平（píng）模製粒機加工生物質（zhì）燃料的工作特性分析（三）

平（píng）模製粒機加工生物質燃料（liào）顆粒的特性探討

 

    在加工生物質（zhì）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（shì），喂料室起到緩存物料和喂料的作用，完成物料向磨輥楔形攫取角的喂入。喂料室有兩個特點，一是喂料空間廣闊，為專門擠壓生物質原料的大直徑壓輥提（tí）供了空間，也為蓬鬆的生物質原料提供了喂料空間；二是靠重力作用直接喂料的（de）原理（lǐ）高（gāo）效實（shí）用。

 

    像如（rú）鋸末、樹枝、樹杈粉碎料和秸稈（gǎn）粉末這一類生物質原（yuán）料,粗纖維含量高，質輕而蓬鬆，不易（yì）喂入。寬敞的喂料室，首先能為物料提供（gòng）廣闊的喂料空間。其次能允（yǔn）許配備大直徑壓輥，從而增大攫取角，增強對（duì）粗纖維物料的攫取能力。據測算，鋸末原料容重（chóng）約為200kg/m3,孔隙率為75%左右，物料本身輕而蓬鬆，製成顆粒時壓縮比在6以上（shàng），這就對喂料空間提（tí）出了較（jiào）高的要求。平模機具有寬敞的喂料室，以PM60平模機為（wéi）例，其（qí）有效喂料容積約120dm3，單次喂料可（kě）達24kg，完全能滿足機器需求。

 

    其次，物料喂入的過程是在重力作用下自然下（xià）落的過程。不需要（yào）強製喂入，原（yuán）料便可直接落到（dào）適合（hé）擠壓（yā）的工位上。這種喂料方式（shì）明顯優於環模製粒機，環模機工作時，對應不（bú）同的物料（liào）都需要探索相應的導料板參（cān）數，物料性質稍有（yǒu）改變，導料板就得改（gǎi）變，這就限（xiàn）製了環模機對原（yuán）料的適應性。

 

    2平模特性

 

    在動輥式（shì）平模製粒機中，平模被固定在機（jī）座上，物料從靜止的模孔中擠出，被切刀切斷後形成顆（kē）粒。而環（huán）模製粒機中，環模是旋轉的（de），旋轉的環模常常把顆粒甩在機殼上，部分顆粒被摔碎，成型率下降。因此平模（mó）製粒機中平模靜止的工作方式有利於顆粒成型率的提高。

 

    作為製粒機的核心工作部件，平模的結構參數是否合適直接決定了顆粒質量的優（yōu）劣（liè）。加工不同的物（wù）料，應當（dāng）配（pèi）備不同的模板。模板的開孔麵積，模孔尺寸，模孔排布方式等（děng）要素都是決定製粒性能（néng）的重要因素。模（mó）孔長徑比越小，產量越大，但是顆（kē）粒密度越小、質量也越差。長徑比過大，則容易堵機。從實踐經驗看，用同一種原料生產相同規格的產品，平模厚度要比環模的小許多。

 

    與環模相比，平模的優勢在於結構簡潔，體（tǐ）積緊湊，能正反使用，成本低廉。模板是易磨損件，需要定期更換，平模結構的對稱性決定了模板雙麵（miàn）可用，一麵磨損量過大後，可以將模板反裝，這大大提高了平模的（de）使用壽命。易損件壽（shòu）命的提高有助於（yú）降低生產成本。

 

    3壓輥特性

 

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

 

    但是工作中的壓輥並非整體（tǐ）在做純滾（gǔn）動，從其軸向上看，壓輥的裏側與（yǔ）外側都（dōu）會發生滑動（dòng），這種滑動作（zuò）用是平模機的工作原理決定的，並（bìng）不因物（wù）料的改變而改變。筆者認為，滑動作用的存在，固然在（zài）一定程（chéng）度（dù）上加快了壓輥的磨損，但是客觀上卻增強了製粒機的擠壓性能，使（shǐ）平模製粒機在（zài）加工含粗纖維較多的生物質原料方麵成為（wéi）佼佼者。下麵（miàn）將從運動分析和受力分析方麵（miàn）對滑動作用進行討（tǎo）論。

 

    以圖4所示的順時針旋轉的壓輥為例，平模製粒機工作（zuò）時，壓輥上必定存在一條純滾（gǔn）動的圓周（zhōu）線H，在純滾（gǔn）動（dòng）線H內（nèi）側，壓輥發生超（chāo）前性滑動，稱之（zhī）為滑轉滾動；在純滾動（dòng）線（xiàn）外側，壓輥（gǔn）發生滯後性滑動，稱之為（wéi）滑移滾動。

 

    在（zài）壓輥與（yǔ）物料接觸的（de）任意點A，其受力如圖4所示，因擠壓物料而收到物料施加（jiā）給壓輥的反作用力N,N大（dà）小隨（suí） 變化（huà）而變化，但總是沿半徑指向圓心方向；壓輥與物料之間還可能存在摩擦力F，F必定沿切線（xiàn）方向（xiàng），但指向有待討論。

 

    當機器進入穩態時，壓輥處於平衡狀態，建（jiàn）立如（rú）圖所示的柱坐標係（xì），以（yǐ）磨輥軸心為（wéi）Z軸，磨輥最（zuì）外截麵圓心為Z軸0點，以豎直方向半徑為角坐標0點。因平（píng）模壓輥的自轉是從動的，不存在驅動（dòng）力矩，故其（qí）自身力（lì）矩之和為零，可以得到（dào）其力矩平衡方程：

 

    顯然，③式右側表示（shì）滑轉（zhuǎn）滾動區的合力矩，左側表（biǎo）示滑移滾動區合力矩,兩個合力矩（jǔ）等大反向。在滑轉滾（gǔn）動區，磨輥因轉速較快，相對於物料產生滑動，因此力F沿切線指向（xiàng）上，合（hé）力矩方向為逆時針，則由力矩平衡關係可推得，③式左邊描（miáo）述的滑移滾動區所受合（hé）力矩必定為順時針方向，因此該區內的（de）大（dà）部受力點所受摩擦力F應沿切線指向（xiàng）下方（如圖4所示）。

 

    明確（què）了壓輥的（de）受力情況（kuàng），就可（kě）以分析物料受力，物料受（shòu）力情況如圖5所示，在磨輥擠（jǐ）壓物料（liào）的任意一點（diǎn）B，物料受壓輥對其施加（jiā）的（de）力 與 ,分別為 和 的反作用力。在與平模接觸的（de）平麵，物料（liào）受（shòu）到水平方（fāng）向上的摩擦力S和鉛直方向上的支撐力T。則物料受力的平衡方程為：

 

    從上述的壓輥運動情況和物料受力情況我們可以作出以下分析：

 

    （1）從上麵三組平衡式的（de）對比可（kě）以看出，產（chǎn）生（shēng）滑轉（zhuǎn）滾（gǔn）動和滑（huá）移滾動的（de）時，與純滾動相比，相當於在豎（shù）直方向和水平方（fāng）向（xiàng）對作用力進行了重新分配。從式④可（kě）以看出（chū），在滑移滾動區，物料在水平方向上受力（lì）增加，因（yīn）此水平方（fāng）向的擠壓作用增強。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，豎直方向的擠壓作用增強。兩種滑動作用的效果並不（bú）是消極的。

 

    （2）由運動分析（xī）知，在滑轉（zhuǎn）滾動區，壓輥（gǔn）產生超前性滑動，因（yīn）此對平模徑向上單位長度的（de）物料而言，在壓輥上（shàng）的擠壓行程增（zēng）加，這相當於在豎直方向增長了物料的預壓縮行程。在滑移滾動區，壓輥產生（shēng）滯後性滑動，對於（yú）平模徑向上單（dān）位長度的物料，在平模上的擠壓（yā）行程增加，相（xiàng）當於在水平（píng）方（fāng）向上（shàng）增長了預壓縮行程。這就能解釋（shì）為什麽環模製粒機和平模製粒機加工相同原料、相同規格的產品時，平（píng）模機的模板厚度遠薄於環模厚（hòu）度：盡（jìn）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④、⑤和式⑧、⑨可以（yǐ）看出，兩種滑動作用導致了摩擦力的產生，摩擦力F使壓輥和（hé）物料（liào）之間產生了兩種剪切作用。滑轉（zhuǎn）滾動區的超前性滑（huá）動使磨輥在（zài）豎直方向（xiàng）對物料產生了較強的剪切作用，這種剪切作用越靠近模板中心越明顯。滑移滾動區的滯後性滑動使磨輥在水平方向對物料（liào）產生了（le）較強的剪切作用，這（zhè）種剪切作用越遠（yuǎn）離（lí）模板中心越（yuè）明顯。

 

    試驗時從出料口往裏觀察，我們發現平模的（de）中間幾圈模孔出（chū）料（liào）快，越是裏圈（quān）和外圈（quān）的模孔，出料越慢。如果卸（xiè）掉切刀觀察，中間幾圈（quān）的物料被擠出較（jiào）短（duǎn）的長度就會斷裂、墜（zhuì）落（luò）。而裏圈和外圈的模孔中擠出的物料不易自動斷裂和墜落，有許多甚至（zhì）長至200mm以上才脫離模（mó）板。這是因為，由於（yú）兩種剪切作用的存在，模板內（nèi）側和外側（cè）的物料受較大剪切力，物料粒子被充分（fèn）地揉切、撕裂進而充填、嵌合，所以越是兩側（cè），成型顆粒（lì）質地越密實，出料越緩慢。平模（mó）機之所以在（zài）加工粗纖維含量較多的物料時具（jù）有（yǒu）優越的性能（néng），也正是因為這兩種較強的剪切作用對物料進行了充分（fèn）的預處理。

 

    （4）滑移滾動和滑（huá）轉滾動的存在會導致壓輥平模等零件的磨損程度增加，但在設計（jì）時可將平模設計成（chéng）對稱（chēng）結構，能夠正反（fǎn）使用用，這（zhè）將有效降低易（yì）損件成本。

 

    4 結語

 

    隨著（zhe）人們環保意識的增強以及國家環保工作力（lì）度的（de）增加，社會對清潔的替（tì）代能源的需（xū）求越來越迫切（qiē）;今年（nián）中央（yāng）1號文件明確規定“推進以非糧油作物為主要原料的生物質能源研究和開（kāi）發”;發（fā）展生（shēng）物質顆粒燃料符合國策，順應民意。性能優異穩定的成（chéng）型機在生物質燃料顆（kē）粒成型過程中扮演著重要（yào）的角色。結合太陽能幹燥工藝，利用PM60型平模製粒機加工鋸末、鋸末（mò）秸稈混合料等生物（wù）質燃料顆粒，成型率在（zài）93%以上，噸（dūn）電耗在（zài）55千（qiān）瓦時（shí）以下，小時生產能力在800kg-900kg左右。從試驗（yàn）結果和理論分析來看，平（píng）模製粒機是加工生物質顆粒（lì）燃料的理想機型。