金 實， 俞國勝， 陳忠加， 袁湘月， 豐 超

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

研究與設(shè)計

外嚙合柱塞式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的設(shè)計

金 實， 俞國勝*， 陳忠加， 袁湘月， 豐 超

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

結(jié)合活塞沖壓式和模輥碾壓式成型機(jī)連續(xù)出料及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，設(shè)計出一種外嚙合柱塞式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)。該成型機(jī)由電機(jī)驅(qū)動，動力經(jīng)齒輪傳輸?shù)綁狠伜铜h(huán)模上，通過壓輥和環(huán)模的嚙合運動使壓輥柱塞銷做類活塞運動將松散物料壓入到環(huán)模成型孔中。松散物料經(jīng)過持續(xù)的壓縮運動并在摩擦力、側(cè)向壓力、顆粒間結(jié)合力等綜合作用下最終被擠出成型孔形成顆粒燃料。介紹了外嚙合柱塞式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的結(jié)構(gòu)，分析了該機(jī)成型孔中物料的受力情況，并對壓輥柱塞銷進(jìn)行了壓桿穩(wěn)定校核。這種外嚙合柱塞式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)是對生物質(zhì)成型技術(shù)的一種新探索。

外嚙合；生物質(zhì)；柱塞銷；穩(wěn)定校核

1 生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的發(fā)展

生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的研究可以追溯到20世紀(jì)30年代，通過80多年的研究發(fā)展，其大致可以分為螺旋擠壓式成型機(jī)、活塞沖壓式成型機(jī)和模輥碾壓式成型機(jī)三種[1-4]。

螺旋擠壓式成型機(jī)存在螺桿等關(guān)鍵成型部件磨損嚴(yán)重且單位能耗高等缺陷；活塞沖壓式成型機(jī)明顯改善了成型部件磨損嚴(yán)重的問題，但缺點是不能連續(xù)出料，生產(chǎn)率低；模輥碾壓式成型機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、能連續(xù)出料、生產(chǎn)效率高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，但成型能耗也相應(yīng)較高。

北京林業(yè)大學(xué)承擔(dān)“十二五”科技支撐項目研制出一種柱塞式壓輥環(huán)模生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)，其結(jié)合了活塞擠壓和環(huán)模碾壓成型的方式，將普通碾壓式壓輥設(shè)計成柱塞式壓輥，通過齒輪嚙合使柱塞式壓輥上的柱塞始終與環(huán)模上的成型孔對正運動，避免了非成型區(qū)域壓輥、環(huán)模和物料間的擠壓和摩擦，其成型能耗只有傳統(tǒng)環(huán)模成型機(jī)的50%，同時成型模具的受力狀況也得到了有效緩解，減少了磨損，增加了使用壽命。

內(nèi)嚙合柱塞式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的柱塞壓輥在環(huán)模內(nèi)與環(huán)模同向旋轉(zhuǎn)，并依賴齒輪傳動保障壓輥上的柱塞與環(huán)?？讓φ龜D壓，工作原理如圖1所示，這樣不斷的嚙合運動可將物料在成型孔中擠壓成型，然后擠出成型孔[5]。其存在的問題如下：

(1)柱塞壓輥軸的安裝方式為懸臂梁式，因此要求壓輥軸具有足夠的強(qiáng)度和剛度；

(2)柱塞壓輥與環(huán)模的傳動比不能小于2.5，否則壓輥與環(huán)模軸會發(fā)生干涉；

(3)由于環(huán)模與壓輥同向轉(zhuǎn)動，若采用外嚙合齒輪傳動則必須有中間惰輪，這樣會造成環(huán)模與壓輥的中心距為定值(常數(shù))，使整機(jī)的徑向尺寸過大。

圖1 內(nèi)嚙合柱塞式顆粒燃料成型機(jī)構(gòu)工作原理

針對柱塞壓輥式內(nèi)嚙合顆粒成型機(jī)存在的上述問題，項目組研制、設(shè)計了外嚙合柱塞壓輥式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)，如圖2所示。其整體結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、傳動裝置、成型裝置組成。其中，傳動裝置包括減速器、主軸、大齒輪、小齒輪和從動軸；成型裝置主要包括環(huán)模組件、預(yù)壓輥組件和壓輥組件；機(jī)架作為零部件的安裝基礎(chǔ)，起著支撐整機(jī)等十分重要的作用。整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 外嚙合成型機(jī)整機(jī)示意圖1.機(jī)架；2.環(huán)模組件；3.主軸；4.大齒輪；5.小齒輪；6.軸承座組件；7.預(yù)壓輥組件；8.從動軸；9.壓輥部件

表1 外嚙合柱塞式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)主要設(shè)計參數(shù)

技術(shù)參數(shù)設(shè)計值技術(shù)參數(shù)設(shè)計值外形尺寸/mm1040×840×900成型模具內(nèi)徑/mm8主機(jī)功率/kW75成型模具長徑比525[6]環(huán)模外徑/mm450齒輪傳動比2∶1

2 外嚙合柱塞壓輥式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的構(gòu)造與工作原理

2.1 傳動方案

圖3 外嚙合生物質(zhì)成型機(jī)傳動方案簡圖1.主動軸；2.主動齒輪Z1；3.從動齒輪Z2；4.機(jī)架；5.從動軸；6.；環(huán)模；7.壓輥

2.2 工作原理

同柱塞壓輥式內(nèi)嚙合顆粒成型機(jī)的工作原理類似，壓輥部件和環(huán)模部件通過軸上齒輪的嚙合關(guān)系，可使柱塞銷和環(huán)模上的對應(yīng)成型孔旋轉(zhuǎn)時依次對正嚙合。連續(xù)工作的過程相當(dāng)于很多個微型機(jī)械驅(qū)動活塞擠壓式成型機(jī)交替循環(huán)工作，如圖4所示。與內(nèi)嚙合成型機(jī)相比，外嚙合生物質(zhì)成型機(jī)去除了惰輪，可以更靈活地設(shè)計嚙合齒輪的尺寸，同時各部件的雙端支撐可使機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度更高、安裝更方便。

圖4 外嚙合柱塞式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)工作原理1.環(huán)模部件；2.預(yù)壓輥部件；3.壓輥部件；4.壓輥嚙合圓；5.成型柱塞銷；6.環(huán)模體成型孔

成型倉中的松散物料由于重力和摩擦力的作用，隨著環(huán)模體的表面做旋轉(zhuǎn)運動。在通過預(yù)壓輥部件時，松散物料被壓入到環(huán)模成型孔中。當(dāng)被預(yù)壓過的物料經(jīng)過壓輥部件和環(huán)模部件的嚙合部位時，成型柱塞銷的活塞擠壓式運動將物料壓入到成型孔中。成型孔中的物料在成型柱塞擠壓力、模具擠壓力和摩擦力、顆粒間的結(jié)合力等幾種力的綜合作用下致密成型。

隨著旋轉(zhuǎn)的不斷進(jìn)行，松散物料被持續(xù)擠壓及致密成型，被擠出成型孔后，由于離心力的作用柱狀生物質(zhì)顆粒將被拋離環(huán)模體。

3 關(guān)鍵零部件設(shè)計

3.1 機(jī)架部件

機(jī)架部件是整體結(jié)構(gòu)的框架，主要起支撐作用。成型部件在壓縮物料過程中受到的壓力將傳到機(jī)架上，因此機(jī)架要有足夠的強(qiáng)度和剛度；同時還要考慮傳動部件、成型部件和軸承座組件的安裝方便。機(jī)架部件示意圖如圖5所示。

圖5 機(jī)架部件示意圖1.成型倉；2.中隔板；3.傳動倉

機(jī)架被中隔板分隔為成型倉和傳動倉兩部分，同時采用密封隔套和密封圈來防止成型倉中的松散物料進(jìn)入到傳動倉中而影響齒輪組的傳動。

成型倉與傳動倉中的部件主要由傳動軸連接，所以在安裝時要考慮兩邊軸承座的同軸度，以便安裝完成的壓輥部件和環(huán)模部件能夠正確配合；同時壓輥部件的柱塞銷與環(huán)模上的成型孔要有合適的間隙，以便在工作過程中能夠避免兩者間的摩擦損耗。

3.2 成型部件

3.2.1 預(yù)壓輥部件

預(yù)壓輥結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示，壓縮彈簧的預(yù)緊力能夠使預(yù)壓輥軸面貼在環(huán)模上工作，將松散物料壓入環(huán)模上的環(huán)形溝槽和成型孔中，以便使成型柱塞銷能獲取更多的物料到環(huán)模成型孔中，提高成型機(jī)的工作效率。

3.2.2 壓輥部件

由于壓輥部件中的成型柱塞銷屬易磨損零件，所以將整個壓輥部件設(shè)計成易于拆裝的兩個部分(壓輥體和成型柱塞銷)，如圖6(b)所示，把成型柱塞銷嵌入到壓輥體中。工作時只有成型柱塞銷與物料接觸，而壓輥體與物料和環(huán)模不接觸，從而可大大減少工作能耗和磨損。柱塞銷的端面為凹形錐面，能更好地獲取物料。

圖6 成型部件示意圖

3.2.3 環(huán)模部件

模輥碾壓式成型機(jī)模具成型孔一般分直孔、錐孔和曲線形孔三種[7]，本結(jié)構(gòu)中選為直孔，環(huán)模體外圈有跟成型孔同周向陣列的溝槽，如圖6(c)所示。其主要功能是通過預(yù)壓輥的作用將松散物料壓入其中，起到堆集物料的作用，以方便柱塞銷更好地將松散物料壓入成型孔中，提高生產(chǎn)效率，同時避免對每個成型孔都加工錐孔，簡化加工工藝。

根據(jù)宋曉文的研究成果，生物質(zhì)原料的開模成型模具有長徑比要求，本設(shè)計取長徑比為5.25。

4 環(huán)模成型孔中顆粒受力分析及柱塞銷校核

4.1 成型顆粒受力分析

成型顆粒旋轉(zhuǎn)到不同位置時其受力不同，如圖7(a)所示。其中離心力Ft=mω2R，ω為環(huán)模勻速轉(zhuǎn)動角速度；R為成型顆粒的重心與環(huán)模旋轉(zhuǎn)軸心的距離；顆粒重力G=mg；FN為環(huán)模給成型顆粒的徑向壓力；FS為成型顆粒與成型孔之間的摩擦力；FT為壓輥將松散物料壓入環(huán)模成型孔時的主動力，在FT的作用下，成型孔中的物料向出口處運動；δ角為成型柱塞銷與配對嚙合的成型孔同軸時成型孔軸線與豎直方向的夾角，此位置為柱塞銷的最佳嚙合位置，此時的FT最大，且壓入成型孔中的物料最多，當(dāng)柱塞銷進(jìn)入到嚙合部位時，柱塞銷受到的壓強(qiáng)變化如圖8所示。

建立θ∈[0，π]時的Ont動坐標(biāo)系，則t方向有：

圖7 成型顆粒在旋轉(zhuǎn)中的受力分析 1.初次壓入成型孔中的物料；2.成型孔中已有的物料

圖8 成型柱塞銷頂端的壓強(qiáng)變化x軸為柱塞銷頂端進(jìn)入嚙合部的位置；y軸為柱塞銷頂端受到的壓強(qiáng)；1.實際變化曲線；2.線性簡化曲線

在位置1和位置2處，存在成型柱塞銷對成型顆粒施加的力FT，則t方向有：

F=FT-Fs1-Ft-Gcosθ

式中：FT=P×S；Fs1=πDfεPX1，D為柱塞銷直徑，f為物料與環(huán)模成型孔之間的摩擦系數(shù)，ε為側(cè)壓系數(shù)，P為柱塞銷對成型孔中物料的最大壓強(qiáng)，X1為柱塞體進(jìn)入到嚙合部位時的最大長度。

在位置3處，θ=0，F(xiàn)T=0，則t方向有：

F=Fs2-Ft-G

松散物料從成型孔入口處被擠進(jìn)去且在出口處被擠出，要求在位置1和位置2處滿足F>0，松散物料在持續(xù)擠入力的作用下被壓縮致密成型且被擠出成型孔。在位置3處，要求進(jìn)料口處初次被壓入的物料在摩擦力和粒子間結(jié)合力的作用下不被離心力和重力的合力甩出，其出料口處的物料受力分析如圖7(b)所示，則有：

F2=FL+Fs-Ft1-G1

其中要求F2≥0，F(xiàn)L為粒子間的結(jié)合力；Fs為摩擦力；Ft1為此顆粒的離心力，F(xiàn)t1=m1ω2R；G1=m1g，m1為進(jìn)料口處初次被壓入成型孔的成型物料質(zhì)量。

粒子間的結(jié)合力分以下5種方式[8-9]：①固體粒子間引力；②可自由流動液體產(chǎn)生的界面張力和毛細(xì)管力；③不可流動液體產(chǎn)生的黏結(jié)力；④粒子間固體橋力；⑤粒子間的機(jī)械鑲嵌力。

摩擦系數(shù)、顆粒度、含水率、成型壓力和環(huán)模的角速度對成型效果和生產(chǎn)效率均有較大的影響，需要通過實驗來驗證這些參數(shù)。

本設(shè)計主要通過布置兩個預(yù)壓輥和壓輥部件來減少離心力對成型效果的影響。

4.2 成型柱塞銷穩(wěn)定校核

成型柱塞銷的固定方式為懸臂梁式，如圖9所示，其在工作過程中受到壓縮物料對其產(chǎn)生的較大反作用力，因此必須對其進(jìn)行校核。由成型機(jī)的工作原理可知，當(dāng)成型柱塞銷在接觸到環(huán)模體溝槽中的物料時才會受力，當(dāng)柱塞銷進(jìn)入到嚙合部位最深位置時柱塞銷所受的壓力達(dá)到最大值，如圖8所示。取受力最大處P=92.6 MPa時為研究對象[10]，對成型柱塞銷做壓桿穩(wěn)定校核。

成型柱塞銷由45鋼制造，其材料參數(shù)為δs=350 MPa，δp=280 MPa，E=210 GPa。柱塞銷長度L=15 mm，直徑d=7.5 mm。柱塞銷為一端固定，另一端自由的壓桿，取μ=2。

由λ<λ1可知，不能用歐拉公式計算臨界壓力。

又

其中a=461MPa，b=2.568MPa，由直線公式的常數(shù)表中查得[11]。

λ<λ2，不能使用直線公式來計算臨界壓力。

圖9 成型柱塞銷固定示意圖1.壓輥體外環(huán)；2.成型柱塞銷

由以上的壓桿穩(wěn)定計算來看，成型柱塞銷在受壓時不會出現(xiàn)失穩(wěn)，只會出現(xiàn)由于壓應(yīng)力達(dá)到屈服極限時而引起的破壞。根據(jù)計算結(jié)果，在保證壓輥體與環(huán)模體嚙合圓不變，以及壓輥體整體強(qiáng)度滿足系統(tǒng)成型要求的情況下，可以減小壓輥體外環(huán)和內(nèi)環(huán)的尺寸，相應(yīng)地加長成型柱塞銷，以減少壓輥體整體質(zhì)量和成本。

5 結(jié)論

外嚙合柱塞式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)結(jié)合了活塞擠壓式成型機(jī)和模輥碾壓式成型機(jī)的優(yōu)點，拓寬了成型機(jī)的設(shè)計思路。

離心力的存在對顆粒壓縮成型起負(fù)面效應(yīng)，所以存在一個可以得到最佳生產(chǎn)率的角速度ω，但需要更多的理論分析和實驗來驗證ω的具體數(shù)值。

通過對成型柱塞銷的穩(wěn)定分析可知，可以對壓輥體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在后續(xù)的分析中可以對整機(jī)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計和有限元分析，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和模塊化設(shè)計，以促進(jìn)今后的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。希望通過更多的理論分析和實驗，來完善外嚙合成型機(jī)的成型機(jī)理和系統(tǒng)的最佳成型條件。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

Design of External Meshed Plunger-type Biomass Pellet Molding Equipment

JIN Shi， YU Guo-sheng*， CHEN Zhong-jia， YUAN Xiang-yue， FENG Chao

(School of Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)

Coupled with the advantages of continuous discharge and compact structure of piston extruder machines and die and roller briquette machines，external meshed biomass pellet fuel molding equipment is designed.The machine is driven by electromotor，with loose material pressed into the forming hole by the engaging movement between the plunger-ram and ring die when the power is transmitted to modeling parts though the gear system.Under the comprehensive action-the friction，the lateral pressure and boned force in the particle，the material is compressed to biomass pellet.This paper introduces the construction of the machine in detail.The force of the material in the forming hole is analyzed，and the stability of the plunger-ram is checked.The biomass pellet fuel maker with external meshing is a new exploration to the biomass molding technology.

external meshing；biomass；plunger-ram；stabilization checking

2016-08-28

低能耗生物質(zhì)成型及分布式清潔供熱技術(shù)集成與示范項目(Z161100001316003)

金 實(1987-)，男，碩士研究生，研究方向為機(jī)械設(shè)計及理論，E-mail：284789128@qq.com。

*通訊作者：俞國勝(1956-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事林木生物質(zhì)能加工利用裝備和機(jī)械造林防治荒漠化等方面的研究，E-mail：sgyzh@bjfu.edu.cn。

TS642；S216

A

2095-2953(2017)01-0012-05