梁昱，周立迎，黃昊曼，姚固文

(貴陽學(xué)院機電系，貴陽550005)

　　摘要：以玉米秸稈和稻稈為原料，進(jìn)行了平模機制備生物質(zhì)成型燃料的試驗，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有設(shè)備的缺點和不足，提出了活動模具和新型料倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計。活動模具具有可延長平模使用壽命、節(jié)約成本、更換方便、省力省時以及通用性強，還可應(yīng)用于試驗研究；新型料倉便于人工控制喂人量和均勻喂料，減少料倉散發(fā)的粉塵量。結(jié)構(gòu)改進(jìn)為關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步研究提供了可行的方法。

　　0引言

　　生物質(zhì)成型燃料是將生物質(zhì)原料經(jīng)過粉碎和調(diào)質(zhì)等處理，在高壓和一定的溫度下壓縮成顆粒狀、棒狀或柱狀，且質(zhì)地堅實的成型物。其特點是密度大、便于貯存和運輸，與煤相比，揮發(fā)分和含氧量高，灰分和含碳量小，熱值略低，但卻容易引燃，且燃燒時需氧量少，燃燒性能好。生物質(zhì)的含硫量小于0.2％，燃燒時對環(huán)境的污染比煤小。

　　生物質(zhì)成型燃料在廣大的農(nóng)村有很好的應(yīng)用前景。當(dāng)前的主要農(nóng)作物秸稈除還田外主要通過焚燒、丟棄、沼氣池利用等方式處理，但多為焚燒和丟棄，因此對生物質(zhì)能源的能量利用率很低且污染嚴(yán)重。將生物質(zhì)能源加工為固體成型燃料，通過農(nóng)戶一物料回收一加工一運輸一民用的方式，加工出的固體成型燃料，可替代煤炭成為農(nóng)戶的主要燃料，也可供給城市居民和小商販作為燃料，取代塊煤和蜂窩煤，減少煤炭資源的消耗，改善空氣質(zhì)量。同時還可與秸稈還田、飼料生產(chǎn)等其他技術(shù)一起應(yīng)用，既可以減少焚燒生物質(zhì)造成的污染，又能夠提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出，增加農(nóng)民收入。

　　當(dāng)前市場上出現(xiàn)的小型平模生物質(zhì)燃料成型機，適合小規(guī)模生產(chǎn)，設(shè)備便于移動，可用電力或柴油機帶動，較為適合秸稈資源分散、收集與運輸不便的丘陵和山地地區(qū)采用。但從市場調(diào)查和反饋的情況看，其連續(xù)作業(yè)的效果并不太理想。項目組進(jìn)行來了平模機制備生物質(zhì)成型燃料的試驗研究，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有設(shè)備的缺點和不足，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)和關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步研究提出了相應(yīng)的措施。

　　1設(shè)計原理及要求

　　1.1原型機數(shù)據(jù)與工作基本原理

　　平模生物質(zhì)燃料成型機結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)調(diào)節(jié)，物料靠重力下落喂人，機器制造成本較低，運行費用少，適合小規(guī)模生產(chǎn)，設(shè)備便于移動，可用電力或柴油機帶動。其基本參數(shù)為：

　　外形尺寸/mm：2000×900×1800

　　電機功率/kW：30

　　產(chǎn)量/t·h^-1：0.5—1.2

　　質(zhì)量/kg：1500

　　原料長度/mm：0～30

　　含水率/％：15～30

　　成品規(guī)格/mm：∅33圓柱體

　　成品密度/g·cm^-3：0.9～1.4

　　平模厚度90mm，模孔數(shù)30個，模孔直徑33mm，平模固定。輥輪表面有齒形防滑槽，為槽輪型，直徑170mm，數(shù)量2個，對稱布置，硬度低于平模。輥輪為旋轉(zhuǎn)部件，輥輪與平模模孔的間隙為1～2mm，試驗時調(diào)整為1mm。平模周向圓柱面配置一個電熱圈，功率2kW。

　　工作中，在輥輪的作用下，原料被分配到平模和兩個輥輪的工作表面上；立軸帶動輥輪架和輥輪轉(zhuǎn)動時，輥輪在原料的摩擦作用下可自轉(zhuǎn)，輥輪與平模的切點處產(chǎn)生巨大的擠壓力，原料被壓縮并被擠入模孔內(nèi)，克服模孔壁的阻力，逐漸前進(jìn)和壓實；模孔中的物料在轉(zhuǎn)一周的過程中，要被擠壓兩次。

　　1.2原設(shè)備的不足與改進(jìn)設(shè)計的要求

　　試驗以玉米秸稈和稻稈為原料，分析了含水率、原料粒度、喂入量對成型率、成型密度、生產(chǎn)率及能耗的影響，設(shè)備結(jié)構(gòu)及加工關(guān)鍵技術(shù)有待改進(jìn)和進(jìn)一步研究(具體試驗過程和研究將另文討論)。設(shè)備的不足及有待改進(jìn)和深入研究的關(guān)鍵技術(shù)問題如下：

　　1)該設(shè)備的可靠性不高，加工過程不穩(wěn)定；未清理的余料易造成下次加工時堵模；電機與減速器聯(lián)接螺栓、成型機座與料倉的聯(lián)接螺栓、調(diào)隙螺栓常有松動；電熱圈貼附不嚴(yán)；輥輪架與平模之間密封易損壞，若大量粉料陷入，將卡死運動副，使得無法啟動。

　　2)適合加工的含水率范圍很窄，控制含水率是掌握平模機使用的關(guān)鍵，而生產(chǎn)過程中含水率范圍與均勻程度很難控制。

　　3)模孔長徑比的研究，包括模孔直徑、人口錐度的長度和角度。

　　4)平模與輥輪之間間隙的研究。

　　5)喂入量控制及均勻喂料的方法。

　　6)原料預(yù)處理工藝。

　　7)傳動件受力分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

　　8)操縱、維修的簡便性措施與工作環(huán)境的改善。

　　2主要結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　　2.1將平模改進(jìn)為活動模具

　　活動模具可用于模孔長徑比、平模與輥輪間隙的研究，且維修簡便，可延長模具壽命。

　　2.1.1模孔長徑比應(yīng)擇優(yōu)選取

　　模孔長徑比是指模孔的有效長度和模孔的最小直徑的比值，它是反映成型顆粒擠壓強度的一個指標(biāo)。模孔長徑比大，其形成的顆粒密度大，表面光潔，擠出的成型顆粒結(jié)實，物理品質(zhì)高，但生產(chǎn)效率會有所下降，能耗增加。反之，會造成產(chǎn)品不夠結(jié)實，外觀松散，成型率低。但模孔長徑比過大，會使得環(huán)模出料困難，甚至造成塞機。另外，選用稍低的模孔長徑比，對于增加產(chǎn)量、降低能耗和減輕磨損等有利。

　　模孔長徑比的選擇與生物質(zhì)原料、目標(biāo)成型率、原料粒度、含水率、生產(chǎn)率和目標(biāo)成型密度等有關(guān)，需進(jìn)行大量的實驗才能擇優(yōu)選取。

　　2.1.2長徑比大量試驗研究存在的問題

　　在模孔直徑確定的情況下，改變長徑比需改變模孔的長度，也就是平模的厚度；在平模厚度確定的情況下，改變長徑比是改變模孔的直徑。

　　選用不同的長徑比，需更換模具。若是平模厚度

　　一定，則需更換不同模孔直徑的平模；若是模孔直徑一定，則更換的模具厚度發(fā)生變化，以至于輥輪架的安裝高度變化，需相應(yīng)更換主軸，還需考慮料倉空間是否限制，并且拆換主軸耗時耗力。

　　模孔采用不同長度和角度的人口錐度，也需要更換模具。由于平模機最優(yōu)加工工況受生物質(zhì)原料的物性參數(shù)的影響很大，因此在每次更換模具后，很可能由于生物質(zhì)原料物性參數(shù)變動的影響，而無法真實反映出結(jié)構(gòu)改進(jìn)的優(yōu)劣。

　　2.1.3活動模具

　　活動模具一般采用的整體式平模分為固定支撐模和活動孔模：固定支撐模上設(shè)有若干支撐孔，活動孔模可嵌入支撐孔中和支撐模一起構(gòu)成整個模具，如圖1所示；活動模具支撐模周向上設(shè)有若干臺階狀支撐孔，如圖2所示；活動模具的活動孔模示意圖如圖3所示；活動模具結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

　　活動孔模是設(shè)有臺階的圓柱體，外形直徑固定，中間可設(shè)置1個或若干個模孔，可采用不同的孔截面形狀和尺寸；可采用不同的長度，其總長可小于支撐模高度，也可大于支撐模高度；可以采用不同角度和長度的錐角；臺階以上的長度尺寸也可以不同，見圖3和圖4所示。

　　根據(jù)物料的性質(zhì)或生產(chǎn)要求，采用不同模孔截面形狀、直徑、個數(shù)和總長等不同結(jié)構(gòu)尺寸的活動孔模。

　　2.2改進(jìn)料倉設(shè)計，控制喂入量和均勻喂料

　　2.2.1喂料在時間和空間上的不均勻

　　對于小型生物質(zhì)成型設(shè)備而言，采用人工喂料可以節(jié)省傳輸帶能耗，即便采用傳輸帶自動喂料，也是由加工人員將物料添加到傳輸帶上，再由傳輸帶送入料倉，兩種喂料方式都很難避免兩個問題。

　　2.2.1.1時間上的不均勻

　　上料時斷時續(xù)不均勻，特別是人工喂料，如用鏟子，則是一鏟子、一鏟子的喂料，用簸箕，則是一簸箕、一簸箕的喂料；如是傳輸帶上料，人員往傳輸帶上添料的時候也會有這種現(xiàn)象。如此，料倉中一會料多，一會料少，設(shè)備工況不穩(wěn)定，對成型質(zhì)量也有影響，如不能保證合適的喂人量，過少則降低了生產(chǎn)率，過多則有可能造成堵機。

　　2.2.1.2空間上的不均勻

　　喂人的料在模輥的作用下不斷被壓人模孔成型，但喂人的物料不一定均分分配到模盤的各個位置，原料落下的模孔得到的物料多，造成各個模孔的工作狀態(tài)不一致，這也影響了成型質(zhì)量。

　　2.2.2改進(jìn)料倉

　　圖5為新型料倉結(jié)構(gòu)示意圖，圖6為分料盤結(jié)構(gòu)示意圖。

　　針對料倉進(jìn)行改進(jìn)，將料倉分為加工倉和添料倉，加工倉用鋼板制成，與機身聯(lián)接，添料倉采用塑料制成，與加工倉之間用橡膠減振，通過螺栓聯(lián)接。分料盤傳動桿與輥輪架聯(lián)接，隨輥輪架一起轉(zhuǎn)動，從而帶動分料盤轉(zhuǎn)動。分料盤上布置有條形磁鐵。

　　加工過程中，將物料加入添料倉，在重力作用下，物料經(jīng)人料口落人加工倉內(nèi)的分料盤上。隨著分料盤的轉(zhuǎn)動及條形磁鐵的帶動，同時在離心力的作用下原料被均勻分布到周向，從分料盤上落人到模具上，由輥輪攫取加工為成型燃料。

　　3結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的優(yōu)點與進(jìn)一步試驗設(shè)想

　　3.1維修簡便，延長模具壽命

　　1)由于采用了活動孔模，當(dāng)某個孔模磨損嚴(yán)重需要更換時，只需從支撐孔底端向上推出或輕輕敲打出活動孔模，從支撐模的上端取出后更換即可，不需更換整個平模。

　　2)在堵機時，可將堵死的孔模取出換上可用的孔模，不耽誤生產(chǎn)，再將取出的孔模利用臺鉆輕松的將堵塞的物料清除后備用。

　　3.2新料倉的作用

　　1)由人料口長度、截面尺寸及形狀控制喂人量。加工過程中，只需工作人員不斷地往添料倉內(nèi)補充物料，保證添料倉內(nèi)的物料處于一定的高度范圍，在重力及振動的作用下，添料倉內(nèi)的物料會落人加工倉中，而落人的流量則由入料口長度、截面尺寸及形狀控制。具體尺寸設(shè)計，需根據(jù)不同原料物性參數(shù)，經(jīng)試驗測定。

　　2)由分料盤實現(xiàn)周向均勻喂料。分料盤通過分料盤傳動桿由輥輪架帶動一起旋轉(zhuǎn)，隨著分料盤的轉(zhuǎn)動及條形磁鐵的帶動，同時在離心力的作用下原料被均勻分布到周向，實現(xiàn)均勻喂料。

　　3)分料盤上布置的條形磁鐵，還能將之前未清除的含有原磁體的金屬材料吸住，避免硬度較高的鐵及其合金進(jìn)入加工倉。

　　4)由于添料倉內(nèi)物料的阻擋，加工倉內(nèi)的粉塵不會從料倉中散發(fā)出來，減小了加工環(huán)境中的粉塵量。

　　3.3長徑比研究

　　1)在模孔直徑確定的情況下，改變長徑比需改變模孔的長度，采用不同長度的活動孔模即可；在平模厚度確定的情況下，改變長徑比是改變模孔的直徑，采用孔徑不同的活動孔模即可。

　　2)選用不同的長徑比，無需更換支撐模，只需更換活動孔模，每個孔模可很方便地從支撐模的支撐孔底面向上推出，更換省時且方便，無需拆卸成型設(shè)備任何其他構(gòu)件。

　　3)模孔采用不同長度和角度的人口錐度，只需更換活動孔模。

　　4)由于平模機最優(yōu)加工工況受生物質(zhì)原料的物性參數(shù)的影響很大，因此只要在支撐模上安裝不同直徑、不同長徑比以及不同錐度的活動模，一次加工過程中，在生物質(zhì)原料物性參數(shù)相同的情況下就可對比不同結(jié)構(gòu)對成型效果的影響，研究分析出結(jié)構(gòu)改進(jìn)的優(yōu)劣。

　　3.4模輥間隙研究

　　輥輪與平模模孔之間的間隙對各成型指標(biāo)也有一定的影響。一般認(rèn)為：在一定范圍內(nèi)增大平模壓輥的間隙，能夠增大成型燃料密度，提升物理品質(zhì)和成型率，但會使生產(chǎn)率下降，能耗上升；較小的間隙物料容易被攫人，生產(chǎn)率高，能耗低。

　　對于不同物性參數(shù)的生物質(zhì)原料，應(yīng)有一個較優(yōu)的模輥間隙。通常采用調(diào)隙螺栓或更換輥輪架安裝墊片的方法，這種方法仍然存在拆裝不便，調(diào)整不易測量。

　　1)采用活動模具，可將活動孔模的上表面到支撐模的上表面設(shè)置為不同的高度差，不用調(diào)整支撐模、輥輪架的裝配關(guān)系。

　　2)只需采用活動孔模與支撐模上表面各種高度差的活動孔模，在一次加工中就能對比出不同模輥間隙對成型燃料物理品質(zhì)及成型率的影響。

　　3)先后采用同一種表面高度差的活動孔模，可對比不同間隙對能耗及生產(chǎn)率的影響。

　　4結(jié)論

　　通過試驗研究，發(fā)現(xiàn)了原設(shè)備存在的缺點和不足，提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步研究的措施。

　　1)原設(shè)備的可靠性不高，加工過程不穩(wěn)定，適合加工的含水率范圍很窄。

　　2)采用活動模具，可解決模具磨損較快和更換整個平模成本高的問題，可解決堵模后停機清理模孔耗時費力和耽誤生產(chǎn)的問題。

　　3)采用活動模具，為開展長徑比的研究、不同孔徑的研究、不同模孔入口錐度和模輥間隙等問題提供了較好的試驗方法。

　　4)采用新型料倉可便于人工喂料控制喂人量和均勻喂料，且減少料倉向環(huán)境散發(fā)的粉塵量。

　　5)經(jīng)過試驗，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，今后可繼續(xù)在以下方面進(jìn)行深入研究：針對長徑比、人口錐度的長度和角度及模輥間隙對各成型指標(biāo)的影響；研究堆腐發(fā)酵或制備有機添加劑的工藝、喂入量的調(diào)節(jié)和控制、傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、裝配以及效率的優(yōu)化設(shè)計；外觀結(jié)構(gòu)的人性化設(shè)計等。