生物质燃料成型机设计【三维SW】【6张PDF图纸+CAD制图+文档】
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生物质燃料成型机械开题报告一课题研究的意义 生物质能是一种能量巨大而且可再生的能源，在地球上每年绿色生物能量的增加量为1170亿吨。全球有近25亿人口用生物质作为燃料用于煮饭，取暖和照明等，但目前绝大数国家和地区在使用生物质燃料过程中都存在热能利用过低，耗费量大的问题。 从能源发展的长远角度来看寻求一条可持续发展的能源道路，对促进国民经济发展和环境保护都有重大意义， 用压缩成型技术,一方面解决环境保护问题,另一方面又能生产代用燃料,近年来越来越受到人们的广泛重视。该技术以连续的工艺和工厂化的生产方式将低品位的生物质转化为高品位的易储存、易运输、能量密度高的生物质棒 块 燃料和碳化棒块 状燃料,可以使成型燃料的燃烧性能得到 明显改善,热利用效率显著提高,因此成为减少二氧化碳排放、支持农业生产、保护生态环境的有效措施。 作物的重要副产品,我国目前年产秸秆量约在 7 亿吨左右,如果能够充分加工利用,可直接或间接大幅增加农民收入。每年秸秆约有 30%用作生活燃料,25%用作饲料,3%用于副业生产,6%直接还田,还有 36的秸秆未得到任何利用。这些秸秆或堆放在农民的房前屋后、地头路边,造成环境污染和火灾隐患;或被农民在田间一烧了之,造成大气污染,对人身体造成极大危害,严重影响铁路、公路、民航等正常的交通运输,给国民经济造成严重损失。天津市年产秸秆超过 300 万吨,除少部分秸秆用于还田、青贮饲料、秸秆气化、造纸等以外,其余仍被丢弃于田间或者焚烧,不仅造成了资源浪费,而且还带来了严重的环境污染问题。秸秆固化燃料机械化技术是根据农作物秸秆的结构特性,将粉碎的农作物秸秆与其他辅料按照一定的比例混合,应用压缩成型原理,压缩成体积小、密度大、热值高的燃料。经检测,固化后的秸秆燃料的热值要比直接燃烧秸秆高 20%,而且生产成本比燃煤低,因此可作为煤炭、石油等常规能源的替代品。二国内外研究现状分析1国外现状早在上世纪70年代,美国就开始研究压缩成型燃料技术,并研制了螺旋式成型机,在温度80350和压力100MPa,能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料。它的密度是1-1.2g/m,含水率为10%-12%。日本于 年代从国外引进技术后进行了改进,并发展成了日本压缩成型燃料的工业体系。70年代后期,西欧许多国家如比利时、法 国、德国等也开始重视压缩成型燃料技术的研究。法 国开始时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。德国研制的KAHI系列压粒机和压块机。亚洲除 日本外,泰国、印度、菲律宾等国从 年代开始也都先后研制成 了加粘结剂的生物质压缩成型机。生物质成型燃料燃烧设备按规模可分为：小型炉大型锅炉和热电联产锅炉；按用途与燃料品种可分为：木材炉、壁炉、颗粒燃料炉、薪柴锅炉、木片锅炉、颗粒燃料锅炉、秸秆锅炉、其它燃料锅炉；按燃烧形式可分为：片烧炉、捆烧炉、颗粒层燃炉等。这些国家生物质成型燃料燃烧设备具有加工工艺合理、专业化程度高、操作自动化程度高、热效率高、排烟污染小等优点。但相对于我国存在着价格高、使用燃料品种单一、易结渣、电耗高等缺点，不适合于引进我国。东南亚一些国家生物质成型燃料燃烧设备大多数为碳化炉与焦炭燃烧炉，直接燃用生物质成型燃料的设备较少，同时这些燃烧设备存在着加工工艺差、专业化程度低、热效率低、排烟污染严重、劳动强度大等缺点；燃烧设备还未定型，还需进一步的研究、试验与开发，这些国家生物质成型燃料锅炉也不适合于引进我国。随着全球性大气污染的进一步加剧，减少二氧化碳等有害气体净排放量已成为世界各国解决能源与环境问题的焦点。由于生物质成型燃料燃烧CO2的净排放量基本为0NOX，排放量仅为燃煤的1/5，SO2的排放量仅为燃煤的1/10，因此生物质成型燃料直接燃用是世界范围内进行生物质高效、洁净化利用的一个有效途径。我国从80年代起开始致力于生物质压缩成型技术的研究。南京林化所在“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 湖南省衡阳市粮食机械厂于1985年研制了第一台ZT-63型生物质压缩成型机,江苏省连云港东海粮食机械厂于1986年引进 了一台OBM-88棒状燃料成型机1990年前后,陕西武功轻工机械厂,河南巩 义包装设备厂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.1994年湖南农大,中国农机能源动力所分别研究出PB-1型、CYJ-35型机械冲压式成型机 1997年河南农业大学又研制出HPB-1型液压驱动活塞式成型机 2002年中南林学院也研制了相应设备。目前我国成型机生产和应用已形成了一定的的规模,热点主要集中在螺旋挤压成型机上,但存在着一些诸如成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短、电耗大、成型工艺过于简单等缺点。因此必须从技术上进一步加大研究力度、攻克难题,以利生物质压缩成型燃料技术的进一步推广应用。尽管生物质成型设备还存在着一定的问题，但生物质成型燃料有许多独特优点：(1)便于储存、运输；使用方便、卫生；燃烧效率高；(2)清洁能源，有利于环保。因此，生物质成型燃料在我国一些地区已进行批量生产，并形成研究、生产、开发的良好势头。在我国未来的能源消耗中，生物质成型燃料将占有越来越大的份额。三任务要求及实现目标的可行性分析开发生物质是将“木材加工废料、树木残枝、灌木、柴草、粮食经济作物的茎叶”进一步加工成为（利用生物质成型机）便于运输的其他工业的原料：统称可再加工分类成型的“生物质燃料棒”或“秸秆压块”。 过将秸秆包括粮食经济作物的茎叶、木材加工废料、树木残枝、灌木、柴草粉碎，送入“成型器”中，在外力作用下，压缩成需要的形状，便于储存运输，供“家庭”气化炉、气化站、取暖炉、锅炉发电作燃料使用，同时还能够用于生产制造肥料、饲料、纤维密度板、隔墙板、植物地膜、餐饮具、包装材料、育苗钵、洒精、淀粉、栽培食用菌等。压缩的密度根据用途、设备造价等情况进行综合选择。 燃料压块的标准为（厘米）：1X10、2X10、1X20、2X20、5X20、5X40、5X80、5X15X21 通过对秸秆压块成型的主要技术、工艺设备、经济效益和社会效益的分析，确定了秸秆压块成型燃料在国内进行产业化生产是可行的。秸秆压块成型燃料生产中的核心技术HPB-型液压式生物质成型机在工作原理的创新方面及配套技术和技术路线，显示了秸秆压块成型燃料的生产在技术上是可行的；每套秸秆压块成型燃料生产线具有显著的经济效益，不仅能节约大量的化石能源，又为2吨以下的燃煤锅炉提供了燃料，有广阔的应用情景；秸秆燃料块燃烧后烟气中CO、CO2、SO2、NOx等成分的排放均低于目前燃煤锅炉规定的排放标准，达到了国家的环保要求，生态环保效益明显。因此秸秆压块成型燃料的生产的在国内广大农村、城镇实行产业化是可行的。四重点研究的问题及解决思路4.1秸秆成型燃料成型机的性能稳定及关键部件快速磨损问题现在采用的螺杆式和压辊式成型机都是依靠传动部件与秸秆之间的高速相对运动来实现生物质压缩，压缩过程中磨擦产生的热将纤维、木质素软化的同时，旋转部件产生的挤压力把秸秆推入成型模，从而完成成型。生物质秸秆内Si、Ca、Cr等元素含量较高，秸秆收集过程中还会带入许多泥沙(SiO2)，这些物质的存在会加剧加工机械的磨损。对于螺杆式成型机，由于螺杆与物料始终处于高速摩擦状态，导致压缩区(高温、高压)螺纹的磨损非常严重。目前国内外的工艺技术条件尚不能从根本上解决螺杆磨损问题。螺杆的平均修复期为60h左右，因一次性投入较低，该技术目前还有不少国家在应用。解决的方法是规模化生产，批量换件维修。环模成型设备同样存在快速磨损问题。其压辊在环模内高速旋转过程中与喂入环模内的秸秆摩擦生热，温度可达200以上；同时压辊运动的分力挤压秸秆进入成型孔成型。在这样的条件下，压辊和成型孔磨损较快。目前解决快速磨损的措施有两条：一是从环模金属材料和热处理入手，改变金属材料的耐磨性能。二是从模具的结构入手，改变成型孔与压辊切线的角度，增加推入力，减少挤压力。4.2成型燃料形状的大小和松弛密度问题成型燃料形状的大小和松弛密度不仅是影响成型工艺和生产能耗的重要因素，而且对应用推广有着重要的影响。同一种秸秆原料生产的成型燃料，其形状的大小和致密度的不同，在实际应用中的效果会有不同。例如，秸秆成型燃料应用在气化发电中，当成型燃料进入流化床时，在成型燃料内部快速形成了温度梯度，成型燃料形状的大小和致密度就决定了成型燃料内达到生物质热解反应条件的速率，这对气化效果和焦油的产生都会产生影响。因此在秸秆成型燃料的生产中，应根据成型燃料的不同用途来确定其合理的形状大小和松弛密度。4.3秸秆成型燃料成型机的生产效率和能耗问题我国秸秆成型燃料成型机大多是在借鉴国外压块技术和饲料成型机的基础之上进行变型设计而生产制造的，在成型机理方面的研究还几乎是空白，这直接导致我国秸秆成型燃料成型机存在结构不合理、生产效率偏低、能耗偏高等缺陷。成型机成型能耗在生产成本中占有一定的比重，生产效率偏低、能耗过高制约了企业的生产效益。因此，有必要根据农作物秸秆的特点，通过理论分析与工艺试验来研究秸秆成型燃料成型机能耗影响因素，为提高生产效率和实现节能降耗提供依据。四工作进度第一周：写开题报告确定研究方向前二周：查找文献资料，确定设计思路及初步方案。第三、四周：合理拟定输送送装置，确定设计内容。第五周：确定传送装置的传输速度第六周-第七周：根据前期计算数值确定主要设备的选择及其相关的辅助的选择，完成相关的设计内容。根据设计的要求结合前期的的设计内容确定变速装置及其保护装置，完成设计图纸。第八周-第九周：根据设计的前期综合确定完成设计的主体部分既链板式输送装置，完成设计图纸。第十周：整理设计材料，撰写论文，答辩。六参考文献1.袁振宏,吴创之,马隆龙，等编著. 生物质能利用原理与技术M. 化学工业出版社，2005.2 张百良，王许涛，杨世关.秸秆成型燃料生产应用的关键问题探J.农业工程学报，2008,24(7).3 刘延春，等，生物质固化成型技术研究进展J. 世界林业研究，2008(4).4 刘圣勇，等，生物质致密成型燃料燃烧机理研究进展J. 安徽农业科学，2009(24).5 韩璞，李大中，刘晓伟.生物质气化发电燃气焦油脱除方法的探讨J. 可再生能源，2008(1).6 周彩荣,王海峰,李惠萍,钟贤.新型固体燃料的合成研究J. 郑州工业大学学报. 1997(01) 7 名词解释J. 浙江化工. 1959(03) 8 程序,陈恩举,王志年.一种新能源固型燃料的再生技术J. 节能. 1990(11) 毕业设计生物质燃料成型机设计说明书 学生姓名 学 号 所属学院 专 业 班 级 指导教师 日 期 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。常用的有螺旋挤压机和液压挤压成型机，环模成型机。螺旋式生物质燃料成型机相比较其它的成型机的优点是：1）生产效率高，每小时可达200kg。 2）致密程度高，成型后不易变形和散盘。 3)价格低廉，使用实惠，可更换螺旋挤压头，可以有效降低因磨损而带来的损失所以设计选型为螺旋式生物质燃料成型机。目 录绪论111生物质燃料成型机械研究的意义112 本课题研究的现状分析11.2.1国外研究现状11.2.2国内发展现状22主要部件的设计及计算221螺旋体的优化设计22.2螺旋体优化设计的数学模型及计算22.3 套筒数据的计算23关键部位的校核23.1 螺旋轴螺距23.2压缩段螺杆的锥角设23.3螺旋升角23.4螺杆强度校核24电机选择25 带的选择和带轮的确定26加热部分2结论2致 谢2绪论11生物质燃料成型机械研究的意义生物质燃料成型机械研究的意义生物质是讨论能源时常用的一个术语，是指由光合作用而产生的各种有机体。生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达21011t，含能量达31023J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的10倍。生物能是第四大能源，生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大。世界上生物质资源数量庞大，形式繁多，其中包括薪柴，农林作物，尤其是为了生产能源而种植的能源作物，农业和林业残剩物，食品加工和林产品加工的下脚料，城市固体废弃物，生活污水和水生植物等等（中国生物质资源主要是农业废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾等四个方面）。 秸秆成型技术可将各类农作物秸秆原料经过粉碎和高压成型等环节，是原来分散的没有一定形状的原料压缩成具有一定形状的原料，根据瑞典的以及欧盟的生物质颗粒分类标准，若以其中间分类值为例，则可以将生物质颗粒大致上描述为以下特性：生物质颗粒的直径一般为68毫米，长度为其直径的45倍，破碎率小于1.5%2.0%，干基含水量小于10%15%，灰分含量小于1.5%，硫含量和氯含量均小于0.07%，氮含量小于0.5%。若使用添加剂，则应为农林产物，并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值，但要求销售商应予以标注。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。生物质燃料的热值符合使用要求，在一定程度上满足了燃料的需求。从能源发展的长远角度来看寻求一条可持续发展的能源道路，对促进国民经济发展和环境保护都有重大意义，用压缩成型技术,一方面解决环境保护问题,另一方面又能生产代用燃料,近年来越来越受到人们的广泛重视。该技术以连续的工艺和工厂化的生产方式将低品位的生物质转化为高品位的易储存、易运输、能量密度高的生物质棒，块燃料和碳化棒块状燃料,可以使成型燃料的燃烧性能得到 明显改善,热利用效率显著提高,因此成为减少二氧化碳排放、支持农业生产、保护生态环境的有效措施。 12 本课题研究的现状分析1.2.1国外研究现状国外生物质燃料成型机械的研究早在上世纪 70年代,美国就开始研究压缩成型燃料技术,并研制了螺旋式成型机,在温度80350和压力100MPa,能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料。它的密度是1-1.2g/mm,含水率为10%-12%。日本于90年代从国外引进技术后进行了改进,并发展成了日本压缩成型燃料的工业体系。70年代后期,西欧许多国家如比利时、法国、德国等也开始重视压缩成型燃料技术的研究。法国开始时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。德国研制的KAHI系列压粒机和压块机。亚洲除日本外,泰国、印度、菲律宾等国从90年代开始也都先后研制成了加粘结剂的生物质压缩成型机。图1- 1 压式成型原理图1.2.2国内发展现状我国从80年代起开始致力于生物 质压缩成型技术的研究。南京林化所在“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 湖南省衡阳市粮食机械厂于1985年研制了第一台ZT-63型生物质压缩成型机,江苏省连云港东海粮食机械厂于1986年引进 了一台OBM-88棒状燃料成型机1990年前后,陕西武功轻工机械厂,河南巩 义包装设备厂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.1994年湖南农大,中国农机能源动力所分别研究出PB-1型、CYJ-35型机械冲压式成型机 1997年河南农业大学又研制出HPB-1型液压驱动活塞式成型机 2002年中南林学院也研制了相应设备。目前我国成型机生产和应用已形成了一定的的规模,热点主要集中在螺旋挤压成型机上,但存在着一些诸如成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短、电耗大、成型工艺过于简单等缺点。我国生物质固体成型技术的研究开发已有二十多年的历史，20世纪90年代主要集中在螺旋挤压成型机上，但存在着成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短、电耗大、成型工艺过于简单等缺点，因此必须从技术上进一步加大研究力度、攻克难题,以利生物质压缩成型燃料技术的进一步推广应用。导致综合生产成本较高，发展停滞不前。进入2000年以来，生物质固体成型技术得到明显的进展，成型设备的生产和应用已初步形成了一定的规模。对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析开发生物质是将“木材加工废料、树木残枝、灌木、柴草、粮食经济作物的茎叶”进一步加工成为（利用生物质成型机）便于运输的其他工业的原料：统称可再加工分类成型的“生物质燃料棒”或“秸秆压块”。 过将秸秆包括粮食经济作物的茎叶、木材加工废料、树木残枝、灌木、柴草粉碎，送入“成型器”中，在外力作用下，压缩成需要的形状，便于储存运输，供“家庭”气化炉、气化站、取暖炉、锅炉发电作燃料使用，同时还能够用于生产制造肥料、饲料、纤维密度板、隔墙板、植物地膜、餐饮具、包装材料、育苗钵、洒精、淀粉、栽培食用菌等。压缩的密度根据用途、设备造价等情况进行综合选择。 燃料压块的标准为（厘米）：1X10、2X10、1X20、2X20、5X20、5X40、5X80、5X15X21 通过对秸秆压块成型的主要技术、工艺设备、经济效益和社会效益的分析，确定了秸秆压块成型燃料在国内进行产业化生产是可行的。秸秆压块成型燃料生产中的核心技术HPB-型液压式生物质成型机在工作原理的创新方面及配套技术和技术路线，显示了秸秆压块成型燃料的生产在技术上是可行的；每套秸秆压块成型燃料生产线具有显著的经济效益，不仅能节约大量的化石能源，又为2吨以下的燃煤锅炉提供了燃料，有广阔的应用情景；秸秆燃料块燃烧后烟气中CO、CO2、SO2、NOx等成分的排放均低于目前燃煤锅炉规定的排放标准，达到了国家的环保要求，生态环保效益明显。因此秸秆压块成型燃料的生产的在国内广大农村、城镇实行产业化是可行的。螺杆挤压式成型机工作原理:生物质成型机是指把能源密度低的作物秸秆、农林废弃物压缩制成能源密度高、质地坚硬的棒状或颗粒状燃料，以便于储存和运输。成型燃料具有热值高、着火容易、含灰分低、热效率高、燃烧时清洁卫生等特点，广泛应用于工业、生活锅炉及民用燃料。螺杆挤压式生物质成型机的工作过程和工作原理口。是首先从喂料口将粉碎的物料喂人压缩室，当物料填满压缩室后，通过螺杆的旋转和挤压，在螺杆的推动下，使物料体积减少，实现成型压缩，成型燃料压缩后外径为61 mm，中孔L直径为15mm。螺杆挤压式成型机效果图如图1-1所示。图1-2成型机设计整体外观图1进料口2套筒3出料口4机架5螺杆6转动轮7机身8机架成型生物质颗粒受力分析及设计物料颗粒在输送过程中，物料的运动由于受旋转螺旋的影响，并非沿轴线作纯直线运动，而是在复合运动中沿螺旋轴作空间运动。当螺旋面的升角在展开状态时，螺旋线可用一条斜直线表示，则旋转螺旋面作用于半径为r(离螺旋轴线的距离)处的物料颗粒A上的力为Pa，由于磨擦的原因，Pa的方 向与螺旋线的法线方向偏离了角，此力可分解为切向分力Pb和法向分力Pc，如图1-3所示。物料颗粒在合力的作用下，有圆周速度移Vb。和轴向速度Vc”。，其合成速度为Va。，图1-4表示了其速度的分解；转速一定，螺距S在某一范围内物料可以得到较好的轴向输送速度，螺距过大或者过小，都会影响物料的轴向速度。螺旋输送面上任一直径上物料的轴向运动速度是相等的。则可以得出，单位长度单位面积输送面的轴向负荷仅与单位长度单位面积上物料量成正比。通过上述分析，在成型燃料生产过程中螺杆头部和成型套筒的收缩区是受力集中区，如图1.5所示，白色显示了受力强度情况。因此，往往是螺杆头部已经完全磨损，而螺杆后部(2倍“导程”之后的部分)仍然完好如初，本文通过将整体螺杆分拆为杆头和螺杆主体两部分、将成型套筒拆分为成型活套和保型套筒两部分，来提高两部分主体寿命。由于螺杆主体的应力不集中，使两者的寿命都显著增长。从而通过更换螺杆头和成型活套来达到降低生产磨损的目的，从而降低生物质成型燃料的生产成本。图1-3 物料颗粒受力分析 图1-4物料颗粒速度分析图1-5 螺旋挤压轴2主要部件的设计及计算21螺旋体的优化设计螺旋体的主要尺寸有：螺旋直径D、螺旋轴直径d、螺距S、长度L、叶片厚度t(图5)。参照原成型机螺旋体的结构参数：L=450 mm，t=6 mm，D=61mm，d=30 mm，S=25 mm，若要保证螺旋体有足够的强度、刚度，同时还要保证有足够的输送量和消耗较小的动力，则螺旋体叶片直径D、叶片螺距Js、螺旋轴直径d、长度、叶片厚度t存在一个最佳组合问题。在此优化设计中，取L=450 mm，t=6mm，以D、d、S为本机需要确定的优化设计变量，即.图2-1螺旋体结构简图2-1螺旋体结构简图由于螺杆挤压式生物质成型机工作时，有时需要经常移动，故以螺旋体的质量为目标函数。G=（V1+V2）式中V1螺旋轴体积，m2V2-螺旋面体积，m3 螺旋体材料的密度kg/m3则由此确定目标函数为 （2-1）1)刚度限制条件即限制挠度不超过许用值。不超过许用值门。螺旋体力学模型如图2-2所示。图2-2螺旋体力学模型最大挠度为 (2-2)其中 , 式中 计算系数。 E螺旋体弹性模量， I螺旋轴的转性惯矩， q均布载荷N/m整理的有相关的设计手册，可以查到许用挠度值股约束条件为 (2-3)(2)功率限制条件限定螺杆挤压式生物质成型机的电动机功率在15kW以下。螺杆挤压式生物质成型机在带载启动条件下的功率计算式为 (2-4) 式中 Q产量，本机确定产量Q=0.20t/h K电动机安全系数，K=1.2 物料与料槽的摩擦因数，取螺距与直径之比，=SD物料输送的工作长度，取=06 m进料口物料堆积压力的等效计算高度，取0=0.3 m送料筒横截面半径，取 进料口长度，取=03 m将上述参数代人并整理得可的约束条件为 (2-5)(3) 转速约束条件螺杆挤压式生物质成型机的转速与输送量密切相关。转速与输送量的关系为式中 物料充填系数，=0.5 倾斜影响系数， =0.6 物料堆积密度，=0.75整理的 为了降低物料的破碎率和成型机震动，取n360 rmin。可以得到约束条件为 (2-6)(4)抗扭强度限制条件根据螺旋轴受力条件，螺旋轴所受的最大剪应力 (2-7)其中 将N、n、的计算式代入上式，整理可得按照强度条件，此处，取=。约束条件为 (2-8)(5)边界约束条件为保证正常运送物料，螺旋直径D和螺距s应满足Dd01；07DSD；另外螺旋直径D和螺旋轴直径d不应过大，限定条件为：D035；d013。转换为优化问题的约束条件为 （2-9） （2-10） （2-11） （2-12） （2-13）2.2螺旋体优化设计的数学模型及计算由约束条件建立数学模型是一个3维9个约束的小型优化问题，采用约束随机方法计算，用本程序在航域内取初始点,搜索初始步长： ，随机方向m=500，迭代精度Z=0.00001，经过计算，计算出最优解为：将最优点进行圆整处理后得：。计算出其质量。转速r=300r/min,功率N=9.06KW，最大挠度，而原始可行方向的目标函数值为5.25kg，说明优化后提高了使用价值。2.3 套筒数据的计算成型套锥角与锥长的大小直接影响每次喂入秸秆前后的体积之比、成型压强及成型棒的密度。秸秆种类不同，所需的成型压强、成型套锥角和锥长也不相同。当成型套锥角一定时，增加成型套的锥长，或成型套锥长一定，增加成型套的锥角，成型后所得成型棒的密度都较大，所需的成型压强也较高，消耗能量也越多。生产指标中成型棒外径为61 mm，中孔直径为15mm，考虑到成型误差，保型筒内径设计为635mm；螺杆头部的锥度为14。螺杆头部和锥形套筒的间隙为，可计算锥形套筒锥度约为4.5。螺杆挤压物料的部分呈圆柱型，为防止转动过程中物料被反送，螺纹和套筒的间隙不宜过大，一般取，则物料输送部分套筒内径为67 mm。成型套筒分成了两个可以拆卸的部分，即锥形套筒和保形套筒部分，有上述数据可知，锥型套筒(活套)内部大径为68mm，小径为58 mm，锥形套筒长度为100mm。当螺杆转动时，被挤压的秸秆原料进入保型筒内，需保型一段时间以便成型，然后被再次进入保型筒前部的秸秆依次推出成为捧状。保型时问或保型筒长度越长，保证成型所需的最低成型压强越小，能耗也较小。保型时间与保型筒长度和生产率有关，当保型时间一时，生产率越高，保型筒长度应适当加长。根据设计的保型时间和挤出速度，可计算出该保型套筒的长度为250 mm。3关键部位的校核3.1 螺旋轴螺距螺距不仅决定着螺旋升角还决定着在一定填充系数下物料运行的滑移面，所以螺距的大小直接影响着物料运送过程。最大螺距应该满足下列两个条件：要考虑螺旋面与物料的摩擦系数以及速度各分量间的适当分布关系两个条件，来确定最合理的螺距尺寸。 物料颗粒在螺旋面轴向方向上的作用力为，为了使则必须满足条件。在最小半径处的螺旋升角是最大的，挤压方向的作用力最小。根据这个条件，最大的许用螺距值，由下式确定： 或 (3-1)若以（D-螺旋的外径）代入上式，得 另外，在确定最大许用螺距时，必须满足的第二个条件是建立在使物料颗粒具有最合理的速度各分量间的关系基础上的，即应使物料颗粒具有尽可能大的轴向输送速度，同时又使螺旋面上的各点轴向速度大于圆周速度。螺距的大小将影响速度各分量的分布，当螺距增加时，速度各分量的分布情况较好，但是会出现圆周速度不恰当的分布情况，相反当螺距较小时，速度各分量的分布情况较好，但是轴向输送速度却较小。 于是，根据在螺旋圆周处的的条件，。 所以，s要满足，和.两个条件。物料的摩擦系数同物料在料槽里的运动取向、运动速度、物料的尺寸、湿度以及螺旋叶片材料及表面状态有关，成型物料的摩擦系数可查阅设计手册。 通常可按下式计算螺距：s=k.D 对于标准的螺杆挤压式生物质成型机，k值一般取0.81.当成型物料流动性较差时，k0.8；当水平布置，可取k值等于0.81.综上所诉，取螺距p=s=26mm。3.2压缩段螺杆的锥角设定根据以上计算，可知:公称直径;；中径mm；小径。再设定螺杆锥形挤压部分的水平长度为70mm。设压缩段螺杆的锥角为，则有所以：本设计将压缩段螺杆与螺杆整体拆分为两个独立的部分。3.3螺旋升角五是指在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。螺杆的螺旋升角五对物料流动性影响比较大，螺旋角越小，会提高加料段的成型输送能力，螺杆的单耗减小，生产率增大。但螺旋角并不是越小越好，因为螺旋角过小，物料在机筒中停留时间变长，物料的温度升高，达到一定程度后就会出现焦料的现象，使物料的流道堵塞。所以，螺旋角在保证产品质量前提下越小越好。由图3-1可知：图3-1 螺纹升角的计算得：3.4螺杆强度校核螺杆受轴向力F及转矩T的作用，危险截面上受压应力和扭转切应力。根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度校核公式为 (3-2)式中，为螺杆螺纹小径（mm）; 为螺杆材料的需用应力（mpa）；T为螺杆所受转矩（N.m） (3-3)（1） 查表得螺杆最小需用应力（2） 螺杆所受转矩（3）说明：1）因为成型机的螺杆受力最大的部分集中在螺杆头部，所以只需校核螺杆头部的螺纹和螺杆强度即可。2）设成型机的挤出速度为，根据设计的生产速率，由公式可计算如下： 求出4电机选择(1) 由上式计算可知，成型部件需要的最佳功率为9.06kw。转速为300r/min。最大扰度，根据以上工况要求，选择三相笼型异步电机，封闭式结构，电压为380v，Y型。（2） 选择电机的容量电机所需工作功率为 （4-1）图5-1整体示意图由式（4-1） 或因此电机所需的工作功率为：由电机传至螺旋成型机够的传动总效率为 (4-2)式中：分别为带传动，轴承，齿轮传动，联轴器，成型机构的传动效率。取，（滚子轴承），（齿轮精度为8级），（联轴器），则传动总效率：所以 kw（3）确定电机的转速 已知螺杆转速为300r/min，取v带传动比i=24,以及圆柱齿轮减速器传动比i=26,则总传动比合理范围为i=424 ，故电机的转速可选范围为 在这一范围内的转速有750,1000,1500 其他的排出,综合考虑电动机传动装置的尺寸，重量，价格和带传动，减速器的传动比，选用Y160M-4电动机。表3-1 电动机的类型方案电动机型号额定功率 同步转速满载转速电动机质量参考价格最大转矩1Y160M-4111500146012324002.2该电动机的主要外型和安装尺寸如下表62：表62电动机主要外形尺寸中心高H外形尺寸L（AC/2+AD）HD地脚安装尺寸AB地脚螺栓孔直径K轴伸尺寸DE装键部位尺寸FGD160600365315245210154211012455 带的选择和带轮的确定由选用的电机型号和输出转速，确定电机转速为1460r/min，输出转速设为600r/min（1） 求计算功率查表课本13-8得，故（2） 选用v带型号根据需要选用普通v带由，查图13-15确定选用B型V带（3） 求大小带轮基,准直径查表13-9，应不小于125，现取，由式(13-9)得根据标准取（4） 验算带速v带速在525m/s范围内合适（5）求v带基准长度和中心距a 初选中心距a取750mm，符合由式得带长 对于D型带选用计算实际中心距(6) 验算小带轮包角 故选择合适(7)求v带根数z令 得传动比 =2.6查表可得单根普通v带i1时额定功率的增量由得 （）取四根带（8）求作用在带轮上的压力查表13-1得N （）作用在轴上的压力 （）（9）v带轮结构的设计带轮常用铸铁制造，有时也采用钢。铸铁带轮（HT150，HT200）允许最大圆周转速为25m/s. 小带轮采用实心轮，大轮采用幅板式，查阅设计手册可计算带轮的尺寸, 可得v带轮的轮缘宽B，轮毂直径ds和轮毂长L的尺寸，以及V带两侧的夹角。6加热部分加热部分的改进意见主要从以下几个方面： 1)在试验进行过程中，由于成型机出料速度较快，加热不及时而造成成型阻力较大的情况时有发生，由于成型密度相对较小，并没有发生俗称的“放炮”现象，但是还是有大量的烟气放出。加热功率仍然需要提高。为此，我们现在正在进行采用成型废料和筛选出的大木块等为燃料的专用加热炉，来实现对成型套筒的加热的实验。这样可以保证加热功率，并降低加热耗电成本，而且解决成型阻力的问题。2)我们是处于实验阶段，由于条件限制，我们的电源接线柱是暴露在外的，有一定危险性，所以建议以后这部分应该作好绝缘工作，以免出现危险3)实验过程中，由于机身震动较大，电源接线柱的压紧螺丝不能完全压紧，同时由于使用380V的高压，所以不时会在电源接线柱上冒出火花，所以改进时应该保证压紧螺丝完全压紧，保持接触。结论本论文主要是从一种生物质成型的新的方式来设计和研究成型机械的。众所周知，生物质成型有机械常温成型、热压成型、预热成型和成型炭化四种成型工艺。机械成型的原理也不同，有螺旋式的、液压式等不同的机械形式。通过我们的优化设计和相关试验，针对螺旋预热挤压式生物质成型机，我们得出了如下结论：1)虽然螺杆式成型机应用的最早，缺点也是显而易见的，但是其造价低的优势非常明显，在市场上的占有率是最高的。通过提高其螺杆和成型套筒的使用寿命，来提高生产率，进一步降低其生产成本，将更加适合在原有生物质成型燃料生产厂家的推广应用。2)通过对成型生物质的受力及运动分析，得出了在一定的转速下螺距s在某一范围内物料可以得到较好的轴向输送速度；在此基础上，对成型机主要零件的设计参数进行优化，得出了使螺杆挤压式生物质成型机获得最佳的工作效率的螺距S的取值范围，以及在螺杆质量最小的目标条件下的螺杆的标称直径、螺杆轴直径、螺距s的最佳配合值，对后面的机械设计部分起到了指导的作用。3)根据优化结果和新的设计思路，在结构上有所创新：将原来整体式的螺杆拆分为可以拆卸的螺杆和螺杆活头两部分；将原来一体的套筒拆分为可以拆卸的成型活套和保型套
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