0 ) 式中： 卜螺槽深度( 1 姗) ； 瓯顶隙( 衄) 。 计算： 小端：c = 6 0 1 5 = 4 5 m m大端：c = 1 3 0 - 2 0 = 1l o m m 锥形双螺杆不同位置处的中心距c i 及中心线的锥角吼的关系，如下图所示： 图3 - 4 锥形双螺杆轴向尺寸 f i g 3 - 4t h e a x i a ls i z eo fc o n i c a lt w i n - s c l e w ( 8 ) 螺棱宽度e 对于普通螺杆来说，螺棱宽度的增加，使螺槽宽度的减少，物料的有效容积减少， 导致熔体输送率的减少。因此，确定螺棱宽度的大小时，考虑的因素并非熔体输送率， 而是物料的性能和螺棱的强度。因螺棱宽度增加，螺杆与机筒间隙中的熔体所受的剪切 面积增大，会增加螺棱上的动力消耗，产生的剪切热增加，这对于热稳定性较差的物料 是不利的，但螺棱宽度又不宜过小，否则因螺槽中物料的压力较高( 主要是加料段) 而 使螺棱从根部断裂。 考虑到秸秆受热后黏度较大，由e = ( 0 0 8 - - 0 1 2 ) d ( 大端产1 0 4 - - 1 5 6 m m ，常取鲫i d ， 最终取e = 1 0 m m 。 ( 9 ) 螺棱断面形状与尺寸的确定 目前常见的螺棱断面形状有矩形断面，锯齿形断面和梯形断面，如下图3 5 所示。 其中，矩形和锯齿形是最常被用到的两种。 1 6 一 生望壁! 堕堑：塑型苎垦盛型垫箜堡盐皇型壅 i l - i - _ _ l l l _ l _ - _ - l _ l l _ _ _ l _ _ _ _ l l i l _ _ i _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ - _ 一。一一。 一譬) 笏瑭 立j 图3 - 5 a ) 矩形断面b ) 锯齿形断面 c ) 梯彤断面 f i g 3 5a ) r e c t a n g u l a r c r o s ss e c t i o nb ) h a c k l ec r o s ss e c t i o n c ) t r a p e z o i dc r o s ss e c t i o n 矩形断面在螺槽根部有一个很小的圆角半径，它有最大的装载体积，而且机械加工 比较容易，适用于加料段；锯齿形断面上螺纹的工作强度较好，改善了物料的滞留，为 物料的混合创造了条件。而对于小直径螺杆，一般用梯形断面。用r l