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王述洋，崔金磊
(東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150040)
摘要：通過對生物質平模成型機工作原理介紹以及壓輥運動分析，得出壓輥產生滑動的原因，并提出壓輥改進設計；通過對錐輥的特性分析，得出使壓輥產生最大擠壓力應滿足的條件。認為直壓輥的滑動作用可以增加生物質的壓縮行程，有利于物料的成型。錐輥數學模型的建立，有助于平模成型機相關尺寸的確定，提高其性能和效率。該研究為今后平模成型機的優化設計提供了理論支持。
隨著全球石油、煤炭等一次性能源的枯竭，人們居住環境污染問題日益突出，能源、環保等問題得到人們的強烈關注。近年來，發展低碳型、環境友好型、可持續型經濟已經勢在必行。
作為傳統農業大國，我國有豐富的生物質資源。截至2010年底，農村剩余秸稈量每年達到7.26×109t，相當于3×109t標準煤，減去工業生產、還田、顆粒飼料加工以及生活燃燒部分，還有2.5×109t左右。林業廢棄物每年可達到3700萬hm2。
為了避免資源的浪費，更好地保護環境以及緩解能源危機，生物質成型顆粒燃料得到了廣泛的應用。生物質顆粒平模成型機以其結構簡單，制造、安裝和維護方便且造價低廉，同時對物料粉碎粒度及其含水率范圍要求大等優點，在農村個人等小規模生產中得到廣泛的應用。作為生產顆粒燃料的關鍵設備，對生物質成型機的研究、分析和優化必不可少。
1生物質顆粒平模成型機的關鍵結構與工作原理
生物質顆粒燃料平模成型機結構如圖(1)所示，由電機、減速器(差速器)、傳動主軸、物料室、壓輥、壓輥架、平模盤、成型模具等關鍵部件組成。
正常工作時，成型機的平模盤固定在機架上，電機通過皮帶連接減速器的帶輪進行減速變向，使傳動主軸得到相應的轉速；傳動主軸將動力傳給壓輥架，帶動壓輥架轉動。由于生產過程中壓輥和平模盤之間充滿生物質物料，在壓輥架轉動的過程中，壓輥和物料以及物料和平模盤之間產生摩擦力，壓輥在此摩擦力的作用下實現自傳，同時不斷將物料擠壓到成型模具中。在壓輥與平模盤強烈的擠壓作用下，物料逐漸被壓實，并隨著后續擠入物料的壓力而脫離模具。成型顆粒燃料脫離模孔后，由切刀切割成一定長度的顆粒后從出料口滾落收集。
為生產不同直徑的生物質顆粒燃料，根據具體尺寸更換相應模孔直徑的平模盤和成型模具。同時為更好地滿足生產要求，平模盤周圍要配備相應的加熱裝置，適時調節生物質原料的含水率，以保證平模成型機的生產要求。
2生物質顆粒平模成型機壓輥特性
2.2壓輥受力特性 由圖3可知，在實際生產中，壓輥與平模盤問將有一條純滾動圓周線日。在日線內側，壓輥相對轉速較快，這種超前性滑動稱作滑轉滾動；在H線外側，壓輥相對轉速較慢，這種滯后性滑動稱為滑移滾動。
2.3壓輥對生物質原料擠壓的力學分析 圖4為壓輥對生物質原料擠壓的力學分析圖，選取擠壓物料的任一點B點進行受力分析，物料受到壓輥對其施加的擠壓力N'和摩擦力F'，其大小和壓輥所受力相同，方向相反。同時在生產過程中，平模盤給物料一個水平的摩擦力Fx和豎直的支撐力Fy，整理得：
由式(5)～式(8)得，相較與純滾動，壓輥的滑轉、滑移滾動的產生就是把原有作用力重新分配，不僅使物料水平方向上受力增大，增長了物料的預壓行程，同時也增強了在豎直方向上的擠壓力，使得生物質顆粒平模成型機的平模盤厚度變薄，遠小于環模盤的厚度。因此，直壓輥所產生的滑動效應并不完全是消極的。
由于壓輥同時存在滑移滾動和滑轉滾動，這就加快了壓輥和平模盤的磨損速度。為了節約成本，設計加工時將平模加工成對稱結構，正反使用；同時將壓輥的形狀重新進行設計，改換成錐形壓輥，使壓輥在寬度范圍內線速度一致，消除滑動產生的磨損。
3生物質顆粒平模成型機壓輥改進設計及特性分析
4結論
通過對生物質顆粒燃料平模成型機的工作原理以及壓輥的特性分析(壓輥受力分析、壓輥對生物質的擠壓力學分析)，建立了壓輥受力模型。通過對壓輥的運動分析、以及改進設計和動力分析，獲知錐輥能顯著改善現有平模成型機的性能，降低壓輥與平模盤的磨損，極大地提高其壽命與效益。
(1)由于壓輥和生物質問產生滑動，產生摩擦力，使兩者間產生剪切作用，能夠對粗纖維含量較大物料進行更好地揉搓、壓縮成型，極大地提高了成型產品的質量。
(2)由于滑轉滾動區和滑移滾動區的引入，使得錐輥對物料在豎直和水平方向的壓縮行程增加，大大減少了平模盤的厚度，節約制造、加工成本。
(3)忽略壓輥與平模盤間的靜摩擦力和滾動摩擦阻力矩的影響，當0滿足公式(16)和公式(18)時，此時的錐輥產生的擠壓力最大，這就為不同參數的錐輥平模成型機提供了設計理論，以便更好地進行優化設計。 |
