生物質能發電儲運設備玉米秸稈大方捆打捆機的設計分析

邢蕾，王慧，姜文龍，李劍英，肖應輝，劉向東＊

（1.佳木斯大學機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007;2.佳木斯市潛興農業機械研發有限公司，黑龍江 佳木斯 154000）

我國是農業發展大國，秸稈資源非常豐富。秸稈作為一種低碳量及含硫量非常低的清潔燃料，成為了僅次于煤炭、石油的重要能源之一。生物質能發電儲運技術可以滿足農村用電需求，是充分利用可再生質能的有效手段。生物質能發電的前提是將其進行壓縮成大型方捆。基于生物質能秸稈發電的需求，我國需要加速對玉米秸稈大方捆打捆機設備進行研制。

1 秸稈打捆技術現狀

該項技術在歐美等一些發達國家起步早，不管是配套設備還是處理技術等都比較先進，尤其是自動捆打扎成套設備工作效率高，具有很大的技術經濟價值。目前，我國秸稈發電相關設備還需要從國外引進。隨著我國科學技術水平的不斷提高，秸稈發電項目的有效實施，對于玉米秸稈等一些生物質能，國內也對已有的臥式打捆技術進行了研究，用新型的液壓機構替代了傳統的曲柄連桿機構，但是目前，國內秸稈打捆技術還存在著工作安全穩定性不強、打捆效果差等問題，還無法達到秸稈發電的實際要求。

2 生物質能發電儲運設備玉米秸稈大方捆打捆機的技術依據

2.1 技術設計依據

同其他的生物質能相比，玉米秸稈具有特殊的物理特性，也是其得到推廣的優勢。由于玉米秸稈中空，所以堆放密度小，且反彈性強。玉米秸稈壓縮，實質上是從低密度向高密度轉化，轉化中對壓力要求非常高。通過有限元數據分析和實驗表明，壓力會隨著物料密度的增大而增大，同時，玉米秸稈經過壓縮之后，在超過屈服極限的條件下，反彈力依然很大，因此，秸稈壓縮很難一次完成。雖然機械機構運行速度很快，但是壓力不高；液壓系統運行速度較慢，但可以提供很大的壓力，持久耐用，因此，需要將兩者有效結合起來，采用壓扁、主壓等工藝，或者通過液壓組合等方式來壓縮，提高壓縮效率。

2.2 技術指標

①配套動力是110-145kW；②生產率是4～7t/h。③捆綁的尺寸長為1.5m、寬為1.3m、高為1.2m。④秸稈捆綁重量是350～450kg。

3 生物質能發電儲運設備玉米秸稈大方捆打捆機的總體設計

3.1 玉米秸稈設計方案分析

（1）玉米秸稈壓縮變形規律分析。玉米秸稈壓縮和其他農業物料壓縮有很大的區別，其壓縮時具有變形與變形恢復大等特點。根據秸稈變形恢復的規律，使用閉壓式壓縮一次后，秸稈內應力難以全部消除，且具有很大的的反彈力，這就會加大功耗，壓縮后的捆綁工作難以有效進行；而通過開式壓縮方式，經過一次壓縮之后，變形大，但會逐漸減少，整體壓縮變形曲線呈遞減趨勢，應力比較松弛，導致壓縮變形減小。但是，若持續增加壓縮時長度，就會加大秸稈壓縮時的摩擦力，導致壓縮效率低。所以，將秸稈壓縮變形恢復減少，是減少能源消耗，提高生產效率的有效手段。

（2）壓縮力、壓縮量即壓縮密度關系。根據壓縮動力學原理，物料應力也就是應變關系，是非線性的，加載和卸載曲線也存在很大的差異，其卸載線難以回到原點。當壓縮玉米秸稈到80kg/m，壓縮力曲線比較平緩；當成形捆壓縮截面積變大時，密度能夠達到220kg/m3，且壓縮力曲線變陡。隨壓縮室截面變大，比應力為先減后增的規律；比密度是壓縮室面積越大，比密度是先減后增，因此，設計開式壓縮方式時，功耗和捆綁效果是由壓縮室長度決定的。

（3）現有打捆機應用分析。①使用液壓技術，一次性閉式打捆。該種打捆方式具有安全可靠性，能夠使用各種秸稈物料，但只可以打小捆，針對較大的玉米秸稈捆，基于松散物料容重比較小的特點，必須多次添加完成打捆，因而，性價比低，生產效率不高。②使用液壓技術，進行開式打捆。使用這一技術進行打捆穩定性強，與節本稻苗打捆具有相似性，沖破了壓縮力的限制，但是，不足之處是，體積過大，初始物料容積大，壓縮量大，不能自動完成捆扎，生產率低。③小型打捆設備。這種設備對原有的小型方捆進行了合理利用，并二次壓縮，形成大型方捆。該設備主要利用了小型草捆容重大等特點來二次加工，這就加大了秸稈壓縮的成本。④機械預壓及液壓主壓結合技術。該技術主要是將機械預壓及液壓主壓優點相結合應用的技術，在能耗不大的基礎上，通過液壓致密技術進行二次壓縮，減少能源消耗，并能連續進行工作，但是，預壓與主壓的連續銜接存在問題，難以自動進行捆扎。圖1中1代表輸送裝置；2代表壓扁裝置；3代表預壓縮裝置；4代表主壓縮裝置；5代表穿繩裝置。

3.2 結構與工作基本原理

目前，國內使用最普遍的是小型打捆設備，其可以分為機械和液壓兩種。雖然，也嘗試使用大型打捆機，但是，打捆效果不佳；國外運用比較多的是液壓系統致密成型技術，技術含量非常高。本設備主要采用逐級分解壓力設計方案。玉米秸稈捆打機是由輸送、壓扁、預壓縮等裝置工程。如圖1所示。主要原理：玉米秸稈在輸送帶進行水平方向移動，經過壓扁裝置后成扁平狀，在機械預壓和液壓主壓結構相互作用下，使物料進行高密度大方捆綁，然后借助壓縮液壓設備，設定打捆的具體參數，將玉米秸稈方捆成設定尺寸。

圖1 玉米秸稈打捆設備結構圖

3.3 主要參數和結構設計

（1）輸送機結構設計。依據設備的指標做理論分析與試驗，含水率約20%的秸稈容量為0.029t/m3，秸稈的平均長度為2.2m，最長不也能超過2.4m，若料槽寬度為2.4m，按照壓扁機初估高度，將其設計為可調節式的高度，調節范圍控制在2.5～3.5m之間，傾角取0值為0.72。秸稈輸送機產量料槽寬、高度關系為：Q=3600B·h·V·γ·η·Kc。關系式中：Q表示輸送機產量；B表示料槽的寬度；h表示料槽高度；V表示的鏈條速度；γ表示物料容重；η表示輸送效率；Kc表示傾斜輸送數。

（2）壓扁機結構設計。壓扁機中核心部件是壓扁輥，因此，確保壓扁輥的安全穩定性非常重要。經過相應的力學分析，初選外徑D=245mm，長L=2480mm的壓扁輥，通過對外力實驗測定，P-5×104，壓扁輥重C-1709.96N。經過力學分析計算， 校 核：該式子中：T表示的是軸所受扭矩；P表示的是軸傳遞功率大小；n表示的是軸的轉動速度。抗彎截面系數W=0.1D3（1-ɑ4）=598469mm3，合成彎矩表示：，材料強度符合使用要求。

（3）主壓縮結構設計。支撐和壓縮是其核心的構成部分，其中支撐是由桁架構成。使用有限元分析法對桁架的強度進行設計，并按照對應力與應變圖分析桁架。通過有限元分析的相關數據，在保證桁架經濟穩定性的前提下，可推算出材料橫截面計算公式為：

上式中：δfalse表示工件應力；A表示工件的橫截面積；[σ]表示工件許用應力；N表示在工件上作用的力。計算得出：理論橫截面A1=1797mm2；A2=1037.1mm2，所以，桁架選擇的是100×100×6、80×80×4的方鋼管，經過試驗材料強度滿足使用的實際要求。

4 結語

經相關實驗表明，機械和液壓組合運用，具有很強的安全可靠性，其捆打機結構符合機械功能的要求，是我國技術科研成果的一項重大創新，其推廣和應用具有重要意義。其設備應用優勢具體表現為：①結構十分緊湊，操作比較方便，安全性高；②使用該設備進行玉米秸稈捆綁尺寸十分規整，且重量很穩定；③機械要和液壓主壓相結合，比較適應北方玉米高強度的特點，且產出比非常高。

參考文獻：

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[2]劉宏文,徐浩.紐荷蘭大方捆打捆機在生物質發電領域的應用[J].現代化農業 ,2014，(12):318-326.