秸稈燃料擠壓成型機(jī)的設(shè)計(jì)

吳 飛，王家珂，徐穎梅

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，農(nóng)村能源緊張?jiān)郊訃?yán)重，傳統(tǒng)能源利用方式已經(jīng)難以滿足中國農(nóng)村的發(fā)展需求。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一款新型秸稈燃燒擠壓成型機(jī), 通過對(duì)螺桿、套筒和模頭的結(jié)構(gòu)及尺寸的改良，從而降低了成本，提高了秸稈成型機(jī)的使用壽命，促進(jìn)了擠壓成型機(jī)和新能源的發(fā)展。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的秸稈燃料擠壓成型機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它主要由軸承蓋1、軸2、漏斗3、螺桿4、套筒5、模頭6、底座以及安裝在底座內(nèi)的電機(jī)7、小帶輪8、大帶輪9組成，套筒5水平安裝在底座上方，套筒5的前端安裝模頭6，尾端安裝軸的軸承蓋1，螺桿4尾端與軸2的前端連接，并水平安裝在套筒5內(nèi)，軸尾端穿過軸承蓋1與大帶輪9相連，大帶輪9通過皮帶與小帶輪8相連，小帶輪8與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸端相連。

1-軸承蓋；2-軸；3-漏斗；4-螺桿；5-套筒；6-模頭；7-底座以及安裝在底座內(nèi)的電機(jī)；8-小帶輪；9-大帶輪圖1 秸稈燃料擠壓成型機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

該秸稈燃料擠壓成型機(jī)的工作原理是：先將秸稈粉碎成小狀物體，置于高溫狀態(tài)下，使秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化，然后借助擠壓機(jī)螺桿的推動(dòng)力將粉碎成小狀物體的物料向前擠壓，物料在混合、攪拌、摩擦以及高剪切力作用下使木素粒解體，同時(shí)機(jī)腔內(nèi)溫度和壓力升高(溫度可達(dá)到150 ℃～200 ℃，壓力可達(dá)1 MPa以上)，接著秸稈顆粒從一定形狀的?？字兴查g擠出，其中游離水分在此壓差下急劇汽化，水的體積可膨脹大約2 000倍，秸稈顆粒從高溫突然釋放到常溫常壓下，從而使產(chǎn)品定型。

2 螺桿的設(shè)計(jì)

螺桿是秸稈燃料擠壓成型機(jī)的重要組成部分，是壓力的唯一來源。為了提高產(chǎn)品的擠壓效果，本文在螺桿上設(shè)有斷式螺紋，該螺紋采用梯形的阿基米德螺線形式。如圖2所示，采用等螺距變深螺桿，也就是通過改變螺桿直徑來獲得壓縮比，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的輸送和擠壓。

圖2 螺桿

螺桿基本參數(shù)的確定：

(1) 螺桿轉(zhuǎn)速n：本例采用n=300 r/min。

(2) 螺桿外徑Ds：螺桿直徑一般是根據(jù)產(chǎn)量來確定的，但這個(gè)問題比較復(fù)雜，因?yàn)閿D出機(jī)的產(chǎn)量不僅取決于螺桿直徑，而且與螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)頭壓力、熔料黏度、螺旋槽深度等螺桿幾何參數(shù)有著直接關(guān)系，所以螺桿直徑的確定需要根據(jù)有關(guān)擠出理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析計(jì)算。

本系統(tǒng)螺桿直徑使用簡化的生產(chǎn)率公式來計(jì)算：

(1)

其中：Q為秸稈生產(chǎn)能力，在此取250 kg/h；β為綜合影響系數(shù)，取為0.005。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)計(jì)算得：Ds=12.9 mm,取標(biāo)準(zhǔn)值Ds=13 mm。

(3) 螺桿各段長度確定:取螺桿長徑比L/Ds=6，則螺桿總長L=6×13=78 mm。其中，進(jìn)料段長度L1=25%L=25%×78=19.5mm；均化段長度L2=50%L=50%×78=39 mm；擠壓段長度L3=25%L=25%×78=19.5 mm。

(4) 螺槽深度:根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取15 mm。

(5) 導(dǎo)程I:指在螺紋或蝸桿中同螺旋線上相鄰對(duì)應(yīng)點(diǎn)的軸向距離。因?yàn)楸緳C(jī)采用等螺距變深螺桿，因此選取導(dǎo)程I=30 mm。

(6) 螺旋角θ：指螺紋和垂直于螺桿軸線的平面之間所形成的夾角。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取θ=10°。

(7) 螺道的軸向?qū)挾菳： 是指沿螺桿軸向量取的螺槽寬度。本次設(shè)計(jì)B取25 mm。

(9) 螺紋的軸向厚度b:指在螺桿直徑處測(cè)得的螺紋厚度，即：

b=I-B=30-25=5 mm.

(10) 螺紋厚度e:指垂直于螺紋面測(cè)得的螺紋厚度：

e=b·cosθ=5×cos10°=5 mm.

(11) 螺桿直徑間隙2δ：指套筒內(nèi)徑和螺桿直徑之差，取2δ=0.8 mm。

3 套筒和模頭的設(shè)計(jì)

套筒結(jié)構(gòu)如圖3所示，套筒內(nèi)徑為55.8 mm,套筒壁厚為30 mm。套筒和螺桿共同組成了擠壓機(jī)的擠壓系統(tǒng)，完成對(duì)物料的固體輸送、熔融和定壓定量輸送。在擠壓機(jī)套筒的內(nèi)壁刻有螺旋倒槽，其螺旋方向與螺桿旋轉(zhuǎn)方向恰好相反。這樣套筒會(huì)增加螺桿帶動(dòng)秸稈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力，增加其壓力，從而使秸稈成型物的密度更大。套筒出料的前端通過螺釘和模頭(如圖4所示)相連，模頭上有不同形狀的孔，從而使秸稈擠壓成型。模頭由極耐磨的材料組成，常用的材料有鉻鋼、青銅合金、聚四氟乙烯等。本設(shè)計(jì)采用聚四氟乙烯材料，價(jià)格低廉，耐磨性也較好。

圖3 套筒

圖4 模頭

4 加熱與冷卻裝置的設(shè)計(jì)

加熱與冷卻是擠壓加工過程順利進(jìn)行的必要條件。伴隨著螺桿的快速旋轉(zhuǎn)擠壓、外加熱功率以及擠壓系統(tǒng)周圍介質(zhì)的溫度變化，機(jī)筒中的溫度也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的改變。為使秸稈物料溫度始終能夠處于機(jī)加工工藝所要求的范圍之內(nèi)，通常采用電阻或者電感應(yīng)加熱以及水冷卻裝置來不斷調(diào)節(jié)機(jī)筒的溫度。

5 切割裝置和控制裝置的設(shè)計(jì)

擠壓加工系統(tǒng)中常用的切割裝置為端面切割器，切割刀具旋轉(zhuǎn)平面與模板端面平行。通過調(diào)整切割刀具的旋轉(zhuǎn)速度和擠壓產(chǎn)品的線速度來獲得所需擠壓產(chǎn)品的長度。根據(jù)切割器驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置和割刀長度的不同，可將其分為飛速切割器和中心切割器兩種。飛速切割器的電機(jī)裝在模板中心軸線外面，割刀臂較長，以很高的線速度旋轉(zhuǎn)；中心切割器的刀片較短，并繞模板裝置的中心軸線旋轉(zhuǎn)。

控制裝置包括微電腦、傳感器、顯示器和儀表，用于控制電機(jī)，使其滿足所需的轉(zhuǎn)速，并保證各部分協(xié)調(diào)運(yùn)行；通過控制溫度、壓力和位置，實(shí)現(xiàn)整個(gè)擠壓加工系統(tǒng)的自動(dòng)控制。電機(jī)選用Y160M-6型電機(jī)，額定功率為7.5 kW，轉(zhuǎn)速為970 r/min，效率為86%。

6 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的秸稈燃料擠壓成型機(jī)改善了原擠壓成型機(jī)所存在的使用壽命較短的問題，相對(duì)于市場(chǎng)上普通秸稈燃料擠壓成型機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、便于維修、成本低廉等特點(diǎn)，更加適合農(nóng)村的個(gè)體戶和一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)小型企業(yè)使用。