SWZ-110 固體成型機的設計

周建萍，王家珂

（揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127）

隨著經濟和人口的不斷增長，傳統能源利用方式已經難以滿足全中國的現代化需求。因此，改變能源生產和開發利用生物質能等可再生的清潔能源資源就顯得越加重要。生物質固體成型燃料就是在這種情況下產生的。生物質固體成型燃料是生物質（如農作物秸稈等）經專門設備加工、壓縮、成型而成的固體燃料，具有儲存、運輸、使用方便，清潔環保，燃燒效率高，使用范圍廣等優點。

目前生物質固體成型機的研制已初具規模，但要真正實現產業化，還有一些技術障礙亟待解決。大部分機組可靠性能差，運行不平穩，部件易磨損，使用壽命太短，維修和更換不方便，而且生物質固體成型機的生產率還有待提高[1-6]。

1 生物質固體成型機的工作原理

通過對其他成型機資料的具體分析，并結合生物質固體成型機的工作情況，設計了其總體結構，見圖1。本設計擬采用常溫致密成型技術來加工生物質原料，這樣可滿足在原料產地加工的需要，這是因為經粉碎的生物質原料不方便加熱。另外本設計采用液壓驅動方式進行壓縮，又由于生物質原料有體積大、密度小的特點，因此在原料進入壓縮腔前要進行一次預壓。為方便進料，精簡機構預壓系統采用螺旋壓縮方式。因為一般生物質在常溫下致密成型所需壓強為160 MPa 左右，又因為成型塊密度增加速度與成型壓強增加速度之比越來越小，所以開始壓縮時需要的壓強極小卻能壓縮非常大的空間，故初步確定螺旋預壓系統可提供的最大壓強為2 MPa，這樣足以滿足預壓的需要。

圖1 生物質固體成型機的總體結構圖

現確定要設計的固定式生物質固體成型機的工作過程如下： 經粉碎的生物質原料從進料口進入預壓系統，預壓系統中螺旋壓縮器由帶輪帶動旋轉將物料經預壓腔壓入成型腔。當物料在成型腔積累到一定量時，成型滑塊由主液壓缸驅動將進入的原料壓入成型模進行壓縮成型。當成型滑塊移動到預定位置時，行程控制閥被觸動，此時輔助液壓缸啟動上行將成型模向上提起，同時帶動投出裝置將成型模中的成型塊投出。當輔助液壓缸行進到上止點時，液壓系統中壓力不斷升高。當壓力達到一定時，系統中的控制閥被觸發，主液壓缸開始收回。當主液壓缸收回到左端時，行程控制閥換向輔助液壓缸下行。當輔助液壓缸到下止點時，系統壓力增加到可觸發壓力控制閥的程度，主液壓缸開始伸出。有一點需要注意，在工進行程中，成型滑塊通過預壓腔與成型腔接口后，預壓螺旋依然在旋轉，成型腔中的原料密度繼續增大，直到成型滑塊回程通過接口，預壓腔壓力減小，當成型腔被填滿后預壓腔壓力再次增加，直到工進行程再次開始，滑塊通過接口進入下一循環。

為了不使機構過于龐大，初步確定預壓腔與成型腔的直徑均為100 mm。又由于秸稈的壓縮比取平均值為8，且預壓已經將原料密度壓至了原來的2 倍，故取從滑塊接觸物料開始至壓縮完畢時間內滑塊的行程為500 mm，壓縮完成后成型塊存在于90 mm 的成型模內，等到成型模被提起后投出。但為了有更多的時間將預壓后的物料充滿成型腔，現讓成型滑塊在回程時多回一段距離，這段距離初步確定為100 mm。

2 液壓系統的設計

2.1 液壓系統的設計要求

靜摩擦系數μs=0．2，動摩擦系數μd=0．2。因為成型機的壓縮腔水平布置成型滑塊由液壓系統實現自動循環，因此要求循環流程為： 工進—換向—快退—換向。由文獻[7]中的研究結果可知，秸稈成型塊的壓縮比在6．73～10．92 之間。又因為擬讓螺旋預壓系統將生物質原料壓縮到密度增至原料密度的2 倍后將其送入壓縮腔，故可確定成型滑塊的部分一直參數，見表1。

表1 成型滑塊的已知參數

表1 中的垂直運動方向受力主要來自于預壓腔中原料對滑塊及其上擋板的作用力，由于筆者已經初步確定了預壓缸的壓強P=2 MPa，預壓缸半徑R=0．05 m，且預壓缸與成型腔之間成45°，故可知作用在成型滑塊及其上擋板上的正壓力即垂直于滑塊運動方向受力，其計算公式為

2.2 液壓系統原理圖的擬定

由于生物質固體成型機工作中需輔助液壓缸將成型模提起，故需設計輔助液壓缸，但因為輔助液壓缸工作在主液壓缸停止的時候，并且因為輔助液壓缸的工作壓力非常小，不影響主液壓缸的設計計算結果，故可將其并入到本液壓系統中，所以不影響主液壓缸的工作，只是在主液壓缸行至最大行程處需停頓一定時間，該時間初步確定為3 s。

考慮到生物質固體成型機工作需要較大功率，故采用溶劑調速方式，為滿足速度變化有級化的設計目標，采用壓力補償變量液壓泵供油，即在工進時流量較小、在快退時用全流量，本機采用行程控制，利用行程開關切換二位四通手動換向閥實現自動循環。根據上述討論，擬定生物質固體成型機的液壓系統原理圖，見圖2。

圖2 生物質固體成型機的液壓系統原理圖

3 螺旋預壓系統的設計和計算

螺旋預壓系統起到了進料與預壓作用。根據總體結構設計要求，螺旋工作壓強P=2 MPa，工作腔半徑R=0．05 m。初步確定預壓螺旋長度為350 mm。

3.1 螺旋結構的設計

圖3 為螺旋結構示意圖。

圖3 螺旋結構示意圖

3.2 螺旋耐磨性的計算

軸向載荷的計算公式為

參考《機械設計手冊》，得到螺旋軸直徑的計算公式為

根據 《機械設計手冊》，取ξ=0．1，φ=1．2，p0［ ］=5 MPa，計算可得d2=0．041 m，圓整取為標準值40 mm。

螺旋長取350 mm，則旋合圈數的計算公式為

式中： H 為螺距長度； P 為螺距。因為應取Z≤10～12，故取P=60 mm，則Z=5．63，取6，故最終的螺距長度H=ZP=360 mm。螺紋的工作高度h=0．5P=30 mm。螺旋工作壓強的計算公式為

由于計算可得p=677 507 Pa＜5 MPa，因此螺旋預壓系統的設計是合理的。

綜上所述，生物質固體成型機在總體結構設計上對傳統成型機進行了改進，采用了活塞沖壓成型技術，避免了生物質原料與成型部件連續的相對運動摩擦，解決了螺旋推進成型機螺旋桿頭部磨損嚴重的問題，延長了部件使用壽命。并且采用了切削式高速濕法粉碎技術、旋轉閃蒸式生物能氣流烘干法和碾壓中溫成型技術，成功解決了生物質固體顆粒燃料成型難、效率低、能耗大等問題。在動力方面，采用了液壓機構驅動，并且選用適當的材料來制作機架及其他部件，以確保成型機運行的穩定。