秸稈平模成型機的改進設(shè)計

焦國昌， 李奉躍， 谷志新

(1.東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學信息與計算機工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

本文改進設(shè)計一臺功率不超過50 kW的秸稈平模成型機，其產(chǎn)量達到1 000～2 000 kg/h，秸稈顆粒燃料平均密度約在1.0 g/mm3。根據(jù)之前的研究，如果確保秸稈原料性質(zhì)基本相同，成型機產(chǎn)量的大小主要由以下參數(shù)決定：平模的參數(shù)、成型的方式、壓輥的數(shù)目、原料的密度、攫取層的厚度等。要保證生產(chǎn)的秸稈顆粒燃料達到所規(guī)定的密度，關(guān)鍵在于施加的成型壓力，在40 MPa以上的成型壓力下才能確保成型顆粒的平均密度達到1.0 g/mm3。

1 確定平模參數(shù)

假設(shè)：秸稈顆粒平模成型機在成型過程中秸稈原料能充足沿平模表面均勻地分布，攫取層厚度是h0的原料由壓輥送入?？?。計算平模的生產(chǎn)率Q。

式中：Q為平模生產(chǎn)率；m為壓輥的個數(shù)；n為平模轉(zhuǎn)速，r/min；ρ為原料在模密度，t/mm3；D1為平模內(nèi)徑，mm；D為平模外徑，mm；h0為原料攫取層厚度，mm。

設(shè)計中根據(jù)需求進行成型機結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)的初步假設(shè)，改進設(shè)計平模時所用到的主要參數(shù)一定會決定成型機的產(chǎn)量，根據(jù)假設(shè)再進一步計算需求任務(wù)中所要求的產(chǎn)量。重復(fù)計算，直到滿足設(shè)計要求。

1.依照中國機械行業(yè)的標準JB/T 5161.1-1999，首次確定的平模的內(nèi)徑D1=130 mm，平模的外徑D=450mm，壓輥為錐輥，壓輥數(shù)目為m=3，其小端直徑d1=110 mm，大端直徑d=180 mm，模孔的分布在平模的直徑240～410 mm之間。

2.假定平模與原料、壓輥與原摩擦系數(shù)都相同，初步估計取f=0.15。則攫取層厚度h=9 mm。

3.根據(jù)實驗，在空氣中自然風干的狀態(tài)下秸稈原料，粉碎后粒度保證在5 mm左右，計算其密度ρ=0.055 t/mm3。

4.根據(jù)研究，主軸轉(zhuǎn)速也會影響著秸稈顆粒染料的產(chǎn)量，如果轉(zhuǎn)速太低，產(chǎn)量就會下降，反之，如果轉(zhuǎn)速太高，會影響原料進入到?？?，綜合各個因素，參考相關(guān)的設(shè)計資料后，本研究中的設(shè)計確定n=150 r/min。

根據(jù)參數(shù)，計算產(chǎn)量K：

計算后，滿足要求，所確定的參數(shù)合理。

2 計算成型機的功率

成型機的功率主要取決于壓輥的擠壓壓力，壓輥和秸稈燃料之間的摩擦系數(shù)，壓輥的中心距，轉(zhuǎn)速等因素。

考慮壓輥擠壓區(qū)域的面積和擠壓壓力，整理可以得到：

式中：S為壓輥受力面積，m2；d1為?？變?nèi)徑直徑，mm；l為壓輥與平模接觸區(qū)長度，m；Ψ為平模的開孔率，一般介于0.25～0.35之間；P為成型的壓強，MPa；N為壓輥對孔內(nèi)原料的壓力，N；μ為壓輥和原料之間的摩擦系數(shù)，介于0.1～0.2之間；L為壓輥的中心距，mm；n為主軸的轉(zhuǎn)速，r/min。

確定的成型機參數(shù)：壓力45 MPa，μ=0.1，L=410 mm，n=150 r/min，d1=10 mm，l=170 mm，Ψ=0.3，解得：

3 平模的改進設(shè)計

產(chǎn)量的大小直接取決于平模的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

根據(jù)計算的參數(shù)，確定平模的?？祝總€孔的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中倒角的大小根據(jù)研究確定為45°的時候，成型燃料的效果達到最好，所以本研究?？椎菇菫?5°。

圖1 模孔單孔結(jié)構(gòu)圖

平模?？椎拈L徑比為?？椎拈L度與直徑的比值。由于秸稈原料不同，所確定模孔的直徑也不同，長徑比也會有所不同。例如：如果粒度為8 mm的苜蓿草顆粒，通常選用長徑比為8的平模。如果壓縮玉米粉時，通常選用的長徑比為11。

確定縮徑率：144/100=1.44，確定長徑比：H/d1=8，由此計算出模孔長度H=80 mm。平模整體采用4Cr13制造，加工方式采用配鉆方式進行。

如果在滿足平模使用壽命的前提下，盡可能的增加平模上分布的?？讛?shù)量，可以有效地提高生產(chǎn)的效率。改進設(shè)計使不同數(shù)量的五圈?？自谄侥Ｉ辖诲e排布，從最內(nèi)圈到最外圈每圈?？椎臄?shù)量分別為36、40、44、48、52，相鄰圈之間的距離為18.75 mm，?？着挪贾睆綖?50 mm。綜上所述，平模三維模型如圖2。

圖2 平模三維模型

4 壓輥的改進設(shè)計

根據(jù)平模內(nèi)?？椎姆植贾睆娇梢源_定單個壓輥有效的擠壓寬度為85 mm，參考國內(nèi)秸稈燃料平模成型機的資料，不設(shè)置壓輥的母線有軸偏移量，直接采用對稱的結(jié)構(gòu)能更好地保證成型顆粒質(zhì)量的平穩(wěn)度，最終設(shè)計壓輥母線的傾角為24°，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。壓輥滾輪通過多對圓錐滾子軸承軸向固定在壓輥支架的軸上，可隨壓輥支架繞主軸公轉(zhuǎn)，也可自轉(zhuǎn)，壓輥滾輪的小端用軸承透蓋固定，大端用軸承端蓋固定。改進的壓輥三維模型爆炸圖如圖4所示。

圖3 改進后的壓輥結(jié)構(gòu)圖

圖4 壓輥三維模型爆炸視圖

成型機在工作中，由于秸稈燃料和壓輥之間的摩擦作用，壓輥的磨損與松動會逐漸增大兩者之間的間隙。為了保證生產(chǎn)出的秸稈燃料質(zhì)量和出料的穩(wěn)定，需要用到調(diào)整墊片來調(diào)整兩者之間的間隙。

采用二級圓錐圓柱齒輪減速器作為平模成型機的傳動系統(tǒng)來進行減速。依照生產(chǎn)需要的驅(qū)動力的要求，選用Y系列(IP44)三相異步電動機，型號規(guī)格B3型Y200L-4。根據(jù)需求設(shè)計的主軸的轉(zhuǎn)速為150 r/min，計算需要減速器的總傳動比為i=1 470/150=9.8。

秸稈顆粒燃料平模成型機主要由減速器、電動機、平模、壓輥輪、主軸、進出料斗、掃料板、勻料板等部分構(gòu)成，平模成型機整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 平模成型機整體結(jié)構(gòu)1.機架；2.電動機；3.傳動軸；4.減速器；5.出料斗；6.進料斗；7.勻料板；8.壓輥；9.平模盤；10.掃料板

5 總結(jié)

本文設(shè)計了一種秸稈平模成型機，對成型機的關(guān)鍵部件壓輥與平模進行了改進設(shè)計，新增了調(diào)整墊片、勻料板與掃料板，改進設(shè)計的主要目的是減少現(xiàn)存平模成型機的成型孔堵塞、改善關(guān)鍵部件磨損嚴重現(xiàn)象、延長成型機使用壽命等問題，為我國秸稈再利用設(shè)備提供參考依據(jù)。