（机械电子工程专业论文）旋转式秸杆压实机的初步设计与参数优化.pdf

捅安 生物质能是潜力巨大的可再生能源。秸秆压实燃料是生物质能燃料中的一种， 它具有加工简单、成本较低、便于储存运输、燃烧性能较好等优点，它将成为一种 具有发展前景的替代能源。 本论文以提高生产效率、降低生产成本为研究目标，提出了旋转式秸秆压实设 备的工艺方案并设计了主要部分的结构，对其重要的结构参数进行了优化。本文研 究的主要内容如下： 1 介绍了秸秆能源利用以及秸秆压实技术的国内外研究状况。通过对压实技术 的研究现状分析，发现秸秆压实生产率低致使其生产成本高是阻碍压实技术推广和 秸秆能源利用的重要因素。 2 提出旋转式秸秆压实设备的工艺方案并设计了主要部分的结构。建立了生产 一定质量的秸秆所用时间最小为优化目标，以恒定的动力为约束条件的数学模型。 通过c 语言编程，求得了预压筒的长度、压实缸锥形部分的高度、压实缸的整体高 度以及各个阶段的所需最佳功率。 3 设计了驱动该设备的液压系统。通过增加一个高压小流量定量泵解决了因低 压大流量定量泵供力不足而导致工作无法进行的现象。 4 利用有限元分析软件a n s y s 对压实冲杆进行了有限元分析。分析结果表明： 在压实阶段中，当压实冲杆受最大压力1 8 0 m p a 时，选用4 5 钢能满足其强度要求， 不会发生弯曲，断裂等变形失效形式。 5 对秸秆压实成品的社会效益、环境效益及经济效益等进行了分析。并对其发 展前景进行了分析预测。 总之，秸秆压实技术对于优化能源结构，促进社会可持续发展，保护环境，维 持生态平衡，等都具有重要的意义。 关键词：旋转式；压实机；预压；冲杆；秸秆 a b s t r a c t b i o l o g i c a le n e r g yi sr e n e w a b l es o u r c eo fe n e r g yw i t hg r e a tp o t e n t i a l c o r ns t a l k s b r i q u e t t e sf u e li so n eo fb i o l o g i c a lf u e lm a t e r i a l i th a ss u c hm e r i ta se a s yp r o c e s s i n g , l o w c o s t ，g o o dc o m b u s t i o n , a n dt h ec o n v e n i e n c eo fs t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o n i tw i l lr e p l a c e t h ec o n v e n t i o n a le n e r g yi nt h ef u t u r e i nt h i sp a p e r , t h et e c h n o l o g ys c h e m ei sp r o p o s e da n dp r i m a r ys t r u c t u r eo fr o t a r y c o m p a c t i n gm a c h i n e i sd e s i g n e d ，t h e ns o m ep a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e di no r d e rt oe n h a n c e t h ep r o d u c t i v i t ya n dr e d u c et h ec o s to fp r o d u c t i o n t h ep r i m a r yc o n t e n to ft h i sp a p e ri sa s f o l l o w s ： f i r s t l y , t h eu t i l i z a t i o no fc o l t is t a l k s a n dt h e s i t u a t i o no fs t u d yi nc o m p a c t i o n t e c h n i q u ea l ei n t r o d u c e d b ya n a l y z i n gt h es i t u a t i o n ，i ti sr e a l i z e dt h a tl o wp r o d u c t i v i t y i s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hb a f f l e st h ep o p u l a r i z a t i o no fc o m p a c t i n gm a c h i n e a n dt h eu t i l i z a t i o no fc o r ns t a l k se n e r g y s e c o n d l y , t h et e c h n o l o g ys c h e m eo fr o t a r yc o m p a c t i n gm a c h i n ei sp r o p o s e da n d p r i m a r ys t r u c t u r eo fr o t a r yc o m p a c t i n g m a c h i n ei sd e s i g n e d t h e nm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t i m em i n i m a lo p t i m i z a t i o ni sm a d ew h e nac e r t a i nq u a l i t yo fa g r o - s t a l k si sp r o d u c e d t h e e x t e n to fp r e c o m p a c t i o ns i l o ，t h eh e i g h to ft a p e ri nc o m p a c t i o ns i l o ，t h eh e i g h to f c o m p a c t i o ns i l oa n dt h ep o w e r i ne a c hs t a g ea r ef i g u r e do u tb yp r o g r a ml a n g u a g ec t h i r d l y , t h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m i sa l s od e s i g n e d t h eh i g h - v o l u m e l o w - p r e s s u r ep u m pa n dh i g h p r e s s u r e l o w - v o l u m ep u m pa r eb o t hu s e d ，s ot h a t h i g h - p r e s s u r ep u m pc a nw o r kw h e nt h el o w - p r e s s u r ep u m pc a n n o tm e e tt h er e q u i r e d p r e s s u r et h el o a dn e e d s f o u r t h l y , t h ec o m p r e s s i o nb a ri sa n a l y z e du s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o m p r e s s i o nb a r , t h em a t e r i a lo fw h i c hi s4 5 s t e e l ， c o u l d n tb ed e s t r o y e d ，w h e nt h em a x i m u mp r e s s u r eo f18 0 m p ai sb r o u g h tt ob e a ro nt h e c o m p r e s s i o nb a r f i f t h l y , t h es o c i a l ，e c o l o g i c a l a n de c o n o m i cb e n e f i t so fs t r a wc o m p a c t i o n t e c h n o l o g yi sa n a l y z e da n d i t sf o r e g r o u n di sf o r e c a s t e d i naw o r d ，s 咖c o m p a c t i o nt e c h n o l o g yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ee n e r g y s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tp r o m o t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，t h e e c o l o g i c a lb a l a n c em a i n t e n a n c e ，a n ds oo n k e yw o r d s ：r o t a r y ；c o m p a c t i n gm a c h i n e ；p r e - c o m p a c t i o n ；j u m p e rb a r ；a g r o s t a l k s 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 秸秆压实机是将秸秆等农作物原料压缩成一定形状压块的机器。压成的秸秆压 块既可以用来烧火取暖，可以送到发电厂发电，它的优点是无污染，消耗自然界的 可再生能源。但是它的可燃烧值相对于煤比较低，所以秸秆压实机要想在市场上立 足，其成本要远低于煤。 秸秆压块成型机按其原理可分为三类：螺旋式挤压成型机、柱塞式冲压成型机 和辊压式颗粒成型机。目前国内很多企业、高校、中科院都致力于成型设备的研究， 取得了显著地成果。但是国内成型机的发展和推广却相对国外比较缓慢。 1 2 研究的目的和意义 能源是世界发展的重要支柱。目前人类使用的能源主要是煤、石油和天然气， 它们都是不可再生资源。据十三届世界大石油大会预测，若按9 2 年开采速度计算， 石油只能开采4 6 年，天然气只能维持6 6 年【1 1 ，长则也就1 0 0 年左右【2 1 ，而煤也只能 开采2 3 2 年 1 】，而人类对能源的需求量却是逐日递增。作为人类的支柱能源，它们 在为人类的发展作出巨大贡献的同时，由此造成的环境污染对人类的生存带来了严 重的威胁。例如，全球气温变暖、臭氧层破坏、酸雨等一系列环境问题日益严峻。 因此，人类面临着能源与环境问题的严峻挑战，开发和利用新能源已经成为人类发 展中的紧迫课题。 所谓的新能源是指区别于煤、石油天然气等常规能源的新能源，其特点是可再 生，属于非碳能源。新能源通常包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等 一次能源以及二次能源中的氢能等。其中，生物质能不仅是最安全、最稳定的能源， 而且通过一系列转化技术，可以产生出不同品种的能源【3 】。目前，世界各国为了保 护本国资源，实现经济的可持续展，都在致力于研究高效、清洁的可再生能源一生 物质能。 生物质是绿色植物利用太阳能，通过光合作用，吸收二氧化碳、水和少量的氮、 磷、钾肥料等物质，转化成为有机物碳水化合物，将太阳能转化为化学能并贮存 下来，将生物质作为能源利用称为生物质能，它是一种取之不尽、用之不绝的可再 生资源。从广义上讲，生物质能是太阳能的另一种表现形式。生物质能是唯一具有 可运输、储存、转换、再生等矿物资源属性的特点，又较少受自然条件制约的可再 生能源资源。开发这种能源模式，既可利用农业废弃物，减少农业资源浪费，又可 青岛大学硕士学位论文 保护传统能源。 生物质能通常储存在以下物质q b t 4 t 5 】： ( 1 ) 木材及森林工业废弃物。 ( 2 ) 农业废弃物。 ( 3 ) 水生植物。 ( 4 ) 油料植物。 ( 5 ) 城市和工业有机废弃物。 ( 6 ) 动物粪便。 生物质能源是仅次于煤炭、石油和天然气而居世界能源消费总量第四位的能源， 是今后重点开发的可再生能源之一【6 】。生物质能具有以下特点： ( 1 ) 储量大。据统计，全球可再生能源可转化为二次能源的约有1 8 5 5 5 亿t e e ，相当于 全球石油、天然气和煤等化石燃料年消费量的2 倍，其中生物质能占3 5 ，位居首位。 我国农村每年有各类秸秆6 2 亿t ，利用6 0 可产沼气7 4 4 亿m 3 ，每年有各种牲畜粪便 3 4 7 8 1 亿t ，可产沼气1 5 3 6 2 亿m 3 ，每年农村有人粪尿1 7 4 l t ，可产沼气8 8 4 亿m 3 。三 项总计年产沼气可达2 3 6 8 6 亿m 3 ，户均拥有沼气资源1 1 8 4 3 m 3 ，完全可以解决农村 生活用能问题川。 ( 2 ) 种类及利用形式多样。生物质能资源的种类非常广泛，从农、林、牧、渔业到 工业，几乎都可以有效利用。 ( 3 ) 利用形式多样。可直接燃烧、生产沼气，还可制造燃料乙醇、生物柴油，热解 气化、液化，发电、产氢等。 ( 4 ) 节能、环保。节约传统能源，减少有害气体排放，保护环境，而且生物质能可 以永久利用。 我国是农业大国，生物质资源相当丰富，资源总量估计可达6 5 亿t 标煤以上。其 中，各类农业废弃物( 如秸秆等) 的资源相当于3 0 8 亿t 标煤，约占生物质资源总量 的一半【8 】。我国农作物秸秆年总产量达7 亿多t ，其中稻草2 3 亿t ，玉米秸秆2 2 亿t ，小 麦秸秸秆1 2 亿t ，豆类及杂粮秸秆l 亿t ，另外花生和薯类藤蔓、甜菜叶、甜菜糖渣及 蔗渣约1 亿t ，其中作然料的秸秆占秸秆生成总量的5 0 左右，占我国农村生活用能的 4 0 左右【引。 然而在农村，由于秸秆密度小，体积大，不易运输贮存等特点，大量的秸秆被 就地荒烧，造成了生物质能的浪费。秸秆燃料直接燃烧是一种利用热能的方式，但 是热效率低，因为作物废弃物原料松散，挥发物含量高，而且自然通风条件下，提 供的助燃空气少，未燃尽的有机挥发物会被气流带走而产生黑烟，在浪费原料的同 时带来了环境污染。待挥发物和炭逐渐烧尽时，空气量又过剩，这些过剩的空气流又会 白白带走一部分热量，造成实际热效率低【1 0 】。直接燃烧生物质的热效率仅为l o 第一章绪论 3 0 ，而生物质制成颗粒以后经燃烧器( 包括炉、灶等) 燃烧，其热效率为8 7 8 9 ，热效率提高5 7 - - - , 7 9 个百分点，节约了大量能源【4 】。秸秆固化成型燃料技术可将农 村松散的秸秆压缩成高密度、可替代煤的优质燃料。因此，秸秆压块成型技术的研 究迫在眉睫。 综上所述，秸秆压块燃料燃烧排放的污染物低于煤，是一种高效、清洁的可再 生能源，具有广阔的发展前景，其研究具有以下重要意义： ( 1 ) 便于收集、储存和运输。在农作物开发利用的过程中，秸秆结构疏松，分布分 散，给收集、运输以及储存带来了很大困难，加之其能量密度低，使用起来很不方 便，秸秆压实技术很好地解决了这一问题。秸秆原料经压实之后，密度可达0 8 1 3 k g m 3 【l l 】。 ( 2 ) 替代煤炭，保护生态环境。预计到2 0 2 0 年，中国的g d p 可能达到5 万亿美元， 能源需求2 5 3 0 亿t 标煤，其中仅石油缺i ；3 达1 6 2 2 亿t 【4 】。大量燃烧一次性 能源，排放大量的s 0 2 和c 0 2 等，秸秆中硫的质量分数远小于煤炭，仅为 0 1 2 加1 8 ，煤炭中硫的质量分数一般在o 8 左右【1 2 】。 ( 3 ) 提高秸秆能源利用率。 原料挤压成型后，密度可达0 8 1 3 t m 3 ，能量密度与中质煤相当，燃烧特性明 显改善，火力持久，黑烟少，炉膛温度高，且储存、运输和使用方便，干净卫生， 可代替矿物能源用于生产和生活领域【1 3 1 。 1 3 秸秆压块成型机的国内外研究现状 秸秆压块成型机就是将农作物秸秆粉碎后，送入成型器械中，在外力作用下， 压缩成规则的、密度较大的棒状、块状或颗粒状等成型燃料。可作燃料直接燃烧， 也可进一步加工，形成生物炭。 秸秆成型原理如下：植物细胞中除含有纤维素、半纤维素外，还含有木质素( 木 素) 。木素是具有芳香族特性的结构单体，是由苯基丙烷单元构成的三维空间聚合物 【1 4 】。在阔叶木、针叶木中木素含量为2 7 3 2 ，禾草类中木素含量为1 4 2 5 。虽 然在各种植物中都含有木素，但木素的结构非常复杂，各种植物的木素结构均不相 同，即使在同一植物中，木素的结构因存在的部位不同而大不相同。木素属非晶体， 没有熔点但有软化点，当温度为7 0 - - - 1 1 0 时黏合力开始增加，木素在适当温度 2 0 0 - 3 0 0 。c 下会软化f 5 】，此时加以一定的压力使其与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒互 相胶接，冷却后即可固化成型。“热压缩”颗粒成型技术可将生物质在1 7 0 - - - , 2 2 0 高 温及高压下压缩成6 2 5k g m 3 的高密度成型燃料，极大地降低了生物质的储运成本，提 高了燃烧效率【l5 1 。因此，可以采用加热挤压法成型木屑或农作物秸秆燃料，也可以 使用添加剂和粘接剂使其成型。 青岛大学硕士学位论文 1 3 1 国内研究发展现状 我国从2 0 世纪8 0 年代起开始引进螺旋推进式秸秆成型机，生物质压缩成型技术 的研究开发已将近3 0 年的历史。 南京林业化工研究所在“七五，期间设立了对生物质压缩成型机及生物 质成型理论研究课题【l l 】。 1 9 8 5 年，湖南省衡阳市粮食机械厂为处理大量加工粮食剩余谷壳，根据国外样 机试制了第一台z t - 6 3 型生物质压缩成型机。 1 9 9 0 年以后，陕西武功轻工机械厂、河南巩义包装设备厂、湖南农村能源办公 室以及河北正定县常宏木炭公司等单位先后研制和生产了几种不同规格的生物质成 型机和碳化机组。 2 0 世纪9 0 年代期间河南农业大学和中国农机能源动力研究所分别研究出p b 1 型机械冲压式成型机、h p b 系列液压驱动活塞式成型机、c y j 3 5 型机械冲压式成型 机。 1 9 9 8 年初，东南大学、江苏省科技情报所和国营9 3 0 5 厂研制出了m d 1 5 型固 体燃料成型机。 从1 9 9 8 年开始，河南农业大学针对成型设备存在生产率低、工作部件易磨损等 问题，研制了液压驱动双头活塞式h p b i i l 型秸秆成型机，对秸秆具有极好的消化能 力，经鉴定后，2 0 0 2 年向企业转让了技术，正式投入了工厂化生产，并于2 0 0 3 年 开始将成型设备以及配套燃烧炉具进行示范推广【阍。 国内很多学者对秸秆燃料做了试验分析，获得了丰硕的成果。 河南农业大学的李保谦、张百f 1 t 1 7 】等人对液压驱动式成型过程中的关键技术进 行试验分析，试验结果表明：秸秆成型棒的密度在1 肚1 1 9 e r a 3 时，燃烧性能较好； 秸秆棒燃烧速度比煤快1 0 以上。 北京林业大学的硕士回彩娟【1 8 】等人也对生物质致密成型技术进行了试验总结， 得出了以下结论对豆秆、锯末、木材削片、芦竹、四倍体刺槐枝这五种原料进行试 验，绘制出成型块密度与成型压力的关系曲线，拟合后得出二者符合三次幂函数关 系式；常温高压致密成型技术压制的各种原料的成型块热值与原煤的热值相当或略 低于原煤热值。 浙江大学硕士钱湘群【1 9 】通过对棉杆的压缩特性试验得出切碎棉秆采用较高压 力压缩时，压缩密度与压力的关系符合指数规律，其表达式为：p ：毕【矿旷呻一l 】， b 其中，口受初始密度、物料含水率和粒度变化的影响，而常数b 值与物料种类有关。 东北农业大学的孟庆兰【2 0 】通过对挤压部件的优化设计计算，得出当螺杆外径增 加时，生产能力和功耗也相应增加，适当增加螺距，有利于挤压和增加流率。 4 第一章绪论 经过多年的研究试验，国内成型设备的研究正日趋成熟。 我国发展的压缩成型机按其原理基本可分为三种：螺旋式挤压成型机、柱塞式 冲压成型机和辊压式颗粒成型机。 螺旋式挤压成型机主要构件有电机及传动系统、螺旋杆、螺旋杆套筒、耐热螺 旋杆套筒延伸筒、套在延伸筒上的电加热器及给料装置。其工作原理是利用螺旋杆 的螺旋运动将秸秆颗粒从给料装置下方，经过一段距离后，输送到螺旋杆的前端头 部。利用螺旋的前端斜面，将物料挤入连接在螺旋杆套筒前端的耐热延伸筒内。在 延伸筒内的已致密物料和筒壁的摩擦阻力的相互作用下，将物料挤压成一定密度的 成型物，同时将成形后的致密物料推出。这种成型技术的优点是成品密度高。以木 屑、稻壳、麦草等为原料，国内生产的几种螺旋挤压成型机加工的成型棒料的密度 都在1 1 0 0 1 4 0 0 k g m 3 【2 l j ：成品质量好，热值高。其缺点是成型部件磨损严重，使用 寿命短，能耗高，对原料的要求高。螺杆成型机在我国己有1 0 多年的发展历史，目 前已在运行的系统约有6 0 0 多台，其技术关键是螺杆的使用寿命。 柱塞式冲压成型机可分为液压驱动柱塞式成型机和机械驱动柱塞式成型机。其 主要构件有压缩缸、往复运动的柱塞冲头和提供往复运动动力的液压系统或曲柄连 杆机构。工作原理是在给料段由螺旋给料或重力给料后，由往复运动的柱塞冲头将 物料推向摩擦阻塞区，利用摩擦阻力和柱塞推力将物料压实致密，同时由柱塞推力 克服摩擦阻力后将致密后的物料推出。柱塞式成型机通常用于生产实心燃料棒或燃 料快，其中，液压式成型机对原料的含水率要求不高。由于改变了成型部件与原料 的作用方式，因此改变了螺旋式挤压成型机中成型部件磨损严重的现象，提高了使 用寿命，降低了单位产品能耗。但由于机械驱动柱塞式成型机存在较大的震动负荷， 使机器运行稳定性差，噪音较大，生产率不高，产品质量不太稳定。 辊压式成型机在国内应用较少，在国外应用较为普遍。 1 3 2 国外研究发展现状 国外从2 0 世纪3 0 年代开始研究秸秆成型燃料技术的。国外对秸秆生物质成型燃 料技术的研究已经相当成熟，而且生物质成型燃料的生产从原料收集到加工、应用 都实现了工厂化，燃烧技术也得到了相应的发展【2 2 】；但是，国外成型燃料生产多以 木屑等林业废弃物为主要原料，应用秸秆原料生产成型燃料的研究和应用较少：成型 燃料的用途多是家庭采暖和热水供应，以及少数特殊用途，很少用于发电。 美国的生物质能发展目标是：在2 0 3 0 年以前建立起完善的、经济上可行的生物质 能源和生物质产品制造工业，为美国农业创造新的经济机会，保护和改善美国的环 境，提高能源自给率，保障经济安全和为消费者提供相应的产品【2 3 】。1 9 9 7 年欧盟发 表了白皮书能源的未来：可再生能源，计划至u 2 0 1 0 年可再生能源占整个能源消费 青岛大学硕士学位论文 量的1 2 2 4 】，其中发展的重点是生物质能。 日本从2 0 世纪3 0 年代就开始研究应用机械驱动活塞式成型技术处理木材废弃 物，并于1 9 5 4 年研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备，1 9 8 3 年又从美国引进 颗粒成型燃料生产技术【2 5 1 。2 0 0 0 年，日本y o s h i b a 等人【2 6 1 以农作物小麦、稻草、甘 蔗渣和玉米杆等为原料，通过系统研究开发出一套经济合理的循环系统制备新材料 与工业燃料、油、化学品等，使作物秸杆的综合利用得以最大化。 2 0 世纪七八十年代起，意大利、德国、法国、丹麦、瑞典、比利时等国家研制 了颗粒成型机以及冲压式成型机等，其设备及成型产品进入了商业化运作模式；泰 国、越南等国家已建成了生物质固化生产厂；南非于2 0 0 3 已成为非洲最大的生物质 固化燃料生产基地。这些国家已进入规模化生产阶段【2 7 - 3 l 】。 法国e g r a n a d a , l m l o p c zg o n z a l e z 3 2 】等人对无烟煤块成型机的锥型腔进行 了设计和优化，使机器更加经济可行，增强了竞争力。 印度r n s i n g h ， ， 【3 3 】对生产直径为 煤块的成型机进行 了改进，通过进行燃烧e 和r 汽b 化h o 研i 究sr ，得p a 出t e 湿l 度为 的花生3壳5m生m12产的煤块质量较好， 但是降低了生产率，也提高了动力要求。 土耳其a d e m i r b a s 刊对废纸和麦秆成型的湿度和压强进行了一系列的试验，得 出废纸压缩的最优湿度和压强为1 8 和7 8 0 m p a ，麦秆的最优湿度和压强为2 2 和 7 1 0 m p a ，当麦秆中混有2 0 质量的废纸时，最优的湿度和压强为1 8 和7 5 0 m p a 。 肯尼亚c k w n d i c m a 3 5 】等人通过一系列实验证明，压强是影响生物质煤块的 燃烧特性的重要因素。国外还有很多学者也对原材料的粒度、湿度等因素进行试验， 得出了许多宝贵的数据，然而对机器本身参数进行优化的却很少。 亚洲一些国家( 泰国、印度、韩国、菲律宾等) 在2 0 世纪8 0 年代已建了不少生物 质固化、碳化专业生产厂，并研制出相关的燃烧设备。日本、美国及欧洲一些国家 生物质成型燃料燃烧设备己经定型，并且形成了产业化，在加热、供暖、于燥、发 电等领域己普遍推广应用【3 6 1 ；西欧一些国家( 荷兰、瑞典、比利时、芬兰、丹麦等) 在2 0 世纪7 0 年代已有了活塞式成型机、颗粒成型机及配套的燃烧设备。活塞冲压式 成型机改变了成型部件与原料的作用方式，很好地解决了螺旋挤压式成型机的问题。 该种成型机在大幅度提高成型部件使用寿命的同时，也显著降低了单位产品能耗。 国外生物质成型的主要方式有四种即颗粒成型机、螺杆连续挤压成型机、机械 驱动活塞式成型机和液压驱动活塞式成型机【3 7 】。 螺杆挤压成型机和活塞式成型机的工作原理及优缺点在前面都做了介绍，下面 介绍一下压辊式成型机，压辊式成型机主要用于生产颗粒状成型燃料，在日本应用 较多。具体可分为平板模造粒机和环板模造粒机，其中环板模造粒机又可以分为卧 式和立式两种。这种机型具有构造简单，使用方便的特点。典型的有日本的f 一2 0 型 6 第一章绪论 平模成型机，英国l i s t e r 公司生产的立式环模成型机等。 压辊式成型机主要由压辊和压模组成。其中压辊可以绕自己的轴转动。压辊的 外周加工有齿或槽，用于压紧原料而不致打滑。压模上加工有成型孔，原料进入压 辊与压模之间，在压辊的作用下被压入成型孔内。从成型孔内压出的原料就变成圆 柱形或棱柱行，最后用切断刀切成颗粒状成型燃料。立式环板模造粒机的压模和压 辊的的轴线都为铅垂线，机型具有结构简单紧凑、使用方便等特点。平板模造粒机 的压模为水平固定圆盘，在圆盘上与压辊接触的圆周上开有成型孔。在工作过程中 该机由于压辊与压模之间存在相对滑动，可起到原料磨碎的作用，所以允许使用粒 度较大的原料。与棒状燃料成型机相比，压辊式成型机可以用来加工较为潮湿的原 料，但压辊式成型机的生产能力较低。 按照其成型过程是否对原料辅助加热，上述几种加工方式又可以分为热成型和 常温成型工艺，螺旋挤压式、活塞冲压式都属于热成型工艺，辊模碾压式采用的是 常温成型工艺。 。 ( 1 ) 热成型工艺是目前普遍采用的生物质固化成型工艺。其工艺流程为：原 料粉碎_ 干燥混合一挤压成型一冷却包装。 热成型技术发展到今天，已有各种各样的成型工艺问世，总的看来可以根据原 料被加热的部位不同，将其划分为两类：一类是原料只在成型部位被加热，称为非 预热热压成型工艺。另一类是原料在进入压缩机构之前和在成型部位被分别加热， 称为预热热压成型工艺。两种工艺的不同之处在于预热热压成型工艺在原料进入成 型机之前对其进行了预热处理。但是从实际应用情况看，非预热热压成型工艺占主 导地位。 ( 2 ) 常温成型工艺生物质常温成型工艺即在常温下将生物质颗粒高压挤压成型 的过程。常温成型工艺一般需要很大的成型压力，为了降低成型压力，可在成型过 程中加入一定的黏结剂。如果黏结剂选择不合理，会对成型燃料的特性有所影响。 从环保角度，不加任何添加剂的常温成型是现代的主流。 除了上述主要成型工艺外，还有炭化成型工艺。这里就不作详细介绍。 l 1 4 本课题研究的主要内容 选择液压柱塞式成型机的工艺方案对秸秆压块成型筒进行设计。主要研究内容 包括： 1 本文在国内外研究的基础上，通过比较螺旋式挤压成型机、柱塞式冲压成型机与 辊压式颗粒成型机的优缺点，选择合适的工艺方案。 2 设计旋转式秸秆压实机的压实结构，并用a u t o c a d 画出零件图及装配图。 3 分析压实机的结构及性能参数对生产率的影响，把影响大的参数作为设计变量进 7 青岛大学硕士学位论文 行优化，以时间最小化作为优化的目标函数。 4 通过对系统工况分析，设计液压传动系统。 5 利用a n s y s 对重要零件进行有限元分析并分析仿真结果。 6 对秸秆压实成型机进行社会、环境和经济效益分析。 1 5 本章小结 本章首先论述了本课题研究的目的和意义，秸秆压实技术使秸秆原料密度增大， 体积减少，便于储存、运输及燃烧，既有利于秸秆能源的利用，还有利于保护传统 能源，优化能源结构，减少环境污染。接着从国内国外两方面对秸秆压实成型技术 的研究现状进行了论述，通过分析比较，选择了采用柱塞式冲压成型机的工作原理 进行设计。国内压实成型技术的研究比国外研究晚了将近半个世纪，但是秸秆压实 技术在中国具有广阔的发展前景。最后，本章总结了本课题研究的主要内容。 第二章旋转式秸秆压实机的设计方法及参数计算 第二章旋转式秸秆压实机的设计方法及参数优化 秸秆等生物质材料在没有压实的情况下，密度小，所占空间大，其运输和储存 的费用很高，而且其热效率低。在使用生物质材料中，通过压实使秸秆压实是使用 生物质能源的一种非常重要的方法。压实可以使秸秆从原始密度为o 1 6 9 c m 3 压缩到 1 1 3 9 c m 3 以上，此密度达到了生物质燃烧标准。由此可见，秸秆经压实之后，所 占空间大大减小，储存、运输及燃烧比较方便【3 8 】【3 9 1 。 2 1 旋转式秸秆压实机的设计及工作原理 2 1 1 旋转式秸秆压实机的设计 旋转式秸秆压实机是液压系统驱动活塞，活塞带动压缩冲杆冲压成型的。其主 要由三个压缩冲杆、三个相同的压缩缸、工作台、料斗、输送装置以及液压系统等 组成，其结构示意图如图2 1 所示。 1 工作台2 支撑板3 压实缸4 固定螺栓5 压实冲杆6 推出冲杆7 活塞 8 压实液压缸9 推出液压缸1 0 预压液压缸1 1 预压冲杆1 2 料斗1 3 预压筒 1 4 螺旋输送装置1 5 预压缸1 6 旋转轴1 7 电动机1 8 液压集成 图2 1 旋转式秸秆压实机结构示意图 9 青岛大学硕士学位论文 因为三个压缩缸是相同而且是旋转的，因此，按其功能把三个压缩缸分为预压 缸、压实缸和推出缸。把在输送装置下半部位置的缸称为预压缸，按旋转方向把与 预压缸相邻的压缩缸称为压实缸，推出秸秆压块成品的缸称为推出缸。压缩缸的结 构如图2 2 所示，压缩冲杆向下运动，进行轴向压缩，把压缩缸的上半部分设计成 锥形， 图2 2 成型缸 就可在径向上进行压缩。由于预压位移较大，我们把预压装置分为两部分，上面是 预压筒，和输送装置相连，下面是预压缸。推出缸下面的工作台有一个和成型缸直 径相等的孔，便于秸秆成品推出。 2 1 2 旋转式秸秆压实机的工作原理 旋转式秸秆压实机压实原理如下：第一个周期，粉碎好的粒度约为5 m m 秸秆原 料经螺旋输送装置被输送到预压缸，当秸秆原料和预压筒上端相平时，送料结束， 预压冲杆开始预压，此时，压实缸和推出缸是空的，预压动作完成之后，三个压缩 缸同时旋转1 2 0 。，即预压缸载着已预压的秸秆，旋转到压实缸的位置，压实缸旋转 到推出缸的位置，推出缸旋转到预压缸的位置，此时，压实缸和推出缸是空的。旋 转结束，预压缸再进料预压，同时，压实缸进行压实，此时，推出缸是空的，两个 动作完成之后，三个压缩缸再同时旋转1 2 0 。，即预压缸载着预压后的秸秆旋转到压 实缸位置，压实缸载着压实后的秸秆旋转到推出缸的位置。旋转结束，预压缸进料 预压，压实缸进行压实，推出缸内的秸秆进行短暂的保型，防止反弹，最后棒状秸 秆成品被推出。三个动作全部完成之后，三个压缩缸再旋转1 2 0 。回到初始位置，完 成第三次压缩，即一个周期。第一个周期只推出一个成品，因为前两次旋转前推出 缸都是空的，不推出秸秆成品，在以后的每个周期，推出缸三次推出成品。预压冲 杆、压实冲杆和推出冲杆的行程是各不相同的，其行程是由液压系统的行程开关来 控制的。秸秆压实流程图如图2 3 所示。 1 0 第二章旋转式秸秆压实机的设计方法及参数计算 i i l 。、i _ ，：l 一，。 i 7 i 料斗l 7 i坝比缸 预压秸秆 一l 蓬 凝 ， 皓? r l 旋 压实缸 i 压实秸秆 转 医 畚 辕 俅型征出 推出缸 成品 图2 3 秸秆压实流程 由图2 2 所示的压实缸的结构以及压实原理可以看出，旋转式秸秆压实机就是 将粉碎后的农作物秸秆通过施加一定的力将农作物秸秆原材料压成圆柱体状的压块 成品，其秸秆压块成品形状如图2 4 所示。 图2 4 秸秆压块成品图 旋转式秸秆压实机和以往的秸秆成型机有着显著的不同，旋转式秸秆压实机有 三个独立的压实缸和压缩冲杆，这样的结构使预压、压实和推出三个动作作用在相 互平行的方向上，且可以同时进行；传统的秸秆压实机主要由预压缸、压实缸和两 个压缩棒等组成的，两个缸固定不动，两个压缩棒来回运动来完成压缩运动。其成 型过程一般分为两个阶段，送料预压阶段和压实推出阶段，而且这两个阶段是在相 互垂直的两个方向上进行的，预压是在竖直的方向上进行的，预压动作完成之后， 预压的秸秆被推到水平的成型缸内进行压实，然后推出，其压实结构如图2 5 所示。 这样的运作方式增加了很多的等待时间，造成了时间上的浪费，从而使生产率偏低。 一 青岛大学硕士学位论文 1 主压活塞冲杆2 预压活塞冲杆 3 秸秆原料4 成型筒 图2 5 传统成型机成型示意图 2 2 秸秆压实机的参数优化 秸秆压实机的优化设计就是在动力一定的情况下，通过对压实结构的优化设计 确定出压实结构的最佳参数和结构尺寸，从而提高秸秆压实的产出率。具体方法就 是借助最优化数值方法，求得最优的设计方案。首先将实际工程问题进行数学描述， 然后建立优化设计数学模型，最后利用计算机程序求得最佳的设计参数，即优化设 计参数的最优解。 2 2 1 建立数学模型 秸秆压实机的优化设计的主要目的就是提高生产率，因此，我们优化的目标可 以是单位时间的生产量最大，也可以是生产一定质量的秸秆所用的时间最小。我们 以生产一定质量的秸秆成品所用的时间最小为优化目标，以恒定的动力为约束条件 进行优化。 旋转式秸秆压实机的送料预压、压实和推出三个阶段同时进行，所以只有当最 慢的那个动作完成之后，成型缸才能进行旋转。因此秸秆压实机的成型周期取决于 最慢的工作阶段。优化目标函数即为： f ( t ) = m i n ( m a x ( t l ，t 2 ，t 3 ) ) 2 1 式中，t l 一进料预压阶段所用的时间，s ；卜压实阶段所用的时间，s ；f 广推出阶段 所用的时间，s 。 由于秸秆具有很高的压实比，预压阶段压缩位移较大，我们把预压装置分为两 部分，上半部分为预压筒，与输送装置连在一起，上半部分的长度即为预压位移， 预压后秸秆压块的长度即为预压缸下半部分的长度，也定为三个压缩缸的长度。这 样能减少压缩缸的长度，从而减少了压缩和推出阶段所用的时间。 1 2 第二章旋转式秸秆压实机的设计方法及参数计算 旋转式秸秆压实机是液压系统驱动的，功率一定，如何将给定的动力通过参数 优化分配给三个阶段，从而使秸秆压实所用的时间最小，这就是本章所要解决的问 题。把压缩冲杆进行预压、压实、推出的阶段定为工作阶段，把压缩冲杆后退的阶 段规定为非工作阶段。由秸秆压实机的总体结构可以看出，预压筒和输送装置相连， 预压完成后，压缩棒无需后退，压缩缸也可以旋转。因此，我们把预压筒的长度、 压缩缸的高度以及压缩缸中锥形部分的长度这三个参数以及三个动作工作阶段所需 的三个功率，以及压实棒和推出棒非工作阶段后退所需的二个功率这八个量作为自 变量。对各个阶段所需的时间进行求解，列出方程如下： 阡 珑00 0 l ) 2 2 1 0 00 瑶删谢! o o l r oo o 1 t o ：；矧 式中，f l 一预压筒的长度，i l l _ r f l ； z 卜成型缸上部锥形的高度，n l m ； 如一成型缸的高度，m l t l ； 毋l 一第f 个液压缸无杆腔的内径，m m ； d 沪第f 个液压缸有杆腔的内径，m l l l ； b l 一第i 个阶段工作阶段的压强，p a ； 尸；广第f 个阶段非工作阶段的压强，p a ； m i 一第f 个阶段工作阶段的功率，w ； 肛第f 个阶段非工作阶段的功率，w 。( f = 1 ，2 ，3 ) 由以上公式可以看出，压实时间和推出时间都是由进给和后退两部分组成的， 只有压实棒退出成型缸后，成型缸才能旋转，而预压时，预压棒只需运行到成型缸 的顶端即可，无需后退，成型缸也可以旋转，因此预压时间只包括预压进给时间。 旋转式秸秆成型机的生产周期为乃 t = 3 ( m i n ( m a x ( t l ，t 2 ，t 3 ) ) + f ) 2 3 t 式中，t 为旋转时间，s 。 为了优化简单方便，进一步把优化目标函数变形为 i n i n ( 去( 一o ) 2 ) ， 2 - 4 式中，i = 1 ，2 ，3 ；歹= 1 ，2 ，3 。 根据北京林业大学回彩娟等人对生物质燃料常温高压致密成型技术及成型机理 研究可知，玉米秸秆的压缩比一般在7 9 5 - 8 7 4 之间【1 8 】，本课题取压缩比为8 。本 课题研究的秸秆成品直径约为l o o m m 左右，长度为8 0 m m 左右。因此这三个成型缸 青岛大学硕士学位论文 的直径也是1 0 0 r a m 。由于预压阶段秸秆松散，压缩位移较大，预压筒的长度即为预 压的位移，压实阶段压缩位移较小，其位移即为压缩缸中锥形部分的高度，压缩缸 的长度即为锥形高度和成型棒的长度和。设旋转式秸秆成型机的电机功率为3 2k w ， 目标函数为