平模式秸稈成型機(jī)模壓參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)探析
2022-10-13 06:34:24張立
江蘇農(nóng)機(jī)化 2022年5期
張立
0 引言
農(nóng)作物秸稈作為一種重要的生物質(zhì)資源，具有清潔、易取、成本低廉等特點(diǎn)。我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源豐富，開發(fā)應(yīng)用秸稈成型燃料，可以延長(zhǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的二次增值，促進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，是增加農(nóng)民收入和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效途徑。為此，國(guó)家出臺(tái)了一系列關(guān)于推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用的扶持政策，許多省份還將秸稈成型設(shè)備列為農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼產(chǎn)品，鼓勵(lì)開展秸稈綜合利用設(shè)備的研制和開發(fā)。經(jīng)過十多年的發(fā)展，我國(guó)的秸稈成型技術(shù)已漸趨成熟。
秸稈成型機(jī)按模壓裝置擺放形式分為環(huán)模式和平模式。平模式秸稈成型機(jī)在生物質(zhì)特別是秸稈成型產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、便于操作、易于維護(hù)等特點(diǎn)，深受農(nóng)戶青睞，廣泛應(yīng)用于各種秸稈成型加工點(diǎn)。物料生產(chǎn)率和秸稈塊（棒、粒）成型率是考量秸稈成型機(jī)性能穩(wěn)定與否的重要指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，模壓參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)秸稈成型機(jī)性能影響較大?，F(xiàn)結(jié)合工作實(shí)際，探討通過優(yōu)化設(shè)計(jì)平模式秸稈成型機(jī)模壓參數(shù)，提高生產(chǎn)效率及秸稈成型率，為秸稈成型機(jī)的技術(shù)改進(jìn)、完善提供參考。
1 平模式秸稈壓塊機(jī)工作原理
平模式秸稈成型機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、變速箱、主軸、壓輥、平模和出料裝置等組成（如圖1所示）。壓輥安裝在一個(gè)水平設(shè)置的模壓輪軸的兩端，由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。平模上均勻鑲嵌有若干個(gè)成型模套。模壓裝置包括壓輥和平模，其傳動(dòng)方式可分為兩種：一種是壓輥固定在機(jī)架上，主軸帶動(dòng)平模運(yùn)轉(zhuǎn)；另一種是平模固定，主軸帶動(dòng)壓輥運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然傳動(dòng)方式不同，但工作原理基本相似，都是將粉碎好的秸稈物料經(jīng)上料輸送機(jī)送入成型機(jī)進(jìn)料口，經(jīng)均料板將物料分散到壓輥與平模之間，通過擠壓、摩擦，經(jīng)物料升溫、軟化，在平模中強(qiáng)制擠成塊狀、柱狀或粒狀，從出料口落下。壓輥和平模是秸稈成型機(jī)的關(guān)鍵部件，模壓結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)秸稈成型機(jī)性能影響較大。
圖1 平模式秸稈壓塊機(jī)結(jié)構(gòu)圖
2 模壓參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
2.1 平模結(jié)構(gòu)
平模式秸稈壓塊成型機(jī)?？拙植荚谄侥５耐膱A上，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)?？讛?shù)量和排列形式，可以在確保秸稈物料成型率符合要求的前提下，有效提高機(jī)具生產(chǎn)效率。優(yōu)化方案有兩種：一是增加模孔數(shù)量。由于?？字睆绞枪潭ǖ?，增加?？讛?shù)量需要相應(yīng)增加平模直徑，平模直徑增大了，與平模連接的配套件均需要重新設(shè)計(jì)配套，必然會(huì)增加機(jī)具制作成本。二是適當(dāng)增加?？字睆剑s5%)，將平模的單排?？捉Y(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)成雙排?？捉Y(jié)構(gòu)［1］，以提高生產(chǎn)效率。此方案有其可行性。
2.2 成型模套結(jié)構(gòu)
平模的作用是將受到擠壓的秸稈物料在?？字谐尚停潭？滓话銥閳A柱形。試驗(yàn)結(jié)果表明，固定模孔擠壓出的物料成型效果不好，外觀不均勻［1］，成型率也不是很高；且平模的?？诙撕湍？變?nèi)側(cè)容易磨損，磨損到一定程度后會(huì)影響物料成型。
固定?？椎钠侥Ｖ谱鞒杀据^高，平模的一只或幾只模孔磨損至明顯影響物料成型時(shí)，就整體報(bào)廢，浪費(fèi)嚴(yán)重。成型模套優(yōu)化方案有兩種：一是更換模套?？蓪⒃瓐A柱形固定?？卓讖皆龃?，嵌入若干個(gè)帶有錐度的模套。模套入口處的錐度可使秸稈物料更易于進(jìn)入和擠壓成型，也有利于降低整機(jī)功耗。模套采用40 Cr材料，該材料經(jīng)淬火處理后硬度和耐磨性較好，可以確保模套的使用壽命。二是調(diào)換平模工作面。將平模兩個(gè)平面表面質(zhì)量均設(shè)計(jì)成同一技術(shù)狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)工作平面磨損到極限后可翻過來繼續(xù)使用另一平面。此時(shí)，需要將所有襯套調(diào)換方向安裝。
2.3 壓輪結(jié)構(gòu)
粉碎的秸稈進(jìn)入進(jìn)料口后，在擠壓輪的擠壓作用下，均勻分散到壓輪與平模盤間［2］。有些平模式秸稈壓塊成型機(jī)只設(shè)計(jì)了1對(duì)壓輪，壓制效率不佳，生產(chǎn)效率和成型率也偏低，不能滿足用戶需求。優(yōu)化方案如下：設(shè)計(jì)增加1對(duì)擠壓輪（由原來的2個(gè)壓輪變成4個(gè)壓輪），將壓輪軸結(jié)構(gòu)相應(yīng)設(shè)計(jì)成十字軸，呈“十字”對(duì)稱分布，提高壓輪通過平模盤?？诘念l率，增加對(duì)物料的擠壓次數(shù)，既可提高生產(chǎn)效率，又能提高物料成型率。
為提升擠壓輪的擠壓效果，可在擠壓輪的外圓上設(shè)計(jì)同步齒形帶式梯形齒，通過梯形齒的梯形推進(jìn)和壓輪的自轉(zhuǎn)，將粉碎后的秸稈物料順利擠壓進(jìn)平模的?？字??？紤]到農(nóng)作物秸稈表面粗糙且摩擦力大，為提高壓輪的耐磨性和工作強(qiáng)度，可以選用耐磨性較好的20 Cr壓輪材料，并采用滲碳淬火熱處理工藝使其齒面具有較高硬度，延長(zhǎng)零件的使用壽命［2］。
2.4 壓輥壓力
平模式秸稈壓塊成型機(jī)工作時(shí)，可通過液壓式中央螺母調(diào)節(jié)裝置，調(diào)整壓輥和平模之間的工作間隙和壓力［3］，壓制出適合用戶需求的不同密度的秸稈成型料。
受壓輥壓力，平模、壓輥與物料之間產(chǎn)生擠壓力，使物料產(chǎn)生變形，并在?？變?nèi)擠壓成型。壓輥壓力與秸稈壓塊密度之間的關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出：總體上壓輥壓力越大秸稈成型料密度越高，但當(dāng)壓輥壓力高到一定程度時(shí)，對(duì)秸稈壓塊成型密度影響就不大了。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)用戶壓塊密度需要調(diào)整壓輥的壓力。
圖2 壓輥壓力與秸稈成型料密度關(guān)系示意圖
2.5 壓輥轉(zhuǎn)速
壓輥轉(zhuǎn)速對(duì)成型率的影響較大。如果壓輥轉(zhuǎn)速過低，物料與平模之間的摩擦作用弱，平模的溫度難以達(dá)到成型所需要的溫度，會(huì)延長(zhǎng)物料的成型時(shí)間，降低成型率；如果壓輥轉(zhuǎn)速過高，則切向線速度增加，由于物料有流變性，物料間相互錯(cuò)動(dòng)，壓輥的負(fù)荷出現(xiàn)不均勻和相對(duì)滑動(dòng)［4］，使其對(duì)物料無(wú)法相對(duì)滾動(dòng)摩擦和實(shí)施初壓，?？變?nèi)原料擠壓太緊，出料困難，進(jìn)而影響物料成型。且轉(zhuǎn)速越高，離心力越大，對(duì)壓塊機(jī)的穩(wěn)定性影響越大。圖3為壓模轉(zhuǎn)速與成型率關(guān)系示意圖。如圖3所示，壓輥轉(zhuǎn)速和成型率之間沒有線性比例關(guān)系，但每種秸稈最佳成型率必然會(huì)在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（如圖3中A點(diǎn)位置）。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)每種物料的特性，通過試驗(yàn)確定壓輥的最佳轉(zhuǎn)速。
圖3 壓模轉(zhuǎn)速與成型率關(guān)系示意圖
2.6 ?？壮叽?/h3>
受壓輥的初壓力，秸稈物料以一定的密度進(jìn)入平模?？浊粌?nèi)。物料在?？浊粌?nèi)必須要有一定的停留時(shí)間和溫度，以確保成型的秸稈塊（棒、粒）在腔內(nèi)應(yīng)力充分松弛，以達(dá)到成型料密度要求。因此，?？捉Y(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。如果設(shè)計(jì)的?？组L(zhǎng)度和孔徑過小，則物料塊（棒、粒）出腔快，產(chǎn)量高，能耗低，平模磨損??；但生產(chǎn)出的塊料不夠結(jié)實(shí)，粉化率高。如果設(shè)計(jì)的?？组L(zhǎng)度和孔徑過大，則壓塊出腔速度慢，塊料外觀光滑，粉化率低；但能耗大，產(chǎn)量低。
可以根據(jù)物料實(shí)際用途確定孔徑大小，但模孔長(zhǎng)度則需根據(jù)秸稈成型料密度來確定。圖4是?？组L(zhǎng)度與秸稈成型料密度之間的關(guān)系示意圖。由圖4可以看出，在平?？讖焦潭ǖ那闆r下，隨著?？组L(zhǎng)度的增加，秸稈成型料的密度也隨之增加；但?？组L(zhǎng)度增加到一定尺寸時(shí)，秸稈成型料的密度增加不明顯。因此，在模孔優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)用戶對(duì)秸稈塊（棒、粒）密度的需要并考慮經(jīng)濟(jì)性來確定模孔長(zhǎng)度。
圖4 模孔長(zhǎng)度與秸稈成型料密度關(guān)系示意圖
