3967 作物秸稈成型機(jī)成型模具的設(shè)計(jì),作物,秸稈,成型,模具,設(shè)計(jì) 1.緒論 ...................................................................11.1 研究背景 ....................................................................11.2 國(guó)內(nèi)生物質(zhì)成型機(jī)研究現(xiàn)狀外 ..................................................11.3 秸稈壓縮成型研究現(xiàn)狀 ........................................................11.3.1 秸稈的物理特性 .......................................................11.3.2 秸稈的切碎特性 .......................................................11.3.3 秸稈的壓縮特性 .......................................................21.3.4 壓縮成型工藝 .........................................................21.4 目前主要的成型機(jī)類型 ........................................................21.4.1 活塞式成型機(jī) .........................................................21.4.2 螺旋式成型機(jī) .........................................................21.4.3 模壓顆粒成型機(jī) .......................................................21.4.4 各類生物質(zhì)成型機(jī)存在的缺陷 ...........................................21.4.5 生物質(zhì)成型機(jī) .........................................................21.5 本課題的提出目的及意義 ......................................................32.設(shè)計(jì)上的問(wèn)題分析 .......................................................32. 1 加工上的問(wèn)題分析 ...........................................................43.設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想 ...........................................................53.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ..............................................................53.1.1 主油缸的設(shè)計(jì) .........................................................53.1.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .......................................................53.2 成型機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ............................................................63.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)參數(shù) ..........................................................73.3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo) .............................................................73.3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù) .........................................................73.4 成型機(jī)工作流程 ..............................................................74.雙出頭秸稈液壓成型機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程 .......................................74.1 擬定液壓系統(tǒng)圖 ..............................................................74.2 主要計(jì)算過(guò)程 ................................................................75.結(jié)束語(yǔ) ................................................................11參考文獻(xiàn) ................................................................12致 謝 ...................................................................13作物秸稈成型機(jī)成型模具的設(shè)計(jì)1.緒論1.1 研究背景 當(dāng)今人類使用的主要能源是石油、天然氣、煤炭,它們都是不可再生的能源。能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)賴以生存和發(fā)展的物資基礎(chǔ)。能源工業(yè)一方面滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活對(duì)能源的需求,另一方面又是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)。1995 年,我國(guó)能源工業(yè)(煤炭、石油、天然氣開采和發(fā)電)的增加值為 2 361 億元,占全國(guó)工業(yè)增加值的 28.4% ,占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的 13.7%。能源工業(yè)就業(yè)人數(shù) 868 萬(wàn)人,占工業(yè)就業(yè)職工人數(shù)的 13.1%[1]。改革開放 30 余年來(lái)我國(guó)能源工業(yè)已得到巨大的發(fā)展,為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。同時(shí),能源也是制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié),能源的可持續(xù)利用至關(guān)重要。我國(guó)作為一個(gè)迅速崛起的發(fā)展中大國(guó)，面臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。2003 年我國(guó)能源消費(fèi)總量 16.78 億，位居世界第二，約占世界能源消費(fèi)總量的 11%，其中煤炭占 67.1%，原油占 22.7%，天然氣占 2.8%，可再生能源及其它能源占 7.4%。并且能源消耗還以每年 6%～7%的速度增長(zhǎng) [2][3]。我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，一次能源消費(fèi)仍以煤炭為主，煤在直接燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的CO2、 SO2、 NOx、粉塵及其它有害物質(zhì)，對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，而中國(guó)《防止大氣污染法》和中國(guó)簽定的“京都議定書”都對(duì)中國(guó)城鎮(zhèn)直接燃煤?jiǎn)栴}提出了量的限制和技術(shù)改造要求。所以研究開發(fā)可替代煤的清潔燃料勢(shì)在必行。利用秸稈成型技術(shù)，將松散細(xì)碎的無(wú)定型的秸稈擠壓成質(zhì)地致密、形狀規(guī)則的成型燃料。原料擠壓成型后，密度可達(dá) 0.8～1.3kg/m 3，能量密度與中值煤相當(dāng)，成型后的秸稈成型燃料燃燒特性較成型前有明顯改善，火力持久、黑煙小、爐膛溫度高，且儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用方便、干凈衛(wèi)生，可代替礦物能源用于生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。1.2 國(guó)內(nèi)生物質(zhì)成型機(jī)研究現(xiàn)狀外中國(guó)從 20 世紀(jì) 80 年代引進(jìn)螺旋推進(jìn)式秸稈成型機(jī)，生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究開發(fā)已有二十多年歷史。20 世紀(jì) 90 年代期間河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，中國(guó)農(nóng)機(jī)能源動(dòng)力研究所分別研究出 PB-I 型機(jī)械沖壓式成型機(jī)、HPB 系列液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)、CYJ-35 型機(jī)械沖壓式成型機(jī) [8][9]。盡管引進(jìn)和研究的有很多種生物質(zhì)成型機(jī)械，但我國(guó)的壓縮成型機(jī)基本上就兩種：螺旋擠壓成型機(jī)和液壓沖壓成型機(jī) [9-13]。目前這些設(shè)備大都停止了運(yùn)行，主要原因是：以木屑為原料，市場(chǎng)和資源的針對(duì)性差，成本高。螺旋擠壓設(shè)備磨損嚴(yán)重，維修周期短(60～80h)，耗能高。由此看來(lái)螺旋式成型機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是螺桿的使用壽命。而液壓式生物質(zhì)成型機(jī)是液壓驅(qū)動(dòng)活塞沖壓成型，其運(yùn)行性能穩(wěn)定，延長(zhǎng)了易損件的使用壽命。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)秸稈等生物質(zhì)致密成型技術(shù)都普遍重視，并投入了大量的資金和技術(shù)力量研究和開發(fā)致密成型技術(shù)。20 世紀(jì) 30 年代，美國(guó)就開始研究壓縮成型燃料技術(shù)，并研制了螺旋壓縮機(jī) [8][14];日本、西德等國(guó)也開始研究成型技術(shù)處理木材廢棄物、農(nóng)業(yè)纖維物等。進(jìn)入 20 世紀(jì) 70年代以來(lái)，隨著全球性石油危機(jī)的沖擊和環(huán)保意識(shí)的提高，世界各國(guó)越來(lái)越認(rèn)識(shí)到開發(fā)和高效轉(zhuǎn)換生物質(zhì)能的重要性，相應(yīng)地投入一定的資金和技術(shù)力量研究開發(fā)生物質(zhì)成型燃料技術(shù)及設(shè)備。日本 1983 年前后從美國(guó)引進(jìn)顆粒成型燃料生產(chǎn)技術(shù)，1987 已有 10 多個(gè)顆粒成型燃料工廠投入運(yùn)行，年生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒成型燃料超過(guò) 10 萬(wàn)噸，現(xiàn)已經(jīng)形成工廠化規(guī)模 [15]。 1.3 秸稈壓縮成型研究現(xiàn)狀為解決秸稈合理利用問(wèn)題，歐美工業(yè)化國(guó)家如丹麥、瑞典、荷蘭、美國(guó)等，還有亞洲的印度、日本等國(guó)都在秸稈成型方面做了大量的研究，我國(guó)在這方面的研究起步較晚。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外壓縮成型的研究文獻(xiàn)來(lái)看，各國(guó)研究的側(cè)重點(diǎn)雖有所不同，但主要研究以下幾方面內(nèi)容：1.3.1 秸稈的物理特性秸稈本身的物理特性是影響秸稈切碎和壓縮成型的主要因素之一。秸稈的物理特性受物種、品種、產(chǎn)區(qū)、成熟度等多種因素的影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)麥秸、飼草等軟莖稈的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量、剛度模量等物理特性研究較多。1.3.2 秸稈的切碎特性切碎能耗、切碎長(zhǎng)度和切斷效率對(duì)秸稈的切碎特性均有影響，如切割速度、割刀參數(shù)、受切根數(shù)等因素對(duì)切割過(guò)程的影響。秸稈切割過(guò)程中有一臨界速度，在 15～30 m/s 范圍內(nèi)，低于臨界速度，能耗和無(wú)效切割快速增加；大于臨界速度，能耗基本不變，實(shí)際切割長(zhǎng)度接近于理論長(zhǎng)度。1.3.3 秸稈的壓縮特性由于植物纖維物料的材料特性不同，國(guó)內(nèi)外在對(duì)其壓縮特性的研究中也提出了各種研究方法。國(guó)外許多學(xué)者都把秸稈當(dāng)作理想的線性粘彈體，運(yùn)用流變學(xué)的理論，采用各種不同的流變模型來(lái)描述物料的壓縮流變過(guò)程。相對(duì)于金屬、塑料等材料而言，植物纖維物料壓縮過(guò)程中的應(yīng)力與應(yīng)變的變化畢竟是非常復(fù)雜的，因此還有待于進(jìn)一步探討，從而更接近實(shí)際情況。1.3.4 壓縮成型工藝秸稈壓縮成型工藝可以分為加粘結(jié)劑和不加粘結(jié)劑的成型工藝,根據(jù)對(duì)物料加溫形式不同，不加粘結(jié)劑的成型工藝又可劃分為常溫成型(不加溫)、熱壓成型(成型過(guò)程中原料在擠壓部位被加熱)、預(yù)熱成型(擠壓之前加溫)和成型碳化(擠壓后熱解碳化)4 種主要形式。1.4 目前主要的成型機(jī)類型目前世界各地的成型機(jī)主要有兩種：壓塊和顆粒成型機(jī)。根據(jù)成型原理的不同可分為：活塞成型機(jī)，螺旋式成型機(jī)和模壓顆粒成型機(jī)。1.4.1 活塞式成型機(jī)按驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的不同可分為兩類：一類是用發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)的稱為機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)；另一類是用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的稱為液壓驅(qū)動(dòng)活塞成型機(jī)。這兩類成型機(jī)的成型過(guò)程是靠活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。其進(jìn)料、壓縮和出料都是間歇進(jìn)行的，即活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次可以形成一個(gè)壓塊，在成型套內(nèi)壓塊之間被緊密擠在一起，但其端面之間的連接不牢固。因此，當(dāng)壓塊從成型機(jī)的出口被擠出時(shí)，一般在重力的作用下自行分離。根據(jù)壓縮室末端有無(wú)擋板又分為開式和閉式兩種。閉式柱塞壓塊依靠壓縮室末端的擋板形成擠壓阻力，壓塊形成后再開啟擋板排出，這種機(jī)構(gòu)不需要很大的擠壓力，消耗能量較少；開式成型機(jī)依靠被壓縮物與壓縮室壁之間的摩擦力和錐形壓模形成擠壓阻力實(shí)現(xiàn)原料的壓縮成型，這種形式的成型機(jī)出料方便，不需要特殊的擠出成型塊機(jī)構(gòu)和動(dòng)作。1.4.2 螺旋式成型機(jī)根據(jù)成型過(guò)程中粘結(jié)機(jī)理的不同可分為加熱和不加熱兩種形式。一種是先在物料中加入粘結(jié)劑，然后在錐型螺旋輸送器的壓送下，壓在原料上的壓力逐漸增大，到達(dá)壓縮喉口時(shí)物料所受的壓力最大。物料在高壓下體積密度增大，并在粘結(jié)劑的作用下成型，然后從成型機(jī)的出口處被連續(xù)擠出。另一種是在成型套筒上設(shè)置加熱裝置，利用物料中的木質(zhì)素受熱塑化的粘結(jié)性，使物料成型。此類成型機(jī)最早被研制開發(fā)，也是目前各地推廣應(yīng)用較為普遍的一種機(jī)型。1.4.3 模壓顆粒成型機(jī)根據(jù)壓模型形狀的不同可分為：平板模顆粒成型機(jī)和環(huán)板模顆粒成型機(jī)，其中環(huán)模成型機(jī)根據(jù)其結(jié)構(gòu)布置方式又可分為立式和臥式兩種形式。由于立式環(huán)模成型機(jī)具有壓模易更換、保養(yǎng)方便、易進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)有顆粒成型機(jī)的主流機(jī)型，其生產(chǎn)率可達(dá) 1～3t/h。臥式環(huán)模成型機(jī)的壓模和壓輥的軸線都為垂直設(shè)置，生產(chǎn)率可達(dá) 500～800kg/h。平板模顆粒機(jī)的工作原理是平板上 4～6 個(gè)輥?zhàn)?，輥?zhàn)与S軸作圓周運(yùn)動(dòng)，并與平模板間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，原料在輥?zhàn)雍湍０彘g受擠壓，多數(shù)原料被擠入模板孔中，切割機(jī)將擠出的成型條按一定的長(zhǎng)度切割成粒。1.4.4 各類生物質(zhì)成型機(jī)存在的缺陷（1）螺桿式成型機(jī)雖然這種成型機(jī)造價(jià)低，成型時(shí)的力度要求小，但是它對(duì)粉碎程度要求比較高。另外它的生產(chǎn)率比較低，約為 130kg/h。它最大的不足在于其螺桿容易磨損，即使是耐熱材料使用時(shí)間 60 小時(shí)。而更換新的造價(jià)又非常高為 1000 元/個(gè)。（2） 沖壓式成型機(jī)優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，但是其造價(jià)高為 10 萬(wàn)/臺(tái)，還有就是生產(chǎn)率比螺桿式高。但還是低，僅為 300kg/h。如果壓力過(guò)大，危險(xiǎn)性大且易出現(xiàn)“放炮”現(xiàn)象。另外這種成型機(jī)對(duì)物料含水率要求比較高,要求在 16%以下。1.4.5 生物質(zhì)成型機(jī)液壓活塞式雙向成型機(jī)，其主要工作部件有活塞沖桿、保型筒、錐形筒、夾緊套、活塞套筒、加熱圈、液壓裝置、電控柜等。它的工作原理是油泵在電機(jī)帶動(dòng)下，將油通過(guò)換向閥泵入油缸的一腔，把電能轉(zhuǎn)化成液體的壓力能，驅(qū)動(dòng)活塞、活塞桿、沖桿向一端運(yùn)動(dòng)，沖桿將進(jìn)料斗加入的生物質(zhì)壓入成型套內(nèi)的錐形套中，秸稈在機(jī)械壓力和溫度的作用下發(fā)生塑性變形，秸稈被擠壓成成型棒后，經(jīng)保型筒穩(wěn)型后擠出。在換向閥的作用下，油被泵入油缸的另一腔，則活塞、活塞桿、沖桿向另一端運(yùn)動(dòng)，完成另一端成型 [19]。其工作路線如圖 1 所示。該套設(shè)備采用活塞沖壓成型，避免了生物質(zhì)原料與成型部件連續(xù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦，解決了螺旋推進(jìn)成型機(jī)螺旋桿頭部磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，并且該系統(tǒng)是在不加任何粘結(jié)劑的條件下對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱壓成型的，所以可以節(jié)約成本。但該成型機(jī)也存在一些缺陷，如當(dāng)進(jìn)料出現(xiàn)堵塞時(shí)不能增大壓力使其正常工作，運(yùn)行壓力過(guò)高，設(shè)備振動(dòng)太大，從進(jìn)料斗進(jìn)料時(shí)攪拌機(jī)攪拌易出現(xiàn)死角，發(fā)生進(jìn)料堵塞現(xiàn)象。1.5 本課題的提出目的及意義在中國(guó)，作物秸稈傳統(tǒng)的利用方式是作為農(nóng)村生活燃料、大牲畜草料與有機(jī)肥料的主要來(lái)源。現(xiàn)在隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)農(nóng)作物秸稈資源的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深，對(duì)農(nóng)作物秸稈的利用日益重視，而且在如何科學(xué)有效的利用秸稈資源上已取得進(jìn)展。但發(fā)展速度較慢，這不僅與人們對(duì)開發(fā)利用秸稈資源的認(rèn)識(shí)程度有關(guān)，更重要的是與相關(guān)技術(shù)設(shè)備研究嚴(yán)重滯后有關(guān)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提高壓塊成型效率，我們可使用液壓設(shè)備對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行初壓，將生物質(zhì)加一定的壓力，保持一定時(shí)間，然后將已有一定壓力的生物質(zhì)在模具中沖壓以使生物質(zhì)達(dá)到成型的效果。并且在沖壓時(shí)對(duì)成型塊加熱以使生物質(zhì)中的木質(zhì)素在一定溫度下軟化，以便在沖壓過(guò)程中得到一定密度的生物質(zhì)壓塊。 成型機(jī)造價(jià)低，生產(chǎn)效率較高，預(yù)計(jì)可達(dá) 0.5t/h。能夠達(dá)到農(nóng)村采暖需要生物質(zhì)壓塊的密度要求，大大提高生產(chǎn)效率，盡可能的降低能量的消耗。以便生物質(zhì)壓塊在一定程度和一定范圍內(nèi)作為煤的替代能源得到推廣和應(yīng)用。在部分緩解能源危機(jī)的同時(shí)，也避免生態(tài)環(huán)境受到秸桿焚燒等不合理用能的破壞。吸收己有生物質(zhì)成型機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并盡可能的克服其不足之處，使生物質(zhì)能更好的、效率更高的達(dá)到成型的效果。主要從采用機(jī)械方式為主，并采用液壓原理來(lái)設(shè)計(jì)出新的設(shè)備。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)分析對(duì)于這種成型機(jī)理的各個(gè)影響因素，為以后的改進(jìn)提供參考依據(jù)。 因此，通過(guò)本課題的研究，在生物質(zhì)成型機(jī)的一種新型成型機(jī)，使其系統(tǒng)的性能更穩(wěn)定，工況更好;使秸稈成型機(jī)械在常規(guī)能源相對(duì)缺乏、生物質(zhì)原料充足、經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)較落后的農(nóng)村進(jìn)行推廣，為秸稈資源得到合理的能源利用提供一個(gè)更為有效的利用途徑。圖 1-1 成型機(jī)工作路線與控制系統(tǒng)方框圖左成型筒成型棒塊右成型筒成型棒狀粉碎電控裝置液壓泵站電流閥液壓缸原料右進(jìn)料斗左進(jìn)料斗左液壓缸 右液壓缸2.設(shè)計(jì)上的問(wèn)題分析(1)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題：主缸和預(yù)壓油缸的換向都是靠電液換向閥控制換向，沒(méi)有安裝順序閥，當(dāng)進(jìn)料出現(xiàn)堵塞時(shí)不能增大壓力使其正常工作;液壓泵的選型是選用了柱塞變量泵，變量泵最大的弊端是功率是定值，功率 N＝P×Q，外載壓力和泵的流量成反比，當(dāng)外載需要很大的壓力時(shí)泵流量反而下降，提供不了足夠的工作壓力，當(dāng)外載小時(shí)能量反而浪費(fèi)；油路管線布置不規(guī)范，增加了局部阻力損失。(2)運(yùn)行壓力太高：由于主缸是單缸單活塞，根據(jù) F＝P×S，泵提供的壓力一定，活塞的表面積越小，運(yùn)行壓力就會(huì)越高，但是實(shí)際上秸稈成型壓力是一定的。運(yùn)行壓力在 20MPa 左右，對(duì)于預(yù)壓油缸來(lái)說(shuō)當(dāng)沒(méi)有負(fù)載回油時(shí)，易產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲，在 90dB 左右;由于運(yùn)行壓力高還經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。(3)設(shè)備振動(dòng)太大：有兩個(gè)原因，一是機(jī)身重心太高，設(shè)備在高壓狀態(tài)運(yùn)行下易產(chǎn)生振動(dòng);二是設(shè)備工作壓力在 20MPa 左右，工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊力太大。圖 2-1 進(jìn)料系統(tǒng)示意圖1 一方錐形進(jìn)料斗 2 一預(yù)壓筒 3 一預(yù)壓缸沖頭2. 1 加工上的問(wèn)題分析加工上的問(wèn)題主要在于整個(gè)設(shè)備的選材和主要部件的機(jī)械加工沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致了諸多不該發(fā)生故障都發(fā)生了，主要在以下幾個(gè)方面：(1)機(jī)身機(jī)座的選材，用的是厚度為 20mm 左右的鋼板，使得機(jī)座的剛度不夠，抗振性較差，在很大的工作壓力的沖擊下，設(shè)備振動(dòng)比較厲害。(2)成型套筒和活塞桿沖桿不同心。主要有三個(gè)方面的原因造成的：一是沖桿和活塞桿的選材和熱處理程度沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求；二是設(shè)備在強(qiáng)壓力的推動(dòng)下振動(dòng)厲害導(dǎo)致沖桿偏離軸心；三是套筒與沖桿的間隙配合不合要求，由于長(zhǎng)時(shí)間的工作，大量的粉塵進(jìn)入間隙，在加熱狀態(tài)下粉塵發(fā)生炭化，極其堅(jiān)硬(如圖 3 的指示 2 部分)，使得沖桿偏離軸心，還容易對(duì)沖桿表面擦出很多溝壑圖 2-2 主缸沖頭與預(yù)壓油缸沖頭進(jìn)料堵塞示意圖1—主缸沖頭 2—灰塵堅(jiān)硬層 3—物料 4—預(yù)壓缸沖頭5—易堵塞位置 6—成型筒(3)噪聲太高(90dB 左右)，影響工人工作環(huán)境。主要原因是設(shè)備振動(dòng)大和運(yùn)行壓力高。3.設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想（1）以河南農(nóng)業(yè)大學(xué) HPB-III 型液壓秸稈成型機(jī)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以降低工作壓力提高機(jī)器穩(wěn)定性、生產(chǎn)率，降低能耗為目標(biāo)，設(shè)計(jì)新型液壓式秸稈成型機(jī)。（2）除關(guān)鍵專用部件外，盡可能多用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，以降低成本。（3）堅(jiān)持以秸稈(玉米稈、小麥稈、稻稈)為主要原料的設(shè)計(jì)方向。（4）用大系統(tǒng)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)，著力解決實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、工廠化的相關(guān)問(wèn)題。（5）比能耗、成本、磨損三項(xiàng)指標(biāo)有所突破。3.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1.1 主油缸的設(shè)計(jì)生物質(zhì)成型機(jī)運(yùn)行壓力在 20MPa 左右，主油缸是單缸單活塞，一個(gè)閥控制進(jìn)油路，使得單位活塞截面積承受的壓力太大，根據(jù) F＝P×S，秸稈成型所需的壓力 F 一定，增大活塞截面積 S 可以有效地降低工作壓力 P，結(jié)合設(shè)備實(shí)際尺寸的需要，將主油缸改為兩個(gè)液壓缸，雙向壓縮，不僅可以增大活塞截面積，還可以不增大設(shè)備的大小。3.1.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照總體設(shè)計(jì)思路對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)液壓系統(tǒng)作了較好的改進(jìn)：主油缸單缸改為雙缸雙活塞，進(jìn)油路改為雙閥控制，增加一個(gè)高壓小流量定量泵，可以避免主油缸活塞推不動(dòng)而改為手動(dòng)換向、預(yù)壓裝置由于連續(xù)推不動(dòng)而堵塞等現(xiàn)象，并且增大油箱容積，在油箱上蓋上集成液壓元件，新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理圖如圖 5。液壓系統(tǒng)工作原理：按動(dòng)自動(dòng)按鈕，1DT 通電，電液換向閥 6 的左位接通，主油缸 10 的活塞右行。進(jìn)油路：由高壓小流量定量泵 3 和低壓大流量定量泵 16 輸出的液壓油經(jīng)電液換向閥 6 的左位分別進(jìn)入預(yù)壓油缸 7 的上腔和預(yù)壓油缸 13 的下腔，預(yù)壓油缸 7 的活塞行止下死點(diǎn)和預(yù)壓油缸 13的活塞行止上死點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)的壓力繼續(xù)升高。當(dāng)系統(tǒng)壓力升高到順序閥 8 的調(diào)定壓力時(shí)，順序閥8 被打開，液壓油經(jīng)順序閥 8 進(jìn)入主油缸左油缸的前腔和右油缸的后腔，推動(dòng)主油缸的活塞右行，同時(shí)帶動(dòng)柱塞、沖桿右行?；赜吐罚侯A(yù)壓油缸 7 下腔和預(yù)壓油缸 13 上腔的液壓油經(jīng)電液換向閥 6 的右位直接回油箱。主油缸左油缸的后腔和右油缸的前腔的液壓油先經(jīng)順序閥 12 的旁通閥后經(jīng)電液換向閥 6 的右位回油箱。當(dāng)主油缸右活塞右行到預(yù)定位置時(shí)，觸動(dòng)行程開關(guān) 11 發(fā)出信號(hào)，使 1DT 失電，2DT 得電。圖 3-1 雙出頭秸稈液壓成型機(jī)的液壓系統(tǒng)圖1、18—油箱 2、17—濾油器 3—高壓小流量定量泵 4、14—溢流閥5、15—單向閥 6—電液換向閥 7、13—預(yù)壓油缸 8、12—順序閥9、11—行程開關(guān) 10—主油缸 16—低壓大流量定量泵3.2 成型機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是從選材、加工工藝和部分不合理的結(jié)構(gòu)上做了些改進(jìn)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖 3-2。 圖 3-2 雙出頭秸稈液壓成型機(jī)結(jié)構(gòu)整體布置簡(jiǎn)圖1 一主油缸(2 個(gè)) 2 一進(jìn)料斗 3 一預(yù)壓油缸 4 一成型筒 5 一機(jī)架6 一預(yù)壓成型筒(1)選材和加工工藝上，對(duì)于一些易產(chǎn)生變形和易磨損構(gòu)件采用加厚鋼板和耐磨鑄鐵。機(jī)座由于受到壓力的沖擊易發(fā)生振動(dòng)導(dǎo)致兩端翹變形，所以機(jī)座采用加厚鋼板增加整個(gè)機(jī)座的剛度;成型套筒與沖桿之間易進(jìn)粉塵，這些粉塵在摩擦熱下炭化變得堅(jiān)硬，使成型套筒和沖桿易磨損，對(duì)此采用耐磨鑄鐵，加工工藝簡(jiǎn)單，成本低;對(duì)于一些要求精度高的構(gòu)件在加工時(shí)提高其加工精度。(2)降低機(jī)座的重心，進(jìn)而可以降低整個(gè)設(shè)備的重心，可以有效地減少設(shè)備的振動(dòng);進(jìn)料斗設(shè)計(jì)為圓錐筒(如圖 7 )，攪拌進(jìn)料時(shí)不會(huì)產(chǎn)生死角，使進(jìn)料更順暢，提高物料的喂入量進(jìn)而提高機(jī)器的生產(chǎn)率;行程控制開關(guān)開口放在成型筒的下面，可以減少粉塵進(jìn)入成型筒，這種沖桿成型筒成型系統(tǒng)顯著地減少了成型部件之間的摩擦，提高成型部件的使用壽命;將沖桿頂端的沖頭表面中央加一個(gè)小圓錐體(如圖 8)，這樣的設(shè)計(jì)可以起到切割的效果，無(wú)需另加切割裝置，就可以使成型棒料的形狀比較有規(guī)則;在成型部分的錐形筒的四周利用線切割技術(shù)做一些小孔，可以起到排氣效果，降低筒內(nèi)水蒸氣的壓力，減少“放炮”現(xiàn)象。圖 3-3 進(jìn)料斗 圖 3-4 活塞3.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)參數(shù)3.3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)生產(chǎn)率：400～500㎏/h能耗：70kWh/t成型棒的直徑：l00mm 左右成型工作壓力：6～8MPa，預(yù)壓工作壓力：3～4MPa成型密度：1000～1300kg /m 3成型周期：15ｓ秸稈粒度：30mm 左右3.3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)由設(shè)計(jì)指標(biāo)，成型棒的直徑取為 l00mm，主缸工作壓力 P＝8MPa，預(yù)壓油缸工作壓力 P＝4MPa取主沖桿套內(nèi)徑 d＝108mm主油缸：長(zhǎng) 2×630mm，內(nèi)徑 240mm，活塞桿直徑 120mm主油缸的活塞桿長(zhǎng)度：1845mmF＝P×(S 1－S 2)＝8×10 6×3.14×(0.22-0.1052)＝727852N預(yù)壓油缸：長(zhǎng) 600mm，內(nèi)徑 80mm，活塞桿直徑 40mm預(yù)壓油缸的活塞桿長(zhǎng)度：800mm由 F＝P×(S 1－S 2)＝4×10 6×3.14×(0.082-0.042)＝60288N，即約為 6 噸力根據(jù)上述參數(shù)，液壓系統(tǒng)具體參數(shù)取：額定壓力：20MPa，最大壓力：25MPa額定壓力：20MPa，最大壓力：25MPa3.4 成型機(jī)工作流程改進(jìn)后的新型成型機(jī)運(yùn)行性能更穩(wěn)定，出料更順暢，尤其是進(jìn)料斗改為圓錐形使進(jìn)料沒(méi)有死角，進(jìn)料量加大，大大提高了產(chǎn)量，其成型系統(tǒng)控制圖見(jiàn)圖８。一個(gè)成型周期的壓縮過(guò)程可分一下六個(gè)步驟：(1)液壓泵在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，通過(guò)電液換向閥將液壓油壓入左、右預(yù)壓油缸，右進(jìn)料斗的物料進(jìn)入右預(yù)壓室，在右預(yù)壓油缸活塞、活塞桿及沖桿的作用下被預(yù)壓并推入右成型筒，同時(shí)左預(yù)壓油缸活塞回位。(2)右預(yù)壓油缸活塞運(yùn)行到上死點(diǎn)后，左順序閥被打開，液壓油經(jīng)進(jìn)入主油缸左油缸的前腔和右油缸的后腔，推動(dòng)主油缸的活塞右行，同時(shí)帶動(dòng)柱塞、沖桿右行，將預(yù)壓后的物料擠入右成型套筒內(nèi)的錐形筒中，在機(jī)械壓力和右加熱圈加熱溫度的作用下，生物質(zhì)發(fā)生塑性變形并被擠壓成塊，經(jīng)保型筒保型后擠出。(3)當(dāng)右沖桿到右行程開關(guān)位置時(shí)，在電控裝置的控制下，電液換向閥換向。(4)液壓泵在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，通過(guò)電液換向閥將液壓油泵入左、右預(yù)壓油缸，左進(jìn)料斗的物料在左攪拌電機(jī)的攪拌下進(jìn)入左預(yù)壓室，在左預(yù)壓油缸活塞、活塞桿及沖桿的作用下被預(yù)壓并推入左成型筒，同時(shí)右預(yù)壓油缸活塞回位。(5)左預(yù)壓油缸活塞運(yùn)行到上死點(diǎn)后，右順序閥被打開，液壓油經(jīng)進(jìn)入主油缸右油缸的后腔和左油缸的前腔，推動(dòng)主油缸的活塞左行，同時(shí)帶動(dòng)柱塞、沖桿左行，將預(yù)壓后的物料擠入左成型套筒內(nèi)的錐形筒中，在機(jī)械壓力和左加熱圈加熱溫度的作用下，生物質(zhì)發(fā)生塑性變形并被擠壓成塊，經(jīng)保型筒保型后擠出。(6)在電控裝置的控制下，電液換向閥換向，照此循環(huán)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)。4.雙出頭秸稈液壓成型機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程4.1 擬定液壓系統(tǒng)圖秸稈液壓成型機(jī)的液壓系統(tǒng)圖的擬定，如圖５所示。4.2 主要計(jì)算過(guò)程（1）工作負(fù)載的計(jì)算為得到所要求推力 F，應(yīng)使 pA ＝Fcm?式中：A-液壓缸的有效工作面積P-作用在活塞上的有效面積-液壓缸的機(jī)械效率cm?F＝PA ＝π× ×P＝3.14× ×70×0.95＝522025（N） cm??????2Da??????210（4-1）（2）初選系統(tǒng)工作壓力根據(jù)各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力，選缸的工作壓力為：主缸工作壓力P ＝ 8MPa，預(yù)壓油缸工作壓力 P＝4MPa 系統(tǒng)工作壓力 P1＝20MPa（3）活塞桿外徑和活塞直徑的確定活塞受壓時(shí)：F＝P 1A1-P2A2＝(P 1-P2)A 式中：P 1A1-受壓腔壓力和面積P2A2-回油腔壓力和面積因?yàn)闉殡p桿活塞缸 A1＝A 2＝A執(zhí)行元件背壓力取 P＝0.5MPa則 P2＝0.5MPaA＝ ＝ ＝26770.5(mm 2) （4-21F?5.02）取 ＝0.5Dd式中：d-活塞桿直徑 D-活塞直徑則 D＝2dA＝ [(2d)2-d2] （4-4?3）d＝ ＝ ＝106.62(mm)π314.67?查手冊(cè)，取 d＝110mm，則 D＝2×110＝220(mm)（4） 活塞行程 L 的確定根據(jù)成型和進(jìn)料的需要，取 L＝250mm（5） 活塞桿強(qiáng)度演算當(dāng)活塞桿在穩(wěn)定狀態(tài)下，僅承受軸向載荷時(shí)，可以近似地采用直桿受拉、壓載荷簡(jiǎn)單強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。 d≥ mm （4-??σπ P44）式中 P-活塞桿所受的軸向載荷 N-活塞桿制造材料的許用應(yīng)力 MPa??σ＝ （4-??σ nbσ5）-材料的抗拉強(qiáng)度 MPabσn-安全系數(shù)（n＝3.5-6） ，一般取 n＝5根據(jù) GB8162-87＝590 MPabσ＝ ＝118 MPa??σ 90d≥ ＝77（mm）184.352?活塞桿外徑 100 mm，達(dá)到強(qiáng)度要求。又因?yàn)?＝ ＝2.27 2300?5.47?油在管路中成層流狀態(tài)，其沿層阻力系數(shù)為：＝0.026（MPa） （4-??Re614）Ｐ 1＝ ＝0.038(MPa) ??2vdl?2） 控制閥的局部壓力損失Ｐ 2＝ Ｐ n Pa （4-??????Q15）式中：Ｑ n－閥的額定流量ｍ /s3Ｐa－閥門的額定壓力損失 Pa?Q-通過(guò)閥的流量 ｍ /s Ｐ ２ ＝0.8 ＝0.2（MPa）??21608??????Ｐ＝0.038+0.2＝0.238<0.3 MPa ,?故所選泵合適。（12） 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率液壓系統(tǒng)工作中，除執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)外在和輸出有效功率外，其余功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量，使溫度升高。這些功率損失主要有：1） 液壓泵的功率損失 2） 溢流閥的功率損失3） 液壓油液流經(jīng)閥或管路的功率損失4） 液壓執(zhí)行元件的功率損失為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們用下式來(lái)計(jì)算，即： Phr＝Pr-Pc （4-16）Pr-液壓系統(tǒng)的總輸入功率Pc-輸出有效功率； Pr＝ ＝7.4716018.76.418)7452930.( ???Pc＝ ＝6.155]1)[2??Phr＝7.471-6.155＝1.316(kW)（13） 油箱容量的確定由經(jīng)驗(yàn)公式：V＝αQ v Qv-液壓泵每分鐘排出壓力油的容積.α-經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取 α＝4則 V＝4 80＝320(L) ?5.結(jié)束語(yǔ)查閱了多篇相關(guān)資料，對(duì)目前的生物質(zhì)成型工藝類型，現(xiàn)有生物質(zhì)成型技術(shù)及現(xiàn)狀進(jìn)行了比較，認(rèn)為液壓式成型機(jī)無(wú)論從技術(shù)上還是綜合投資比上都是優(yōu)于其他成型技術(shù)的，說(shuō)明這個(gè)設(shè)計(jì)思路是可取的，有必要再進(jìn)行改進(jìn)，再進(jìn)行完善。用前面的分析設(shè)計(jì)思想，以液壓驅(qū)動(dòng)、雙向成型為基礎(chǔ)，從產(chǎn)業(yè)化的角度對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)的液壓系統(tǒng)和成型部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，主油缸采用雙缸雙活塞，進(jìn)油路用雙閥控制，使該成型機(jī)運(yùn)行壓力在 8MPa 左右，低壓運(yùn)行，穩(wěn)定性提高，綜合性能提高，生產(chǎn)率達(dá)到 500kg/h，單位能耗 70kW/h 左右。參考文獻(xiàn)[1] 吳宗鑫,陳文穎. 以煤為主多元化的清潔能源戰(zhàn)略[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,2001(5):112～118.[2] 吳創(chuàng)之,馬隆龍.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003(5):136～143.[3] 清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院.中國(guó)能源展望.編寫組[M].中國(guó)能源展望 2004.北京：清華大學(xué)出版社，2004(9):235～239.[4] 京都議定書[M].聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約秘書處 1997(12).[5] 樊峰鳴.我國(guó)秸稈成型燃料規(guī)?；夹g(shù)研究[D].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文.2002.[6] 嚴(yán)永林.生物質(zhì)固化成型設(shè)備的研究[R].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，Vol.31 2003, No.12.[7] 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