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生物質燃料成型機械開題報告 一．課題研究的意義 生物質能是一種能量巨大而且可再生的能源，在地球上每年綠色生物能量的增加量為1170億噸。全球有近25億人口用生物質作為燃料用于煮飯，取暖和照明等，但目前絕大數國家和地區(qū)在使用生物質燃料過程中都存在熱能利用過低，耗費量大的問題。 從能源發(fā)展的長遠角度來看尋求一條可持續(xù)發(fā)展的能源道路，對促進國民經濟發(fā)展和環(huán)境保護都有重大意義， 用壓縮成型技術,一方面解決環(huán)境保護問題,另一方面又能生產代用燃料,近年來越來越受到人們的廣泛重視。該技術以連續(xù)的工藝和工廠化的生產方式將低品位的生物質轉化為高品位的易儲存、易運輸、能量密度高的生物質棒 塊 燃料和碳化棒塊 狀燃料,可以使成型燃料的燃燒性能得到 明顯改善,熱利用效率顯著提高,因此成為減少二氧化碳排放、支持農業(yè)生產、保護生態(tài)環(huán)境的有效措施。。 作物的重要副產品,我國目前年產秸稈量約在 7 億噸左右,如果能夠充分加工利用,可直接或間接大幅增加農民收入。每年秸稈約有 30%用作生活燃料,25%用作飼料,3%用于副業(yè)生產,6%直接還田,還有 36％的秸稈未得到任何利用。這些秸稈或堆放在農民的房前屋后、地頭路邊,造成環(huán)境污染和火災隱患;或被農民在田間一燒了之,造成大氣污染,對人身體造成極大危害,嚴重影響鐵路、公路、民航等正常的交通運輸,給國民經濟造成嚴重損失。天津市年產秸稈超過 300 萬噸,除少部分秸稈用于還田、青貯飼料、秸稈氣化、造紙等以外,其余仍被丟棄于田間或者焚燒,不僅造成了資源浪費,而且還帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。秸稈固化燃料機械化技術是根據農作物秸稈的結構特性,將粉碎的農作物秸稈與其他輔料按照一定的比例混合,應用壓縮成型原理,壓縮成體積小、密度大、熱值高的燃料。經檢測,固化后的秸稈燃料的熱值要比直接燃燒秸稈高 20%,而且生產成本比燃煤低,因此可作為煤炭、石油等常規(guī)能源的替代品。 二．國內外研究現狀分析 1國外現狀 早在上世紀70年代,美國就開始研究壓縮成型燃料技術,并研制了螺旋式成型機,在溫度80—350℃和壓力100MPa,能把木屑和刨花壓縮成固體成型燃料。它的密度是1-1.2g/m3,含水率為10%-12%。日本于 年代從國外引進技術后進行了改進,并發(fā)展成了日本壓縮成型燃料的工業(yè)體系。70年代后期,西歐許多國家如比利時、法 國、德國等也開始重視壓縮成型燃料技術的研究。法 國開始時用秸稈的壓縮粒作為奶牛飼料,近年來也開始研究壓縮塊燃料。德國研制的KAHI系列壓粒機和壓塊機。亞洲除 日本外,泰國、印度、菲律賓等國從 年代開始也都先后研制成 了加粘結劑的生物質壓縮成型機。生物質成型燃料燃燒設備按規(guī)模可分為：小型爐大型鍋爐和熱電聯產鍋爐；按用途與燃料品種可分為：木材爐、壁爐、顆粒燃料爐、薪柴鍋爐、木片鍋爐、顆粒燃料鍋爐、秸稈鍋爐、其它燃料鍋爐；按燃燒形式可分為：片燒爐、捆燒爐、顆粒層燃爐等。這些國家生物質成型燃料燃燒設備具有加工工藝合理、專業(yè)化程度高、操作自動化程度高、熱效率高、排煙污染小等優(yōu)點。但相對于我國存在著價格高、使用燃料品種單一、易結渣、電耗高等缺點，不適合于引進我國。東南亞一些國家生物質成型燃料燃燒設備大多數為碳化爐與焦炭燃燒爐，直接燃用生物質成型燃料的設備較少，同時這些燃燒設備存在著加工工藝差、專業(yè)化程度低、熱效率低、排煙污染嚴重、勞動強度大等缺點；燃燒設備還未定型，還需進一步的研究、試驗與開發(fā)，這些國家生物質成型燃料鍋爐也不適合于引進我國。 隨著全球性大氣污染的進一步加劇，減少二氧化碳等有害氣體凈排放量已成為世界各國解決 能源與環(huán)境問題的焦點。由于生物質成型燃料燃燒CO2的凈排放量基本為0’NOX，排放量僅為燃煤的1/5，SO2的排放量僅為燃煤的1/10，因此生物質成型燃料直接燃用是世界范圍內進行生物質高效、潔凈化利用的一個有效途徑。 我國從80年代起開始致力于生物質壓縮成型技術的研究。南京林化所在“七五”期間設立了對生物質壓縮成型機及生物質成型理論研究課題 湖南省衡陽市糧食機械廠于1985年研制了第一臺ZT-63型生物質壓縮成型機,江蘇省連云港東海糧食機械廠于1986年引進 了一臺 OBM-88棒狀燃料成型機1990年前后,陜西武功輕工機械廠,河南鞏 義包裝設備廠等單位先后研制和生產了幾種不同規(guī)格的生物質成型機和碳化機組.1994年湖南農大,中國農機能源動力所分別研究出PB-1型、CYJ-35型機械沖壓式成型機 1997年河南農業(yè)大學又研制出HPB-1型液壓驅動活塞式成型機 2002年中南林學院也研制了相應設備。目前我國成型機生產和應用已形成了一定的的規(guī)模,熱點主要集中在螺旋擠壓成型機上,但存在著一些諸如成型筒及螺旋軸磨損嚴重、壽命較短、電耗大、成型工藝過于簡單等缺點。因此必須從技術上進一步加大研究力度、攻克難題,以利生物質壓縮成型燃料技術的進一步推廣應用。盡管生物質成型設備還存在著一定的問題，但生物質成型燃料有許多獨特優(yōu)點：(1)便于儲存、運輸；"使用方便、衛(wèi)生；燃燒效率高；(2)清潔能源，有利于環(huán)保。因此，生物質成型燃料在我國一些地區(qū)已進行批量生產，并形成研究、生產、開發(fā)的良好勢頭。在我國未來的能源消耗中，生物質成型燃料將占有越來越大的份額。 三．任務要求及實現目標的可行性分析 開發(fā)生物質是將“木材加工廢料、樹木殘枝、灌木、柴草、糧食經濟作物的莖葉”進一步加工成為（利用生物質成型機）便于運輸的其他工業(yè)的原料：統(tǒng)稱可再加工分類成型的“生物質燃料棒”或“秸稈壓塊”。 過將秸稈〖包括糧食經濟作物的莖葉、木材加工廢料、樹木殘枝、灌木、柴草〗粉碎，送入“成型器”中，在外力作用下，壓縮成需要的形狀，便于儲存運輸，供“家庭”氣化爐、氣化站、取暖爐、鍋爐發(fā)電作燃料使用，同時還能夠用于生產制造肥料、飼料、纖維密度板、隔墻板、植物地膜、餐飲具、包裝材料、育苗缽、灑精、淀粉、栽培食用菌等。壓縮的密度根據用途、設備造價等情況進行綜合選擇。 燃料壓塊的標準為（厘米）：φ1X10、φ2X10、φ1X20、φ2X20、φ5X20、φ5X40、φ5X80、5X15X21 通過對秸稈壓塊成型的主要技術、工藝設備、經濟效益和社會效益的分析，確定了秸稈壓塊成型燃料在國內進行產業(yè)化生產是可行的。秸稈壓塊成型燃料生產中的核心技術HPB-Ⅲ型液壓式生物質成型機在工作原理的創(chuàng)新方面及配套技術和技術路線，顯示了秸稈壓塊成型燃料的生產在技術上是可行的；每套秸稈壓塊成型燃料生產線具有顯著的經濟效益，不僅能節(jié)約大量的化石能源，又為2噸以下的燃煤鍋爐提供了燃料，有廣闊的應用情景；秸稈燃料塊燃燒后煙氣中CO、CO2、SO2、NOx等成分的排放均低于目前燃煤鍋爐規(guī)定的排放標準，達到了國家的環(huán)保要求，生態(tài)環(huán)保效益明顯。因此秸稈壓塊成型燃料的生產的在國內廣大農村、城鎮(zhèn)實行產業(yè)化是可行的。 四．重點研究的問題及解決思路 4.1秸稈成型燃料成型機的性能穩(wěn)定及關鍵部件快速磨損問題 現在采用的螺桿式和壓輥式成型機都是依靠傳動部件與秸稈之間的高速相對運動來實現生物質壓縮，壓縮過程中磨擦產生的熱將纖維、木質素軟化的同時，旋轉部件產生的擠壓力把秸稈推入成型模，從而完成成型。生物質秸稈內Si、Ca、Cr等元素含量較高，秸稈收集過程中還會帶入許多泥沙(SiO2)，這些物質的存在會加劇加工機械的磨損。 對于螺桿式成型機，由于螺桿與物料始終處于高速摩擦狀態(tài)，導致壓縮區(qū)(高溫、高壓)螺紋的磨損非常嚴重。目前國內外的工藝技術條件尚不能從根本上解決螺桿磨損問題。螺桿的平均修復期為60h左右，因一次性投入較低，該技術目前還有不少國家在應用。解決的方法是規(guī)?；a，批量換件維修。 環(huán)模成型設備同樣存在快速磨損問題。其壓輥在環(huán)模內高速旋轉過程中與喂入環(huán)模內的秸稈摩擦生熱，溫度可達200℃以上；同時壓輥運動的分力擠壓秸稈進入成型孔成型。在這樣的條件下，壓輥和成型孔磨損較快。目前解決快速磨損的措施有兩條：一是從環(huán)模金屬材料和熱處理入手，改變金屬材料的耐磨性能。二是從模具的結構入手，改變成型孔與壓輥切線的角度，增加推入力，減少擠壓力。 4.2成型燃料形狀的大小和松弛密度問題 成型燃料形狀的大小和松弛密度不僅是影響成型工藝和生產能耗的重要因素，而且對應用推廣有著重要的影響。同一種秸稈原料生產的成型燃料，其形狀的大小和致密度的不同，在實際應用中的效果會有不同。例如，秸稈成型燃料應用在氣化發(fā)電中，當成型燃料進入流化床時，在成型燃料內部快速形成了溫度梯度，成型燃料形狀的大小和致密度就決定了成型燃料內達到生物質熱解反應條件的速率，這對氣化效果和焦油的產生都會產生影響。因此在秸稈成型燃料的生產中，應根據成型燃料的不同用途來確定其合理的形狀大小和松弛密度。 4.3秸稈成型燃料成型機的生產效率和能耗問題 我國秸稈成型燃料成型機大多是在借鑒國外壓塊技術和飼料成型機的基礎之上進行變型設計而生產制造的，在成型機理方面的研究還幾乎是空白，這直接導致我國秸稈成型燃料成型機存在結構不合理、生產效率偏低、能耗偏高等缺陷。成型機成型能耗在生產成本中占有一定的比重，生產效率偏低、能耗過高制約了企業(yè)的生產效益。因此，有必要根據農作物秸稈的特點，通過理論分析與工藝試驗來研究秸稈成型燃料成型機能耗影響因素，為提高生產效率和實現節(jié)能降耗提供依據。 四．工作進度 第一周：寫開題報告確定研究方向 前二周：查找文獻資料，確定設計思路及初步方案。 第三、四周：合理擬定輸送送裝置，確定設計內容。 第五周：確定傳送裝置的傳輸速度 第六周---第七周：根據前期計算數值確定主要設備的選擇及其相關的輔助的選擇，完成相關的設計內容。根據設計的要求結合前期的的設計內容確定變速裝置及其保護裝置，完成設計圖紙。 第八周---第九周：根據設計的前期綜合確定完成設計的主體部分既鏈板式輸送裝置，完成設計圖紙。 第十周：整理設計材料，撰寫論文，答辯。 六．參考文獻 [1].袁振宏,吳創(chuàng)之,馬隆龍，等編著. 生物質能利用原理與技術[M]. 化學工業(yè)出版社，2005. [2] 張百良，王許濤，楊世關.秸稈成型燃料生產應用的關鍵問題探[J].農業(yè)工程學報，2008,24(7). [3] 劉延春，等，生物質固化成型技術研究進展[J]. 世界林業(yè)研究，2008(4). [4] 劉圣勇，等，生物質致密成型燃料燃燒機理研究進展[J]. 安徽農業(yè)科學，2009(24). [5] 韓璞，李大中，劉曉偉.生物質氣化發(fā)電燃氣焦油脫除方法的探討[J]. 可再生能源，2008(1). 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生物質燃料成型機械研究的意義生物質是討論能源時常用的一個術語，是指由光合作用而產生的各種有機體。生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能量形式，一種以生物質為載體的能量，它直接或間接地來源于植物的光合作用，在各種可再生能源中，生物質是獨特的，它是貯存的太陽能，更是一種唯一可再生的碳源，可轉化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。據估計地球上每年植物光合作用固定的碳達2×1011t，含能量達3×1023J，因此每年通過光合作用貯存在植物的枝、莖、葉中的太陽能，相當于全世界每年耗能量的10倍。生物能是第四大能源，生物質遍布世界各地，其蘊藏量極大。世界上生物質資源數量龐大，形式繁多，其中包括薪柴，農林作物，尤其是為了生產能源而種植的能源作物，農業(yè)和林業(yè)殘剩物，食品加工和林產品加工的下腳料，城市固體廢棄物，生活污水和水生植物等等（中國生物質資源主要是農業(yè)廢棄物及農林產品加工業(yè)廢棄物、薪柴、人畜糞便、城鎮(zhèn)生活垃圾等四個方面）。 秸稈成型技術可將各類農作物秸稈原料經過粉碎和高壓成型等環(huán)節(jié)，是原來分散的沒有一定形狀的原料壓縮成具有一定形狀的原料，根據瑞典的以及歐盟的生物質顆粒分類標準，若以其中間分類值為例，則可以將生物質顆粒大致上描述為以下特性：生物質顆粒的直徑一般為6~8毫米，長度為其直徑的4~5倍，破碎率小于1.5%~2.0%，干基含水量小于10%~15%，灰分含量小于1.5%，硫含量和氯含量均小于0.07%，氮含量小于0.5%。若使用添加劑，則應為農林產物，并且應標明使用的種類和數量。歐盟標準對生物質顆粒的熱值沒有提出具體的數值，但要求銷售商應予以標注。瑞典標準要求生物質顆粒的熱值一般應在16.9 兆焦上。生物質燃料的熱值符合使用要求，在一定程度上滿足了燃料的需求。從能源發(fā)展的長遠角度來看尋求一條可持續(xù)發(fā)展的能源道路，對促進國民經濟發(fā)展和環(huán)境保護都有重大意義，用壓縮成型技術,一方面解決環(huán)境保護問題,另一方面又能生產代用燃料,近年來越來越受到人們的廣泛重視。該技術以連續(xù)的工藝和工廠化的生產方式將低品位的生物質轉化為高品位的易儲存、易運輸、能量密度高的生物質棒，塊燃料和碳化棒塊狀燃料,可以使成型燃料的燃燒性能得到 明顯改善,熱利用效率顯著提高,因此成為減少二氧化碳排放、支持農業(yè)生產、保護生態(tài)環(huán)境的有效措施。 1．2 本課題研究的現狀分析 1.2.1國外研究現狀 國外生物質燃料成型機械的研究早在上世紀 70年代,美國就開始研究壓縮成型燃料技術,并研制了螺旋式成型機,在溫度80—350℃和壓力100MPa,能把木屑和刨花壓縮成固體成型燃料。它的密度是1-1.2g/mm3,含水率為10%-12%。日本于90年代從國外引進技術后進行了改進,并發(fā)展成了日本壓縮成型燃料的工業(yè)體系。70年代后期,西歐許多國家如比利時、法國、德國等也開始重視壓縮成型燃料技術的研究。法國開始時用秸稈的壓縮粒作為奶牛飼料,近年來也開始研究壓縮塊燃料。德國研制的KAHI系列壓粒機和壓塊機。亞洲除日本外,泰國、印度、菲律賓等國從90年代開始也都先后研制成了加粘結劑的生物質壓縮成型機。 圖1- 1 壓式成型原理圖 1.2.2國內發(fā)展現狀 我國從80年代起開始致力于生物 質壓縮成型技術的研究。南京林化所在“七五”期間設立了對生物質壓縮成型機及生物質成型理論研究課題 湖南省衡陽市糧食機械廠于1985年研制了第一臺ZT-63型生物質壓縮成型機,江蘇省連云港東海糧食機械廠于1986年引進 了一臺OBM-88棒狀燃料成型機1990年前后,陜西武功輕工機械廠,河南鞏 義包裝設備廠等單位先后研制和生產了幾種不同規(guī)格的生物質成型機和碳化機組.1994年湖南農大,中國農機能源動力所分別研究出PB-1型、CYJ-35型機械沖壓式成型機 1997年河南農業(yè)大學又研制出HPB-1型液壓驅動活塞式成型機 2002年中南林學院也研制了相應設備。目前我國成型機生產和應用已形成了一定的的規(guī)模,熱點主要集中在螺旋擠壓成型機上,但存在著一些諸如成型筒及螺旋軸磨損嚴重、壽命較短、電耗大、成型工藝過于簡單等缺點。我國生物質固體成型技術的研究開發(fā)已有二十多年的歷史，20世紀90年代主要集中在螺旋擠壓成型機上，但存在著成型筒及螺旋軸磨損嚴重、壽命較短、電耗大、成型工藝過于簡單等缺點，因此必須從技術上進一步加大研究力度、攻克難題,以利生物質壓縮成型燃料技術的進一步推廣應用。導致綜合生產成本較高，發(fā)展停滯不前。進入2000年以來，生物質固體成型技術得到明顯的進展，成型設備的生產和應用已初步形成了一定的規(guī)模。 對課題所涉及的任務要求及實現預期目標的可行性分析開發(fā)生物質是將“木材加工廢料、樹木殘枝、灌木、柴草、糧食經濟作物的莖葉”進一步加工成為（利用生物質成型機）便于運輸的其他工業(yè)的原料：統(tǒng)稱可再加工分類成型的“生物質燃料棒”或“秸稈壓塊”。 過將秸稈〖包括糧食經濟作物的莖葉、木材加工廢料、樹木殘枝、灌木、柴草〗粉碎，送入“成型器”中，在外力作用下，壓縮成需要的形狀，便于儲存運輸，供“家庭”氣化爐、氣化站、取暖爐、鍋爐發(fā)電作燃料使用，同時還能夠用于生產制造肥料、飼料、纖維密度板、隔墻板、植物地膜、餐飲具、包裝材料、育苗缽、灑精、淀粉、栽培食用菌等。壓縮的密度根據用途、設備造價等情況進行綜合選擇。 燃料壓塊的標準為（厘米）：φ1X10、φ2X10、φ1X20、φ2X20、φ5X20、φ5X40、φ5X80、5X15X21 通過對秸稈壓塊成型的主要技術、工藝設備、經濟效益和社會效益的分析，確定了秸稈壓塊成型燃料在國內進行產業(yè)化生產是可行的。秸稈壓塊成型燃料生產中的核心技術HPB-Ⅲ型液壓式生物質成型機在工作原理的創(chuàng)新方面及配套技術和技術路線，顯示了秸稈壓塊成型燃料的生產在技術上是可行的；每套秸稈壓塊成型燃料生產線具有顯著的經濟效益，不僅能節(jié)約大量的化石能源，又為2噸以下的燃煤鍋爐提供了燃料，有廣闊的應用情景；秸稈燃料塊燃燒后煙氣中CO、CO2、SO2、NOx等成分的排放均低于目前燃煤鍋爐規(guī)定的排放標準，達到了國家的環(huán)保要求，生態(tài)環(huán)保效益明顯。因此秸稈壓塊成型燃料的生產的在國內廣大農村、城鎮(zhèn)實行產業(yè)化是可行的。螺桿擠壓式成型機工作原理:生物質成型機是指把能源密度低的作物秸稈、農林廢棄物壓縮制成能源密度高、質地堅硬的棒狀或顆粒狀燃料，以便于儲存和運輸。成型燃料具有熱值高、著火容易、含灰分低、熱效率高、燃燒時清潔衛(wèi)生等特點，廣泛應用于工業(yè)、生活鍋爐及民用燃料。螺桿擠壓式生物質成型機的工作過程和工作原理口。是首先從喂料口將粉碎的物料喂人壓縮室，當物料填滿壓縮室后，通過螺桿的旋轉和擠壓，在螺桿的推動下，使物料體積減少，實現成型壓縮，成型燃料壓縮后外徑為61 mm，中孔L直徑為15mm。螺桿擠壓式成型機效果圖如圖1-1所示。 圖1-2成型機設計整體外觀圖 1．進料口2．套筒3．出料口4．機架5．螺桿6．轉動輪7．機身8．機架 成型生物質顆粒受力分析及設計物料顆粒在輸送過程中，物料的運動由于受旋轉螺旋的影響，并非沿軸線作純直線運動，而是在復合運動中沿螺旋軸作空間運動。當螺旋面的升角α在展開狀態(tài)時，螺旋線可用一條斜直線表示，則旋轉螺旋面作用于半徑為r(離螺旋軸線的距離)處的物料顆粒A上的力為Pa，由于磨擦的原因，Pa的方 向與螺旋線的法線方向偏離了φ角，此力可分解為切向分力Pb和法向分力Pc，如圖1-3所示。物料顆粒在合力的作用下，有圓周速度移Vb。和軸向速度Vc”。，其合成速度為Va。，圖1-4表示了其速度的分解；轉速一定，螺距S在某一范圍內物料可以得到較好的軸向輸送速度，螺距過大或者過小，都會影響物料的軸向速度。螺旋輸送面上任一直徑上物料的軸向運動速度是相等的。則可以得出，單位長度單位面積輸送面的軸向負荷僅與單位長度單位面積上物料量成正比。 通過上述分析，在成型燃料生產過程中螺桿頭部和成型套筒的收縮區(qū)是受力集中區(qū)，如圖1.5所示，白色顯示了受力強度情況。因此，往往是螺桿頭部已經完全磨損，而螺桿后部(2倍“導程”之后的部分)仍然完好如初，本文通過將整體螺桿分拆為桿頭和螺桿主體兩部分、將成型套筒拆分為成型活套和保型套筒兩部分，來提高兩部分主體壽命。由于螺桿主體的應力不集中，使兩者的壽命都顯著增長。從而通過更換螺桿頭和成型活套來達到降低生產磨損的目的，從而降低生物質成型燃料的生產成本。 圖1-3 物料顆粒受力分析 圖1-4物料顆粒速度分析 圖1-5 螺旋擠壓軸 2主要部件的設計及計算 2．1螺旋體的優(yōu)化設計 螺旋體的主要尺寸有：螺旋直徑D、螺旋軸直徑d、螺距S、長度L、葉片厚度t(圖5)。參照原成型機螺旋體的結構參數：L=450 mm，t=6 mm，D=61mm，d=30 mm，S=25 mm，若要保證螺旋體有足夠的強度、剛度，同時還要保證有足夠的輸送量和消耗較小的動力，則螺旋體葉片直徑D、葉片螺距Js、螺旋軸直徑d、長度￡、葉片厚度t存在一個最佳組合問題。在此優(yōu)化設計中，取L=450 mm，t=6mm，以D、d、S為本機需要確定的優(yōu)化設計變量，即.圖2-1螺旋體結構簡圖 2-1螺旋體結構簡圖 由于螺桿擠壓式生物質成型機工作時，有時需要經常移動，故以螺旋體的質量為目標函數。G=（V1+V2）ρ 式中V1螺旋軸體積，m2 V2-螺旋面體積，m3 ρ螺旋體材料的密度kg/m3 則由此確定目標函數為 （2-1） 1)剛度限制條件 即限制撓度不超過許用值。不超過許用值[門。螺旋體力學 模型如圖2-2所示。 圖2-2螺旋體力學模型 最大撓度為 (2-2) 其中 , 式中 —計算系數。 E—螺旋體彈性模量， I—螺旋軸的轉性慣矩， q—均布載荷N/m 整理的 有相關的設計手冊，可以查到許用撓度值[?]股約束條件為 (2-3) (2)功率限制條件 限定螺桿擠壓式生物質成型機的電動機功率在15kW以下。螺桿擠壓式生物質成型機在帶載啟動條件下的功率計算式為 (2-4) 式中 Q—產量，本機確定產量Q=0.20t/h K—電動機安全系數，K=1.2 —物料與料槽的摩擦因數，取 —螺距與直徑之比，=S／D —物料輸送的工作長度，取=0．6 m —進料口物料堆積壓力的等效計算高 度，取0．=0.3 m —送料筒橫截面半徑，取 —進料口長度，取=0．3 m 將上述參數代人并整理得 可的約束條件為 (2-5) (3) 轉速約束條件 螺桿擠壓式生物質成型機的轉速與輸送量密切相關。轉速與輸送量的關系為 式中 —物料充填系數，=0.5 —傾斜影響系數， =0.6 —物料堆積密度，=0.75 整理的 為了降低物料的破碎率和成型機震動，取n<360 r／min。可以得到約束條件為 (2-6) (4)抗扭強度限制條件 根據螺旋軸受力條件，螺旋軸所受的最大剪應力 (2-7) 其中 將N、n、的計算式代入上式，整理可得 按照強度條件，，此處，取=。 約束條件為 (2-8) (5)邊界約束條件 為保證正常運送物料，螺旋直徑D和螺距s應滿足D—d≥0．1； 0．7D≤S≤D；另外螺旋直徑D和螺旋軸直徑d不應過大，限定條件為：D≤0．35；d≤0．13。轉換為優(yōu)化問題的約束條件為 （2-9） （2-10）） （2-11）） （2-12）） （2-13） 2.2螺旋體優(yōu)化設計的數學模型及計算 由約束條件建立數學模型是一個3維9個約束的小型優(yōu)化問題，采用約束隨機方法計算，用本程序在航域內取初始點,搜索初始步長： ，隨機方向m=500，迭代精度Z=0.00001，經過計算，計算出最優(yōu)解為： 將最優(yōu)點進行圓整處理后得：。計算出其質量。轉速r=300r/min,功率N=9.06KW，最大撓度，而原始可行方向的目標函數值為5.25kg，說明優(yōu)化后提高了使用價值。 2.3 套筒數據的計算 成型套錐角與錐長的大小直接影響每次喂入秸稈前后的體積之比、成型壓強及成型棒的 密度。秸稈種類不同，所需的成型壓強、成型套錐角和錐長也不相同。當成型套錐角一定時，增加成型套的錐長，或成型套錐長一定，增加成型套的錐角，成型后所得成型棒的密度都較大，所需的成型壓強也較高，消耗能量也越多。 生產指標中成型棒外徑為61 mm，中孔直徑為15mm，考慮到成型誤差，保型筒內徑設計為63．5mm；螺桿頭部的錐度為14°。螺桿頭部和錐形套筒的間隙為，可計算錐形套筒錐度約為4.5°。螺桿擠壓物料的部分呈圓柱型，為防止轉動過程中物料被反送，螺紋和套筒的間隙不宜過大，一般取，則物料輸送部分套筒內徑為67 mm。成型套筒分成了兩個可以拆卸的部分，即錐形套筒和保形套筒部分，有上述數據可知，錐型套筒(活套)內部大徑為68mm，小徑為58 mm，錐形套筒長度為100mm。 當螺桿轉動時，被擠壓的秸稈原料進入保型筒內，需保型一段時間以便成型，然后被再次進入保型筒前部的秸稈依次推出成為捧狀。保型時問或保型筒長度越長，保證成型所需的最低成型壓強越小，能耗也較小。保型時間與保型筒長度和生產率有關，當保型時間一時，生產率越高，保型筒長度應適當加長。根據設計的保型時間和擠出速度，可計算出該保型套筒的長度為250 mm。 3關鍵部位的校核 3.1 螺旋軸螺距 螺距不僅決定著螺旋升角還決定著在一定填充系數下物料運行的滑移面，所以螺距的大小直接影響著物料運送過程。最大螺距應該滿足下列兩個條件：要考慮螺旋面與物料的摩擦系數 以及速度各分量間的適當分布關系兩個條件，來確定最合理的螺距尺寸。 物料顆粒在螺旋面軸向方向上的作用力為，為了使則必須滿足條件。在最小半徑處的螺旋升角是最大的，擠壓方向的作用力最小。根據這個條件，最大的許用螺距值，由下式確定： 或 (3-1) 若以（D-螺旋的外徑）代入上式，得 另外，在確定最大許用螺距時，必須滿足的第二個條件是建立在使物料顆粒具有最合理的速度各分量間的關系基礎上的，即應使物料顆粒具有盡可能大的軸向輸送速度，同時又使螺旋面上的各點軸向速度大于圓周速度。螺距的大小將影響速度各分量的分布，當螺距增加時，速度各分量的分布情況較好，但是會出現圓周速度不恰當的分布情況，相反當螺距較小時，速度各分量的分布情況較好，但是軸向輸送速度卻較小。 于是，根據在螺旋圓周處的的條件，→。 所以，s要滿足，和.兩個條件。 物料的摩擦系數同物料在料槽里的運動取向、運動速度、物料的尺寸、濕度以及螺旋葉片材料及表面狀態(tài)有關，成型物料的摩擦系數可查閱設計手冊。 通常可按下式計算螺距：s=k.D 對于標準的螺桿擠壓式生物質成型機，k值一般取0.8~1.當成型物料流動性較差時，k<0.8；當水平布置，可取k值等于0.8~1. 綜上所訴，取螺距p=s=26mm。 3.2壓縮段螺桿的錐角設定 根據以上計算，可知: 公稱直徑;；中徑mm；小徑。再設定螺桿錐形擠壓部分的水平長度為70mm。 設壓縮段螺桿的錐角為，則有所以： 本設計將壓縮段螺桿與螺桿整體拆分為兩個獨立的部分。 3.3螺旋升角 五是指在中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。螺桿的螺旋升角五對物料流動性影響比較大，螺旋角越小，會提高加料段的成型輸送能力，螺桿的單耗減小，生產率增大。但螺旋角并不是越小越好，因為螺旋角過小，物料在機筒中停留時間變長，物料的溫度升高，達到一定程度后就會出現焦料的現象，使物料的流道堵塞。所以，螺旋角在保證產品質量前提下越小越好。由圖3-1可知： 圖3-1 螺紋升角的計算 得： 3.4螺桿強度校核 螺桿受軸向力F及轉矩T的作用，危險截面上受壓應力和扭轉切應力。根據第四強 度理論，螺桿危險截面的強度校核公式為 (3-2) 式中，為螺桿螺紋小徑（mm）; 為螺桿材料的需用應力（mpa）；T為螺桿所受轉矩（N.m） (3-3) （1） 查表得螺桿最小需用應力 （2） 螺桿所受轉矩 （3） 說明：1）因為成型機的螺桿受力最大的部分集中在螺桿頭部，所以只需校核螺桿頭部的螺紋和螺桿強度即可。 2）設成型機的擠出速度為，根據設計的生產速率，由公式可計算如下： 求出 4電機選擇 (1) 由上式計算可知，成型部件需要的最佳功率為9.06kw。轉速為300r/min。最大擾度，根據以上工況要求，選擇三相籠型異步電機，封閉式結構，電壓為380v，Y型。 （2） 選擇電機的容量 電機所需工作功率為 （4-1） 圖5-1整體示意圖 由式（4-1） 或 因此電機所需的工作功率為： 由電機傳至螺旋成型機夠的傳動總效率為 (4-2) 式中：分別為帶傳動，軸承，齒輪傳動，聯軸器，成型機構的傳動效率。 取，（滾子軸承），（齒輪精度為8級），（聯軸器），則傳動總效率： 所以 kw （3）確定電機的轉速 已知螺桿轉速為300r/min，取v帶傳動比i=2~4,以及圓柱齒輪減速器傳動比i=2~6,則總傳動比合理范圍為i=4~24 ，故電機的轉速可選范圍為 在這一范圍內的轉速有750,1000,1500 其他的排出,綜合考慮電動機傳動裝置的尺寸，重量，價格和帶傳動，減速器的傳動比，選用Y160M-4電動機。 表3-1 電動機的類型 方案 電動機型號 額定功率 同步轉速 滿載轉速 電動機 質量 參考價格 最大轉矩 1 Y160M-4 11 1500 1460 123 2400 2.2 該電動機的主要外型和安裝尺寸如下表6—2： 表6—2電動機主要外形尺寸 中心高 H 外形尺寸 L（AC/2+AD）×HD 地腳安裝尺寸 A×B 地腳螺栓孔直徑 K 軸伸尺寸 D×E 裝鍵部位尺寸 F×GD 160 600×365×315 245×210 15 42×110 12×45 5 帶的選擇和帶輪的確定 由選用的電機型號和輸出轉速，確定電機轉速為1460r/min，輸出轉速設為600r/min （1） 求計算功率 查表課本13-8得，故 （2） 選用v帶型號 根據需要選用普通v帶 由，查圖13-15確定選用B型V帶 （3） 求大小帶輪基,準直徑 查表13-9，應不小于125，現取，由式(13-9)得 根據標準取 （4） 驗算帶速v 帶速在5~25m/s范圍內合適 （5）求v帶基準長度和中心距a 初選中心距a 取750mm，符合 由式得帶長 對于D型帶選用 計算實際中心距 (6) 驗算小帶輪包角 故選擇合適 (7)求v帶根數z 令 得 傳動比 =2.6 查表可得單根普通v帶i≠1時額定功率的增量 由得 （） 取四根帶 （8）求作用在帶輪上的壓力 查表13-1得 N （） 作用在軸上的壓力 （） （9）v帶輪結構的設計 帶輪常用鑄鐵制造，有時也采用鋼。鑄鐵帶輪（HT150，HT200）允許最大圓周轉速為25m/s. 小帶輪采用實心輪，大輪采用幅板式，查閱設計手冊可計算帶輪的尺寸, 可得v帶輪的輪緣寬B，輪轂直徑ds和輪轂長L的尺寸，以及V帶兩側的夾角。 6加熱部分 加熱部分的改進意見主要從以下幾個方面： 1)在試驗進行過程中，由于成型機出料速度較快，加熱不及時而造成成型阻力較大的情況時有發(fā)生，由于成型密度相對較小，并沒有發(fā)生俗稱的“放炮”現象，但是還是有大量的煙氣放出。加熱功率仍然需要提高。為此，我們現在正在進行采用成型廢料和篩選出的大木塊等為燃料的專用加熱爐，來實現對成型套筒的加熱的實驗。這樣可以保證加熱功率，并降低加熱耗電成本，而且解決成型阻力的問題。 2)我們是處于實驗階段，由于條件限制，我們的電源接線柱是暴露在外的，有一定危險性，所以建議以后這部分應該作好絕緣工作，以免出現危險 3)實驗過程中，由于機身震動較大，電源接線柱的壓緊螺絲不能完全壓緊，同時由于使用380V的高壓，所以不時會在電源接線柱上冒出火花，所以改進時應該保證壓緊螺絲完全壓緊，保持接觸。 結論 本論文主要是從一種生物質成型的新的方式來設計和研究成型機械的。眾所周知，生物質成型有機械常溫成型、熱壓成型、預熱成型和成型炭化四種成型工藝。機械成型的原理也不同，有螺旋式的、液壓式等不同的機械形式。通過我們的優(yōu)化設計和相關試驗，針對螺旋預熱擠壓式生物質成型機，我們得出了如下結論： 1)雖然螺桿式成型機應用的最早，缺點也是顯而易見的，但是其造價低的優(yōu)勢非常明顯，在市場上的占有率是最高的。通過提高其螺桿和成型套筒的使用壽命，來提高生產率，進一步降低其生產成本，將更加適合在原有生物質成型燃料生產廠家的推廣應用。 2)通過對成型生物質的受力及運動分析，得出了在一定的轉速下螺距s在某一范圍內物料可以得到較好的軸向輸送速度；在此基礎上，對成型機主要零件的設計參數進行優(yōu)化，得出了使螺桿擠壓式生物質成型機獲得最佳的工作效率的螺距S的取值范圍，以及在螺桿質量最小的目標條件下的螺桿的標稱直徑、螺桿軸直徑、螺距s的最佳配合值，對后面的機械設計部分起到了指導的作用。 3)根據優(yōu)化結果和新的設計思路，在結構上有所創(chuàng)新：將原來整體式的螺桿拆分為可以拆卸的螺桿和螺桿活頭兩部分；將原來一體的套筒拆分為可以拆卸的成型活套和保型套筒兩部分，從而大大延長了螺桿和保型套筒的使用壽命，節(jié)約了生產成本。并重新設計了螺桿擠壓式生物質成型機的各生產參數(包括螺桿擠壓式生物質成型機的螺桿長度、螺距、齒高、螺桿長度、活頭長度、成型活套長度和保型套筒長度等一系列工藝參數)。 4)根據該成型機的生產能力和生物質炭的市場需求，對新型秸稈液壓成型技術進行經濟效益分析，得出使用該機型經濟可行，可以使投資方迅速收回成本，并具有良好的經濟效益。  致 謝 這次畢業(yè)設計終于完成了，大學四年也就接近尾聲了，通過這次設計，我感慨很多。首先要感謝我的母校---塔里木大學，感謝母校給我們學習的平臺，感謝各位老師對我的辛勤教育，教會我們學習和做人。有了這次畢業(yè)設計等于我將以前學到的各種知識又重新學習了一遍，知道了學習的側重點與學習心態(tài)的重要性。同時，我更應該感謝我的指導老師丁羽老師，有了丁老師的耐心指導，我才能順利地完成了畢業(yè)設計。在此，我要深深地感謝丁羽老師，給予我的耐心的指導和幫助。因為我們平時不注意積累專業(yè)知識，對學過的知識掌握的也不夠扎實，所以在整個設計的過程中，遇到甚多各種各樣的困難，每次他都耐心的指導，幫我解決了一個個難題。這讓我非常感動，體現了王老師對工作的高度責任心和對學生的深切關懷。在答辯前檢查時，由于我的設計問題尤為突出，特別是圖紙上的，王旭峰老師耐心為我指出圖紙中的錯誤，不耐其煩的講解，使我知道自己有好多不足。也讓大家學習了制圖中應該注意的地方。范修文老師也認真地指出我的設計存在的問題，讓我明白自己的不足和需要改進的方向。讓我非常感動，在此也要謝謝兩位老師。 對于這次畢業(yè)設計，由于時間緊張和我所學知識有限的緣故，使這次畢業(yè)設計無法達到最完美的效果，其中肯定存在許多問題。但是，這次畢業(yè)設計啟發(fā)了我的創(chuàng)造思維，提高了我的動手能力和實際觀察能力，同時，也讓我不得不把學過的理論知識又重新復習了一遍。這都是平時我肯定沒有機會去實現的工作，這次設計讓我感慨頗多，也收獲頗多。通過這次設計，為我以后的學習和工作都敲響了警鐘，也為我以后的學習和工作建立了正確的方法和方向。 最后，再一次衷心的感謝母校能夠給予我的這次機會，使我能將所學理論知識與實踐相結合；再一次感謝指導我的所有老師和教授我知識的所有老師，你們傳授的知識使我受用一生，你們的恩情我會銘記一生。  參考文獻 [1]劉宇剛．關于利用生物質能技術的思考[J]．佳木斯大學學報(自然科學版)，2005，23(3)： 443,-445． 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