平模製粒機（jī）加工生物質燃料的工作特性分析（三）

平模製（zhì）粒機加工生物質燃料顆粒的特性探討

 

    在加工生物質燃料顆粒的過程中，我們發現，平模製粒機的各工作部件表現出（chū）以下特性：

 

    1 喂料特性

 

    物料進入平模機的第一個工位是喂料室，喂料室（shì）起（qǐ）到緩存（cún）物料和喂料的作用，完成物料向磨輥楔形攫取角的喂入。喂料室有兩個特點，一是喂（wèi）料空間廣闊，為專門擠壓（yā）生物質原料的（de）大直徑壓輥提（tí）供了空間，也為蓬鬆（sōng）的生物質原料提供了喂料空間；二是靠重力作用直接（jiē）喂料（liào）的原理高效實用。

 

    像如（rú）鋸末、樹枝、樹杈粉碎料（liào）和秸稈粉末這一類生物質原料,粗纖維含量高，質輕而（ér）蓬鬆，不易喂入。寬敞的（de）喂料室，首先能為物料提供廣闊的喂料空間。其次能允（yǔn）許配備大直徑壓輥，從而增大（dà）攫取（qǔ）角，增強對粗纖維物料（liào）的攫取能力。據測算，鋸末原料容重約（yuē）為200kg/m3,孔隙率為75%左右，物料本身（shēn）輕而蓬鬆，製成顆粒時壓縮比在6以上，這（zhè）就對喂料空間提出了較高（gāo）的要求。平模機具有寬敞（chǎng）的喂料室，以PM60平模機為例，其（qí）有效喂料容積約120dm3，單（dān）次喂料可達24kg，完全能滿足機器需求（qiú）。

 

    其次，物料喂（wèi）入的過程是在重力作用下自然（rán）下落的過程。不需要強製喂入，原料（liào）便可直接落到適合擠壓（yā）的工（gōng）位上。這種喂料方式明顯優於環模製（zhì）粒機，環模機工作時，對應不同的物料都需要探索相應的導（dǎo）料板參數，物料性質稍有改變，導料板就得改變（biàn），這就限製了環模機對原（yuán）料的適應性。

 

    2平模特性（xìng）

 

    在（zài）動輥式平模（mó）製粒機中，平模被（bèi）固定（dìng）在機座上（shàng），物料（liào）從靜止的模孔中擠出，被切刀切斷後形（xíng）成顆粒。而環模製粒（lì）機中，環模是旋轉的，旋轉的環模常常把顆粒甩在機殼上，部分顆粒被摔碎，成型率（lǜ）下降。因此（cǐ）平模製粒機中平（píng）模靜止的工作方式有利於顆粒成型率的提高。

 

    作（zuò）為（wéi）製粒機（jī）的核心工作部件，平模的（de）結構參數是否合適直接決定了顆粒質量的優劣。加工不同的（de）物（wù）料，應當配（pèi）備（bèi）不同的模（mó）板。模板的開孔麵積，模孔尺寸，模孔排布方（fāng）式等要素都是決定製粒性能的重要因素。模孔長徑比越小，產量越大，但是顆粒密度（dù）越小、質量也越差。長徑比過大，則（zé）容易堵機。從實踐經驗看，用同一種原料生產（chǎn）相同（tóng）規格（gé）的產品，平模厚度要比環模的小許多。

 

    與環模相比（bǐ），平模的（de）優勢在於結構簡潔，體積緊湊，能（néng）正反使用，成本低廉。模板是易（yì）磨（mó）損件（jiàn），需要定期更換（huàn），平模結構的對稱性決定了模板雙麵可（kě）用，一麵（miàn）磨損量過大（dà）後，可以將模板反裝，這大大提高了平模（mó）的使用壽命。易損件壽命的提高有助於降低生產成本。

 

    3壓（yā）輥特性

 

    壓輥方麵，平模機壓輥（gǔn）的特點是轉速較低、直徑大，與某些型（xíng）號的環模機相比，其轉（zhuǎn）速甚（shèn）至不到（dào）環模壓輥的一半，而較大的直徑可以增大壓輥的攫取角。這使工作中的壓輥對物料有較強的攫取力，並且降低了打滑的可能性。

 

    但（dàn）是（shì）工作中的壓輥並非（fēi）整體在做純滾動，從其軸向上看，壓輥（gǔn）的裏側與外側都（dōu）會發生滑動，這種滑動（dòng）作用是平（píng）模機的工作原理決定的，並不因物料的（de）改變而改變。筆者認為，滑動作（zuò）用的存在，固然在一定程度上加快（kuài）了壓輥（gǔn）的磨損，但是客觀上卻增強了製粒機的（de）擠壓（yā）性能，使平模製粒機在加工含粗纖維較（jiào）多的生（shēng）物質原料方麵成（chéng）為（wéi）佼佼者。下麵將（jiāng）從運動（dòng）分析和受力分析方麵（miàn）對滑動作用進（jìn）行討論。

 

    以圖4所示的順時針旋轉的壓輥為例，平（píng）模製粒機工作時，壓輥上必定存在一條純滾動的圓周線H，在純滾動線H內側，壓輥發生超前性滑動，稱之為滑轉滾動（dòng）；在純滾動線（xiàn）外側（cè），壓輥（gǔn）發生滯後性滑動，稱之為（wéi）滑移滾動。

 

    在壓輥與物（wù）料接（jiē）觸的（de）任意點A，其受力如圖4所示，因擠（jǐ）壓物料而收到物（wù）料施加給壓輥的反作用力N,N大小隨（suí） 變化而變化，但總是沿半徑指向圓心（xīn）方向；壓輥與物料之間（jiān）還可能存在摩擦力F，F必定沿切線方向，但指向有待討論。

 

    當機器進（jìn）入（rù）穩態時，壓輥處於平衡狀（zhuàng）態，建立如圖所示的柱坐（zuò）標係，以磨輥軸心為Z軸，磨（mó）輥（gǔn）最外截麵圓心為Z軸（zhóu）0點（diǎn），以豎直（zhí）方向半徑為角（jiǎo）坐標0點。因平模壓輥的自轉是從動的，不存（cún）在（zài）驅動力矩，故（gù）其自身力矩之和為零，可以得（dé）到其力矩平衡（héng）方程：

 

    顯然，③式右側表示滑轉滾動區的合力（lì）矩，左側表示滑移滾動區合（hé）力矩（jǔ）,兩個合力矩等大反向。在滑轉滾動區，磨輥因轉速較快，相對於物料產生滑動，因此力F沿切線（xiàn）指向上，合力矩方向為（wéi）逆時針，則由力矩（jǔ）平衡關（guān）係可推得，③式左邊（biān）描述的（de）滑移滾動（dòng）區所受合力矩必定為順時針方向，因此（cǐ）該區內的大部受力點所受摩擦力F應沿切線指向下方（如圖4所示）。

 

    明確了壓輥的受力情況，就可以分析物料受力，物料受力情況如圖（tú）5所示，在（zài）磨輥擠壓（yā）物料的任意一點B，物料受壓輥對其施加的力 與 ,分別為 和 的反作用力。在與平模接（jiē）觸的平麵，物料受到水平方向上的摩擦力（lì）S和鉛（qiān）直方向上的支撐力（lì）T。則物料受力的（de）平衡方程為（wéi）：

 

    從上述的（de）壓輥運（yùn）動情（qíng）況和物（wù）料受力情況我們可以作出以（yǐ）下分（fèn）析：

 

    （1）從上麵三組平衡式的對比可以看出，產生滑轉滾動和滑移滾動（dòng）的時（shí），與純滾動相比（bǐ），相當於在（zài）豎直方向和（hé）水平方向對作用力（lì）進行（háng）了重新分配。從式④可以看出，在滑移滾動（dòng）區，物料在水平方向上受力增加，因此水平方向的擠壓作（zuò）用增強。從式⑨可以看出,在滑轉滾動區，物料在豎直方向上受力增加，豎直方向的（de）擠壓作用增強。兩種滑動作用的效果並不是消極的。

 

    （2）由運動分析知，在滑轉滾動區，壓輥產生超前性滑動，因此對（duì）平模徑向上單位長度的物料而言，在壓輥上的擠壓（yā）行程增（zēng）加，這相當於在豎直方向增（zēng）長了物（wù）料的預壓縮行程。在滑移滾動區，壓（yā）輥產（chǎn）生（shēng）滯後性滑動，對於平（píng）模徑向上單位長度的物料，在平模上的（de）擠（jǐ）壓行程增（zēng）加，相當於（yú）在水平方向上增長了預壓縮（suō）行程。這就能解釋（shì）為什麽環模製粒機和平模（mó）製粒機（jī）加工相同（tóng）原料、相同規格的產品（pǐn）時（shí），平模機的模板厚度遠薄於（yú）環模厚度（dù）：盡管二者都是模板擠壓製粒，但平模機的兩種滑動作用相當於增加了物料的壓縮行程。

 

    （3）從式（shì）④、⑤和式（shì）⑧、⑨可以看出，兩種滑動（dòng）作用導致了（le）摩擦力的產（chǎn）生，摩（mó）擦力F使壓輥和物料之間產生了兩種剪切作用。滑轉滾（gǔn）動區的超前性滑動使磨輥（gǔn）在豎直方向對物（wù）料產生了較強的剪切作用，這種剪切作用越靠近（jìn）模板中心越明顯。滑移滾動區的滯後性滑動使磨輥在水平方向對物料產生（shēng）了較強的剪（jiǎn）切作用，這種剪切（qiē）作用越遠離（lí）模（mó）板中心越明（míng）顯。

 

    試驗時從出料口往裏觀察，我們發現平模的中間幾圈模孔出料快，越是（shì）裏圈和外圈的模孔，出料越慢。如果卸掉切刀（dāo）觀察，中間幾圈（quān）的物（wù）料被擠出較短的長度就會斷裂、墜落。而裏圈和外圈的模孔（kǒng）中擠出的物料不易自動（dòng）斷裂和墜落，有許多甚至長至200mm以上才脫離模板。這是因為（wéi），由（yóu）於兩種剪切作用的存在（zài），模板內側和（hé）外側的物料受較大剪切（qiē）力，物料粒（lì）子被充分地揉切、撕裂進而充填、嵌（qiàn）合，所以越是兩側，成型顆粒質地越密實（shí），出料越緩慢（màn）。平模機之所以在加工粗纖維含（hán）量較多的物料時具有優（yōu）越的（de）性能，也正是因為這兩種較強（qiáng）的剪切作用對（duì）物（wù）料進行了充分的預處理（lǐ）。

 

    （4）滑移滾動和滑轉滾動的存在會導（dǎo）致壓輥（gǔn）平模等（děng）零件的磨損程度（dù）增加，但在設計時可將平模設計成對稱結構，能夠正反使用用，這（zhè）將有效（xiào）降低易損件成（chéng）本。

 

    4 結語

 

    隨著人們環（huán）保意識的增（zēng）強（qiáng）以及國家（jiā）環保工作力度（dù）的增加，社會（huì）對清潔的替代能源的需求越來越迫切;今年中央1號文件明確規定“推進以非糧油作物為（wéi）主要原（yuán）料的生物質能源研究（jiū）和（hé）開發”;發展生物質顆粒燃料符合國策，順應民意。性能優異穩定的成型（xíng）機在生物質燃料顆粒成型過程中（zhōng）扮演著重要的角色。結合太陽能幹燥工（gōng）藝，利用PM60型平模製粒（lì）機加工鋸末、鋸末秸稈混合料等生物質燃料顆（kē）粒，成型率（lǜ）在93%以上，噸電耗（hào）在55千瓦時以下，小時生產能力在800kg-900kg左右。從試驗結果和理論分析來看，平模製粒機是加工生物質顆粒燃料的理想機型。