生物质颗粒燃料平模成型机压辊优化设计

王述洋，崔金磊

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150040)

　　摘要：通过对生物质平模成型机工作原理介绍以及压辊运动分析，得出压辊产生滑动的原因，并提出压辊改进设计；通过对锥辊的特性分析，得出使压辊产生最大挤压力应满足的条件。认为直压辊的滑动作用可以增加生物质的压缩行程，有利于物料的成型。锥辊数学模型的建立，有助于平模成型机相关尺寸的确定，提高其性能和效率。该研究为今后平模成型机的优化设计提供了理论支持。

　　随着全球石油、煤炭等一次性能源的枯竭，人们居住环境污染问题日益突出，能源、环保等问题得到人们的强烈关注。近年来，发展低碳型、环境友好型、可持续型经济已经势在必行。

　　作为传统农业大国，我国有丰富的生物质资源。截至2010年底，农村剩余秸秆量每年达到7.26×10⁹t，相当于3×10⁹t标准煤，减去工业生产、还田、颗粒饲料加工以及生活燃烧部分，还有2.5×10⁹t左右。林业废弃物每年可达到3700万hm²。

　　为了避免资源的浪费，更好地保护环境以及缓解能源危机，生物质成型颗粒燃料得到了广泛的应用。生物质颗粒平模成型机以其结构简单，制造、安装和维护方便且造价低廉，同时对物料粉碎粒度及其含水率范围要求大等优点，在农村个人等小规模生产中得到广泛的应用。作为生产颗粒燃料的关键设备，对生物质成型机的研究、分析和优化必不可少。

　　1生物质颗粒平模成型机的关键结构与工作原理

　　生物质颗粒燃料平模成型机结构如图(1)所示，由电机、减速器(差速器)、传动主轴、物料室、压辊、压辊架、平模盘、成型模具等关键部件组成。

　　正常工作时，成型机的平模盘固定在机架上，电机通过皮带连接减速器的带轮进行减速变向，使传动主轴得到相应的转速；传动主轴将动力传给压辊架，带动压辊架转动。由于生产过程中压辊和平模盘之间充满生物质物料，在压辊架转动的过程中，压辊和物料以及物料和平模盘之间产生摩擦力，压辊在此摩擦力的作用下实现自传，同时不断将物料挤压到成型模具中。在压辊与平模盘强烈的挤压作用下，物料逐渐被压实，并随着后续挤入物料的压力而脱离模具。成型颗粒燃料脱离模孔后，由切刀切割成一定长度的颗粒后从出料口滚落收集。

　　为生产不同直径的生物质颗粒燃料，根据具体尺寸更换相应模孔直径的平模盘和成型模具。同时为更好地满足生产要求，平模盘周围要配备相应的加热装置，适时调节生物质原料的含水率，以保证平模成型机的生产要求。

　　2生物质颗粒平模成型机压辊特性

　　2.2压辊受力特性　由图3可知，在实际生产中，压辊与平模盘问将有一条纯滚动圆周线日。在日线内侧，压辊相对转速较快，这种超前性滑动称作滑转滚动；在H线外侧，压辊相对转速较慢，这种滞后性滑动称为滑移滚动。

　　2.3压辊对生物质原料挤压的力学分析　图4为压辊对生物质原料挤压的力学分析图，选取挤压物料的任一点B点进行受力分析，物料受到压辊对其施加的挤压力N'和摩擦力F'，其大小和压辊所受力相同，方向相反。同时在生产过程中，平模盘给物料一个水平的摩擦力Fx和竖直的支撑力Fy，整理得：

　　由式(5)～式(8)得，相较与纯滚动，压辊的滑转、滑移滚动的产生就是把原有作用力重新分配，不仅使物料水平方向上受力增大，增长了物料的预压行程，同时也增强了在竖直方向上的挤压力，使得生物质颗粒平模成型机的平模盘厚度变薄，远小于环模盘的厚度。因此，直压辊所产生的滑动效应并不完全是消极的。

　　由于压辊同时存在滑移滚动和滑转滚动，这就加快了压辊和平模盘的磨损速度。为了节约成本，设计加工时将平模加工成对称结构，正反使用；同时将压辊的形状重新进行设计，改换成锥形压辊，使压辊在宽度范围内线速度一致，消除滑动产生的磨损。

　　3生物质颗粒平模成型机压辊改进设计及特性分析

　　4结论

　　通过对生物质颗粒燃料平模成型机的工作原理以及压辊的特性分析(压辊受力分析、压辊对生物质的挤压力学分析)，建立了压辊受力模型。通过对压辊的运动分析、以及改进设计和动力分析，获知锥辊能显著改善现有平模成型机的性能，降低压辊与平模盘的磨损，极大地提高其寿命与效益。

　　(1)由于压辊和生物质问产生滑动，产生摩擦力，使两者间产生剪切作用，能够对粗纤维含量较大物料进行更好地揉搓、压缩成型，极大地提高了成型产品的质量。

　　(2)由于滑转滚动区和滑移滚动区的引入，使得锥辊对物料在竖直和水平方向的压缩行程增加，大大减少了平模盘的厚度，节约制造、加工成本。

　　(3)忽略压辊与平模盘间的静摩擦力和滚动摩擦阻力矩的影响，当0满足公式(16)和公式(18)时，此时的锥辊产生的挤压力最大，这就为不同参数的锥辊平模成型机提供了设计理论，以便更好地进行优化设计。