生物質原料自動輸送系統

車戰斌，李大平(北京惠眾實科技有限公司，北京100085)

隨著社會經濟的發展，人類對化石能源的需求日益增長，但化石燃料的大量消耗導致了嚴重的環境污染。因此，尋找一種可再生的替代能源，減少CO2等溫室氣體的排放，已成為世界各國關注的焦點。生物質能是一種可再生能源，其消耗量僅次于石油、煤炭和天然氣，居第4位［1－2］。生物質能具有可再生和環境友好的雙重屬性。近年來生物質能的開發和利用越來越受到人們的重視［3－4］。同時，農業和林業生產過程中產生了大量的廢棄物，例如，農作物收獲時殘留在農田里的農作物秸稈，這些廢棄物松散地分散在大面積范圍內，具有較低的堆積密度，給收集、運輸、儲藏和大規模應用帶來了困難［5－6］。

由此，人們提出如果將農業和林業生產的廢棄物壓縮為成型燃料，提高能源密度，不僅解決了上述問題，而且可以形成商品能源。例如，將松散的秸稈、樹枝和木屑等農林廢棄物擠壓成固體燃料，它的密度為1.1～1.4 t/m3，體積縮小6～8倍，能源密度相當于中質煙煤，火力持久，爐膛溫度高，燃燒特性明顯得到了改善［7－9］。生物質固體成型燃料的特點，決定了其加工技術與裝備的設計必須在充分考慮生物質原料特點的基礎上，對物料進行多次輸送。我國生物質原料具有多元化、原料特性復雜多樣等特點，輸送過程較為復雜。該研究主要針對粉末物料及成品顆粒的輸送方式及工藝布局進行研究，通過對物流系統的改造使整個生產環節物流的物料流銜接更加合理，從而提高生產效率，減少資源浪費。

1 研究思路

由于粉末物料本身的密度較小，具有流動性較差，易結拱等特性，從倉庫的儲存到輸送都有一定難度，運輸過程中，又很容易擴散至空氣中，造成空氣污染。所以筆者主要從粉末物料的存儲、破拱和運輸過程進行研究，對輸送設備進行設計和試驗，先從基礎設備做起，再逐步實現從原料到成品包裝的全自動化生產。

秸稈類粉末物料壓成顆粒需要一定的濕度，即含水量，如果粉末物料含水量過低，在成型機內壓制出來的成品顆粒會松散、易斷，甚至不能壓成條狀顆粒。直接從成型機里出來很多粉末;如果粉末含水量過高，物料的粘稠度就會增大，粉末的整個輸送過程中就很容易堵塞，亦壓制不出有一定強度的合格的條狀顆粒。所以，粉末物料在進入成型機之前需要把物料含水量調整到最適宜的范圍，這首先就需要加水攪拌，在攪拌罐內讓粉末物料與水充分攪拌后粉末物料的整體含水量也不會那么均勻，所以加水攪拌后的物料還需要輸送到醒料倉內，在醒料倉內醒料幾小時后，粉末物料含水量整體均勻，測量達到適合壓制的標準值后才能輸送到成型區開始生產。但是想要把料倉里粉末物料再輸送到成型車間，第一個問題就出現了，由于粉末物料加水攪拌過，在醒料倉內堆積5 h以上，粉末物料極易結拱，雖然醒料倉設計成了上窄下寬的等腰梯形，但是粉末物料不可能自己像水流一樣落到料倉底部的輸送絞龍內，于是在料倉的斜坡上加裝了輔助落料裝置，組成了曲柄連桿機構，由電機驅動，示意見圖1。

2 第1次空載與負載試驗

安裝完第一組裝置后開始做第1次空載試驗，即在醒料倉內沒有物料時，按下電機按鈕，電機轉動可以帶動輔助落料裝置做往復運動，運行1 h后第一組輔助落料裝置一切正常。于是準備做第1次負載試驗，把料倉第一組輔助落料裝置上打滿加水攪拌后的物料，再醒料5 h后，先開啟醒料倉給成型車間送料絞龍和醒料倉底部送料絞龍，再啟動電機按鈕，發現電機不能帶動裝置運動，分析總結主要原因是在輔助落料裝置上壓滿物料時，輔助落料裝置與料倉接觸面摩擦力過大，于是在輔助落料裝置底部加裝了一對滑道，一是為了減小輔助落料裝置與接觸面的粗糙度，二是為了減小輔助落料裝置與接觸面的接觸面積，因為料倉表面并不光滑，防止輔助落料裝置的邊角直接與地面接觸，防止可能直接卡住的現象。加裝軌道位置如圖2所示。

圖1 輔助落料裝置

圖2 加裝軌道位置示意

3 第2次空載與負載試驗

重復做第2次空載試驗操作，即在醒料倉內沒有物料時，按下電機按鈕，電機轉動可以帶動輔助落料裝置做往復運動，運行1 h后第一組輔助落料裝置一切正常。于是準備做第2次負載試驗，把料倉第一組輔助落料裝置上打滿加水攪拌后的物料，再醒料5 h后，先開啟醒料倉給成型車間送料絞龍和醒料倉底部送料絞龍，再啟動電機按鈕，發現電機帶動曲柄運動到與驅動桿裝置運動到與連桿接近平行時電機帶動連桿轉動逐漸變慢，馬上關掉電機開關。分析總結主要原因是當電機帶動曲柄運動到與驅動桿裝置運動到與連桿接近平行的過程中曲柄有效力臂逐漸縮短，導致扭矩逐漸減小到0，所以做了如下改動，把連桿與曲柄套筒直接焊接的結構改為連桿和驅動桿2個零件，把2個壓簧套在驅動桿上，在2個壓簧兩端分別加一個擋圈，連桿插在驅動桿里面，再用銷軸從中間2個擋圈依次穿過驅動桿的槽型孔和連桿的圓孔，這時托住連桿和最下面的擋圈，此時在2個壓簧基本沒壓縮的情況下銷軸應該在槽型孔中心位置，將最下面的擋圈下沿與驅動桿焊接牢固。電機啟動如圖3順時針轉動，當連桿與曲柄成90°角時上面壓簧開始壓縮，繼續轉動到與曲柄平行時，上面壓簧被壓縮到最大值，此時曲柄有效力臂逐漸縮短，導致扭矩逐漸減小到0，此時在慣性作用下，小曲柄可以繼續運動一小段距離，此時在上面被壓縮的壓簧的彈力作用下，推動銷軸帶動連桿向下運動，同理當連桿運動到與曲柄接近平行下面的點時，下面壓簧推動銷軸帶動連桿向上運動。

圖3 連桿與曲柄套結構改進示意

4 第3次空載與負載試驗

重復前面操作，第3次做空載和負載試驗，試驗后發現3個問題:①有時醒料倉底部絞龍不能正常啟動，分析原因是當料倉滿料時，絞龍上承受壓力過大，電機無法帶動絞龍轉動。②料倉內的輔助落料裝置運動時有小幅度的左右擺動。③輔助落料裝置連桿移動距離較小，分析原因為經過上次改動后，雖然連桿運動到與曲柄接近平行位置時，在壓簧的反作用力帶動下，電機可以帶動連桿繼續轉動，但是電機轉動過程中，都是靠壓簧所產生的彈力驅動連桿向上和向下運動。

為解決這些問題，依次做出了3個改進:①在料倉底部的絞龍的上方加裝了擋板，在擋板中間焊接1個“U”形環，將6 mm鋼絲繩一端系在“U”形環上，另一端系在醒料倉外部的電機支架上(圖4)。②將輔助落料裝置改為擾動落料裝置，以兩端擋擾動板擋板推動物料，具體方案是將現有4對撥料器，改為3對撥料器，撥料器除最下面一根不動外，其余的都分別做成3段，中間用銷軸連接，并將兩端各縮短100 mm，用拉簧拉住兩側的撥料器，另一端掛在上一組撥料器的中間段。③在下面增加一個“U”形限位鋼筋，防止撥料器左右擺動(圖4)。

圖4 “U”形環與“U”形限位鋼筋結構示意

5 第4次空載與負載試驗

將擾動落料裝置改進完畢后，開始做第4次空載試驗，即在醒料倉內沒有物料時，按下電機按鈕，電機轉動可以帶動擾動落料裝置做往復運動，運行1 h后第一組輔助落料裝置一切正常。再準備做第4次負載試驗，當給醒料倉上料前，拉起鋼絲繩另一端將擋板拉起至絞龍槽板邊緣，并將鋼絲繩掛在料倉外的電機支架上，這時再上料，物料不會直接壓在料倉底部的絞龍上，把料倉前3組擾動落料裝置上也打加水攪拌后的物料，第一組擾動落料裝置上也打滿料，在第二、第三組擾動落料裝置上只打一半物料，再醒料5 h后，開啟醒料倉給成型車間送料絞龍和醒料倉底部送料絞龍，等送料絞龍運行平穩后再松開電機支架上的鋼絲繩，放下擋板，啟動擾動落料裝置電機按鈕。間隔10 min，依次開啟第三、第二、第一組擾動落料裝置，40 min后停止生產，再過2 h左右等醒料倉內漂浮的物料基本散盡，進入醒料倉內觀察試驗效果，發現由于第二組擾動落料裝置下半部分堆積過多物料，拉桿上端與驅動桿連接處翹起，電機帶動曲柄轉動卻不能帶動連桿做直線往復運動。第一組擾動落料裝置北側物料基本都被推到絞龍內，南側物料基本沒有變化，觀察發現第一組擾動落料裝置南側的擋板沒有放下。在擋板上端與醒料倉的斜坡處有結拱現象。針對這3個問題分別做了技術改進:①在擾動落料裝置第一和第二對推板之間加裝了新的限位裝置，同時將舊的鋼筋限位更換為新的限位裝置。②在第一組擾動落料裝置靠近墻一側的支架側面焊接一塊與支架側面形狀相同的2 mm鐵板，防止向醒料倉打料時粉粒物料從支架側面進入擋板下面的絞龍內，從而阻礙擋板落下，同時在擾動落料裝置底部加裝一根長度約3 m、內徑20 mm的圓管，在圓管的下端面焊接一個內徑15 mm左右的“O”形環，防止拉動鋼絲繩時直接與圓管端面摩擦，將拉擋板鋼絲繩穿過圓管再通過觀察口掛在外面的電機支架上。③將擾動落料裝置下端延長280 mm，用Φ14鋼筋焊接，再用Φ14鋼筋焊接一段高度300 mm的破拱鋼筋，距離底部鋼筋145 mm(圖5)。

6 第5次空載與負載試驗

圖5 擾動落料裝置下端改進示意

將擾動落料裝置改進完畢后，開始做第5次空載試驗，即在醒料倉內沒有物料時，按下電機按鈕，電機轉動可以帶動擾動落料裝置做往復運動，運行1 h后第一組輔助落料裝置一切正常。再準備做第5次負載試驗，當給醒料倉上料前，拉起鋼絲繩另一端將擋板拉起至絞龍槽板邊緣，并將鋼絲繩掛在料倉外的電機支架上，這時再上料，物料不會直接壓在料倉底部的絞龍上，把料倉前3組擾動落料裝置上打加水攪拌后的物料，第一組擾動落料裝置上也打滿料，在第二、第三組擾動落料裝置上只打一半物料，再醒料5 h后，開啟醒料倉給成型車間送料絞龍和醒料倉底部送料絞龍，等送料絞龍運行平穩后再松開電機支架上的鋼絲繩，放下擋板，再啟動擾動落料裝置電機按鈕。間隔10 min，依次開啟第三、第二、第一組擾動落料裝置，1 h后停止生產，再過2 h左右等醒料倉內漂浮的物料基本散盡，進入醒料倉內觀察試驗效果，發現在擋板上端與醒料倉的斜坡處沒有結拱現象，料倉內粉末物料基本都被推入絞龍槽內，被醒料倉底部輸送絞龍輸送至提升絞龍入料口處，只有擾動落料裝置和醒料倉斜面之間和第一組擾動落料裝置和西側墻壁之間有少量粉末物料，3組擋板都直接放到了最低點豎直位置。第二、第三組擾動落料裝置拉桿上端與驅動桿連接處沒有翹起，總體達到了預期效果。

7 小結

該研究主要針對粉末物料及成品顆粒的輸送方式及工藝布局進行研究，通過對物流系統的改造使整個生產環節物流的物料流的銜接更加合理，降低了生產成本和原料的損耗，并且減少了廢料造成的空氣污染，又提高了原料的利用率，增加了收益。

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