用于生物质燃料挤压成型机的锥形双螺杆设计.pdf

6 陕西科技大学学报 Dec 2010 72 JOURNAL OF SHAANXI UNIVERSIT Y OF SCIENCE 生物质燃料 挤压机 中图法分类号 T G375 23 文献标识码 A 0 前 言 长期以来 石油 天然气 煤炭等化石燃料一直是人类消耗的主要能源 但是 由于煤 石油和天然气等 矿物资源是不可再生的 这些资源是有限的 正面临着逐渐枯竭的危险 因此它们不是人类所能长久依赖 的理想资源 开发利用生物质能可以明显缓解环境危机和能源危机 但是 我国生物质致密成型技术和炭 化技术的研究 开发起步较晚 燃料挤压成型机是指以农村的玉米秸秆 小麦秸秆 稻草 稻壳等废弃的农作物为原料 经过粉碎后加 热 加压 无需添加任何添加剂和粘结剂 生产成型秸秆燃料 生物质固态燃料成型常用到的技术有螺旋挤 压 活塞压缩两种热压成型技术和辊压成型这一种冷压成型技术 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 双螺杆挤压机较单螺杆挤压机具有许多优点 双螺杆挤压机的表观传送角是单螺杆挤压机的 3 倍 这 使得双螺杆挤压机比单螺杆挤压机输送物料的能力大 双螺杆挤压机靠正位移原理输送物料 不可能有压 力回流 所以加料容易 双螺杆挤压机螺纹槽中剪切率均匀 滞留时间分布较窄及混合度增加 使加工的均 匀性提高 较单螺杆挤压机的热交换能力大得多 双螺杆挤压机有较好的排气性能 有利于产品质量的稳 定 还具有自清理功能 可避免发生降解 1 双螺杆的分类 双螺杆的分类很多 可以从不同的角度进行分类 1 按螺杆旋转方向 分为同向旋转型 异向旋转型 其中异向旋转又分为向内旋转和向外旋转两种 2 按螺杆中心线平行与否 分为圆柱形双螺杆 锥形双螺 杆 3 按螺杆啮合的相对位置 分为啮合型 非啮合型 其中啮合型按其啮合的程度分为全啮合和部分啮 合 下面对这几种形式的挤出机的应用场合作比较 确定合适的螺杆类型 同向旋转双螺杆挤出机 一般多是圆柱形的 螺杆转速较高 原料在啮合型同向旋转的螺槽中成 字形螺旋流动 改变了料流方向 促进了物料的混合和均化 但是 其正位移输送能力差 输送物料效率低 收稿日期 2010 10 24 作者简介 李艳妮 1987 女 陕西省渝林市人 在读硕士生 研究方向 数字化样机 第 6 期李艳妮等 用于生物质燃料挤压成型机的锥形双螺杆设计 熔料压力较小 而且压力的稳定性也较差 所以很少用这类挤出机成型制品 主要用于挤出造粒 不过其具 有很好的自清理效果 异向旋转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 且转速低 可防止 压 延效应 的产生 长径比的可塑性是平行双螺杆的优势 它可根据成型条件的差异 增大和减小长径比以适 应原料加工工艺要求 可以扩展平行双螺杆的适用范围 但这点锥形双螺杆挤出机是难以做到的 异向旋转锥形双螺杆挤压机 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出机的一大特点 这是平行双螺杆挤出机无法比拟的 异 向锥形双螺杆挤压机具有广泛的加工范围 加料段的螺杆直径较大 可对物料进行连续的压缩 尤其适合 于比较蓬松的 堆积密度较低的生物质材料 挤出段的直径小 剪切力小 有利于保持植物纤维的完整性 当锥形螺杆直径大于 80 mm 时 一般多改用圆柱形双螺杆 因为锥形螺杆制造难度大 综合以上对几种双螺杆挤压机应用特点的分析 最终确定为异向锥形双螺杆 虽然制造成本高 但是 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 足以保证制品的密度和强度 2 锥双螺杆的类型和主要参数的确定 异向锥形双螺杆挤出机自 1967 年问世以来 其螺杆基本结构先后经历了 3 种型式 普通型 CM 双 锥形 CMS 高效 超 双锥形 CMT CM 型目前已基本淘汰 CMT 的螺杆长度比 CMS 长 这样可以加 大加料段的加热面积 使物料更好地吸收热量 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 CMT 型可以有效提高挤出量 达到提高生产效率的目的 所以 确定锥螺杆的类型 为高效双锥形 图 1 产量 Q 与螺杆小端直径 D小的 关系曲线 2 1 小端直径的确定 锥形双螺杆挤出机的螺杆小端外直径为 25 92 mm 根据我 国挤出机的螺杆直径标准规定 挤出机螺杆直径应按标准选取 通 过大量数据统计得出产量 Q 与螺杆小端直径 D小的关系如图 1 所 示 1 为获得较高的产量 初步确定螺杆小端直径 D小为 60 mm 2 2 长径比 L Dm 螺杆的长径比是代表挤出机性能的一个主要参数 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 Dm之 比 即 L Dm 其值一般为 12 15 要使机器达到高的挤出速率 挤压机的机型不可能太小 而为了使物料达到稳定的高速挤出 物料在 机筒中必须有一定的停留时间 因此须加大螺杆的长径比 最终确定双螺杆的长径比 L Dm为 15 2 3 大端直径 Dmax的确定 确定了螺杆的长径比之后 根据式 1 来计算锥螺杆大端的直径 L D L Dmin Dmax 2 15 1 计算得出 D 130 mm 2 4 内锥角 和外锥角 中心线锥角 c 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 由于螺 杆的两个锥角是不同的 故称之为双锥形螺杆 外锥角根据螺纹大小端直径和有效长度 L 计算 外锥角 arctan Dmax Dmin 2 L arctan0 025 1 45 2 锥形双螺杆的内锥角 和 通常分别为 1 2 选取内锥角 为 1 25 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 即在一条直线上 因而与水 73 陕西科技大学学报第 28 卷 平线的夹角相等 有 c c c 2 3 由此可以得到中心线锥角为 1 3 2 5 螺棱断面 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 如图 2 所示 图 2 矩形形式螺杆应力变化梯度最 大 在螺槽与螺棱的交接处应力值达 到最大 螺杆承载能力最差 锯齿形 次之 梯形承载能力最好 增加过渡 圆角后螺槽与螺棱交界处的应力明 显降低 但不能一味地加大过渡圆 角 根据相关资料得知 当圆角半径 大于 5 mm 时 随着半径的增大 螺 杆最大应力变化不大 但从加工工艺和螺槽截面积两方面综合考虑 圆角半径一般为 4 6 mm 时结构较 为合理 考虑到秸秆的流动性不是很好 本文设计确定的螺棱断面为梯形 过度圆角为 6 mm 2 6 螺纹升角的确定 实验证明 对于单螺杆 物料形状不同对螺纹的螺纹升角要求也不一样 30 左右适用于粉料 17 左右适于圆柱料 15 左右适于方块料 双螺杆的螺纹升角比单螺杆的螺纹升角要小些 一般在 15 左右 考 虑到选用的螺杆为锥形双螺杆 需相互配合且不干涉 故螺纹升角确定为 13 2 7 螺杆转速 n 异向啮合双螺杆挤出机一般适合在较低速度下运转 以免在啮合区产生过大的压力 锥形双螺杆的转 速一般低于 50 r min 大型机在 35 r min 左右 中型机在 40 r min 左右 小型机为 45 80 r min 根据锥形双螺杆转速 n 与螺杆小端直径 D小的关系 可得出螺杆转速 n 与螺杆小端直径D小关系式 n 8E 05D 3 小 0 016D2小 1 239 5D小 75 772 41 822 4 根据计算结果并结合有关塑料挤出机的规格参数 最终确定锥形双螺杆的转速 n 为 42 r min 3 锥双螺杆的结构 螺杆的各个参数确定之后 可以获得如图 3所示的锥形双螺杆 图 3 锥形双螺杆 该锥形双螺杆分为 3 个功能段 加料段 排气 段和挤出段 其中各功能段的有效长度按所占的比 例确定 加料段和挤出段的螺距相等 物料经过加 料口进入料筒 随着螺杆的旋转而向前移动并逐渐 被加热 加料段主要用于输送原料 所以该段的螺 槽较深 排气段是为了使物料中的气体更好地排出 使物料可以被压得更紧密 考虑到这些因素 排气段的 螺槽宽度较大 挤出段将物料近一步压实 进入机头 进而成型为管状秸秆燃料 4 结束语 我国是一个农业大国 秸秆资源丰富 但是由于技术的限制 利用率很低 大部分被焚烧 严重污染了 大气环境 将锥双螺杆应用于生物质燃料挤压成型机 成型燃料 变废为宝 既减轻环境压力 也减少了能 源的浪费 将来有很大的发展空间 74 第 6 期李艳妮等 用于生物质燃料挤压成型机的锥形双螺杆设计 参 考 文 献 1 宋俊全 锥形双螺杆三维实体造型的开发研究 D 北京化工大学 2003 1 44 2 彭红灿 双螺杆应用于饲料膨化机上的探讨 J 渔业机械仪器 1990 17 85 56 58 3 葛正浩 杨立军 材料成型机械 M 北京 化学工业出版社 2007 22 50 4 王加龙 周殿明 塑料挤出工 M 北京 化学工业出版社 2006 5 刘 畅 冯达元 锥形双螺杆挤出压片机 T DE J 橡胶技术与装备 2000 26 5 73 75 6 李 坚 生物质复合材料学 M 北京 科学出版社 2008 CONICAL TWIN SCREW DESIGN APPLYING TO BIOMASS FUELS EXTRUSION MACHINE LI Yan ni GE Zheng hao HUANG Wei MA Wen jing School of Mechanical biomass fuels extrusion machine 上接第 64 页 AN EXPERIMENT AL STUDY ON TREA TMENT OF PHENOL CONT AINING W ASTEW A TER WITH THE MODIFIED FLY ASH ZHONG Yu feng XIE Si cai Department of Chenmistry and Biology Engineering Panzhihua University Panzhihua 617000 China Abstract After various modified processes the fly ash generated from coal stove of Panzhi hua Iron and Steel Group can degrade the phenol containing wastewater Experimental re sults show that after acid washing and being heated under the conditions of 350 the ad sorption and catalytic properties of fly ash from coal stove the will increase After being pre