組合式秸稈生物質粉碎機的設計

鮑振博，方　帆，靳登超，劉玉樂，楊　磊，李　陽

(天津農學院 工程技術學院，天津　300384)

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組合式秸稈生物質粉碎機的設計

鮑振博，方帆，靳登超，劉玉樂，楊磊，李陽

(天津農學院 工程技術學院，天津300384)

摘要：生物質能是一種清潔、可再生的能源，秸稈生物質能的開發應用具有廣闊前景,而粉碎是對秸稈生物質能源轉化利用的必要環節。為此，在分析秸稈生物質粉碎機的工作原理基礎上，進行組合式秸稈生物質粉碎機總體結構設計，并對動刀及定刀的間隙、錘片與齒板的間隙、錘片與篩網的間隙、動刀及錘片形狀、動刀排列、錘片排列，以及鋸齒板排列等參數進行設計。組合式秸稈生物質粉碎機的使用推廣，可實現對秸稈生物質能源有效利用，有助于解決秸稈生物質資源浪費及污染問題。

關鍵詞：秸稈生物質；粉碎機；錘片；動刀；定刀

0引言

能源問題關系著人類社會的生存與發展，隨著石油、煤、天然氣等能源急劇消耗，由此引發能源緊缺及環境污染問題，已成為世界關注熱點。開發和利用可再生的清潔能源，降低石化能源消耗，減少溫室氣體排放，已成為緩解能源危機、減少溫室氣體排放和解決環境污染問題的一個有效途徑。生物質能是綠色植物經光合作用將太陽能轉化儲藏在生物質內的化學能，是一種清潔、可再生能源，是繼石油、煤、天然氣之后的第4大能源。生物質包括除化石燃料外的植物、動物和微生物及其排泄與代謝物等，具有儲量豐富、來源普遍及可再生等特點。目前，對生物質能源的開發和利用已經日益引起世界各國的重視[1-2]。

1秸稈生物質能開發的前景

秸稈生物質屬于農業廢棄物，是生物質的重要組成部分。我國秸稈生物質數量大，每年產量約為7億 t，除一部分作為畜牧飼料、還田及造紙原料等，大約有 4 億 t 秸稈可以作為生物質能源使用。秸稈生物質作為可再生的清潔能源，具有低污染性：一是秸稈生物質的硫、氮含量低，在利用轉化過程中還可以減少硫化物、氮化物和粉塵等排放；二是在秸稈生物質再生過程中需要吸收 CO2氣體，可有效地減輕溫室效應；三是由于光合作用能釋放出大量氧氣，還可改善生態環境[2]。但是，由于秸稈生物質分布廣、體積密度小(40～60kg/m3)及物理形態不規則等特征，使得收集、運輸、貯藏等成本較高；每到秋收季節，大量秸稈被丟棄或在田間焚燒，不僅造成資源浪費和環境污染，而且對航空安全和路面交通安全等造成一定影響。此外，未經加工處理的秸稈生物質熱值低，進行直接燃燒利用，一方面因秸稈燃燒能量不集中、不能充分燃燒而降低生物質的燃燒效率，間接造成資源浪費，同時會對環境造成污染，危害人們身心健康[3-5]。

因此，針對產量巨大的可再生的秸稈生物質資源，為了使其得以有效利用，國內外科研工作者開展了種類繁多的秸稈生物質利用技術：通過將秸稈生物質轉換為固態、液態和氣態燃料加以高效利用，如固態燃料中直接燃燒技術(爐灶燃燒、鍋爐燃燒、生物質與煤的混合燃燒等)；液態燃料中液化技術(提煉植物油、制取乙醇、甲醇等)；氣態燃料中生物轉化技術(小型戶用沼氣池、大中型厭氧消化等)及熱化學轉化技術(生物質氣化、干餾、快速熱解液化等)。秸稈生物質能源的開發及應用技術，已越來越引起廣大科研工作者的關注。

2秸稈生物質能源轉化的環節

生物質能無論是采取固態、液態及氣態哪種利用方式，都需對生物質原料進行粉碎加工處理。粉碎后的生物質顆粒達到一定的尺寸要求，為秸稈生物質能的轉化及利用做前期準備。生物質粉碎機理包括剪切、碰撞、擠壓等多種作用，粉碎效果與原料性質、含水量和粉碎設備等密切相關。秸稈生物質粉碎是對秸稈生物質能源轉化利用的必要環節，秸稈生物質原料經過粉碎后，顆粒由大變小，物料單位質量的表面積增加，有利于化學反應過程的傳熱和傳質，可提高物料的化學反應及物理作用的速度[2-5]。因此，在生產實踐中，根據需要一般須將生物質顆粒加工到較小的粒度，以提高后期利用及轉化的效果。

3粉碎機的工作機理及總體設計

目前，秸稈粉碎機有鍘切式粉碎機、錘片式粉碎機、揉切式粉碎機及組合式粉碎機等種類，通過剪切、擊碎、碰撞、磨搓和揉搓等作用，實現物料的粉碎。鍘切式粉碎機具有剪切、磨搓、揉搓等功能，結構簡單、功耗低、生產率較高。錘片式粉碎機首先對秸稈生物質通過錘片擊打，得到一定程度的粉碎，同時物料以較高的速度被拋向固定在粉碎室內部的齒板和篩片上，受到齒板的碰撞和篩片的搓擦得到進一步粉碎；其生產率高，適應性廣。揉切式是在高速旋轉的錘片和鋸齒板的作用下，將秸稈揉搓、切搓成柔軟、蓬松的絲狀段。組合式粉碎技術將剪切、擊碎、碰撞、磨搓和揉搓等功能組合成一體，實現對物料的粉碎，如圖1所示。

1.電機　2.帶輪　3.皮帶　4.帶輪　5.大飛輪　6.主軸　7.固定板

由圖1可知：在粉碎室內有高速旋轉的錘片、 動刀和鋸齒板，還有靜止的定刀及齒板。通過動刀及定刀的剪切、錘片擊打、錘片與篩網之間碰撞和磨擦、錘片與齒板之間碰撞和搓擦，以及鋸齒板的撕裂和揉搓等共同作用下，完成秸稈生物質破碎。其工作過程是：電動機將動力傳遞到帶輪，通過皮帶帶動帶輪旋轉(大飛輪與帶輪聯聯接為一體一起旋轉，增大轉動慣量)，進而將動力傳遞到主軸上；動刀固定架與主軸一起旋轉，動刀聯接在動刀架上一起高速旋轉，與靜止定刀一起對通過秸稈進料口送進的秸稈生物質進行剪切；錘片與固定板聯接在一起，隨主軸一起高速旋轉，對剪切后的秸稈生物質進行擊打、破碎；同時，在錘片擊打及離心力作用下的物料會被摔打在齒板上，對物料進一步磨搓等破碎；鋸齒板固定在固定板上，也隨著主軸一起高速旋轉，對在粉碎室中的物料進一步揉搓等破碎；此外，安裝在粉碎室下部的篩網會對物料進一步搓擦。總之，被動刀及定刀剪切的物料，在錘片、鋸齒板、齒板及篩網共同作用下，被粉碎成細小顆粒，會通過篩網的網眼漏出，最后經出料口進行收集；而較大較重的物料則繼續留在粉碎室內被粉碎。

4粉碎機關鍵參數的設計

在組合式秸稈生物質粉碎機中，動刀及定刀的間隙、錘片與齒板的間隙、錘片與篩網的間隙、動刀數量及排列、錘片形狀及排列、鋸齒刀的形狀及排列等參數，對粉碎的效率及質量有著至關重要的影響。依據機器產品運行經驗及參考文獻資料，對動刀及定刀的間隙、動刀及錘片形狀、錘片與篩網的間隙、錘片與齒板的間隙等進行設計[6-9]。

4.1動刀及定刀之間的間隙調整

圖2、圖3分別是定刀及定刀固定座示意圖。定刀固定座中設置Φ13長槽型安裝孔，可調整定刀在固定座中位置，從而間接調整了定刀與動刀的間隙，如圖4所示。減小定刀及動刀之間間隙可以提高破碎程度，但同時會導致刀具磨損及能耗增加；而過大的間隙，會導致粉碎程度降低、切割困難等問題。在本設計中，針對玉米秸稈粉碎，取定刀與動刀之間間隙為10mm[8-10]。

4.2動刀及錘片可調換安裝，延長使用壽命

動刀及錘片是秸稈生物質粉碎機的主要工作部件，動刀對物料進行剪切破碎，刀刃磨損狀況直接影響到動刀使用壽命及粉碎效率。將動刀設計為對稱可調換安裝形式，可延長刀具使用時間，如圖5所示。錘片對物料進行擊打、磨碎，對錘片設計鋸齒形狀，增大磨碎效果；同時，設計對稱安裝孔，對一端磨損的錘片進行調換安裝，延長錘片使用壽命，如圖6所示。

圖2　定刀示意圖　　　　　　　　　　　圖3　定刀固定座示意圖　　　　　　　　　圖4　定刀安裝示意圖

圖5　動刀示意圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　錘片示意圖

4.3錘片與篩網之間間隙

錘片末端與篩網之間間隙大小對粉碎效率有影響：如果錘篩間隙過大，錘篩之間的物料很難被錘片打碎而使生產率降低；如果錘篩間隙過小，錘篩之間物料較少，因此受錘片擊打及篩網磨搓作用的物料少，也會降低粉碎效率。錘片與篩網之間間隙與錘片工作時旋轉速度、不同的生物質物料等因素有關，本設計中錘片與篩網間隙為12mm，如圖7所示[7,10]。

4.4錘片與齒板之間間隙

錘片與齒板的間隙對粉碎效率及錘片磨損有影響：間隙過大，物料受錘片打擊的機會少，降低粉碎效率；間隙過小，物料受錘片擊打的機會增多，但錘片端部的摩擦加大，能耗增大。錘片與齒板之間間隙與錘片工作時旋轉速度、不同的生物質物料、齒板包角等因素有關，本設計錘片與齒板間隙為15mm，如圖8所示[8-10]。

圖7　錘片與篩網的間隙示意圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　錘片與齒板的間隙示意圖

4.5動刀排列

物料被動刀及定刀剪切長短與動刀數量有關：若動刀數量過多,在主軸轉數一定情況下,切割次數增多,加工后的物料過細過短，能耗增多；反之,物料剪切過粗過長，加大后續錘片擊打、鋸齒板磨搓的工作量[10]。本設計動刀數量3把，排列如圖9所示。

4.6錘片排列

錘片的排列方式對機器運轉平衡、錘片的均勻磨損、物料破碎均勻等直接影響，設計錘片排列如圖10所示[7,10]。在一個固定板中均勻排列4個錘片，多個固定板安裝時，按照一定角度錯開排列，提高粉碎室中物料被擊打粉碎的均勻性。

4.7鋸齒板排列

鋸齒板的排列方式對機器運轉平衡、鋸齒板的均勻磨損、物料破碎均勻等有影響，設計鋸齒板排列如圖11所示。在一個固定板中均勻排列8個錘片，多個固定板安裝時，按照一定角度錯開排列，提高粉碎室中物料受磨搓的均勻性。

圖9　動刀排列示意圖　　　　　　　　　　　　圖10　錘片排列示意圖　　　　　　　　　圖11　鋸齒版排列示意圖

5結論

對組合式秸稈生物質粉碎機中動刀及定刀的間隙、錘片與齒板的間隙、錘片與篩網的間隙、動刀數量及排列、錘片形狀及排列、鋸齒刀的形狀及排列等參數進行優化設計，對于提高粉碎效率、減少動刀及錘片等關鍵部件的磨損、降低能耗及成本等具有重要意義。組合式秸稈生物質破碎機具有高效、實用等優勢，對于有效利用秸稈生物質能源，緩解礦物質能源危機、溫室效應、霧霾惡劣天氣等問題，改善農村環境，建設現代社會主義新農村具有積極的現實意義。

參考文獻：

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[10]汪莉萍.復合式秸稈粉碎機設計方法理論研究[D].哈爾濱:東北林業大學,2010.

Abstract ID:1003-188X(2016)05-0255-EA

Design of Combined Straw Biomass Grinder

Bao Zhenbo, Fang Fan, Jin Dengchao, Liu Yule, Yang Lei, Li Yang

(Engineering and Technology College, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China)

Abstract：Biomass energy is a kind of clean and renewable energy, the development and application of straw biomass energy has broad prospects.Crushing is the essential links of straw biomass conversion and utilization, based on analyzing the working principle of biomass grinder, the overall structure of combined straw biomass grinder has designed, and the key parameters of biomass grinder, such as the gap between movable knives and fixed knife, the gap between hammer and tooth plate, the gap between hammer and sieve, the shape of the knife and hammer, and the arrangement of movable knife,hammer and tooth plate have been designed. The using promotion of combined straw biomass grinder can promote the realization of the effective use of straw biomass, while help to solve the problems of straw biomass resource waste and pollution.

Key words：straw biomass; grinder; hammer; movable knife; fixed knife

文章編號：1003-188X(2016)05-0255-04

中圖分類號：TK6；S226.9

文獻標識碼：A

作者簡介：鮑振博(1971-),男，內蒙古赤峰人，副教授，(E-mail) baozhenbo@sohu.com。

基金項目：天津市大學生創新創業訓練計劃項目(201410061104,201410061198)

收稿日期：2015-04-22