張宇崴，俞國(guó)勝，冀 雨，郝 琪，梁 宇，王金鳴

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京100083)

近年來(lái)，生物質(zhì)固體成型技術(shù)由于原料種類(lèi)多、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，已成為生物質(zhì)能源主要的開(kāi)發(fā)利用方向之一[1-3]。目前對(duì)生物質(zhì)固體成型技術(shù)的研究主要集中在成型設(shè)備和成型工藝參數(shù)兩個(gè)方面，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)生物質(zhì)成型設(shè)備，探究最佳成型工藝參數(shù)，對(duì)推動(dòng)生物質(zhì)固體成型技術(shù)發(fā)展具有重大意義。

生物質(zhì)成型機(jī)是最主要的生物質(zhì)固化成型設(shè)備，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，生物質(zhì)成型機(jī)主要分為螺旋擠壓式、活塞沖壓式和壓輥式3種類(lèi)型[4-5]。由于壓輥式成型機(jī)的壓輥對(duì)環(huán)模成型孔外的物料存在著不必要的擠壓與摩擦，導(dǎo)致其主要成型部件磨損嚴(yán)重、壽命短、需定期更換，嚴(yán)重限制了成型機(jī)的推廣[6-7]。為解決上述問(wèn)題，袁大龍[8]綜合了活塞沖壓式成型機(jī)和壓輥式成型機(jī)的成型特點(diǎn)，提出一種柱塞式壓輥生物質(zhì)成型方式，基本消除了環(huán)模非成型孔處壓輥對(duì)物料的擠壓和摩擦，有效降低了生物質(zhì)成型的能耗，但該成型方式在成型模具設(shè)計(jì)和成型過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題。在成型模具設(shè)計(jì)方面，目前柱塞與成型孔間的運(yùn)動(dòng)干涉分析主要依靠SolidWorks、Pro/E等軟件進(jìn)行建模仿真[7,9]，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)且缺乏理論依據(jù)。在成型過(guò)程中，該種類(lèi)成型機(jī)容易出現(xiàn)擠壓困難、成型孔堵塞等問(wèn)題，這可能與成型孔入口為錐形結(jié)構(gòu)、柱塞與成型孔的嚙合深度較小有關(guān)，還需要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn),以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)的需要。而目前對(duì)生物質(zhì)成型工藝的研究多集中在原料粒度[10-11]、含水率[12-13]、成型孔長(zhǎng)徑比[14-15]、成型溫度[16-17]、成型壓力[18-19]、粘結(jié)劑[20-22]等因素上，關(guān)于成型孔入口結(jié)構(gòu)及柱塞與成型孔嚙合深度的相關(guān)研究較少。

為解決上述問(wèn)題，本研究首先建立了柱塞相對(duì)于成型孔的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型，探究調(diào)整成型孔入口與柱塞結(jié)構(gòu)尺寸的理論方法，以避免干涉問(wèn)題的發(fā)生，并減少建模仿真驗(yàn)證過(guò)程，有效簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟。然后以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)后續(xù)生物質(zhì)成型試驗(yàn)，加工試驗(yàn)所需成型模具，以檸條粉為原料通過(guò)試驗(yàn)探究成型孔入口結(jié)構(gòu)及柱塞與成型孔嚙合深度對(duì)生物質(zhì)成型過(guò)程及成型品質(zhì)的影響，旨在為柱塞式壓輥生物質(zhì)成型機(jī)的改進(jìn)提供參考。

1 柱塞運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型

根據(jù)柱塞式壓輥生物質(zhì)成型方式，設(shè)計(jì)并制造的柱塞式壓輥生物質(zhì)成型機(jī)如圖1所示。在生物質(zhì)成型過(guò)程中，壓輥的柱塞始終與環(huán)模的成型孔保持嚙合運(yùn)動(dòng)。該成型機(jī)的成型部件如圖2所示。

圖1 柱塞式壓輥生物質(zhì)成型機(jī)Fig.1 Plunger-type roller biomass molding equipment

成型孔與柱塞間具體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系為：隨著環(huán)模與壓輥的旋轉(zhuǎn)，成型孔與柱塞逐漸進(jìn)入嚙合，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至成型孔軸線與柱塞軸線重合時(shí)，二者嚙合深度最大，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，二者逐漸退出嚙合，在嚙合過(guò)程中柱塞頂點(diǎn)相對(duì)于成型孔的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，如圖3所示。成型機(jī)壓輥和環(huán)模的主要結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

表1 壓輥和環(huán)模的主要結(jié)構(gòu)與尺寸Table 1 Main structure and size of roller and ring die

設(shè)環(huán)模和壓輥的自轉(zhuǎn)角速度分別為ω1和ω2rad/s，轉(zhuǎn)速比為m。如圖3-A所示，成型機(jī)工作時(shí)，環(huán)模繞其旋轉(zhuǎn)中心O1轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)壓輥繞其旋轉(zhuǎn)中心O2同向轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)將環(huán)模固定，以環(huán)模旋轉(zhuǎn)中心O1為絕對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)建立絕對(duì)坐標(biāo)系O1XYZ，以壓輥旋轉(zhuǎn)中心O2為相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)建立相對(duì)坐標(biāo)系O2UVW。設(shè)初始時(shí)相對(duì)坐標(biāo)系與絕對(duì)坐標(biāo)系重合。柱塞的2個(gè)頂點(diǎn)分別標(biāo)定為點(diǎn)A、B，點(diǎn)A和點(diǎn)B關(guān)于坐標(biāo)軸對(duì)稱(chēng)，因此只需對(duì)點(diǎn)A進(jìn)行分析。繪制點(diǎn)A關(guān)于成型孔的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線CA，結(jié)果如圖3-B所示。

1.1 合成旋轉(zhuǎn)矩陣的求解

設(shè)初始時(shí)刻坐標(biāo)系O1XYZ與坐標(biāo)系O2UVW重合，柱塞軸線與Y軸平行，根據(jù)點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)的拆解分析，利用高等機(jī)構(gòu)學(xué)相關(guān)原理，求解點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的合成旋轉(zhuǎn)矩陣。

1)點(diǎn)A隨坐標(biāo)系O2UVW沿Y軸負(fù)方向平移，O2平移到壓輥旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)于環(huán)模旋轉(zhuǎn)中心的裝配位置O2′，得到平移后的坐標(biāo)系O2′U′V′W′(圖3-A)。同時(shí)點(diǎn)A平移得到點(diǎn)A′(圖3-B)。則有：

(1)

得出平移矩陣T：

(2)

2)點(diǎn)A′隨坐標(biāo)系O2′U′V′W′繞Z軸旋轉(zhuǎn)-θ(“-”表示方向?yàn)轫槙r(shí)針)，得到坐標(biāo)系O2″U″V″W″和點(diǎn)A″(圖3-A、B)。得出旋轉(zhuǎn)矩陣H1：

(3)

式中：θ=ω1t，rad,其中t為時(shí)間(s)。

3)點(diǎn)A″繞W″軸旋轉(zhuǎn)?，得到點(diǎn)A′″(圖3-A、B)。得出旋轉(zhuǎn)矩陣H2：

(4)

式中：?=ω2t=mω1t=mθ，rad。

4)根據(jù)高等機(jī)構(gòu)學(xué)絕對(duì)變換與相對(duì)變換原理，得到點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的合成旋轉(zhuǎn)矩陣Q為：

Q=H1TH2。

(5)

1.2 運(yùn)動(dòng)軌跡曲線CA參數(shù)方程的求解

用向量形式表示點(diǎn)A，有：

(6)

則有：

(7)

進(jìn)而得到曲線CA的參數(shù)方程為：

(8)

式中：m為轉(zhuǎn)速比，本研究中m=3。

2 成型孔入口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的環(huán)模成型孔入口結(jié)構(gòu)有錐形、階梯形和曲面形，其中曲面形又可分為凸曲面形和凹曲面形[23-24]。由于曲面形成型孔入口加工難度大，加工成本高，缺乏實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為此本研究?jī)H對(duì)錐形和階梯形2種入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。

根據(jù)表1得出成型機(jī)柱塞運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)方程為：

(9)

式中：θ∈[-π,π]，rad。

利用Matlab軟件繪制出參數(shù)方程(9)表示的曲線如圖4所示。圖4中，θ-x圖表示點(diǎn)A的橫坐標(biāo)隨旋轉(zhuǎn)角θ的變化情況;θ-y圖表示點(diǎn)A的縱坐標(biāo)隨旋轉(zhuǎn)角θ的變化情況;x-y圖由θ-x圖和θ-y圖關(guān)聯(lián)得出，表示點(diǎn)A橫縱坐標(biāo)間的變化關(guān)系，即壓輥旋轉(zhuǎn)一周得到的點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線CA。

圖4 點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線CAFig.4 Motion trajectory curve CA of point A

聯(lián)系圖3和圖4可看出，曲線CA只有部分位于成型孔入口內(nèi)，分析干涉問(wèn)題只需對(duì)這部分曲線進(jìn)行研究，因此首先對(duì)這部分曲線進(jìn)行截取。設(shè)yN=-R1=-405。令：

y=10sin(2θ)-159cos(2θ)-270cosθ≤yN=-405。

(10)

解得θ∈[-0.254 6,0.210 8]，此范圍內(nèi)曲線上任意點(diǎn)的縱坐標(biāo)均小于等于yN，表示這部分曲線位于成型孔入口內(nèi)。為保證干涉分析效果，將θ的取值范圍適當(dāng)擴(kuò)大并圓整，擬取θ∈[-0.26,0.22]。經(jīng)計(jì)算可得y(-0.26)=-403.873 3，y(0.22)=-403.088 4，均略大于yN，表明曲線的截取范圍合理。利用Matlab軟件繪制該取值范圍內(nèi)點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線CA′，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 θ∈[-0.26,0.22]時(shí)點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線CA′Fig.5 Motion trajectory curve CA′ of point A at θ∈[-0.26,0.22]

根據(jù)圖5中點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線CA′，對(duì)環(huán)模成型孔入口的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖6-A、B分別表示階梯形入口和錐形入口結(jié)構(gòu)。柱塞與成型孔不發(fā)生干涉的極限位置為曲線CA′與直線lCD、lDE、lJE相切，其中直線lDE、lJE均為過(guò)點(diǎn)E曲線CA′的切線，因此僅需確定直線lCD、lDE的方程。其理論方法為：根據(jù)式(9)和點(diǎn)E在坐標(biāo)系O1XYZ中的坐標(biāo)，求出切線lDE的方程，進(jìn)而求出兩種入口結(jié)構(gòu)錐孔部分的理論傾角α0；根據(jù)曲線CA′在環(huán)模內(nèi)表面處的橫坐標(biāo)值確定垂直線lCD的方程，得到階梯形入口直孔部分理論半徑r30。

圖6 成型孔入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Structural design of molding hole entrance

2.1 參數(shù)方程的曲線擬合

由于參數(shù)方程過(guò)于復(fù)雜，利用Matlab軟件按照理論方法求直線方程得到空解，因此首先對(duì)曲線CA′進(jìn)行擬合，然后用擬合曲線方程求解直線方程。

在θ∈[-0.26,0.22]范圍內(nèi)以0.001為間隔，在曲線CA′上取一系列散點(diǎn)，利用Matlab軟件中的擬合工具箱cftool采用多種函數(shù)模型對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，取最優(yōu)擬合結(jié)果，得到四次多項(xiàng)式擬合函數(shù)為：

y=0.001 472x4-0.047 38x3+0.720 7x2-5.83x-410.1。

(11)

對(duì)曲線擬合結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，擬合曲線的誤差平方和為37.64，數(shù)值較小，確定系數(shù)為0.998 7，數(shù)值十分接近1，證明該四次多項(xiàng)式擬合函數(shù)的擬合效果很好，用其代替原參數(shù)方程求解直線方程是可行的。

2.2 直線lDE和lCD方程的求解

y′=0.005 888x3-0.142 14x2+1.441 4x-5.83。

(12)

同理，切線lDE的斜率為：

1.441 4x0-5.83。

(13)

切線lDE過(guò)點(diǎn)E和點(diǎn)P，其斜率還可以表示為：

(14)

聯(lián)立公式(13)與(14)，利用Matlab軟件求解方程組，得出x0的4個(gè)取值為：12.695 7，6.419 2，7.838 3+6.517 7×i和7.838 3-6.517 7×i，其中i為虛數(shù)單位。根據(jù)圖3和表1，x0應(yīng)取12.695 7。將x0的取值代入公式(13)中，求出k=1.608 0，得到切線lDE的方程為：

y=1.608 0x-447.080。

(15)

當(dāng)θ=0.22時(shí)，根據(jù)參數(shù)方程(9)求解出xA=17.849 9，得出垂直線lCD的方程為：

x=17.849 9。

(16)

2.3 成型孔入口設(shè)計(jì)

根據(jù)求解出的直線方程設(shè)計(jì)錐形和階梯形成型孔入口。由式(15)計(jì)算出切線lDE的傾斜角為58°07′22″，即錐形成型孔和階梯形成型孔錐孔部分的理論傾角α0為58°07′22″。由式(16)可知階梯形成型孔直孔部分的理論半徑r30為17.849 9 mm。由于直線方程根據(jù)曲線擬合方程求出，存在一定計(jì)算誤差，同時(shí)考慮實(shí)際加工的可操作性和成型機(jī)裝配誤差問(wèn)題，對(duì)理論傾角和理論半徑進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最終取錐形成型孔和階梯形成型孔錐孔部分的實(shí)際傾角α為55°，階梯形成型孔直孔部分的實(shí)際半徑r3為19 mm。設(shè)計(jì)出的成型孔入口與柱塞實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡曲線間的相對(duì)位置關(guān)系如圖7所示，可以看出柱塞與成型孔間不會(huì)發(fā)生干涉，上述理論設(shè)計(jì)方法可行。

1.柱塞;2.階梯形成型孔入口的直孔部分;3.階梯形成型孔入口的錐孔部分;4.成型孔;5.錐形成型孔入口1.Plunger;2.Straight hole of stepped molding hole entrance;3.Conical hole of stepped molding hole entrance;4.Molding hole;5.Conical molding hole entrance

3 壓輥柱塞結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整

為了探究柱塞與成型孔嚙合深度對(duì)改善成型過(guò)程、提高成型品質(zhì)的影響，需要設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的柱塞以改變其與成型孔的嚙合深度。在成型孔結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，增加柱塞長(zhǎng)度可以增加二者的嚙合深度，為了避免發(fā)生干涉，同時(shí)要減小柱塞增加部分的半徑。為省去建模仿真環(huán)節(jié)，提高設(shè)計(jì)效率，首先要探究調(diào)節(jié)柱塞尺寸的理論方法。

設(shè)柱塞增加的長(zhǎng)度為e(mm)，此時(shí)柱塞半徑減小為r4(mm)。標(biāo)定改進(jìn)后柱塞頂點(diǎn)為點(diǎn)M，點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線CM滿(mǎn)足參數(shù)方程(8)。根據(jù)參數(shù)方程(8)、切線方程(15)和垂直線方程(16)即可確定r4的最大值。從圖8可以看出，隨著e取值的增大曲線CM向下移動(dòng)靠近切線lDE，隨著r4取值的減小曲線CM向左移動(dòng)遠(yuǎn)離垂直線lCD，所以增加柱塞長(zhǎng)度時(shí)，只需保證曲線CM與切線lDE相離，即可保證柱塞不會(huì)與成型孔發(fā)生干涉。

圖8 曲線CM隨e和r4取值的變化Fig.8 Change of curve CM with values of e and r4

以e=5 mm為例，此時(shí)柱塞與成型孔的嚙合深度為3 mm。根據(jù)e的取值和表1得出r4的參數(shù)方程為：

(17)

根據(jù)方程(17)和曲線CM與切線lDE的相離關(guān)系，得出不等式：

r4

(18)

式中：θ∈[-0.26,0.22]，rad。

在θ∈[-0.26,0.22]下，只需令r4小于f(θ)的最小值，則式(18)恒成立。利用Matlab軟件求解出當(dāng)θ=0.079 0時(shí)有f(θ)min=6.105 4。即r4<6.105 4 mm時(shí)，曲線CM與切線lDE相離。為便于加工，取r4=6 mm，可得到常數(shù)全部已知的曲線CM的參數(shù)方程為：

(19)

圖9所示為調(diào)整柱塞結(jié)構(gòu)尺寸后其運(yùn)動(dòng)軌跡曲線CM與成型孔間的相對(duì)位置關(guān)系，可以看出二者不發(fā)生干涉，上述理論方法可行。根據(jù)該理論方法可得出e=3 mm，即柱塞與成型孔嚙合深度為1 mm時(shí)r4=7.807 5 mm，考慮加工問(wèn)題取r4=7.5 mm。

4 檸條粉生物質(zhì)成型試驗(yàn)

根據(jù)前文設(shè)計(jì)的成型孔入口和柱塞的結(jié)構(gòu)尺寸，自制柱塞和成型套筒進(jìn)行生物質(zhì)成型試驗(yàn)，探究成型孔入口結(jié)構(gòu)和柱塞與成型孔嚙合深度對(duì)生物質(zhì)成型過(guò)程與成型品質(zhì)的影響。

4.1 原料與設(shè)備

采用檸條粉作為生物質(zhì)原料。檸條枝條采自?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)，自然晾干后用粉碎機(jī)粉碎成檸條粉，粒度為8 mm左右。首先利用電子天平稱(chēng)取一定質(zhì)量的檸條粉原料，記為m0，然后利用水分快速測(cè)定儀對(duì)檸條粉原料進(jìn)行4 h的干燥處理，測(cè)量干燥處理后檸條粉的質(zhì)量，記為m1。按照下式計(jì)算出檸條粉原料的干基含水率M(本研究中涉及的生物質(zhì)含水率均為干基含水率，以下簡(jiǎn)稱(chēng)含水率)：

M=(m0-m1)/m1×100%。

(20)

圖9 曲線CM與成型孔的相對(duì)位置關(guān)系Fig.9 Relative position relationship between curve CM and molding hole

在試驗(yàn)中，需要在檸條粉原料的基礎(chǔ)上將含水率分別調(diào)制為18%,20%和22%。具體處理過(guò)程如下：稱(chēng)取一定質(zhì)量的檸條粉原料，根據(jù)公式(20)計(jì)算出所需加水量，將檸條粉原料和水充分?jǐn)嚢韬蠓湃朊芊獯忻芊獠⒂诔叵蚂o置72 h。測(cè)量靜置后檸條粉的含水率，若不滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，則重復(fù)上述步驟再次進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至含水率滿(mǎn)足試驗(yàn)要求為止。

以自制液壓驅(qū)動(dòng)單柱塞生物質(zhì)成型機(jī)(圖10)和圖1的柱塞式壓輥生物質(zhì)成型機(jī)為成型設(shè)備，自制柱塞與成型套筒，另外需要的設(shè)備有游標(biāo)卡尺、SF-400A電子天平、SC69-02型水分快速測(cè)定儀等。

1.柱塞;2.套筒夾具;3.成型套筒;4.成型塊;5.液壓缸;6.機(jī)架;7.液壓泵站;8.液壓油箱1.Plunger;2.Sleeve clamp;3.Molding sleeve;4.Briquette;5.Hydraulic cylinder;6.Frame;7.Hydraulic pump;8.Hydraulic tank

4.2 單因素試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)方案 為了能夠直觀地觀察生物質(zhì)原料上冒和成型孔堵塞現(xiàn)象，便于分析問(wèn)題，首先將自制的柱塞與成型套筒安裝在液壓驅(qū)動(dòng)單柱塞生物質(zhì)成型機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，模擬柱塞式壓輥生物質(zhì)成型機(jī)主要成型階段——垂直壓縮成型階段。柱塞與成型孔嚙合深度取-2 mm(-2表示柱塞與成型孔的間距b=2 mm，如圖6所示，此時(shí)柱塞增加長(zhǎng)度e=0 mm)。

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)。以成型機(jī)的成型狀態(tài)和成型塊的松弛密度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。松弛密度是衡量成型塊物理品質(zhì)和燃燒性能的重要指標(biāo)之一[25],其計(jì)算公式為：

(21)

式中：ρ為成型塊松弛密度，單位為g/cm3；m為成型塊質(zhì)量，單位為g；d為成型塊直徑，單位為cm；L為成型塊長(zhǎng)度，單位為cm。

(2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。以成型孔入口結(jié)構(gòu)為影響因素，在含水率分別取18%,20%和22%，成型孔長(zhǎng)徑比分別取3.8,4.2和4.8的條件下，考察錐形結(jié)構(gòu)和階梯形結(jié)構(gòu)對(duì)成型狀態(tài)與成型品質(zhì)(松弛密度)的影響。

4.2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析 檸條粉生物質(zhì)成型單因素試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。比較2種成型孔入口結(jié)構(gòu)下成型機(jī)的成型狀態(tài)(表2)可以發(fā)現(xiàn)，在錐形結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的9組試驗(yàn)中，能夠正常成型的僅有4組，成型狀態(tài)較差的有2組，完全不成型的有3組；在階梯形結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的9組試驗(yàn)中，能夠正常成型的有6組，成型狀態(tài)較差的有2組，完全不成型的有1組。通過(guò)比較可知，采用階梯形結(jié)構(gòu)可以有效提高正常成型的比例，減少原料不成型、上冒、放炮和成型孔堵塞等問(wèn)題的出現(xiàn)，對(duì)原料的適應(yīng)性更強(qiáng)。比較2種成型孔入口結(jié)構(gòu)正常成型制得成型塊的松弛密度(表2)可以發(fā)現(xiàn)，錐形結(jié)構(gòu)正常成型的4組試驗(yàn)制得的成型塊松弛密度平均值為0.820 g/cm3，極差值為0.423 g/cm3；階梯形結(jié)構(gòu)正常成型的6組試驗(yàn)制得的成型塊松弛密度平均值為0.841 g/cm3，極差值為0.274 g/cm3。采用錐形和階梯形2種成型孔入口結(jié)構(gòu)制成的部分成型塊如圖11所示。由圖11可以看出，成型孔入口采用階梯形結(jié)構(gòu)更有利于增大成型塊松弛密度，保持成型塊品質(zhì)的穩(wěn)定性。綜合上述分析，生物質(zhì)成型機(jī)應(yīng)采用階梯形成型孔入口。

表2 檸條粉生物質(zhì)成型單因素試驗(yàn)的結(jié)果Table 2 Results of single-factor experiment of caragana korshinskii powder biomass molding

A含水率18%、長(zhǎng)徑比4.2、錐形結(jié)構(gòu)的成型塊；B.含水率18%、長(zhǎng)徑比4.2、階梯形結(jié)構(gòu)的成型塊；C.含水率22%、長(zhǎng)徑比4.2、錐形結(jié)構(gòu)的成型塊；D.含水率22%、長(zhǎng)徑比4.2、階梯形結(jié)構(gòu)的成型塊A.Briquettes with 18% moisture content,4.2 aspect ratio of molding hole,conical structure;B.Briquettes with 18% moisture content,4.2 aspect ratio of molding hole,stepped structure;C.Briquettes with 22% moisture content,4.2 aspect ratio of molding hole,conical structure;D.Briquettes with 22% moisture content,4.2 aspect ratio of molding hole,stepped structure

4.3 正交試驗(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)方案 通過(guò)單因素試驗(yàn)可知，與錐形成型孔入口結(jié)構(gòu)相比，成型孔入口結(jié)構(gòu)采用階梯形能夠有效改善成型過(guò)程，提高成型品質(zhì)，因此利用階梯形成型孔入口結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，以原料含水率、柱塞與成型孔嚙合深度和成型孔長(zhǎng)徑比作為影響因素，各因素水平的選取如表3所示。

表3 生物質(zhì)成型工藝正交試驗(yàn)的因素與水平Table 3 Factors and levels of orthogonal experiment of biomass molding process

以成型塊的松弛密度和抗跌碎性作為衡量成型效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[18,26-27]，探究柱塞與成型孔嚙合深度對(duì)成型過(guò)程與成型品質(zhì)的影響，并得出最佳成型工藝參數(shù)。抗跌碎性參考生物質(zhì)型煤跌落強(qiáng)度的測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)定，依據(jù)GB/T 154959所規(guī)定的方法，在制得的成型塊中隨機(jī)抽取10個(gè)并稱(chēng)質(zhì)量，然后讓其從2 m高處自由下落到12 mm厚的鋼板上，重復(fù)跌落3次，用13 mm的篩子進(jìn)行篩分，測(cè)量大于13 mm碎料的質(zhì)量并求其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表征成型塊的抗跌碎性[28],質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大表明成型塊的抗跌碎性越好。

4.3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析 正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。將空列作為誤差項(xiàng)，根據(jù)表4對(duì)成型塊的松弛密度和抗跌碎性進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看出，松弛密度隨含水率與成型孔長(zhǎng)徑比的增加而先增大后減小，隨嚙合深度的增加而增大。通過(guò)比較F值可知，3個(gè)因素對(duì)成型塊松弛密度影響的主次順序?yàn)椋撼尚涂组L(zhǎng)徑比、嚙合深度、含水率。通過(guò)比較各因素不同水平的K值，可確定各因素的最優(yōu)水平，進(jìn)而得出針對(duì)松弛密度的優(yōu)化成型工藝參數(shù)組合為A2B3C2?？沟樾噪S含水率的增加而增加，隨嚙合深度與成型孔長(zhǎng)徑比的增加先增加后減小。通過(guò)比較F值可知，3個(gè)因素對(duì)成型塊抗跌碎性影響的主次順序?yàn)椋簢Ш仙疃?、含水率、成型孔長(zhǎng)徑比。通過(guò)比較各因素不同水平的K值，可確定各因素的最優(yōu)水平，進(jìn)而得出針對(duì)抗跌碎性的優(yōu)化成型工藝參數(shù)組合為A3B2C2。

表4 生物質(zhì)成型工藝的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of orthogonal experiment of biomass molding process

表5 生物質(zhì)成型工藝正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal experiment results of biomass molding process

對(duì)比表2和表4可以看出，當(dāng)成型孔入口為階梯形，原料含水率為20%，成型孔長(zhǎng)徑比為4.8時(shí)，嚙合深度取-2 mm會(huì)導(dǎo)致成型孔堵塞，將嚙合深度增加至1 mm時(shí)即可正常成型，且成型塊的松弛密度為1.004 g/cm3，抗跌碎性為97.9%，品質(zhì)較好。

通過(guò)上述分析可知，嚙合深度對(duì)成型塊的松弛密度和抗跌碎性均有較為顯著的影響，適當(dāng)增加嚙合深度有利于提高成型塊的松弛密度和抗跌碎性，同時(shí)有利于緩解成型孔堵塞問(wèn)題，證明前文對(duì)嚙合深度會(huì)影響成型過(guò)程和成型品質(zhì)的猜想是正確的。

4.3.3 最佳成型工藝參數(shù)確定 根據(jù)方差分析結(jié)果可知，不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的因素影響順序和最優(yōu)工藝組合各不相同，因此需要用綜合平衡法進(jìn)行分析，找出使成型塊整體品質(zhì)達(dá)到較好水平的最佳成型工藝參數(shù)。

對(duì)于因素C(成型孔長(zhǎng)徑比)，2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最佳水平均為C2，無(wú)需討論；對(duì)于因素A(含水率)，松弛密度對(duì)應(yīng)的最佳水平為A2，抗跌碎性對(duì)應(yīng)的最佳水平為A3，由方差分析可知，因素A對(duì)抗跌碎性的影響更為顯著，且取A2水平與A3水平對(duì)松弛密度影響不大，綜合考慮取A3水平為最佳；同理可分析出因素B(嚙合深度)取B2水平為最佳。

綜合上述分析，最終確定在正交試驗(yàn)選取的因素水平內(nèi)，生物質(zhì)成型塊的最佳成型工藝參數(shù)組合為A3B2C2，即含水率為22%，嚙合深度為1 mm，成型孔長(zhǎng)徑比為4.2。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

由于最佳成型工藝參數(shù)組合不在正交試驗(yàn)組合內(nèi)，為檢驗(yàn)利用液壓驅(qū)動(dòng)單柱塞生物質(zhì)成型機(jī)試驗(yàn)得出的結(jié)論在柱塞式壓輥生物質(zhì)成型機(jī)上是否適用，需對(duì)確定的最佳成型工藝參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。柱塞式壓輥生物質(zhì)成型機(jī)的環(huán)模成型孔入口采用階梯形結(jié)構(gòu)，成型孔入口和柱塞按前文計(jì)算的尺寸進(jìn)行加工，其余結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。以檸條粉為原料，采用的工藝參數(shù)為4.3.3節(jié)確定的最佳成型工藝參數(shù)，即含水率為22%，嚙合深度為1 mm，成型孔長(zhǎng)徑比為4.2。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柱塞式壓輥生物質(zhì)成型機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，成型孔與柱塞間未發(fā)生干涉，成型過(guò)程中未出現(xiàn)不成型、擠壓困難、成型孔堵塞等問(wèn)題，制得的成型塊的松弛密度為1.051 g/cm3，抗跌碎性為96.8%，品質(zhì)較好，可以滿(mǎn)足使用與運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

5 結(jié) 論

1)針對(duì)現(xiàn)有的柱塞式壓輥生物質(zhì)成型機(jī)，建立其柱塞相對(duì)于成型孔的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型，提出設(shè)計(jì)錐形和階梯形成型孔入口與改進(jìn)柱塞結(jié)構(gòu)尺寸的理論方法，為今后成型模具的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了理論參考。

2)針對(duì)成型孔入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，結(jié)果表明，階梯形成型孔入口更有利于緩解成型機(jī)擠壓困難、原料上冒、成型孔堵塞等問(wèn)題，增大了成型塊的松弛密度。針對(duì)柱塞與成型孔嚙合深度進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，結(jié)果表明，適當(dāng)增加嚙合深度有利于緩解成型孔堵塞問(wèn)題，提高成型品質(zhì)。以成型塊的松弛密度和抗跌碎性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終確定檸條粉的最佳生物質(zhì)成型工藝參數(shù)組合為：含水率22%，嚙合深度1 mm，成型孔長(zhǎng)徑比4.2。上述結(jié)論為改善成型過(guò)程與成型效果提供了借鑒與參考。

3)以檸條粉為原料，利用柱塞式壓輥生物質(zhì)成型機(jī)對(duì)最佳工藝參數(shù)組合進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，所制得的檸條粉生物質(zhì)成型塊的松弛密度為1.051 g/cm3，抗跌碎性為96.8%，達(dá)到了生物質(zhì)燃料標(biāo)準(zhǔn)的要求。