环模式秸秆压块机的设计与性能试验.pdf

环 模 式 秸 秆 压 块 机 的 设 计 与 性 能 试 验 陈树人1，段建1，姚勇2 ( 1 江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江212013;2 江苏圆通农机公司，江苏 镇江212325) 摘要:介绍了环模式秸秆压块机工作原理、 结构设计及其性能试验。通过对环模式秸秆压块机关键部件进行 设计， 在不同的磨辊间隙下进行主轴转速与生产率、 成型率以及单位能耗试验研究。结果表明: 主轴转速增大， 生产率增大，吨料能耗减小; 但转速进一步提高， 生产率会变小， 吨料电耗增大; 磨辊间隙过大， 生产率减小， 间 隙过小， 模辊磨损加剧。当磨辊间隙为 5mm、 主轴转速为 165r /min 时， 压块机的生产率、 吨料电耗和关键部件耐 磨性都最优。 关键词:压块机;秸秆;环模;性能 中图分类号:S2162文献标识码:A 文章编号:1003 188X( 2013) 11 0140 04 0引言 农作物秸秆是一项宝贵的资源。我国是一个农业 大国， 秸秆资源丰富 1 2 ; 但这些农作物秸秆并没有得 到充分的利用， 农作物秸秆大量焚烧已成为一个重大 的社会问题， 浪费资源、 污染环境。因此， 大力发展生 物质固化成型技术研究具有极大的现实意义。 目前， 我国生物质固化成型设备主要有螺旋挤压 式成型机、 活塞冲压式成型机和压辊式成型机等 3 种 形式 3 。其中， 压辊式成型机分为环模成型机和平模 成型机。环模成型机采用环状压模成型模孔， 具有生 产率高、 能耗较低、 耐磨损等优点， 已经逐渐成为当前 秸秆固化成型的主流设备4 5 。 为此， 分析确定了环模式秸秆压块机关键部件的 结构参数并进行性能试验， 为环模式压块机的设计与 实际生产提供基础的理论依据。 1机构分析与原理 11工作原理 环模式秸秆压块机工作是挤压方式， 属开式压 缩， 利用环模、 压辊和物料 3 者间的摩擦挤压作用使 散状的秸秆物料致密， 呈条状挤压出来。电机通过皮 带带动皮带轮转动， 皮带轮带动主轴旋转， 主轴带动 收稿日期:2012 11 20 基金项目:江苏高校优势学科建设工程项目( 苏财教 2011 8 号) ; 镇 江市农业支撑计划项目( NY2011002) 作者简介:段建( 1989 ) ， 男， 江西萍乡人， 硕士研究生， ( E mail) ujsjduan 163 com。 通讯作者:陈树人( 1965 ) ， 男， 湖南攸县人， 教授， ( E mail) srchen ujs edu cn。 磨盘旋转， 磨盘带动偏心轴转动。压辊在偏心轴上绕 主轴旋转， 同时由于和秸秆物料之间的摩擦力作用压 辊以主轴相反的方向自转， 在公转和自转的同时作用 下， 秸秆被不断压缩， 并从方孔中被挤压出来。 12整体结构 环模式秸秆压块机主要由电机、 进料斗、 压辊、 环 模、 皮带轮、 传动轴、 出料机构和底座组成， 实物图和 结构示意图如图 1 和图 2 所示。 1 进料机构2 电机3 底座 4 皮带轮5 出料机构 6 出料处 7 出料孔8 压缩室 图 1环模式秸秆压块机实物图 Fig 1Straw briquetting machine 2关键部件设计 21传动系统的设计 主轴转速对压块机性能高低有重要的影响， 转速 太高， 降低成型率; 转速太低又会直接影响产量。而 主轴转速又取决于传动系统的设计， 该机型选取的传 动方式是皮带传动。带传动适用于中心距较大的传 动， 具有良好的弹性， 可缓冲吸振、 有过载保护、 易于 041 2013 年 11 月 农 机 化 研 究第 11 期 更换， 并且成本较低。选取的大带轮直径是 d1= 950mm， 小 带 轮 直 径 是 d2= 220mm， 电 机 类 型 为 Y250M 8V1， 转速是 n1= 730r/min， 可以求得主轴的 转速 n26 。其中， 带传动的滑动率 一般为 1% 2% ， 其值甚微， 在一般计算中可不予考虑。则 i = n1 n2 = d2 d11 () n2= n1d11 () d2 = 169 05r/min( 1) 1 环模块2 压缩室 3 主轴4 偏心轴 5 压辊 6 环模7 出料孔 图 2环模压块机结构示意图 Fig2Ring molded block machine structure diagram 22压缩室结构设计 221压辊参数的确定与设计 环模压块成型机压辊直径 d2与环模内径 d 关系 为: 2d2 d， 考虑两压辊之间还有螺栓及偏心轮来调整 间隙， 一般取 d2与 d 关系为: d2= ( 0 4 0 485)d7 。 设计环模的内径为 d = 720mm， 因此可得 d2为 288 350mm。本设计两个压辊外径 d2= 320mm。环模内 径与压辊外径之间的间隙称为磨辊间隙 ， 磨辊间隙 是环模压块机的重要技术参数， 对成型效果有至关重 要的影响。针对这个问题， 采用装在压辊与其回转轴 之间的偏心结构来调整间隙。当环模内径和压辊外 径使用磨损后造成磨辊间隙 偏大， 可通过调节压辊 偏心轴的转角来调节磨辊间隙 ， 保证磨辊间隙 在 合理的范围。环模式压块成型机的结构简图 9 ， 如图 3 所示。 222环模参数的确定与设计 该机型采用的是环模固定， 压辊由电机带动的传 动轴驱动旋转的工作方式。环模的设计为等截面形 式 8 ， 环模采用组装式， 在环模圆周方向上共布置有 60 个环模块， 每个环模块在圆周方向上的尺寸 a = 53 9mm， 在长度方向 L = 155mm， 可得到环模的外径 D =53 9 60/ = 1 029 414mm， 取环模外径 D 为 1 030mm， 内径 d = D 2 L = 720mm。环模结构简图， 如图 4 所示。环模为工字形模块组合而成， 模孔为矩 形方孔， 模块用螺栓与机体紧固在一起这样便于维 修、 更换。 1 成型孔2 环模压 3 辊块4 偏心轴 5 磨辊间隙 图 3压缩室结构简图 Fig3Compression chamber structure diagram 图 4环模结构简图 Fig4Ring mode structure diagram 3性能试验与结果 31试验材料与方法 311试验材料 我国南方地区水稻秸秆丰富， 因此本试验选择镇 江丹阳地区收割后的稻草秸秆为原料， 用铡草机铡切 成长度 0 100mm， 并且将含水率保持在 20% 左右进 行试验 9 。 根据试验的需要， 所用试验仪器有变频控制柜 1 台、 磅秤 1 台、 游标卡尺 1 把、 便携式含水率测试仪 1 台、 钳形功率分析仪 1 台、 秒表1 块以及光电转速测定 141 2013 年 11 月 农 机 化 研 究第 11 期 仪 1 台。主电机参数: 额定功率 30 kW， 电流 65 A， 电 压 380 V， 额定工作频率 50 Hz， 额定转速 730 r/min。 312试验指标 分析不同的磨辊间隙下主轴转速、 生产率、 成型 率以及吨料能耗的关系， 找出适合稻草秸秆成型的主 轴转速和磨辊间隙， 然后在优化的主轴转速和磨辊间 隙下做压块机的关键部件环模和压辊的耐磨性试验。 选择主轴转速 100 200r/min，间隔 15r/min， 试验选 取主轴转速大小为 105， 120， 135， 150， 165， 180， 195r/ min 进行试验。当间隙小于 1 mm 时， 吨料电耗太大， 生产率较低同时磨损严重; 当间隙大于 8mm 时， 成型 效果差 10 。因此， 间隙选 1 8mm 之间，间隔 2mm， 选择 1， 3， 5， 7mm 进行试验。 1) 吨料电耗。其为秸秆压块成型机生产 1t 成型 压块所消耗的能量。计算式为 W = m P ( 2) 式中W小时吨料电耗( kWh/t) ; m成型压块的质量( t) ; P生产期间耗电量( kWh) 。 2) 成型率。从成型机挤压出来长度在35mm 以上 的成型压块称重。计算式为 X = m M 100%( 3) 式中X成型率( % ) ; m成型压块的质量( kg) ; M挤压出来物料的质量( kg) 。 3) 生产率。正常生产过程中， 每隔 5min 接取成 品压块一次， 然后称质量。考虑到原料含水率不同， 计算中增加含水率系数， 取值为 0 8， 计算式为 Q = 3600 m1() H 0 8t ( 4) 式中Q工作小时生产率( kg/h) ; m成型压块的质量( kg) ; H成型燃料的含水率( % ) ; t生产的时间( s) 。 4) 耐磨性。是在优化的生产参数、 较长时间正常 生产情况下， 环模压块机的环模厚度和挤压孔宽和长 方向上的磨损分析， 试验选取生产时间为 50， 100， 150， 200， 250， 300h。 32试验结果 321生产率 模辊间隙为 1， 3， 5， 7mm 时，生产率与主轴转速 的关系如图 5 所示。在含水率相同情况下， 主轴转速 的增加，生产率增大。特别是初始阶段，生产率增加 较快; 大于 165r/min 后， 磨辊间隙为 1， 3mm 时生产率 增加变缓慢并有开始下降的趋势， 磨辊间隙为 5， 7mm 生产率开始下降。这是由于压辊对原料的挤压力是 一定的，转速过快时， 一些秸秆草料无法快速挤入相 应模孔内，从而使得生产率增加缓慢， 在磨辊间隙过 大时生产率甚至下降。当磨辊间隙为 5mm，主轴转速 为 165r/min 时，生产率达到最大值为1 507kWh/t。 图 5生产率变化曲线 Fig 5Productivity rate change curve 322吨料电耗 模辊间隙为 1， 3， 5， 7mm 时，生产率与主轴转速 的关系如图 6 所示。在含水率相同情况下， 当主轴转 速增加时，吨料电耗减小，生产率提高。这是由于主 轴转速增大，压块的出料速度加快，克服成型摩擦力 的能量减小，吨料电耗逐渐减小。当低转速时，单位 时间挤出原料质量少， 吨料电耗增大， 但随着转速的 不断增加， 生产率会变小， 而吨料电耗增大。当主轴 转速达到一定的范围时， 间隙越大， 吨料电耗呈下降 趋势， 这是因为磨辊物料三者之间的摩擦力减少。当 间隙为 5mm，主轴转速为 165 r/min 时，吨料电耗达 到最低值为 23 7kWh/t。 图 6吨料电耗变化曲线 Fig6Tons of material consumption rate change curves 323成型率 模辊间隙为 1， 3， 5， 7mm 时，在含水率相同情况 下，生产率与主轴转速的关系如图 7 所示。从图 7 中 可以看出，主轴转速和磨辊间隙变化对成型率影响不 是很大，成型率在 95% 99% 之间，满足大于 95% 的要求 10 。 324磨辊耐磨性 从试验分析可知当主轴转速 165r/min、 磨辊间隙 241 2013 年 11 月 农 机 化 研 究第 11 期 为 5mm 时， 压块机的成型率、 生产率、 吨料电耗都是最 佳的。在该优化参数下对环模压块机的关键部件环 模和压辊耐磨性进行实验分析( 如图 8 所示) ， 可知在 该工作条件下， 磨辊耐磨性良好。 图 7成型率变化曲线 Fig7Forming rate change curve 图 8 磨损率变化曲线 Fig 8Wear rate of change curve 4结论 1)通过对环模式秸秆压块机的压辊结构、 传动机 构和环模结构进行改进设计， 为压块机的优化提供重 要理论基础。 2)秸秆压块机主轴转速、 模辊间隙对生产率、 吨 燃料能耗影响较大， 对成型率影响较小。随着转速增 大，生产率增大，吨燃料能耗减小;但是随着转速进 一步提高， 生产率会变小， 吨料电耗增大。磨辊间隙 过大， 会影响压块机的生产率; 间隙过小， 会加速压辊 与压模之间的磨损， 减少使用寿命。 3)最佳的主轴转速为 165r/min、 磨辊间隙为 5mm， 在该参数下生产率、 成型率和吨料电耗都相对较 好， 并且压辊和环模耐磨性良好，同时与设计的主轴 转速 169 05r/min 相吻合，均符合环模压块机的使用 要求。 参考文献: 1崔明， 赵立欣， 田宜水， 等 中国主要农作物秸秆资源能 源化利用分析评价J 农业工程学报， 2008， 24( 12) : 291 296 2韩鲁佳， 闫巧娟， 刘向阳， 等 中国农作物秸秆资源及其 利用现状 J 农业工程学报，2002， 18( 3) : 87 91 3霍丽丽， 侯书林， 赵立欣， 等 生物质固体成型燃料技术 及设备研究进展平 J 安全与环境学报， 2009， 9( 6) : 27 31 4SYLVIA LARSSON Fuel pellet production from reed canary grassD Sweden: Doctoral Thesis of Swedish University of Agricultural Scienses， 2008: 16 21 5中华人民共和国农业部 农业和农村节能减速十大技术 M 北京: 中国农业出版社， 2007 6杨明忠， 朱家诚 机械设计M 北京: 机械工业出版社， 2001 7王敏 环模制粒机的主要技术参数J 湖南饲料， 2006 ( 4) : 39 41 8余满江， 姚金霞 环模旋转秸秆成型机的结构设计与试 验研究 J 四川农机， 2010( 3) : 38 42 9卞兆娟， 姚勇 秸秆压块成型的试验研究J 江苏农机 化， 2011( 6) : 30 32 10田宜水， 赵立欣， 孟海波， 等 欧盟固体生物质燃料标准 技术进展 J 可再生能源， 2007， 25( 4) : 61 64 Ring Mode Straw Briquetting Machine Design and Performance Test Chen Shuren1， Duan Jian1， Yao Yong2 ( 1 Key Laboratory of Morden Agricultural Equipment and Technology， Ministry of Education，Jiangsu University，Zhen- jiang 212013，China;2 Jiangsu Yuantong Machinery Company，Zhenjiang 212325， China) Abstract:This paper introduces circular mold straw briquetting machine working principle structure design and per- formance test of，With the ring mode straw press key parts design To press different ro