李艷妮， 葛正浩， 黃 薇， 馬文靜

(陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 前 言

長期以來，石油、天然氣、煤炭等化石燃料一直是人類消耗的主要能源.但是，由于煤、石油和天然氣等礦物資源是不可再生的，這些資源是有限的，正面臨著逐漸枯竭的危險，因此它們不是人類所能長久依賴的理想資源，開發(fā)利用生物質(zhì)能可以明顯緩解環(huán)境危機和能源危機.但是，我國生物質(zhì)致密成型技術(shù)和炭化技術(shù)的研究、開發(fā)起步較晚.

燃料擠壓成型機是指以農(nóng)村的玉米秸稈、小麥秸稈、稻草、稻殼等廢棄的農(nóng)作物為原料，經(jīng)過粉碎后加熱、加壓，無需添加任何添加劑和粘結(jié)劑，生產(chǎn)成型秸稈燃料.生物質(zhì)固態(tài)燃料成型常用到的技術(shù)有螺旋擠壓、活塞壓縮兩種熱壓成型技術(shù)和輥壓成型這一種冷壓成型技術(shù).生物質(zhì)擠壓成型機有多種形式，常用的有單螺桿擠壓機和雙螺桿擠壓機.

雙螺桿擠壓機較單螺桿擠壓機具有許多優(yōu)點.雙螺桿擠壓機的表觀傳送角是單螺桿擠壓機的3倍，這使得雙螺桿擠壓機比單螺桿擠壓機輸送物料的能力大.雙螺桿擠壓機靠正位移原理輸送物料，不可能有壓力回流，所以加料容易.雙螺桿擠壓機螺紋槽中剪切率均勻、滯留時間分布較窄及混合度增加，使加工的均勻性提高，較單螺桿擠壓機的熱交換能力大得多.雙螺桿擠壓機有較好的排氣性能，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，還具有自清理功能，可避免發(fā)生降解.

1 雙螺桿的分類

雙螺桿的分類很多，可以從不同的角度進行分類：(1)按螺桿旋轉(zhuǎn)方向，分為同向旋轉(zhuǎn)型、異向旋轉(zhuǎn)型，其中異向旋轉(zhuǎn)又分為向內(nèi)旋轉(zhuǎn)和向外旋轉(zhuǎn)兩種；(2)按螺桿中心線平行與否，分為圓柱形雙螺桿、錐形雙螺桿；(3)按螺桿嚙合的相對位置，分為嚙合型、非嚙合型，其中嚙合型按其嚙合的程度分為全嚙合和部分嚙合.

下面對這幾種形式的擠出機的應(yīng)用場合作比較，確定合適的螺桿類型.

同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機：一般多是圓柱形的.螺桿轉(zhuǎn)速較高，原料在嚙合型同向旋轉(zhuǎn)的螺槽中成“∞”字形螺旋流動，改變了料流方向，促進了物料的混合和均化.但是，其正位移輸送能力差，輸送物料效率低，熔料壓力較小，而且壓力的穩(wěn)定性也較差，所以很少用這類擠出機成型制品，主要用于擠出造粒.不過其具有很好的自清理效果.

異向旋轉(zhuǎn)圓柱形雙螺桿擠壓機：工作中的輸送能力和產(chǎn)生的熔料壓力都比較大，且轉(zhuǎn)速低，可防止“壓延效應(yīng)”的產(chǎn)生.長徑比的可塑性是平行雙螺桿的優(yōu)勢，它可根據(jù)成型條件的差異，增大和減小長徑比以適應(yīng)原料加工工藝要求，可以擴展平行雙螺桿的適用范圍，但這點錐形雙螺桿擠出機是難以做到的.

異向旋轉(zhuǎn)錐形雙螺桿擠壓機：螺桿尾部的軸承部位空間較大，故承受螺桿工作軸向力的軸承規(guī)格較大，所以大工作扭矩、大承荷能力是錐形雙螺桿擠出機的一大特點，這是平行雙螺桿擠出機無法比擬的.異向錐形雙螺桿擠壓機具有廣泛的加工范圍，加料段的螺桿直徑較大，可對物料進行連續(xù)的壓縮，尤其適合于比較蓬松的、堆積密度較低的生物質(zhì)材料.擠出段的直徑小，剪切力小，有利于保持植物纖維的完整性.當(dāng)錐形螺桿直徑大于80 mm時，一般多改用圓柱形雙螺桿，因為錐形螺桿制造難度大.

綜合以上對幾種雙螺桿擠壓機應(yīng)用特點的分析，最終確定為異向錐形雙螺桿，雖然制造成本高，但是其能適應(yīng)較大的機頭壓力,可以確保得到高壓縮比的生物質(zhì)固態(tài)燃料，足以保證制品的密度和強度.

2 錐雙螺桿的類型和主要參數(shù)的確定

異向錐形雙螺桿擠出機自1967年問世以來，其螺桿基本結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了3種型式：普通型(CM)、雙錐形(CMS)、高效(超)雙錐形(CMT).CM型目前已基本淘汰，CMT的螺桿長度比CMS長，這樣可以加大加料段的加熱面積，使物料更好地吸收熱量，加快升溫，且螺桿大端與小端直徑之比大于2，加大了加料段的剪切和加熱面積.CMT型可以有效提高擠出量，達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的.所以，確定錐螺桿的類型為高效雙錐形.

圖1 產(chǎn)量Q與螺桿小端直徑D小的關(guān)系曲線

2.1 小端直徑的確定

錐形雙螺桿擠出機的螺桿小端外直徑為25～92 mm.根據(jù)我國擠出機的螺桿直徑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，擠出機螺桿直徑應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選取.通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出產(chǎn)量Q與螺桿小端直徑D小的關(guān)系如圖1所示[1].

為獲得較高的產(chǎn)量，初步確定螺桿小端直徑D小為60 mm.

2.2 長徑比L/Dm

螺桿的長徑比是代表擠出機性能的一個主要參數(shù).錐形雙螺桿的長徑比定義為螺桿的有效長度L與螺桿的平均直徑Dm之比，即L/Dm，其值一般為12～15.

要使機器達(dá)到高的擠出速率，擠壓機的機型不可能太小，而為了使物料達(dá)到穩(wěn)定的高速擠出，物料在機筒中必須有一定的停留時間，因此須加大螺桿的長徑比.最終確定雙螺桿的長徑比L/Dm為15.

2.3 大端直徑Dmax的確定

確定了螺桿的長徑比之后，根據(jù)式(1)來計算錐螺桿大端的直徑：

L/D=L/[(Dmin+Dmax)/2]=15

(1)

計算得出D=130mm.

2.4 內(nèi)錐角ζ和外錐角ε、中心線錐角θc

螺桿外徑與螺桿軸線所成的夾角稱為外錐角，螺桿根徑與螺桿軸線所成的夾角被稱為內(nèi)錐角.由于螺桿的兩個錐角是不同的，故稱之為雙錐形螺桿，外錐角根據(jù)螺紋大小端直徑和有效長度L計算：

(2)

錐形雙螺桿的內(nèi)錐角ζ和ε，通常分別為1°～2°.選取內(nèi)錐角ζ為1.25°.

對于全嚙合雙螺桿來說，上面螺桿的螺棱必須與下面螺桿的螺槽相嚙合，即在一條直線上，因而與水平線的夾角相等，有:

(3)

由此可以得到中心線錐角為1.3°.

2.5 螺棱斷面

目前，常見的螺棱斷面形狀有矩形斷面，鋸齒形斷面和梯形斷面、如圖2所示.

圖2

矩形形式螺桿應(yīng)力變化梯度最大，在螺槽與螺棱的交接處應(yīng)力值達(dá)到最大，螺桿承載能力最差，鋸齒形次之，梯形承載能力最好.增加過渡圓角后螺槽與螺棱交界處的應(yīng)力明顯降低，但不能一味地加大過渡圓角.根據(jù)相關(guān)資料得知，當(dāng)圓角半徑大于5 mm時，隨著半徑的增大，螺桿最大應(yīng)力變化不大.但從加工工藝和螺槽截面積兩方面綜合考慮，圓角半徑一般為4～6 mm時結(jié)構(gòu)較為合理.考慮到秸稈的流動性不是很好，本文設(shè)計確定的螺棱斷面為梯形，過度圓角為6 mm.

2.6 螺紋升角的確定

實驗證明，對于單螺桿，物料形狀不同對螺紋的螺紋升角要求也不一樣.φ=30°左右適用于粉料，17°左右適于圓柱料，15°左右適于方塊料.雙螺桿的螺紋升角比單螺桿的螺紋升角要小些，一般在15°左右.考慮到選用的螺桿為錐形雙螺桿，需相互配合且不干涉，故螺紋升角確定為13°.

2.7 螺桿轉(zhuǎn)速n

異向嚙合雙螺桿擠出機一般適合在較低速度下運轉(zhuǎn)，以免在嚙合區(qū)產(chǎn)生過大的壓力.錐形雙螺桿的轉(zhuǎn)速一般低于50 r/min，大型機在35 r/min左右，中型機在40 r/min左右，小型機為45～80 r/min.

根據(jù)錐形雙螺桿轉(zhuǎn)速n與螺桿小端直徑D小的關(guān)系，可得出螺桿轉(zhuǎn)速n與螺桿小端直徑D小關(guān)系式：

(4)

根據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合有關(guān)塑料擠出機的規(guī)格參數(shù)，最終確定錐形雙螺桿的轉(zhuǎn)速n為42 r/min.

3 錐雙螺桿的結(jié)構(gòu)

螺桿的各個參數(shù)確定之后，可以獲得如圖3所示的錐形雙螺桿.

圖3 錐形雙螺桿

該錐形雙螺桿分為3個功能段：加料段、排氣段和擠出段，其中各功能段的有效長度按所占的比例確定，加料段和擠出段的螺距相等.物料經(jīng)過加料口進入料筒，隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)而向前移動并逐漸被加熱.加料段主要用于輸送原料，所以該段的螺槽較深.排氣段是為了使物料中的氣體更好地排出，使物料可以被壓得更緊密，考慮到這些因素，排氣段的螺槽寬度較大.擠出段將物料近一步壓實，進入機頭，進而成型為管狀秸稈燃料.

4 結(jié)束語

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源豐富，但是由于技術(shù)的限制，利用率很低，大部分被焚燒，嚴(yán)重污染了大氣環(huán)境.將錐雙螺桿應(yīng)用于生物質(zhì)燃料擠壓成型機，成型燃料，變廢為寶，既減輕環(huán)境壓力，也減少了能源的浪費，將來有很大的發(fā)展空間.

參考文獻

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