外啮合柱塞式生物质颗粒燃料成型机的设计

金实，俞国胜，陈忠加，袁湘月，丰超

(北京林业大学工学院，北京100083)

　　摘要：结合活塞冲压式和模辊碾压式成型机连续出料及结构紧凑等优点，设计出一种外啮合柱塞式生物质颗粒燃料成型机。该成型机由电机驱动，动力经齿轮传输到压辊和环模上，通过压辊和环模的啮合运动使压辊柱塞销做类活塞运动将松散物料压入到环模成型孔中。松散物料经过持续的压缩运动并在摩擦力、侧向压力、颗粒间结合力等综合作用下最终被挤出成型孔形成颗粒燃料。介绍了外啮合柱塞式生物质颗粒燃料成型机的结构，分析了该机成型孔中物料的受力情况，并对压辊柱塞销进行了压杆稳定校核。这种外啮合柱塞式生物质颗粒燃料成型机是对生物质成型技术的一种新探索。

　　1生物质颗粒燃料成型机的发展

　　生物质颗粒燃料成型机的研究可以追溯到20世纪30年代，通过80多年的研究发展，其大致可以分为螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和模辊碾压式成型机三种^[1-4]。

　　螺旋挤压式成型机存在螺杆等关键成型部件磨损严重且单位能耗高等缺陷；活塞冲压式成型机明显改善了成型部件磨损严重的问题，但缺点是不能连续出料，生产率低；模辊碾压式成型机具有结构紧凑、能连续出料、生产效率高、应用广泛等优点，但成型能耗也相应较高。

　　北京林业大学承担“十二五”科技支撑项目研制出一种柱塞式压辊环模生物质颗粒燃料成型机，其结合了活塞挤压和环模碾压成型的方式，将普通碾压式压辊设计成柱塞式压辊，通过齿轮啮合使柱塞式压辊上的柱塞始终与环模上的成型孔对正运动，避免了非成型区域压辊、环模和物料间的挤压和摩擦，其成型能耗只有传统环模成型机的50%，同时成型模具的受力状况也得到了有效缓解，减少了磨损，增加了使用寿命。

　　内啮合柱塞式生物质颗粒燃料成型机的柱塞压辊在环模内与环模同向旋转，并依赖齿轮传动保障压辊上的柱塞与环模孔对正挤压，工作原理如图1所示，这样不断的啮合运动可将物料在成型孔中挤压成型，然后挤出成型孔^[5]。其存在的问题如下：

　　(1)柱塞压辊轴的安装方式为悬臂梁式，因此要求压辊轴具有足够的强度和刚度；

　　(2)柱塞压辊与环模的传动比不能小于2.5，否则压辊与环模轴会发生干涉；

　　(3)由于环模与压辊同向转动，若采用外啮合齿轮传动则必须有中间惰轮，这样会造成环模与压辊的中心距为定值(常数），使整机的径向尺寸过大。

　　针对柱塞压辊式内啮合颗粒成型机存在的上述问题，项目组研制、设计了外啮合柱塞压辊式生物质颗粒燃料成型机，如图2所示。其整体结构主要由机架、传动装置、成型装置组成。其中，传动装置包括减速器、主轴、大齿轮、小齿轮和从动轴；成型装置主要包括环模组件、预压辊组件和压辊组件；机架作为零部件的安装基础，起着支撑整机等十分重要的作用。整机的主要技术参数见表1。

　　2外啮合柱塞压辊式生物质颗粒燃料成型机的构造与工作原理

　　2.1传动方案

　　2.2工作原理

　　同柱塞压辊式内啮合颗粒成型机的工作原理类似，压辊部件和环模部件通过轴上齿轮的啮合关系，可使柱塞销和环模上的对应成型孔旋转时依次对正啮合。连续工作的过程相当于很多个微型机械驱动活塞挤压式成型机交替循环工作，如图4所示。与内啮合成型机相比，外啮合生物质成型机去除了惰轮，可以更灵活地设计啮合齿轮的尺寸，同时各部件的双端支撑可使机构的强度更高、安装更方便。

　　成型仓中的松散物料由于重力和摩擦力的作用，随着环模体的表面做旋转运动。在通过预压辊部件时，松散物料被压人到环模成型孔中。当被预压过的物料经过压辊部件和环模部件的啮合部位时，成型柱塞销的活塞挤压式运动将物料压人到成型孔中。成型孔中的物料在成型柱塞挤压力、模具挤压力和摩擦力、颗粒间的结合力等几种力的综合作用下致密成型。

　　随着旋转的不断进行，松散物料被持续挤压及致密成型，被挤出成型孔后，由于离心力的作用柱状生物质颗粒将被抛离环模体。

　　3关键零部件设计

　　3.1机架部件

　　机架部件是整体结构的框架，主要起支撑作用。成型部件在压缩物料过程中受到的压力将传到机架上，因此机架要有足够的强度和刚度；同时还要考虑传动部件、成型部件和轴承座组件的安装方便。机架部件示意图如图5所示。

　　机架被中隔板分隔为成型仓和传动仓两部分，同时采用密封隔套和密封圈来防止成型仓中的松散物料进人到传动仓中而影响齿轮组的传动。

　　成型仓与传动仓中的部件主要由传动轴连接，所以在安装时要考虑两边轴承座的同轴度，以便安装完成的压辊部件和环模部件能够正确配合；同时压辊部件的柱塞销与环模上的成型孔要有合适的间隙，以便在工作过程中能够避免两者间的摩擦损耗。

　　3.2成型部件

　　3.2.1预压辊部件

　　预压辊结构如图6(a)所示，压缩弹簧的预紧力能够使预压辊轴面贴在环模上工作，将松散物料压人环模上的环形沟槽和成型孔中，以便使成型柱塞销能获取更多的物料到环模成型孔中，提高成型机的工作效率。

　　3.2.2压辊部件

　　由于压辊部件中的成型柱塞销属易磨损零件，所以将整个压辊部件设计成易于拆装的两个部分(压辊体和成型柱塞销），如图6(b)所示，把成型柱塞销嵌人到压辊体中。工作时只有成型柱塞销与物料接触，而压辊体与物料和环模不接触，从而可大大减少工作能耗和磨损。柱塞销的端面为凹形锥面，能更好地获取物料。

　　3.2.3环模部件

　　模辊碾压式成型机模具成型孔一般分直孔、锥孔和曲线形孔三种[7]，本结构中选为直孔，环模体外圈有跟成型孔同周向阵列的沟槽，如图6(c)所示。其主要功能是通过预压辊的作用将松散物料压人其中，起到堆集物料的作用，以方便柱塞销更好地将松散物料压人成型孔中，提高生产效率，同时避免对每个成型孔都加工锥孔，简化加工工艺。

　　根据宋晓文的研究成果，生物质原料的开模成型模具有长径比要求，本设计取长径比为5.25。

　　4环模成型孔中颗粒受力分析及柱塞销校核

　　4.1成型颗粒受力分析

　　粒子间的结合力分以下5种方式[8-9]：①固体粒子间引力；②可自由流动液体产生的界面张力和毛细管力；③不可流动液体产生的黏结力；④粒子间固体桥力；⑤粒子间的机械镶嵌力。

　　摩擦系数、颗粒度、含水率、成型压力和环模的角速度对成型效果和生产效率均有较大的影响，需要通过实验来验证这些参数。

　　本设计主要通过布置两个预压辊和压辊部件来减少离心力对成型效果的影响。

　　4.2成型柱塞销稳定校核

　　成型柱塞销的固定方式为悬臂梁式，如图9所示，其在工作过程中受到压缩物料对其产生的较大反作用力，因此必须对其进行校核。由成型机的工作原理可知，当成型柱塞销在接触到环模体沟槽中的物料时才会受力，当柱塞销进人到啮合部位最深位置时柱塞销所受的压力达到最大值，如图8所示。取受力最大处P=92.6MPa时为研究对象[10]，对成型柱塞销做压杆稳定校核。

　　由以上的压杆稳定计算来看，成型柱塞销在受压时不会出现失稳，只会出现由于压应力达到屈服极限时而引起的破坏。根据计算结果，在保证压辊体与环模体啮合圆不变，以及压辊体整体强度满足系统成型要求的情况下，可以减小压辊体外环和内环的尺寸，相应地加长成型柱塞销，以减少压辊体整体质量和成本。

　　5结论

　　外啮合柱塞式生物质颗粒燃料成型机结合了活塞挤压式成型机和模辊碾压式成型机的优点，拓宽了成型机的设计思路。

　　离心力的存在对颗粒压缩成型起负面效应，所以存在一个可以得到最佳生产率的角速度ω，但需要更多的理论分析和实验来验证ω的具体数值。

　　通过对成型柱塞销的稳定分析可知，可以对压辊体的结构进行改进。在后续的分析中可以对整机进行参数化设计和有限元分析，对其进行优化设计和模块化设计，以促进今后的产业化发展。希望通过更多的理论分析和实验，来完善外啮合成型机的成型机理和系统的最佳成型条件。