立式環(huán)模秸稈壓塊機(jī)噸燃料能耗分析

戴曉鋒，段 建，王博文，邵 峰

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

?

立式環(huán)模秸稈壓塊機(jī)噸燃料能耗分析

戴曉鋒，段 建，王博文，邵 峰

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

分析立式環(huán)模秸稈壓塊機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)噸燃料能耗的影響規(guī)律，可為優(yōu)化立式環(huán)模秸稈壓塊機(jī)效能提供依據(jù)。在對(duì)壓塊機(jī)成型過程和機(jī)構(gòu)受力分析的基礎(chǔ)上，建立噸燃料能耗數(shù)學(xué)模型，利用Design-expert8.0.6繪制不同參數(shù)下的噸燃料能耗響應(yīng)面圖。分析表明：摩擦因數(shù)和輥模徑比對(duì)壓塊機(jī)噸燃料能耗的影響較大，主軸轉(zhuǎn)速影響不明顯是由于壓塊機(jī)產(chǎn)量計(jì)算方式造成的；輥模徑比越大，噸燃料能耗越低，但過大的輥模徑比易出現(xiàn)“悶機(jī)”，過大的摩擦因數(shù)會(huì)降低壓塊機(jī)核心部件使用壽命；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速、輥模徑比、摩擦因數(shù)分別為165r/min、0.40、0.4時(shí)，噸燃料能耗達(dá)到較優(yōu)為30.72kW·h/t。

秸稈；立式環(huán)模壓塊機(jī)；噸燃料能耗

0 引言

將秸稈固化成型作為燃料，是當(dāng)前綜合利用秸稈資源的方式之一[1-2]。秸稈壓塊機(jī)可分為模輥式、螺旋式和柱塞式。模輥式壓塊機(jī)中的立式環(huán)模壓塊機(jī)具有原料分布均勻、結(jié)構(gòu)緊湊、喂入量大、生產(chǎn)率高和易于維修等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前固化成型設(shè)備發(fā)展的主流方向[3-4]；但立式環(huán)模秸稈壓塊機(jī)還存在能耗大導(dǎo)致生產(chǎn)成本過高的問題，從而限制了壓塊機(jī)的進(jìn)一步推廣使用[5]。現(xiàn)有關(guān)于壓塊機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)能耗影響規(guī)律的研究較少，且對(duì)象多為環(huán)模制粒機(jī)，能耗計(jì)算方式大多為估算，計(jì)算結(jié)果較粗略[6-8]。

本文通過對(duì)立式環(huán)模壓塊機(jī)成型過程中壓輥與環(huán)模受力的分析，建立噸燃料能耗模型，并通過Design-Expert8.0.6軟件中響應(yīng)面分析法，繪制不同參數(shù)條件下的噸燃料能耗響應(yīng)面圖，探究主軸轉(zhuǎn)速、摩擦因數(shù)及輥模徑比對(duì)壓塊機(jī)噸燃料能耗的影響規(guī)律，為降低壓塊機(jī)能耗和使用成本提供一定理論參考。

1 立式環(huán)模壓塊機(jī)工作原理

環(huán)模秸稈壓塊機(jī)由進(jìn)料斗、壓輥、環(huán)模、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)及機(jī)架組成，如圖1所示。工作時(shí)，電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸帶動(dòng)壓輥公轉(zhuǎn)，壓輥在公轉(zhuǎn)同時(shí)也繞偏心軸自轉(zhuǎn)；秸稈原料從上料機(jī)構(gòu)輸送到壓塊機(jī)的進(jìn)料斗，然后進(jìn)入壓縮室，均勻地散布在環(huán)模四周；在壓輥、環(huán)模、秸稈三者相互作用下，秸稈原料被不斷擠入環(huán)模孔內(nèi)，在秸稈相互擠壓作用下，不斷成型的壓塊從環(huán)模孔另一側(cè)擠出，在自身重力的作用下，斷裂成一定長度的成型壓塊，從出料斗左、右兩側(cè)出料，掉落在輸料機(jī)上；輸料機(jī)將壓塊運(yùn)輸?shù)胶Y子上進(jìn)行篩選，冷卻后裝袋密封[9]。

2 立式環(huán)模壓塊機(jī)能耗建模

2.1 壓塊機(jī)生產(chǎn)率建模

秸稈壓縮成型時(shí)，壓輥在主軸驅(qū)動(dòng)下公轉(zhuǎn)，將秸稈擠入到環(huán)模孔內(nèi)。壓輥和環(huán)模在擠壓秸稈的接觸點(diǎn)處，壓輥在與秸稈產(chǎn)生的摩擦力作用下進(jìn)行自轉(zhuǎn)，壓輥處于即將滑動(dòng)但尚未滑動(dòng)的臨界狀態(tài)，因此壓輥可視為靜止?fàn)顟B(tài)[10]。由于秸稈的存在，壓輥對(duì)環(huán)模的作用力在攫入秸稈的包角上呈不斷變化狀態(tài)，而且壓塊機(jī)在壓塊成型過程中，壓輥、環(huán)模和秸稈并非剛體，在壓力的作用下相互會(huì)發(fā)生變形，環(huán)模通過秸稈傳遞對(duì)壓輥的反作用力；在攫取秸稈包角處對(duì)壓輥的作用力可簡化為正壓力N和摩擦力f，壓輥的受力分析如圖2所示[10]。對(duì)壓輥中心點(diǎn)列力矩方程，因壓輥處于靜止?fàn)顟B(tài)，其力矩和為零，平衡方程為

M=N·a-f·b=0

(1)

其中，f=μ·N。

將其代入式(1)，可得

(2)

圖2 壓輥受力分析

圖2中，N0為壓輥受到秸稈的壓力；f0為壓輥受到秸稈的摩擦力；f為秸稈對(duì)壓輥的簡化摩擦力；N為秸稈對(duì)壓輥的簡化正壓力；a為接觸點(diǎn)到壓輥中心豎直線的最短距離；μ為壓輥與秸稈的摩擦因數(shù)；r為壓輥半徑。

(3)

將式(2)代入式(3)可得

(4)

其中，b為壓輥中心點(diǎn)到接觸點(diǎn)水平線的最短距離。

(5)

將式(3)和式(4)代入式(5)可得

(6)

其中，α為接觸點(diǎn)與壓輥中心點(diǎn)的連線偏離壓輥中心豎直線的角度。

(7)

將式(3)和式(4)代入式(7)可得

(8)

其中，R為環(huán)模的半徑；β為接觸點(diǎn)與主軸中心點(diǎn)的連線偏離主軸中心豎直線的角度。

(9)

將式(7)和式(8)代入式(9)，可得

(10)

其中，L為主軸的中心點(diǎn)到壓輥與秸稈接觸點(diǎn)的距離。

h=R-L

(11)

其中，h為被擠入秸稈的高度。

將式(10)代入式(11)，可得

(12)

壓輥公轉(zhuǎn)1周，被1個(gè)壓輥擠入環(huán)模孔內(nèi)的秸稈體積V為

(13)

壓塊機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)率Q為

Q=60π·B·Z·V·n·ρ

(14)

其中，Z為壓輥個(gè)數(shù)；n為壓輥公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；B為壓輥厚度；ρ為預(yù)壓區(qū)秸稈密度。

2.2 壓塊機(jī)功率建模

圖3為立式環(huán)模秸稈壓塊機(jī)壓塊過程受力分析。此時(shí)，壓輥和環(huán)模間存在的力有：壓輥與秸稈的正壓力N1和壓輥與秸稈表面的摩擦力f1。進(jìn)行力的分解，可得[10]

f2+N2=F

(15)

由于f2=f1·sinγ、N2=N1·cosγ、γ=α-β和f1=μ·N1，代入式(15)可得

(16)

在圖3中，對(duì)主軸中心點(diǎn)O列力矩平衡方程，則

M=G·(R-r)-N0·L·sin(α-β)-

f0·L·cos(α-β)=0

(17)

(18)

T=G·(R-r)

(19)

(20)

將式式(17)～式(19)代入式(20)，可得電動(dòng)機(jī)輸入功率為

(21)

其中，γ為壓輥的攫入角；η為壓塊機(jī)的傳動(dòng)效率；f2為f1的沿模孔的豎直分量；N2為N1的沿模孔的豎直分量；F為模孔的最大擠壓力；G為壓輥驅(qū)動(dòng)力。

圖3 壓塊機(jī)壓塊過程受力分析

2.3 壓塊機(jī)噸燃料能耗建模

依照NY/T1881.7-2010《生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法》，噸燃料能耗為生物質(zhì)固體燃料成型設(shè)備生產(chǎn)1t成型燃料所消耗的能量。壓塊機(jī)噸燃料能耗計(jì)算公式為

(22)

其中，環(huán)模內(nèi)徑R為740mm；壓輥個(gè)數(shù)Z為2；壓輥厚度B為29mm；測(cè)得秸稈在預(yù)壓區(qū)密度ρ為350kg/m3；由參考文獻(xiàn)可知壓塊機(jī)傳動(dòng)效率η為0.96[11]；壓輥適宜的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速即主軸轉(zhuǎn)速n為135～195r/min[12]。根據(jù)壓塊機(jī)擠壓力與環(huán)模孔擠壓力是正反作用力的關(guān)系，參考相關(guān)文獻(xiàn)，壓塊機(jī)壓輥對(duì)秸稈的最大擠壓力(即環(huán)模孔的最大擠壓力)F為19.73kN[13]；輥模徑比為0.10～0.50，即壓輥半徑為37～185mm；水稻秸稈與壓輥之間摩擦因數(shù)μ為0.1～0.5[14]。

3 環(huán)模壓塊機(jī)噸燃料能耗影響因素分析

由式(14)、式(21)、式(22)可看出：主軸轉(zhuǎn)速、摩擦系數(shù)、輥模徑比等參數(shù)對(duì)壓塊機(jī)噸燃料能耗有較大影響。利用Design-Expert8.0.6繪制不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的壓塊機(jī)噸燃料能耗響應(yīng)面圖，可直觀地呈現(xiàn)壓塊機(jī)參數(shù)對(duì)噸燃料能耗的影響規(guī)律。

3.1 摩擦因數(shù)與主軸轉(zhuǎn)速對(duì)噸燃料能耗影響

固定參數(shù)取值如上述設(shè)定，得到主軸轉(zhuǎn)速和摩擦因數(shù)對(duì)噸燃料能耗的交互影響，如圖4所示。摩擦因數(shù)對(duì)噸燃料能耗的響應(yīng)曲面相比主軸轉(zhuǎn)速對(duì)噸燃料能耗的響應(yīng)曲面變化更為陡峭，說明摩擦因數(shù)比主軸轉(zhuǎn)速對(duì)噸燃料能耗的影響強(qiáng)度更大。當(dāng)摩擦因數(shù)在0.4左右時(shí)，壓塊機(jī)噸燃料能耗較低，這是因?yàn)槟Σ烈驍?shù)越大，秸稈原料與環(huán)模、壓輥間的摩擦作用越好，可提高產(chǎn)量；從圖11可發(fā)現(xiàn)：主軸轉(zhuǎn)速對(duì)壓塊機(jī)噸燃料能耗影響并不明顯，而在實(shí)際生產(chǎn)中試驗(yàn)測(cè)得主軸轉(zhuǎn)速在150～165r/min范圍時(shí)，可得到較低的噸燃料能耗不符，這是因?yàn)楸疚挠?jì)算的秸稈壓塊產(chǎn)量是基于從環(huán)模孔中壓入量，而實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)量計(jì)算是以出模孔后成型良好的壓塊量；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速太低時(shí)，擠壓力降低，秸稈相互間擠壓作用減弱，延長成形時(shí)間，生產(chǎn)率下降，使得噸燃料能耗增加；主軸轉(zhuǎn)速太高，會(huì)使得成型腔的原料形成斷層，擠壓不連續(xù)，原料在成型腔內(nèi)停留時(shí)間變長，延長了成型時(shí)間，生產(chǎn)率開始下降，則噸燃料能耗開始增加[15]。

圖4 摩擦因數(shù)和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)噸燃料能耗的影響

3.2 主軸轉(zhuǎn)速與輥模徑比對(duì)噸燃料能耗影響

固定參數(shù)取值如上述設(shè)定，得到主軸轉(zhuǎn)速和輥模徑比對(duì)噸燃料能耗的交互影響，如圖5所示。輥模徑比對(duì)噸燃料能耗的響應(yīng)曲面相比主軸轉(zhuǎn)速對(duì)噸燃料能耗的響應(yīng)曲面變化更為陡峭，說明輥模徑比對(duì)噸燃料能耗的影響強(qiáng)度大。當(dāng)輥模徑比為0.40時(shí)，壓塊機(jī)噸燃料能耗較低，這與文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果相吻合。因此，在設(shè)計(jì)理論當(dāng)中，無論從增大壓塊機(jī)產(chǎn)能，還是從降低能耗的角度出發(fā)，在符合設(shè)備技術(shù)與結(jié)構(gòu)要求的前提下，應(yīng)盡可能選取較大的壓輥半徑，即盡可能增大輥模徑比；但過大的輥模徑比會(huì)使得壓輥卡死或模孔堵塞，造成“悶機(jī)”現(xiàn)象，使得產(chǎn)量降低，反而增大壓塊機(jī)的噸燃料能耗[16]。

圖5 主軸轉(zhuǎn)速和輥模徑比對(duì)噸燃料能耗的影響

3.3 摩擦因數(shù)與輥模徑比對(duì)噸燃料能耗影響

固定參數(shù)取值如上述設(shè)定，得到摩擦因數(shù)和輥模徑比對(duì)噸燃料能耗的交互影響如圖6所示。

圖6 摩擦因數(shù)和輥模徑比對(duì)噸燃料能耗的影響

從圖6可看出：摩擦因數(shù)和輥模徑比對(duì)噸燃料能耗都較大，且輥模徑比影響更加劇烈。隨著輥模徑比的增大，壓塊機(jī)噸燃料能耗呈下降趨勢(shì)，這與上述分析結(jié)果一致。當(dāng)摩擦因數(shù)為0.4時(shí)，噸燃料能耗處于較低水平。這里需要說明的是，提高秸稈與壓輥之間的摩擦因數(shù)主要有兩種途徑—降低秸稈含水率或者改進(jìn)壓輥表面結(jié)構(gòu)或表面材料。但是，降低秸稈含水率會(huì)使得秸稈的脆性增強(qiáng)，易斷裂變形，在模孔內(nèi)的變形恢復(fù)力小，難以成型，且初始密度較低，不易喂料，進(jìn)入模孔的原料少，使得成型壓塊密度、成型率及產(chǎn)量都較低；且隨著摩擦因數(shù)增大，會(huì)加大壓輥和環(huán)模的磨損，縮短壓塊機(jī)核心部件壓輥和環(huán)模的使用壽命。因此，可在壓輥圓周方向加工半徑為5mm的半圓形摩擦凹槽，表面進(jìn)行深度大于4mm的滲碳處理。

4 試驗(yàn)

應(yīng)用立式環(huán)模秸稈壓塊機(jī)對(duì)水稻秸稈進(jìn)行壓縮成型試驗(yàn)，秸稈選用江蘇省丹陽地區(qū)種植的鎮(zhèn)稻413型水稻。將水稻秸稈用粉碎機(jī)粉碎成粒度30～100 mm，加水調(diào)制成含水率為24%，此時(shí)水稻秸稈與壓輥的摩擦因數(shù)約為0.4，主軸轉(zhuǎn)速為165r/min，分別取壓輥半徑與環(huán)模半徑比為0.35、0.4、0.45 的壓輥進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間為30min，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取均值，得到設(shè)備的噸燃料能耗分別為36.24、 30.72、35.65kW·h/t；當(dāng)輥模徑比為0.45時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)“堵機(jī)”現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)量有下降，能耗反而增大。

5 結(jié)論

1)摩擦因數(shù)和輥模徑比對(duì)壓塊機(jī)噸燃料能耗的影響較大，主軸轉(zhuǎn)速影響不明顯是因?yàn)楫a(chǎn)量計(jì)算方式不同造成的。輥模徑比越大，壓塊機(jī)噸燃料能耗越低，增大摩擦因數(shù)，也能降低噸燃料能耗。

2)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速、輥模徑比、摩擦因數(shù)分別為165r/min、0.40、0.4時(shí)，噸燃料能耗達(dá)到較優(yōu)，為30.72W·h/t。

3)不同輥模徑比和摩擦因數(shù)對(duì)噸燃料能耗的響應(yīng)面分布規(guī)律表明：壓塊機(jī)的能耗與產(chǎn)能與摩擦因數(shù)有較大關(guān)系，因此各型號(hào)壓塊機(jī)產(chǎn)能不宜籠統(tǒng)標(biāo)明；增大摩擦因數(shù)對(duì)提高壓塊機(jī)產(chǎn)能、降低壓塊機(jī)噸燃料能耗有重要意義，但過大的摩擦因數(shù)會(huì)使得壓輥和環(huán)模加劇磨損，降低壓塊機(jī)核心部件使用壽命；噸燃料能耗隨輥模徑比的增加而迅速減小，說明提高輥模徑比可降低壓塊機(jī)噸燃料能耗，但過大的輥模徑比易出現(xiàn)“悶機(jī)”現(xiàn)象。

[1] 張百良.生物質(zhì)成型燃料技術(shù)與工程化[M].北京：科學(xué)出版社，2016.

[2] 崔明，趙立欣，田宜水，等.中國主要農(nóng)作物秸稈資源能源化利用分析評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(12)：291-296.

[3] 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.農(nóng)業(yè)和農(nóng)村節(jié)能減速十大技術(shù)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2010.

[4] 霍麗麗，侯書林，趙立欣，等.生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)及設(shè)備研究進(jìn)展[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，9(6)：27-31.

[5] 段建，陳樹人，姚勇，等.環(huán)模秸稈壓塊機(jī)噸燃料能耗試驗(yàn)與工藝優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(S1):149-155.

[6] 段建.立式環(huán)模秸稈壓塊機(jī)設(shè)計(jì)理論及試驗(yàn)研究 [D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2014.

[7] 姜洋，曲靜霞，郭軍，等.生物質(zhì)顆粒燃料成型條件的研究[J]．可再生能源，2006,129(5):16-18.

[8] 武凱，施水娟，彭斌彬，等.環(huán)模制粒擠壓過程力學(xué)建模及影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2010,26(12)：142-147.

[9] 陳樹人，段建，姚勇.環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013， 35(11):140-143.

[10] 王春華，宋 超，朱天龍，等.環(huán)模秸稈成型機(jī)壓輥半徑的優(yōu)選與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(15)：26-33.

[11] 叢宏斌，趙立欣，姚宗路，等.生物質(zhì)環(huán)模制粒機(jī)產(chǎn)能與能耗分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013， 44(11):144-149.

[12] 王志飛，亢燕茹，韓寶生，等.壓塊機(jī)工藝參數(shù)對(duì)生產(chǎn)率和功率的影響[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2007(4):106-108.

[13] 劉寶軍，李旭英，沈永雷，等.秸稈含水率對(duì)壓塊機(jī)功耗的影響[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(9):179-182.

[14] 徐微.新型液壓活塞式秸稈成型機(jī)改進(jìn)研究 [D].長春:吉林大學(xué)，2012.

[15] 陳樹人，段 建，姚 勇，等.環(huán)模式成型機(jī)壓縮水稻稈成型工藝參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2013，29(22)：32-41.

[16] 陳樹人，段建，蔣曉霞，等.一種雙層環(huán)模雙層壓輥秸稈壓塊成型機(jī):中國， CN103128990B[P].2015-06-10.

Energy Consumption Analysis of the Straw Briquetting Machine with Vertical Ring Die

Dai Xiaofeng, Duan Jian, Wang Bowen, Shao Feng

(Yangzhou Polytechinic Institute, Yangzhou 225127, China)

Analysis of the influence on the technical parameters for energy consumption on the straw briquetting machine with vertical ring die,research can be provide some

for optimizing the efficiency of machine.Based on the analysis of the forming process and mechanism of the straw briquetting machine, the energy consumption model is established, energy consumption curve is drawn to use design-expert8.0.6; analysis shows that the friction coefficient and the mold roll diameter ratio on the pressure briquetting machine tons of fuel consumption significantly, and the effect of spindle speed is not obvious due to differences in calculation, and die diameter ratio is bigger, equipment tons of fuel consumption is lower, but high roller die diameter can cause blockage of equipment, too large friction coefficient will reduce the service life of the core parts of the machine; when the spindle speed is 165r/min, the die roll diameter ratio is 0.40, the friction coefficient is 0.4, to achieve optimum tons of fuel energy consumption is 30.72kW·h/t.

straw；briquetting machine with vertical ring die；energy consumption per ton

2016-06-29

江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2013412)

戴曉鋒(1969-)，男，江蘇姜堰人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，碩士，(E-mail)iveiqeq@126.com。

S817.11+9

A

1003-188X(2017)08-0247-05