焦國(guó)昌， 李奉躍， 谷志新

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

本文改進(jìn)設(shè)計(jì)一臺(tái)功率不超過(guò)50 kW的秸稈平模成型機(jī)，其產(chǎn)量達(dá)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(jī)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(dá)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(dá)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(jī)在成型過(guò)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的原料由壓輥送入模孔。計(jì)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(gè)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(jì)中根據(jù)需求進(jìn)行成型機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)的初步假設(shè)，改進(jìn)設(shè)計(jì)平模時(shí)所用到的主要參數(shù)一定會(huì)決定成型機(jī)的產(chǎn)量，根據(jù)假設(shè)再進(jìn)一步計(jì)算需求任務(wù)中所要求的產(chǎn)量。重復(fù)計(jì)算，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

1.依照中國(guó)機(jī)械行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)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，?？椎姆植荚谄侥５闹睆?40～410 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(jì)取f=0.15。則攫取層厚度h=9 mm。

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

4.根據(jù)研究，主軸轉(zhuǎn)速也會(huì)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(huì)下降，反之，如果轉(zhuǎn)速太高，會(huì)影響原料進(jìn)入到?？?，綜合各個(gè)因素，參考相關(guān)的設(shè)計(jì)資料后，本研究中的設(shè)計(jì)確定n=150 r/min。

根據(jù)參數(shù)，計(jì)算產(chǎn)量K：

計(jì)算后，滿足要求，所確定的參數(shù)合理。

2 計(jì)算成型機(jī)的功率

成型機(jī)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(zhǎng)度，m；Ψ為平模的開(kāi)孔率，一般介于0.25～0.35之間；P為成型的壓強(qiáng)，MPa；N為壓輥對(duì)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(jī)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(jìn)設(shè)計(jì)

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(jì)算的參數(shù)，確定平模的?？?，每個(gè)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(shí)候，成型燃料的效果達(dá)到最好，所以本研究模孔倒角為45°。

圖1 模孔單孔結(jié)構(gòu)圖

平模?？椎拈L(zhǎng)徑比為?？椎拈L(zhǎng)度與直徑的比值。由于秸稈原料不同，所確定?？椎闹睆揭膊煌L(zhǎng)徑比也會(huì)有所不同。例如：如果粒度為8 mm的苜蓿草顆粒，通常選用長(zhǎng)徑比為8的平模。如果壓縮玉米粉時(shí)，通常選用的長(zhǎng)徑比為11。

確定縮徑率：144/100=1.44，確定長(zhǎng)徑比：H/d1=8，由此計(jì)算出?？组L(zhǎng)度H=80 mm。平模整體采用4Cr13制造，加工方式采用配鉆方式進(jìn)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模孔數(shù)量，可以有效地提高生產(chǎn)的效率。改進(jìn)設(shè)計(jì)使不同數(shù)量的五圈?？自谄侥Ｉ辖诲e(cuò)排布，從最內(nèi)圈到最外圈每圈模孔的數(shù)量分別為36、40、44、48、52，相鄰圈之間的距離為18.75 mm，模孔排布直徑為250 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(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)平模內(nèi)模孔的分布直徑可以確定單個(gè)壓輥有效的擠壓寬度為85 mm，參考國(guó)內(nèi)秸稈燃料平模成型機(jī)的資料，不設(shè)置壓輥的母線有軸偏移量，直接采用對(duì)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(jì)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(guò)多對(duì)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(jìn)的壓輥三維模型爆炸圖如圖4所示。

圖3 改進(jìn)后的壓輥結(jié)構(gòu)圖

圖4 壓輥三維模型爆炸視圖

成型機(jī)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(dòng)會(huì)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(lái)調(diào)整兩者之間的間隙。

采用二級(jí)圓錐圓柱齒輪減速器作為平模成型機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行減速。依照生產(chǎn)需要的驅(qū)動(dòng)力的要求，選用Y系列(IP44)三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)規(guī)格B3型Y200L-4。根據(jù)需求設(shè)計(jì)的主軸的轉(zhuǎn)速為150 r/min，計(jì)算需要減速器的總傳動(dòng)比為i=1 470/150=9.8。

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

圖5 平模成型機(jī)整體結(jié)構(gòu)1.機(jī)架；2.電動(dòng)機(jī)；3.傳動(dòng)軸；4.減速器；5.出料斗；6.進(jìn)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(jì)了一種秸稈平模成型機(jī)，對(duì)成型機(jī)的關(guān)鍵部件壓輥與平模進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，新增了調(diào)整墊片、勻料板與掃料板，改進(jìn)設(shè)計(jì)的主要目的是減少現(xiàn)存平模成型機(jī)的成型孔堵塞、改善關(guān)鍵部件磨損嚴(yán)重現(xiàn)象、延長(zhǎng)成型機(jī)使用壽命等問(wèn)題，為我國(guó)秸稈再利用設(shè)備提供參考依據(jù)。