立式環模秸稈壓塊機噸燃料能耗分析

戴曉鋒，段 建，王博文，邵 峰

(揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127)

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立式環模秸稈壓塊機噸燃料能耗分析

戴曉鋒，段 建，王博文，邵 峰

(揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127)

分析立式環模秸稈壓塊機技術參數對噸燃料能耗的影響規律，可為優化立式環模秸稈壓塊機效能提供依據。在對壓塊機成型過程和機構受力分析的基礎上，建立噸燃料能耗數學模型，利用Design-expert8.0.6繪制不同參數下的噸燃料能耗響應面圖。分析表明：摩擦因數和輥模徑比對壓塊機噸燃料能耗的影響較大，主軸轉速影響不明顯是由于壓塊機產量計算方式造成的；輥模徑比越大，噸燃料能耗越低，但過大的輥模徑比易出現“悶機”，過大的摩擦因數會降低壓塊機核心部件使用壽命；當主軸轉速、輥模徑比、摩擦因數分別為165r/min、0.40、0.4時，噸燃料能耗達到較優為30.72kW·h/t。

秸稈；立式環模壓塊機；噸燃料能耗

0 引言

將秸稈固化成型作為燃料，是當前綜合利用秸稈資源的方式之一[1-2]。秸稈壓塊機可分為模輥式、螺旋式和柱塞式。模輥式壓塊機中的立式環模壓塊機具有原料分布均勻、結構緊湊、喂入量大、生產率高和易于維修等優點，是當前固化成型設備發展的主流方向[3-4]；但立式環模秸稈壓塊機還存在能耗大導致生產成本過高的問題，從而限制了壓塊機的進一步推廣使用[5]。現有關于壓塊機技術參數對能耗影響規律的研究較少，且對象多為環模制粒機，能耗計算方式大多為估算，計算結果較粗略[6-8]。

本文通過對立式環模壓塊機成型過程中壓輥與環模受力的分析，建立噸燃料能耗模型，并通過Design-Expert8.0.6軟件中響應面分析法，繪制不同參數條件下的噸燃料能耗響應面圖，探究主軸轉速、摩擦因數及輥模徑比對壓塊機噸燃料能耗的影響規律，為降低壓塊機能耗和使用成本提供一定理論參考。

1 立式環模壓塊機工作原理

環模秸稈壓塊機由進料斗、壓輥、環模、傳動機構、電機及機架組成，如圖1所示。工作時，電機通過皮帶帶動主軸轉動，主軸帶動壓輥公轉，壓輥在公轉同時也繞偏心軸自轉；秸稈原料從上料機構輸送到壓塊機的進料斗，然后進入壓縮室，均勻地散布在環模四周；在壓輥、環模、秸稈三者相互作用下，秸稈原料被不斷擠入環模孔內，在秸稈相互擠壓作用下，不斷成型的壓塊從環模孔另一側擠出，在自身重力的作用下，斷裂成一定長度的成型壓塊，從出料斗左、右兩側出料，掉落在輸料機上；輸料機將壓塊運輸到篩子上進行篩選，冷卻后裝袋密封[9]。

2 立式環模壓塊機能耗建模

2.1 壓塊機生產率建模

秸稈壓縮成型時，壓輥在主軸驅動下公轉，將秸稈擠入到環模孔內。壓輥和環模在擠壓秸稈的接觸點處，壓輥在與秸稈產生的摩擦力作用下進行自轉，壓輥處于即將滑動但尚未滑動的臨界狀態，因此壓輥可視為靜止狀態[10]。由于秸稈的存在，壓輥對環模的作用力在攫入秸稈的包角上呈不斷變化狀態，而且壓塊機在壓塊成型過程中，壓輥、環模和秸稈并非剛體，在壓力的作用下相互會發生變形，環模通過秸稈傳遞對壓輥的反作用力；在攫取秸稈包角處對壓輥的作用力可簡化為正壓力N和摩擦力f，壓輥的受力分析如圖2所示[10]。對壓輥中心點列力矩方程，因壓輥處于靜止狀態，其力矩和為零，平衡方程為

M=N·a-f·b=0

(1)

其中，f=μ·N。

將其代入式(1)，可得

(2)

圖2 壓輥受力分析

圖2中，N0為壓輥受到秸稈的壓力；f0為壓輥受到秸稈的摩擦力；f為秸稈對壓輥的簡化摩擦力；N為秸稈對壓輥的簡化正壓力；a為接觸點到壓輥中心豎直線的最短距離；μ為壓輥與秸稈的摩擦因數；r為壓輥半徑。

(3)

將式(2)代入式(3)可得

(4)

其中，b為壓輥中心點到接觸點水平線的最短距離。

(5)

將式(3)和式(4)代入式(5)可得

(6)

其中，α為接觸點與壓輥中心點的連線偏離壓輥中心豎直線的角度。

(7)

將式(3)和式(4)代入式(7)可得

(8)

其中，R為環模的半徑；β為接觸點與主軸中心點的連線偏離主軸中心豎直線的角度。

(9)

將式(7)和式(8)代入式(9)，可得

(10)

其中，L為主軸的中心點到壓輥與秸稈接觸點的距離。

h=R-L

(11)

其中，h為被擠入秸稈的高度。

將式(10)代入式(11)，可得

(12)

壓輥公轉1周，被1個壓輥擠入環模孔內的秸稈體積V為

(13)

壓塊機單位時間內的生產率Q為

Q=60π·B·Z·V·n·ρ

(14)

其中，Z為壓輥個數；n為壓輥公轉轉速；B為壓輥厚度；ρ為預壓區秸稈密度。

2.2 壓塊機功率建模

圖3為立式環模秸稈壓塊機壓塊過程受力分析。此時，壓輥和環模間存在的力有：壓輥與秸稈的正壓力N1和壓輥與秸稈表面的摩擦力f1。進行力的分解，可得[10]

f2+N2=F

(15)

由于f2=f1·sinγ、N2=N1·cosγ、γ=α-β和f1=μ·N1，代入式(15)可得

(16)

在圖3中，對主軸中心點O列力矩平衡方程，則

M=G·(R-r)-N0·L·sin(α-β)-

f0·L·cos(α-β)=0

(17)

(18)

T=G·(R-r)

(19)

(20)

將式式(17)～式(19)代入式(20)，可得電動機輸入功率為

(21)

其中，γ為壓輥的攫入角；η為壓塊機的傳動效率；f2為f1的沿模孔的豎直分量；N2為N1的沿模孔的豎直分量；F為模孔的最大擠壓力；G為壓輥驅動力。

圖3 壓塊機壓塊過程受力分析

2.3 壓塊機噸燃料能耗建模

依照NY/T1881.7-2010《生物質固體成型燃料試驗方法》，噸燃料能耗為生物質固體燃料成型設備生產1t成型燃料所消耗的能量。壓塊機噸燃料能耗計算公式為

(22)

其中，環模內徑R為740mm；壓輥個數Z為2；壓輥厚度B為29mm；測得秸稈在預壓區密度ρ為350kg/m3；由參考文獻可知壓塊機傳動效率η為0.96[11]；壓輥適宜的公轉轉速即主軸轉速n為135～195r/min[12]。根據壓塊機擠壓力與環模孔擠壓力是正反作用力的關系，參考相關文獻，壓塊機壓輥對秸稈的最大擠壓力(即環模孔的最大擠壓力)F為19.73kN[13]；輥模徑比為0.10～0.50，即壓輥半徑為37～185mm；水稻秸稈與壓輥之間摩擦因數μ為0.1～0.5[14]。

3 環模壓塊機噸燃料能耗影響因素分析

由式(14)、式(21)、式(22)可看出：主軸轉速、摩擦系數、輥模徑比等參數對壓塊機噸燃料能耗有較大影響。利用Design-Expert8.0.6繪制不同參數對應的壓塊機噸燃料能耗響應面圖，可直觀地呈現壓塊機參數對噸燃料能耗的影響規律。

3.1 摩擦因數與主軸轉速對噸燃料能耗影響

固定參數取值如上述設定，得到主軸轉速和摩擦因數對噸燃料能耗的交互影響，如圖4所示。摩擦因數對噸燃料能耗的響應曲面相比主軸轉速對噸燃料能耗的響應曲面變化更為陡峭，說明摩擦因數比主軸轉速對噸燃料能耗的影響強度更大。當摩擦因數在0.4左右時，壓塊機噸燃料能耗較低，這是因為摩擦因數越大，秸稈原料與環模、壓輥間的摩擦作用越好，可提高產量；從圖11可發現：主軸轉速對壓塊機噸燃料能耗影響并不明顯，而在實際生產中試驗測得主軸轉速在150～165r/min范圍時，可得到較低的噸燃料能耗不符，這是因為本文計算的秸稈壓塊產量是基于從環模孔中壓入量，而實際生產中產量計算是以出模孔后成型良好的壓塊量；當主軸轉速太低時，擠壓力降低，秸稈相互間擠壓作用減弱，延長成形時間，生產率下降，使得噸燃料能耗增加；主軸轉速太高，會使得成型腔的原料形成斷層，擠壓不連續，原料在成型腔內停留時間變長，延長了成型時間，生產率開始下降，則噸燃料能耗開始增加[15]。

圖4 摩擦因數和主軸轉速對噸燃料能耗的影響

3.2 主軸轉速與輥模徑比對噸燃料能耗影響

固定參數取值如上述設定，得到主軸轉速和輥模徑比對噸燃料能耗的交互影響，如圖5所示。輥模徑比對噸燃料能耗的響應曲面相比主軸轉速對噸燃料能耗的響應曲面變化更為陡峭，說明輥模徑比對噸燃料能耗的影響強度大。當輥模徑比為0.40時，壓塊機噸燃料能耗較低，這與文獻[10]的研究結果相吻合。因此，在設計理論當中，無論從增大壓塊機產能，還是從降低能耗的角度出發，在符合設備技術與結構要求的前提下，應盡可能選取較大的壓輥半徑，即盡可能增大輥模徑比；但過大的輥模徑比會使得壓輥卡死或模孔堵塞，造成“悶機”現象，使得產量降低，反而增大壓塊機的噸燃料能耗[16]。

圖5 主軸轉速和輥模徑比對噸燃料能耗的影響

3.3 摩擦因數與輥模徑比對噸燃料能耗影響

固定參數取值如上述設定，得到摩擦因數和輥模徑比對噸燃料能耗的交互影響如圖6所示。

圖6 摩擦因數和輥模徑比對噸燃料能耗的影響

從圖6可看出：摩擦因數和輥模徑比對噸燃料能耗都較大，且輥模徑比影響更加劇烈。隨著輥模徑比的增大，壓塊機噸燃料能耗呈下降趨勢，這與上述分析結果一致。當摩擦因數為0.4時，噸燃料能耗處于較低水平。這里需要說明的是，提高秸稈與壓輥之間的摩擦因數主要有兩種途徑—降低秸稈含水率或者改進壓輥表面結構或表面材料。但是，降低秸稈含水率會使得秸稈的脆性增強，易斷裂變形，在模孔內的變形恢復力小，難以成型，且初始密度較低，不易喂料，進入模孔的原料少，使得成型壓塊密度、成型率及產量都較低；且隨著摩擦因數增大，會加大壓輥和環模的磨損，縮短壓塊機核心部件壓輥和環模的使用壽命。因此，可在壓輥圓周方向加工半徑為5mm的半圓形摩擦凹槽，表面進行深度大于4mm的滲碳處理。

4 試驗

應用立式環模秸稈壓塊機對水稻秸稈進行壓縮成型試驗，秸稈選用江蘇省丹陽地區種植的鎮稻413型水稻。將水稻秸稈用粉碎機粉碎成粒度30～100 mm，加水調制成含水率為24%，此時水稻秸稈與壓輥的摩擦因數約為0.4，主軸轉速為165r/min，分別取壓輥半徑與環模半徑比為0.35、0.4、0.45 的壓輥進行壓縮試驗。試驗時間為30min，每組試驗重復3次，取均值，得到設備的噸燃料能耗分別為36.24、 30.72、35.65kW·h/t；當輥模徑比為0.45時，偶爾會出現“堵機”現象，導致產量有下降，能耗反而增大。

5 結論

1)摩擦因數和輥模徑比對壓塊機噸燃料能耗的影響較大，主軸轉速影響不明顯是因為產量計算方式不同造成的。輥模徑比越大，壓塊機噸燃料能耗越低，增大摩擦因數，也能降低噸燃料能耗。

2)當主軸轉速、輥模徑比、摩擦因數分別為165r/min、0.40、0.4時，噸燃料能耗達到較優，為30.72W·h/t。

3)不同輥模徑比和摩擦因數對噸燃料能耗的響應面分布規律表明：壓塊機的能耗與產能與摩擦因數有較大關系，因此各型號壓塊機產能不宜籠統標明；增大摩擦因數對提高壓塊機產能、降低壓塊機噸燃料能耗有重要意義，但過大的摩擦因數會使得壓輥和環模加劇磨損，降低壓塊機核心部件使用壽命；噸燃料能耗隨輥模徑比的增加而迅速減小，說明提高輥模徑比可降低壓塊機噸燃料能耗，但過大的輥模徑比易出現“悶機”現象。

[1] 張百良.生物質成型燃料技術與工程化[M].北京：科學出版社，2016.

[2] 崔明，趙立欣，田宜水，等.中國主要農作物秸稈資源能源化利用分析評價[J].農業工程學報，2008，24(12)：291-296.

[3] 中華人民共和國農業部.農業和農村節能減速十大技術[M].北京：中國農業出版社，2010.

[4] 霍麗麗，侯書林，趙立欣，等.生物質固體成型燃料技術及設備研究進展[J].安全與環境學報，2009，9(6)：27-31.

[5] 段建，陳樹人，姚勇，等.環模秸稈壓塊機噸燃料能耗試驗與工藝優化[J].農業機械學報，2013，44(S1):149-155.

[6] 段建.立式環模秸稈壓塊機設計理論及試驗研究 [D].鎮江:江蘇大學，2014.

[7] 姜洋，曲靜霞，郭軍，等.生物質顆粒燃料成型條件的研究[J]．可再生能源，2006,129(5):16-18.

[8] 武凱，施水娟，彭斌彬，等.環模制粒擠壓過程力學建模及影響因素分析[J].農業工程學報， 2010,26(12)：142-147.

[9] 陳樹人，段建，姚勇.環模式秸稈壓塊機的設計與性能試驗[J].農機化研究，2013， 35(11):140-143.

[10] 王春華，宋 超，朱天龍，等.環模秸稈成型機壓輥半徑的優選與試驗[J]. 農業工程學報，2013，29(15)：26-33.

[11] 叢宏斌，趙立欣，姚宗路，等.生物質環模制粒機產能與能耗分析[J].農業機械學報，2013， 44(11):144-149.

[12] 王志飛，亢燕茹，韓寶生，等.壓塊機工藝參數對生產率和功率的影響[J].農機化研究， 2007(4):106-108.

[13] 劉寶軍，李旭英，沈永雷，等.秸稈含水率對壓塊機功耗的影響[J].農機化研究，2009，31(9):179-182.

[14] 徐微.新型液壓活塞式秸稈成型機改進研究 [D].長春:吉林大學，2012.

[15] 陳樹人，段 建，姚 勇，等.環模式成型機壓縮水稻稈成型工藝參數優化[J].農業工程學報， 2013，29(22)：32-41.

[16] 陳樹人，段建，蔣曉霞，等.一種雙層環模雙層壓輥秸稈壓塊成型機:中國， CN103128990B[P].2015-06-10.

Energy Consumption Analysis of the Straw Briquetting Machine with Vertical Ring Die

Dai Xiaofeng, Duan Jian, Wang Bowen, Shao Feng

(Yangzhou Polytechinic Institute, Yangzhou 225127, China)

Analysis of the influence on the technical parameters for energy consumption on the straw briquetting machine with vertical ring die,research can be provide some

for optimizing the efficiency of machine.Based on the analysis of the forming process and mechanism of the straw briquetting machine, the energy consumption model is established, energy consumption curve is drawn to use design-expert8.0.6; analysis shows that the friction coefficient and the mold roll diameter ratio on the pressure briquetting machine tons of fuel consumption significantly, and the effect of spindle speed is not obvious due to differences in calculation, and die diameter ratio is bigger, equipment tons of fuel consumption is lower, but high roller die diameter can cause blockage of equipment, too large friction coefficient will reduce the service life of the core parts of the machine; when the spindle speed is 165r/min, the die roll diameter ratio is 0.40, the friction coefficient is 0.4, to achieve optimum tons of fuel energy consumption is 30.72kW·h/t.

straw；briquetting machine with vertical ring die；energy consumption per ton

2016-06-29

江蘇省農業科技支撐計劃項目(BE2013412)

戴曉鋒(1969-)，男，江蘇姜堰人，研究員級高級工程師，碩士，(E-mail)iveiqeq@126.com。

S817.11+9

A

1003-188X(2017)08-0247-05