秸稈燃料擠壓成型機的設計

吳 飛，王家珂，徐穎梅

(揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，農(nóng)村能源緊張越加嚴重，傳統(tǒng)能源利用方式已經(jīng)難以滿足中國農(nóng)村的發(fā)展需求。針對這一現(xiàn)狀，本文設計了一款新型秸稈燃燒擠壓成型機, 通過對螺桿、套筒和模頭的結(jié)構(gòu)及尺寸的改良，從而降低了成本，提高了秸稈成型機的使用壽命，促進了擠壓成型機和新能源的發(fā)展。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設計的秸稈燃料擠壓成型機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它主要由軸承蓋1、軸2、漏斗3、螺桿4、套筒5、模頭6、底座以及安裝在底座內(nèi)的電機7、小帶輪8、大帶輪9組成，套筒5水平安裝在底座上方，套筒5的前端安裝模頭6，尾端安裝軸的軸承蓋1，螺桿4尾端與軸2的前端連接，并水平安裝在套筒5內(nèi)，軸尾端穿過軸承蓋1與大帶輪9相連，大帶輪9通過皮帶與小帶輪8相連，小帶輪8與電機的轉(zhuǎn)軸端相連。

1-軸承蓋；2-軸；3-漏斗；4-螺桿；5-套筒；6-模頭；7-底座以及安裝在底座內(nèi)的電機；8-小帶輪；9-大帶輪圖1 秸稈燃料擠壓成型機結(jié)構(gòu)示意圖

該秸稈燃料擠壓成型機的工作原理是：先將秸稈粉碎成小狀物體，置于高溫狀態(tài)下，使秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化，然后借助擠壓機螺桿的推動力將粉碎成小狀物體的物料向前擠壓，物料在混合、攪拌、摩擦以及高剪切力作用下使木素粒解體，同時機腔內(nèi)溫度和壓力升高(溫度可達到150 ℃～200 ℃，壓力可達1 MPa以上)，接著秸稈顆粒從一定形狀的模孔中瞬間擠出，其中游離水分在此壓差下急劇汽化，水的體積可膨脹大約2 000倍，秸稈顆粒從高溫突然釋放到常溫常壓下，從而使產(chǎn)品定型。

2 螺桿的設計

螺桿是秸稈燃料擠壓成型機的重要組成部分，是壓力的唯一來源。為了提高產(chǎn)品的擠壓效果，本文在螺桿上設有斷式螺紋，該螺紋采用梯形的阿基米德螺線形式。如圖2所示，采用等螺距變深螺桿，也就是通過改變螺桿直徑來獲得壓縮比，實現(xiàn)對物料的輸送和擠壓。

圖2 螺桿

螺桿基本參數(shù)的確定：

(1) 螺桿轉(zhuǎn)速n：本例采用n=300 r/min。

(2) 螺桿外徑Ds：螺桿直徑一般是根據(jù)產(chǎn)量來確定的，但這個問題比較復雜，因為擠出機的產(chǎn)量不僅取決于螺桿直徑，而且與螺桿轉(zhuǎn)速、機頭壓力、熔料黏度、螺旋槽深度等螺桿幾何參數(shù)有著直接關(guān)系，所以螺桿直徑的確定需要根據(jù)有關(guān)擠出理論和實踐經(jīng)驗進行綜合分析計算。

本系統(tǒng)螺桿直徑使用簡化的生產(chǎn)率公式來計算：

(1)

其中：Q為秸稈生產(chǎn)能力，在此取250 kg/h；β為綜合影響系數(shù)，取為0.005。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)計算得：Ds=12.9 mm,取標準值Ds=13 mm。

(3) 螺桿各段長度確定:取螺桿長徑比L/Ds=6，則螺桿總長L=6×13=78 mm。其中，進料段長度L1=25%L=25%×78=19.5mm；均化段長度L2=50%L=50%×78=39 mm；擠壓段長度L3=25%L=25%×78=19.5 mm。

(4) 螺槽深度:根據(jù)經(jīng)驗值取15 mm。

(5) 導程I:指在螺紋或蝸桿中同螺旋線上相鄰對應點的軸向距離。因為本機采用等螺距變深螺桿，因此選取導程I=30 mm。

(6) 螺旋角θ：指螺紋和垂直于螺桿軸線的平面之間所形成的夾角。根據(jù)經(jīng)驗取θ=10°。

(7) 螺道的軸向?qū)挾菳： 是指沿螺桿軸向量取的螺槽寬度。本次設計B取25 mm。

(9) 螺紋的軸向厚度b:指在螺桿直徑處測得的螺紋厚度，即：

b=I-B=30-25=5 mm.

(10) 螺紋厚度e:指垂直于螺紋面測得的螺紋厚度：

e=b·cosθ=5×cos10°=5 mm.

(11) 螺桿直徑間隙2δ：指套筒內(nèi)徑和螺桿直徑之差，取2δ=0.8 mm。

3 套筒和模頭的設計

套筒結(jié)構(gòu)如圖3所示，套筒內(nèi)徑為55.8 mm,套筒壁厚為30 mm。套筒和螺桿共同組成了擠壓機的擠壓系統(tǒng)，完成對物料的固體輸送、熔融和定壓定量輸送。在擠壓機套筒的內(nèi)壁刻有螺旋倒槽，其螺旋方向與螺桿旋轉(zhuǎn)方向恰好相反。這樣套筒會增加螺桿帶動秸稈轉(zhuǎn)動時的阻力，增加其壓力，從而使秸稈成型物的密度更大。套筒出料的前端通過螺釘和模頭(如圖4所示)相連，模頭上有不同形狀的孔，從而使秸稈擠壓成型。模頭由極耐磨的材料組成，常用的材料有鉻鋼、青銅合金、聚四氟乙烯等。本設計采用聚四氟乙烯材料，價格低廉，耐磨性也較好。

圖3 套筒

圖4 模頭

4 加熱與冷卻裝置的設計

加熱與冷卻是擠壓加工過程順利進行的必要條件。伴隨著螺桿的快速旋轉(zhuǎn)擠壓、外加熱功率以及擠壓系統(tǒng)周圍介質(zhì)的溫度變化，機筒中的溫度也會隨之發(fā)生相應的改變。為使秸稈物料溫度始終能夠處于機加工工藝所要求的范圍之內(nèi)，通常采用電阻或者電感應加熱以及水冷卻裝置來不斷調(diào)節(jié)機筒的溫度。

5 切割裝置和控制裝置的設計

擠壓加工系統(tǒng)中常用的切割裝置為端面切割器，切割刀具旋轉(zhuǎn)平面與模板端面平行。通過調(diào)整切割刀具的旋轉(zhuǎn)速度和擠壓產(chǎn)品的線速度來獲得所需擠壓產(chǎn)品的長度。根據(jù)切割器驅(qū)動電機位置和割刀長度的不同，可將其分為飛速切割器和中心切割器兩種。飛速切割器的電機裝在模板中心軸線外面，割刀臂較長，以很高的線速度旋轉(zhuǎn)；中心切割器的刀片較短，并繞模板裝置的中心軸線旋轉(zhuǎn)。

控制裝置包括微電腦、傳感器、顯示器和儀表，用于控制電機，使其滿足所需的轉(zhuǎn)速，并保證各部分協(xié)調(diào)運行；通過控制溫度、壓力和位置，實現(xiàn)整個擠壓加工系統(tǒng)的自動控制。電機選用Y160M-6型電機，額定功率為7.5 kW，轉(zhuǎn)速為970 r/min，效率為86%。

6 結(jié)論

本文所設計的秸稈燃料擠壓成型機改善了原擠壓成型機所存在的使用壽命較短的問題，相對于市場上普通秸稈燃料擠壓成型機具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、便于維修、成本低廉等特點，更加適合農(nóng)村的個體戶和一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)小型企業(yè)使用。