秸秆作物燃料挤压成型机设计【说明书+9张CAD图纸】
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毕业设计(论文)题目 秸秆作物燃料挤压成型机设计 学 院 机电工程学院 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 成绩 2020 年6月15日郑 重 声 明本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权属于培养单位。本人签名: 日期: 摘 要能源危机日益严重,秸秆能源作为新能源的一种,其被大规模开发利用势在必行。在这种情况下,秸秆致密成型技术便显得尤为重要。但由于成型原料密度小,体积大的特点,给加工带来了极大的不便,因此为节省秸秆原材料的储运费用,便于推广,本设计在对国内外已有的成型机做了大量的调查后,完成了秸秆作物燃料挤压成型机的设计。目前,我们国家农业机械领域的发展需要各个设备耗能越少越好,总体排量较小,工作效率更高。在农业领域,农业类型的机器设备的耗能量是最为多的,所以有效的实现农业生产加工制造低碳化十分重要,本文主要从农业类型的机器设备着手。针对生物的物质能量利用,生物固体的成型作业燃料属于一个十分重要的研究方向。本文研究开发的是挤压操作对应的秸杆农作物的燃料介质让它对应成型的一种机器设备,这种机器设备是把农作物秸秆物料予以加工,将他作为其中的一类燃料介质。目前,在生产过程中不断的改造和创新,挤压操作秸秆介质的机器设备越来越完善,越来越自动化,而且其产能越来越高,减少了对自然环境的影响。从当时的设计开始之初,我查阅了很多生物质成型作业的技术资料,了解了目前国内外的一些最新相关技术信息,针对这个类型的机器设备的优势以及不足予以了分析设计,将总的设计方案以及方向进行了初步的定稿,通过简化的力学方向的模型了解了模辊结构部件的受力载荷,挤压应力载荷,以此设计各部分结构并校核。关键词:秸杆农作物的燃料介质;挤压成型机器机器设备;总体设计方案;零部件;设计IAbstractThe energy crisis is becoming more and more serious. As a kind of new energy, it is imperative for straw energy to be developed and utilized on a large scale. In this case, straw compact forming technology emissions becomes particularly important.However,due to the characteristics of small density and large volume of forming raw materials, it brings great inconvenience to the processing. Therefore, in order to save the storage and transportation cost of raw materials of straw and facilitate promotion, this design has done a lot of investigation on the existing molding machines at home and abroad, and completed the design of straw crop fuel extrusion molding machine.At present, the development of our countrys agricultural field requires the less energy consumption of each equipment, the less overall emissions, and the higher efficiency of work. In the agricultural field, the energy consumption of agricultural type of machinery and equipment is the largest, so it is very important to realize low-carbon agricultural production and processing. This paper mainly starts with agricultural machinery and equipment. In terms of biomass energy, the fuel for molding operations in biological solids is a very important research area. In this paper, a kind of machine which is used to extrude the corresponding straw fuel medium to make it shape is studied and developed. The machine is used to process the feed and takes it as a kind of fuel medium. In the production process of continuous innovation. At present, the machinery and equipment for extruding and operating Straw media are more and more perfect. At present, the molding machinery and equipment for Straw fuel media are more and more automatic, and its productivity is higher and higher, and its influence on the natural environment is also very small. From the beginning of the design at that time, we have consulted a lot of technical information about the molding operation of biological materials, and have learned some relevant technical information at home and abroad at present, in view of the advantages and disadvantages of this type of machine and equipment, the design scheme and direction of the heald are preliminary finalized, and the load on the roller structure parts is understood through a simplified mechanical direction model, the extrusion stress load, the spindle Structure Component Torque and the power are solved effectively.Key words: Straw fuel medium;extrusion molding machine and equipment;overall design; parts;designIII目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 秸秆作物燃料挤压成型机概述11.1.1 秸秆作物燃料挤压成型机的工作原理及工作性能11.2 秸秆作物燃料挤压成型机分类及发展趋势21.2.1 秸秆作物燃料挤压成型机分类21.2.2 秸秆燃料成型加工技术与装备发展趋势41.3 生物质压缩成型技术的发展历史及研究现状61.3.1 国外发展历史及研究现状61.3.2 国内发展历史及研究现状71.4 秸杆燃料概述91.5 本课题研究的目的与意义10第2章 秸秆作物燃料挤压成型机的总体方案及传动装置设计112.1 秸秆作物燃料挤压成型机总体方案的确定112.2 秸秆作物燃料挤压成型机传动装置的总体设计112.3 本章小结13第3章 秸秆作物燃料挤压成型机动力参数的、生产能力确定及传动比分配143.1 电机的选择及确定143.2 生产能力的确定153.3 传动比的计算及分配163.3.1 传动比的计算163.3.2 传动比的分配163.4 带传动的特点及应用范围163.5 本章小结17第4章 秸秆作物燃料挤压成型机动力学分析与计算184.1 模辊挤压作用的运动学分析184.2 模辊挤压作用的力学分析194.3 粒作用的简化力学模型204.4 辊轮作用力计算214.4.1 压力N在水平和垂直方向之合力214.4.2 摩擦力F在水平和垂直方向的合力214.4.3 挤压力和主轴功率的计算214.5 本章小结22第5章 秸秆作物燃料挤压成型机主要零部件的设计及校核235.1 带传动的设计及校核235.2 锥齿轮传动的设计及校核265.3 主轴的设计及校核295.3.1 轴的材料的选择305.3.2 轴的最小直径和长度的估算305.3.3 结构设计的合理性检验305.3.4 确定轴承和轴的各段直径和长度315.3.5 轴的受力简图325.3.6 按弯扭合成应力校核轴的强度335.4 平模的设计335.5 压辊的设计345.6 端盖设计345.7 本章小结35结论36参考文献37致谢39VI第1章 绪论1.1 秸秆作物燃料挤压成型机概述秸秆作物燃料物质挤压操作成型机是以农作物秸秆为原料,在适当的湿度条件下,在压缩机内进行挤压,得到生物质燃料颗粒,燃料颗粒能提高燃料的燃烧时间、燃烧效率。得到的生物质燃料不仅具有环保、热量高、高燃烧效率的特点,而且还可以作为锅炉、发电厂的燃料。它甚至可以在一些能源领域替代部分煤炭的使用,生物质燃料块也可经过炭化后转化为碳,满足人们对能源需求。这种燃料物质被加工出来后,不仅能够有效的当燃料物质,还可以被当作饲料进行使用。通过不断的社会实践和在实践中改良。目前,秸秆作物挤压成型机在各方面的功能都相对完善,它的自动化程度高、出产高、节能、使用简单。比如说,在没有电力设备的情况下,可以使用汽油、柴油机代替。它的优点就是能够很好的自动化操作,生产的作业量大,对应的开支低,对能耗的使用比较少,使用起来十分的方便,对环境不存在污染的现象1。1.1.1 秸秆作物燃料挤压成型机的工作原理及工作性能秸秆作物燃料物质挤压操作成型机器设备的组成有上料斗,压缩机器设备,此外用来出料操作的的部分机构。压缩机机器设备的内容又包含了机架结构部件,电动机结构部件,传动作业装置,挤压结构部件等。作业基本原理:即把农作物物料予以切割操作,把它们切断成长度大小仅仅50毫米的小段,或者是小于这个数字,在此之后进行干燥作业,植物介质的含水量大小需要在10%35%这个作业区间之中,此后植物介质被运输到传送带结构部件上进口结构的位置。电动机带动小带轮,依靠带传动带动大带轮,大带轮带动锥齿轮,锥齿轮带动主轴,主轴结构部件由于予以转动操作,需要碾压操作的植物介质就在压辊轮结构部件的驱动作业下面,对它物料予以冲压制作操作(采用平模与压辊轮和模孔摩擦力相互作用的原理)。农作物介质通过机器设备被冲压制作成一个特殊的模块(秸秆等物料中含有一定的纤维素和木质素,其中木质素具有增强细胞壁,起一个粘连纤维素的作用,并且木质素不溶于任何溶剂,没有熔点,但其当温度达到一定值时,木质素有软化点,能使粘连作用更强,所以在此过程中不需要添加任何的粘结剂4),过程之后再予以自然冷却操作,用袋子把秸秆物质的燃料给装箱起来。此机器是结合农作物介质的类型对它予以挤压操作的一款专业的机器设备。是根据农作物秸秆,木屑,杂草等生物质材料特性而研发的挤压成型的设备。粉碎的物料,然后将其在挤压成型机上加工,挤压成块,成品直径为32毫米,单次最多可出32个,长度无固定值,便于运输,堆积密度为0.6至1.0克/立方厘米,方便储存。 图1-1 秸秆作物燃料挤压成型机设备实体图秸秆作物燃料挤压成型机对被加工的植物的适应性强比较广: 对加工的物质原料的压缩成型要求低,长度小于50mm的物料,含水量在10%35%左右,秸秆作物燃料挤压成型机都能将其加工完成。秸秆作物燃料挤压成型机压轮自动调节,自动调节压力角度,使物料稳定受力,保证了出料成型的稳定。它的使用简单,自动化程度高,维修方便,主要零部件寿命长且消耗能源少,生产效率高。1.2 秸秆作物燃料挤压成型机分类及发展趋势1.2.1 秸秆作物燃料挤压成型机分类目前,国内外最常见的成型设备器械有三种,螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式颗粒成型机4。他们有各自的优缺点,但互相弥补了不足,如今,都被我们广泛使用。1、螺旋挤压成型机螺旋挤压式成型机利用螺杆旋转挤压物质,需要将外部加热到一定的温度,并且温度维持在150300之间,在这个温度区间能使木质素、纤维素等变软,所以在螺旋挤压式成型机旋转挤压物质时不需要添加任何的粘结剂,其中变软的纤维素就能起到粘结作用,之后物料便能被挤压成压块。由于成型过程中原料水分会汽化,水分汽化会使成型块开裂和松散,所以我们需要控制含水率在812%之间以便物料能更好的成型,由所要求成型块密度的不同,所需成型压力就会随之改变,一般把压力大约控制在490012740Pa之间。物料被挤压成型之后是直径大约在5060mm之间的形状是空心的燃料棒。螺旋挤压成型机在成型过程中螺杆磨损严重、使用寿命短、产品消耗能量多,但是它相对来说运行平稳、拥有很高的生产效率。为减少螺旋挤压成型机在成型过程中螺杆首端承磨面磨损严重的现象的发生,相对而言目前多采用喷焊钨钴合金和焊条堆焊618或碳化钨工艺,或者采用局部渗硼处理和振动堆焊等方法对螺杆成型部位进行强化处理,以此增强螺杆结构强度,减缓磨损程度,增大螺旋挤压成型机的使用寿命,故而提高螺旋挤压成型机的使用效率。如图1-2所示。图1-2 螺旋式挤压成型机构2、活塞冲压式成型机活塞冲压式成型机是通过活塞的往返运动来工作的。分为液压式机和械式两种,液压式和机械式的不同点在于驱动力的不同。液压式成型机主要是用油压汽缸工作,供给压力,压力带动压床活塞使物料成型。在生产固体燃料棒或燃料块时液压式冲压成型机是用的相对较多,液压冲压成型机得到的压缩块密度为0.81.1之间的产品。机械式成型机主要是利用飞轮储存能量。曲柄机构带动冲床活塞,活塞运动使松散的生物质成块状。其中,机械式冲压成型机相对于原料含水率要求高于液压式冲压成型机,原料含水率最高在40%左右。活塞冲压成型机通常不需要电加热,虽然其成形品的密度较低,并且容易松散,但是与螺旋挤压成形机相比,活塞冲压成型机成型部件的磨损得到了改善。即使磨损得到了改善但它的运行存在较大的振动载荷,所以导致它运行稳定性差,噪音大,润滑油油污严重。如图1-3所示。 图1-3 活塞式挤压成型机构示意图3、压辊式成型机压辊式成型机的基本工作部件是压辊和平模。其中压辊可以围绕自己的轴作旋转运动。压辊的外周围加工有一定数量的齿或者槽,齿或者槽的作用是使原料紧压,紧压后的物料就会减少打滑、分散的现象。压模有两种,一种为圆盘形另外一种为圆环形,圆盘形和圆环形压模加工都有成型孔,当物料进入压辊和压模当中时,物料在压辊的作用下被挤压进成型孔内。成型孔有固定的形状,从成型孔内压出的物料就变成成型孔的形状,最后在成型密度和压力的作用下,成型物料自然断裂而形成颗粒状成型燃料。用压辊式成型机生产颗粒成型燃料时不需要外部加热,不需要添加粘结剂,但需要原料有一定的含水率,一般在1030%之间,在这含水率之间在都能很好成型,最后成型颗粒成型燃料的密度是1.01.4。压辊式成型机一般用于秸秆废物,木料的加工。如图1-4所示。 图1-4 环模式挤压成型机构示意图环模,平模,辊模,机械,液压,螺旋类挤压成型设备性能比较,清晰描述了各种器械的适用范围以及优缺点,其中环模类的成型机器设备如今已经在市面上面进行销售,得到了较为广泛的使用。螺旋挤压类成型机在我国出现的较早,能够加工的物料范围较为广泛,有不错的适应性。目前看来,各种类型的挤压成型机都得到了不错的发展,为我国农业、机械行业的发展带来了巨大的便利。1)环模类型的压辊部件成型作业这种原材料农作物物料的含有的水分的比率1520%,粒子的度量最大的尺寸为10毫米。环模类的成型机器设备如今已经在市面上面进行销售了,生产加工的能力强,生产加工出来的东西质量也稳定,但模具部件会被弄坏的情况较多,使维修总体费用变大。应降低损坏率,减少费用。2)平模类型的压辊部件成型作业这种农作物物料的含有的水分的比率在1035% ,粒子的度量最大的为10毫米。技术上面总体的十分的成熟,如今开始在市面上进行销售,机器设备比较简单,生产开支低,生产加工的能力比较差。应扩大生产加工的总体的规模比。3)对辊类型的压辊部件成型作业这种农作物物料的含有的水分的比率1035%,粒子的度量最大的尺寸为50毫米。这类型的机器设备如今还在研发的技术层面上。能够有效的满足在很多农作物介质上面,耗费的能源少,机器设备的的费用也低,生产加工的总体水平比较低。应把生产加工的总体的水平增强,能够在规模比较小的地方进行使用。4)对辊类型的压辊部件成型作业这种农作物物料的含有的水分的比率1035%,粒子的度量最大的尺寸为50毫米。这类型的机器设备如今还在研发的技术层面上。能够有效的满足在很多农作物介质上面,耗费的能源少,机器设备的的费用也低,生产加工的总体水平比较低。应把生产加工的总体的水平增强,能够在规模比较小的地方进行使用。5)机械类型的活塞部件成型作业这种农作物物料的含有的水分的比率在20%以内,粒子的度量最大的尺寸为40毫米。目前在技术层面还没有完全达到市场上面的总体销售的条件,总体的能耗不是很高,生产加工的燃料物能够保存比较长的时间,密度大小比较的大机器设备运行不稳定,并且存在污染现象。应向规模化的基本方向予以进展。6)液压类型的活塞部件成型作业这种农作物物料的含有的水分的比率在率在12%以内,长度小于40毫米。目前仅仅处于刚刚能够具备上市的条件,成型机器设备在进行作业加工的时候工作办法变了,消耗的能量比较低。应生产水平变高,农作物湿度高,向着规模化的方向低进行发展。7)螺旋类型的热压效应成型作业这种含有的水分的比率在8%12%内,粒子的度量最大的尺寸为40毫米。技术层面目前处于商业化的阶段,总体的适应能力比较的强。应生产加工的总体规模比较的小,要扩大其生产规模。1.2.2 秸秆燃料成型加工技术与装备发展趋势进入二十一世纪,人们更加感觉到石化能源逐渐减少,不足以维持今后的生存生活,在可持续发展、保护环境和循环经济的追求中,世界开始关注可再生能源与材料的开发,由此“生物质经济”逐渐出现在人们视野当中,其中生物质产业当中的生物能源和化工产品博得了人们眼球,引起了世界的注意3。如今,世界各国都制定了相应的政策法规,都代表着在生物质成型燃料开发方面的生物质技术领域,各国将会有一场十分激烈的竞争。 生物质产业在世界上即便受到了广泛关注,但技术还是不太成熟,还很难与石油产品相提并论,因为它当前的成本与价格偏高,最显著的便是成型燃料的加工。因此,为了降低生产成本,并以降低生产成本,降低价格,获得市场为目的,就需要不断寻找技术上的创新、突破。成本问题便成为了生物质燃料领域最难攻克的难点。降低成型燃料的生产能量消耗、降低设备的使用成本,这理所当然的成为了目前生物质燃料加工所追求的最大目标。 在生物质成型技术方面,国内外都向着装备生产专业化、生产装备系列化、标准化产品和生产批量扩大化的目标前进。在我们国家,设备的实用性是我们一直关注的问题,在不断提高技术水平的同时不断降低成本,为21世纪开发生物质能提供一定的技术支持2。 1、秸秆成型加工技术的发展方向是实用性高、效率高、成本低。秸秆成型加工技术本身的实用性、效率和成本决定了它能不能在生产中生活中增加使用率。所以,在未来秸秆成型加工技术当中必须是实用、高效、低成本的。在成型加工技术中以冷成型压缩技术、平模式压缩技术为主。2、秸秆成型加工设备必须具有高度自动化。我国农作物秸秆分散广阔,如果集中在单一的加工地点,会使运输不方便,直接导致经济性差,对秸秆成型燃料加工技术的推广起了反向作用,因此秸秆加工设备应该结构简单,轻便灵活,与此同时,由于秸秆成型加工设备使用者的不同,要求秸秆成型加工设备自动化程度高,使用者除了原料供应工作之外不需要做其他工作,也能完成秸秆燃料成型的加工。秸秆成型燃料加工设备在未来的发展中,将实现秸秆成型燃料加工过程的高自动化程度和高连续化性,合理提供技术支持让我国秸秆资源得到丰富利用,我们必须为使成型产品变成高质量、高规格、高标准而不断革新。1.3 生物质压缩成型技术的发展历史及研究现状1.3.1 国外发展历史及研究现状在20世纪3050年代,为了找到更好的能源代替化石能源,英国的一家机械研究所以煤泥为原料,后加工褐煤和精煤,慢慢发展到用造纸厂的废物,不断探索新器械生产新能源。到20世纪30年代,美国研发并生产了螺旋式成型机。在相同时间,瑞典、德国研发了以锯末为原料的燃料的活塞式成型机,并且产生了不小的竞争,50年代之后,生物质压缩设备开始以油压、水压为动力,并出现了滚筒式小颗粒设备,此设备以机械为动力3。20世纪7090年代,化石能源短缺且对环境产生了巨大的影响,世界各国纷纷开始重视起来,恰逢出现能源危机,各国研发生物质压缩固化成型技术得以快速发展,现目前,许多国家生物质成型燃料技术已基本成熟,并且在发达国家已经逐渐进入了规模化生产应用。这其中的一些机具有很强的代表性,比如:比利时研制成功的T117螺旋压块机,其压块燃料的出模温度180,轴向压缩力大于686,压块的移动速度大概为17002500mm/min,耗能量4555kWh/t,压块燃料的低位热为1819.7MJ/kg,燃料成型速度快,品质高,如图1-5所示。 图1-5 T117螺旋压块机联邦德国研制的KAHT系列压粒机在当时也对世界产生了很大影响,相继成为各国成型设备模仿的对象,它可生产直径为3040mm的压缩粒,所用电机的功率为40,能耗40kWh/t,如图1-6所示。图1-6 KAHT压粒机1.3.2 国内发展历史及研究现状我国在20世纪80年代引进螺旋挤压式生物质成型机,之后开始根据其他国家生物质压缩成型技术不断改进研究4,并且取得了明显成果,如:清华大学清洁能源研究与教育中心开发出了生物质颗粒燃料冷成型技术和设备,并在北京怀柔区组织了示范项目,环境科学与工程系也有相关研究。浙江大学生物机电工程研究所能源清洁利用国家重点实验室也在生物质成型理论、成型燃料燃烧技术等方面进行了研究,研发出了一系列成型机械,且技术越来越成熟,自动化程度逐渐增加。国内部分厂家生产的成型机信息见表1-1。 表1-1我国生物质致密成型设备的主要性能指标研究单位与生产单位产品型号规格 台/年生产率kg/h电耗kwh/t江苏省连云港市东海粮食机械厂OBM-88150120120.5陕西省武功县轻功机构厂SX-7.5,1120085150100广西林市安无机械炭机械厂150120100河北正定厂宏木炭设备制造厂JD-A150120100西北农业大学能源研究室SZJ-8A8071.4江苏林产化学工业研究室HD120100辽宁省能源研究所产业基地200100110130中国农机院能源动力所SYJ-355010083.3江苏盯治国营九三五厂HD100110130102.9河南农业大学HPB-100608039.7847.920世纪90年代,生物质燃料颗粒辊模挤压成型技术开始出现,它是在颗粒饲料生产技术的基础上发展起来的了。生物质燃料颗粒辊模挤压成型技术和颗粒饲料生产技术这两种技术的不同点是纤维含量和成型密度的不同,辊式挤出成型机生产不需要加热。在1994年至1998年间,国家林业局通过“废弃物料制造颗粒燃料”的项目,成功研制出以锯末和刨花为主要原料的颗粒燃料成型机。其成型机产量在250kg/h,颗粒燃料产品直径6mm,长度815mm,颗粒密度1000kg/m以上,其热值约为20096Kj/kg,产品质量达到并超过了当时世界制定的标准。但由于技术不成熟,该成型机未能大规模被使用,由于该项目的开发,我国成型燃料技术的发展少走了很多弯路。21世纪,在国内了形成产业化的液压活塞成型机,如图1-7所示。我国在造型机的研究和应用上,在生产上有了很大的提高,主要体现在螺旋挤压成型机上,但仍存在着轴磨损严重、使用寿命短、能耗大等问题。因此,我们对这项技术的研究还有待改进。 图1-7 液压活塞成型机1.4 秸杆燃料概述1、秸秆燃料的概况秸秆燃料是一种现代清洁燃料,它是以成型新技术和专用设备为基础生产出来的,加工过程中不要任何添加剂。秸秆燃料可直接广泛用于城市传统燃煤锅炉厂,发电厂的原料。由于目前能源的短缺,地下石油、天然气和煤炭大约只能使用60年,秸秆燃料便成为了未来可再生能源的发展的目标,它的原料成本低、市场需求量非常大、利润空间十分可观3。2、秸秆燃料的热量玉米秸秆的热量大概是煤的0.70.8倍,1.25t的玉米秸秆成型燃料相当于1t煤的热量,玉米秸秆燃料在相适应的环境下燃烧,它的燃烧效率是燃煤锅炉的1.31.5倍,结合起来,玉米秸秆燃料块的热量利用率与煤的热量利用率不相上下。3、秸秆燃料燃烧后的排放的各种气体远远低于国家的排放标准。4、秸秆燃料可以直接在燃煤锅炉中燃烧:秸秆燃料是世界公认的现代化清洁燃料,通过在诸多试验表明,燃煤锅炉与成型秸秆燃料匹配度极高,无需更换锅炉。5、秸秆燃料燃烧后的废物:96%的秸秆燃料都能燃尽,剩下的4%可以回收做肥料,实现了“秸秆燃料肥料”的有效循环,成功加大了燃料废料的利用率。6、秸秆燃料的特点:秸秆成型燃料挥发性好,容易沉淀,活性较好,容易燃烧,燃烧废物少,节省燃料,大大降低了生产成本,压制后燃料体积较小约原来的三分之一,相当于相同质量的15倍,比例较大,燃烧效率高,持续燃烧时间长,储运容易,密度区间在0.91.4,热值区间在35005500大卡。7、秸秆燃料的发展趋势:能源需求不断增加、能源价格不断增加,为确保在国家发展的同时不会被能源问题所困扰。2007年9月,国家发布了可再生能源中长期发展规划这项规划提出了中国可再生能源发展的战略重点和目标秸秆燃料,所以其发展前景良好。图1-8 秸秆颗粒图1.5 课题研究的目的与意义伴随着人类社会的发展进步和资源利用需求的不断增加,我们意识到地球能够为我们提供的资源将会越来越少,这些资源自然包括那些提供我们生活的能源,这是一个我们必须特别关注的问题,否则,能源问题将带来毁灭性的灾难。因此,开发新能源是人类可持续发展的当务之急2。目前,世界上的化石燃料,煤、石油和天然气都属于不可再生的能源。不可再生能源,始终会被消耗殆尽。据不完全统计:在21世纪中,世界能源消费总量近50%的石油和天然气已经耗尽,其他常规能源将随着世界人口的迅速增长而逐渐枯竭,经济的快速发展和人民生活水平的不断提高伴随着能源的减少。中国的能源状况比世界还要糟糕。而解决这一矛盾的主要办法是“开始节流”,开辟新的能源来源,也就是说,通过增加能源供应来提高能源效率。在农耕农林生产中产生了大量的剩余农作物废料,如农田的稻草残渣,稻壳残渣,玉米芯和花生壳等等,这些农林生物资源通常十分丰富,但分布分散且密度低,不利于物料的收集、运输、储存和应用。生物固体燃料的成型工艺便能很好的解决这些问题。对于生物量资源丰富,但是石油和煤稀缺的国家,生物质能源就必须成为替代能源,才能维持国家的发展。中国生物量非常多,但作为新能源,生物量容量较低,能量密度低,体积小,储存不方便,是生物量大规模应用的主要障碍,所以研究高质量转化技术已成为生物质利用不可缺少的环节。为有效利用农林废弃物就需要不断的创新和改进燃料成型技术,世界上不少国家在这方面取得了不小成果,这对国家的发展非常有利,处于发展中国家的我们对此种机械的发展迫不容缓。43第2章 秆作物燃料挤压成型机的总体方案及传动装置设计2.1 秸秆作物燃料挤压成型机总体方案的确定秸秆作物燃料挤压成型机由机架、电动机、进料口、传动系统、压辊、平模、出料口等部分组成。需要切割农作物秸秆在50mm或小于此长度,控制的水分含量大概在1035%之间,送入原料,主轴旋转,通过压辊的转动,并且此压力下,压辊围绕主轴旋转,挤压物料,物料便从模具块孔中材被成孔状的挤压出来。总体方案:电动机带动带轮,带轮带动锥齿轮,锥齿轮带动主轴,之后经过主轴来带动压辊,压辊挤压物料于平模。本方案的特点:结构简单,维修方便。压辊与模具间径向间隙调节方便。2.2 秸秆作物燃料挤压成型机传动装置的总体设计由于本文设计的秸秆作物燃料挤压成型机承载能力和速度相对较低,不需要减速器作减速传动,根据工作要求设计了三种传动方案。3种传动方案图2-1所示: A B C图2-1 传动方案图其中:A为带传动和直齿轮传动;B为直齿轮传动;C直齿轮传动和斜齿轮传动。因为机器在工作时轴的受力不大,综合考虑,所以经过比较确定方案A为最终方案,但需要改善的是我们在本文中采用锥齿轮传动。如图2-2所展示的就是传动的简单示意图。图2-2 传动作业的基本简图2.3 本章小结本章主要确定了秸秆燃料作物挤压成型机的主要机构以及传动方案。其由机架、电动机、进料口、传动系统、压辊、平模、出料口等部分组成,选择的传动方案为带传动,锥齿轮传动。第3章 秸秆作物燃料挤压成型机动力参数的、生产能力确定及传动比分配3.1 电机的选择及确定结合本此的计要求,查阅资料,无极变速电动机使用最多的是调速变频三相异步电动机。1、YTSZ冶炼及起重运用变速三相异步电动机起重、冶炼改变速度,变速三相异步机是以改变速度变速为首要条件,根据其相关特性而被开发出来的。结合了直流交流电机优点并对调速交流变速的分析结果,要综合对变频供电和宽范围调速的匹配性能,又要展现上述二者异步电机过载能力大、强度高的优点。与调速变频很好的相匹配,主要用于采调速变频、周期运行、起动频繁和场合的制动。2、YCT电磁调速三相异步电动机改变速度电磁发电机由Y系列电机的电磁改变速度发电机、转差离和器、操控器组成,主要使用在负载为恒转矩的地方,尤其在风机和离心式水泵的负载为递减转矩当中采用、有显著功效。可以在一定的范围均匀不间断无级调速,输出转矩额定,使转速的输出恒定,前提是拥有变动的负载转矩。该电机在设计使用的过程中其技术条件全国唯一,另外安装的外形尺寸,电机的拖动及一般可能容易坏的零件在全国范围内是统一并且满足互换性的技术要求。3、YVP变频调速三相异步电动机该电机是出现不久的一种高效率、电源为交流、节约能源的一种调速三相异步电机,设计和制造是为了满足变频调速,是机械设计及其自动化过程中的可节能可无极变速的新产品。该电机是当今社会调速交流方案中相对最先进的系统之一,还可以保证电机低、高速运行并且时间还比较长。在主轴传动中的机床、冶金、塑胶、纺织等制造方面得到广泛的应用。当然了节能调速在恒定功率调速等地方也适用。电动机功率计算:根据式3-57得 (3-1)式中 效率()为主轴扭矩()主轴的转速(rpm)为算出挤压力和主轴扭矩,最初定下以下规划底数:辊轮直径,宽度,辊轮公转半径,间隙。根据表6-810得,取=45MPa,=0.2。根据式3-87得 (3-2)即;根据式3-27得 (3-3)通过计算得知,电机输出的能量主要供给给主轴,带动主轴旋转,主轴带动辊轮,还有一部分的能量用于辊轮对物料的挤压以及与物料之间的摩擦。主轴的功率为21,因而我们采用三相笼型异步电机,型号为的电压,30的功率,980的转速。3.2 生产能力的确定辊轮所压过的面积是模板上有效面积,该面积是一圆环,大小为: 式中 辊轮的公转半径,即主轴轴心至辊轮面中线的径向距离 为辊轮宽度假如只有一个辊轮压过模板上高度为的料层,并全部挤入孔中,主轴转一圈,压入孔中的物料质量为 式中 模板上有效物料面积 物料层高度 物料的密度该平模制粒机具有2个辊轮,则每小时压入孔中的物料重量为: 以一般的小麦秸秆为例,模板上有效物料面积为0.041,物料层高度为0.11 m,物料的密度5。 则每小时可生产250kg的颗粒燃料。3.3 传动比的计算及分配3.3.1 传动比的计算初步设计的主轴转速为89,又因为电机转速为980r/min。故总传动比3.2.2 传动比的分配传动比分配的时候应注意的5点要求:1、在一定范围内小于最大的允许值,根据其传动结构工作时候的特点,使其结构紧凑。2、合理的结构设计,合理拉动条件。3、尽量传动结构紧凑、结构外廓尺寸合理且重量较轻。4、大牙轮的浸油深浅尽量合理。牙轮分度圆直径尽量一致。5、传动件间正常运转,不会干涉。在本次设计中,采用两级减速传动。由于模板辊板和轧辊间隙相当小,遇到相对较硬的物料在模板中下降,需要一个比较大的挤出压力和转矩,就可能导致发动机工作量增多,负荷变大,压辊表面将会受到损伤。为了解决这一难题,第一阶段选择V型皮带减速传动,受三角带打滑的影响,传动比。电机为水平放置,主轴为垂直放置,所以第二级采用圆锥齿轮减速传动,将横向传动的变为纵向传动,传动比。3.4 带传动的特点及应用范围带传动用挠性带,皮带作为中间元件,其主要目的就是为了方便传递主、从动轮和带动轮间的轴向运动和转矩。带传动和齿轮传动比较起来,其具有更多的优点,如下所示11:1、可以使用在中心传动距离相对较大的地方;2、传动带弹性较好,在输送带产生振动时能起到减缓作用,让皮带传动平稳运行的时候没有噪声;3、结构简单,方便安装、方便维修,成本低;4、当载荷过大时,皮带会发生打滑,采用过载保护机制可以减少其它机械结构的损坏。其缺点11有:1、尺寸大,较松散;2、当定向传动运行时效率低,平带定向传动的正常传动效率在0.95,V带定向传动的传动效率在0.92;3、带的寿命在20003000h,比较短;4、当机械各个结构正常运行的时侯,由于带与带轮之间的接触面比较小,可能会存在打滑现象,打滑现象的出现会影响摩擦型带传动的传动比,导致其可能不会那么准确。大多数机械设备所采用的带传动主要是摩擦型带传动,并主要采用V带传动。这种类型的带大多数使用在传递效率不太高带速不快、传动比不高的设备中,可以使用在需求精度高而所传动的距离相对长的环境,并且在级数较多的减速装置中经常应用在速度较高的地方。3.5 本章小结本章主要选择并确定了型号为的三相笼型异步电机。设计传动轴的转速,计算传动比,再分配传动比,并确定了生产能力。第4章 秸秆作物燃料挤压成型机动力学分析与计算4.1 模辊挤压作用的运动学分析图4-1是秸秆作物燃料挤压成型机工作过程中模辊运动情况,压辊与压模的运动方向相反。压辊作平面运动,同时同压辊轴作圆周运动的时候绕轴自转,压模作绕轴转动。分散的物料在压辊和压模的共同作用下,经过挤压进入模孔,压实后成孔状挤出,受挤压力的作用自行断裂。在制作过程中,n1为压模的转速,n2为压辊的转速。压辊的运动相对于压模来说,有两种运动方式,滚动和滑动,物料成型均匀度的变化和着力点的不同决定了其滚动方式和速度。图4-1 平模制粒机模辊运动分析图当压辊轴向作用半径R0处为挤压着力点时,辊模间的相对滑动速度在压辊轴向作用半径R处为 当R=R0时,V值为零,压辊处于纯滚动状态。当RR0时,V为正值,压辊的速度等于R0处的转动速度,与纯滚动所要求的速度比压辊相对于压模转动线速度较小,由于转动线速度不足需要压辊相对于压模做一部分无转动的平移滑动。R的改变影响其速度V绝对值的改变,当R增加时V值的在减小,在R2处达到最大值,即在压模最外圈辊模间的平移滑动速度最大。当R故安全。具体结构详见下图5-6主轴:图5-6 主轴5.4 平模的设计我们需要在模上开孔以防止挤压秸秆时开裂。设计平模直径为502mm,厚度为70mm,平模上有32个模孔,模孔的孔径为32mm。具体结构详见下图5-7平模:图5-7 平模5.5 压辊的设计设计压辊直径为185mm,平模孔径为32mm,为减小摩擦,把与平模接触部分的压辊宽度设计为31mm,辊轮腹宽度为70mm。为增强压辊对物料的碾压作用,将辊轮设计为带齿槽的圆柱体,在压辊的圆周表面上有与轴线平行的条形齿,个数为29个,宽度为13mm,深度为10mm,相邻齿之间的距离为7mm。具体结构详见下图5-8压辊:图5-8 压辊5.6 端盖设计图5-9 端盖铸件结构设计时保证其工作性能和力学性能良好、铸件结构受铸造工艺和合金铸造性能的影响,需要考虑进来,铸件的质量、生产率及其成本对铸件结构设计有很大的影响。1、铸件设计的主要问题和要求箱体的设计要考虑箱体内零件位置与箱体外部零件的位置问题,还应考虑以下3点:1)强度和刚度。当箱体零件受力较大时,强度问题不可忽略;刚度是大多数箱体评定性能的主要标准,强度和刚度不仅影响零件的正常温度工作,还影响零部件的工作精度。2)散热和热变形。零件摩擦发热使润滑性能减弱,温度升高时箱体会产生热变形,会影响箱体的精度和强度。3)结构设计合理。如支点的安排、筋的布置、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高箱体的强度和刚度。4)工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、安装固定、装配调整、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。5)造型好、品质高。2、相对较少的铸件分型面数。 相对较少的铸件分型面数目,会使使砂箱数目减少、工时降低,减少错箱、偏芯几率,提高铸件精度。3、在铸件上设计结构斜度在铸件的所有垂直于分型面的非加工面上,应设计有结构斜度。5.7 本章小结本章主要为秸秆作物燃料挤压成型机主要零部件设计及校核。V带的设计校核;锥齿轮的设计校核;主轴的材料选择,轴径的计算,合理性检验,校核;平模的设计;压辊;箱体的设计。结 论本次的毕业论文课题是“秸秆作物燃料挤压操作成型机器设备设计”,在了解燃料成型机械时,深刻意识到现有能源的不足,发展新能源迫在眉睫。在我们国家有效的利用秸杆类型的农作物经过加工成一定的燃料介质后能有效的代替原有的煤炭以及石油进行对应的热量运用,不仅降低了我们对原始燃料的依赖,同时采用新式能源的模式有效的缓解了其中的压力,同时降低了环境的污染情况,所以对其相关设备的研究具有十分重要的意义。不仅了解了生物质压缩成型技术在国内外的研究进展情况,并比根据各种生物质压缩成型设备的性能基本现状,结合现有设备的一些不足,在本次的设计里进行的改进同时。1)确定了秸秆燃料作物挤压成型机的主要机构以及传动方案。其由机架、电动机、进料口、传动系统、压辊、平模、出料口等部分组成,选择的传动方案为带传动,锥齿轮传动。2)主要选择并确定了型号为的三相笼型异步电机。设计传动轴的转速,计算传动比,再分配传动比,并确定了生产能力。3)对秸秆燃料挤压成型机的模辊进行了动力学分析,力学分析,模辊作用力分析(压力、摩擦力在水平和垂直方向之合力),挤压力和主轴功率的分析。利用平模制粒机的简化力学模型对设备完成了挤压力的计算,主轴扭矩和功率的计算。4)秸秆作物燃料挤压成型机主要零部件设计及校核。V带的设计校核生产能力的确定,电动机的选择,并对所选电机参数进行校核,通过计算验证所选电机满足设计要求。平带材料选取、平带长度和带宽的确定,大小带轮的尺寸设计。圆锥齿轮的设计计算及其强度校核,根据计算验证满足设计要求。主轴材料和轴承的选择,主轴结构设计校核和轴承寿命校核,轴径的计算,合理性检验。平模的设计,压辊设计,箱体的设计。48参考文献1 刘圣勇.陈开碇,张百良.国内外生物质成型燃料及燃烧设备研究与开发现状J.可再生能源,2009:20-132.2 吴创之,庄新姝,周肇秋.生物质能利用技术发展现状分析J.中国能源,2007(7):11-81.3 陈喜龙,谭跃辉,王义强等.我国生物质颗粒燃料推广应用中存在的问题与发展对策J.可再生能源,2005:100-176.4 高增梁,方德明.立式平模挤压造粒机的设计J.浙江工学院学报, 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