关键词秸秆；环模成型颗粒机；颗粒
农作物秸秆是农村非常丰富的资源，但大部分秸秆在入冬之前都就地进行了焚烧，既污染了环境也浪费了生物资源。秸秆作为一种可再生的生物质能源，如果可将其充分利用既能大大减轻环境的污染，又能缓解燃料资源紧张的问题。目前，人们开始对秸秆的高效利用进行了各方面的研究，其中秸秆成型颗粒机是目前秸秆合理利用研究的热点。利用成型颗粒机可以使秸秆变成颗粒燃料，并且秸秆颗粒燃料在我国有很好的推广应用条件，秸秆颗粒机压制的秸秆颗粒燃料如下所示：
生物质能源是一种清洁能源，它具有可再生性和环境友好的双重属性。农作物秸秆在农村是非常丰富的生物质资源之一，它是一种宝贵的可再在生资源。现实生活中，每逢入冬之前，田间就囤积了大量秸秆，由于找不到合理的处理方式，往往农民们一把火将秸秆烧掉，使其成为第二年农作物的肥料。但是，农民们往往忽略了秸秆焚烧将产生的有害物质，如一氧化碳、二氧化碳以及粉尘颗粒等，这些的物质对环境危害非常严重。如果利用秸秆资源生产出环保燃料，那么既缓解了我国能源紧张的局面、同时也减少了温室气体的排放、保护生态环境，又有利于改善农村居民生产生活条件、增加农民收入。众所周知，我国作为农业大国，秸秆资源丰富。将秸秆经过干燥和粉碎后在一定温度与压力作用下，可以压制成颗粒状、密度较大的新型清洁燃料。经过加工后的颗粒燃料具有便于储存和运输等优点，既可以作为农村家庭取暖和炊事用能，也可以替代煤、天然气、燃料油等化石能源作为工业锅炉和发电厂燃料。目前，随着城乡居民生活水平的逐步提高，对新型能源需求不断扩大，以及加强环境保护、应对全球气候变化的战略号召，秸秆颗粒燃料已成为一种极具发展潜力的替代能源。开发一种高效低能耗的成型颗粒机使秸秆能够得到充分的利用，对于经济高效地利用生物质资源，减少成型颗粒燃料的生产成本具有重要意义，并且秸秆燃料在我国具有很好的推广和应用前景。研发生物质成型颗粒机的意义主要有4点：(1)有效解决我国能源短缺，确保能源安全。调查研究显示，目前天然气、原油和煤供应越来越紧张，如果能够开发利用生物能源，可以起到显著的缓解作用；(2)废弃物污染问题得到治理，同时保护生态环境。生物质能源具有安全、清洁、可持续等特点。开发利用生物质能源，能够有效处理农业生产废弃物；(3)能够给企业带来创造生产和资金机会；(4)有利于解决“三农”问题。秸秆成型颗粒机的使用，将为广大农民带来经济效益。
1、生产效率和吨料电耗影响因素分析
1.1生产效率
1.1.1生产效率计算公式。经理论推导，可得出环模颗粒成型颗粒机单位时间产量的表达式：
q＝zε｛πR2-π（R-h）2｝Bpn
式中：z→压辊个数；ε→环模的开孔率；R→环模半径，mm;h→物料高度，mm；B→环模宽度，mm；p→物料密度，g/cm3；n→环模转速，r/min。
1.1.2生产效率影响因素分析。由式(1)可看出，影响成型颗粒机生产效率的主要因素包括：压辊的个数，环模的开孔率、半径和宽度以及转速。其中任何一个参数的增加都会提高成型颗粒机的生产率，但各个参数又受到成型颗粒机结构、零部件材料力学性能以及能耗等因素的制约。环模直径、宽度的增加、压辊直径的增加是提高生产率的有效方法。但环模宽度增加会导致物料分布的均匀性受到影响从而引起振动；环模和压辊的直径受到成型颗粒机整体结构合理性的限制。转速增加会提高生产率，但转速会受到电机功率的限制，另外随着转速的提高机械能会增加，总体能耗会增加。压辊数目增加也会提高生产率，但压辊数目增加又限制了压辊的直径尺寸，又会使生产率降低，另外也要考虑到压辊受力的合理性。所以要经过理论分析和计算确定出压辊的合理个数。
1.2吨料电耗影响因素分析
1.2.1原料性能对吨料电耗的影响。景果仙曾对环模生物质颗粒成型颗粒机不同生物质原料、粒度、含水率及吨料电耗的影响关系进行了研究和分析得出结论是：随粒度增大，吨料电耗也相应的增加，也就是说粒度越大的物料通过成型孔的摩擦力越大，越需要消耗更多的能量。此外，原料的含水率对吨料电耗的影响也很大，含水率的增加可有效降低吨料电耗，但含水率太大，会造成成型颗粒内部粘结不牢；而含水率低又会导致颗粒成型困难，因此应根据成型颗粒机的具体情况合理控制原料的含水率。
1.2.2主轴转速和模孔直径对吨料电耗的影响。吨料电耗与主轴的转速和模孔的直径有关。吨料电耗随主轴转速的增大而减小。低速转动时，颗粒生产率低，所需电能较多；随着主轴转速的提高，颗粒燃料出料的速度增加，克服弹性变形的能量减小，吨料电耗也逐渐减小。
当主轴转速相同时，模孔直径大的成型颗粒机吨料电耗低。这是因为模孔直径越大，单位时间内进料量越多，使物料挤压难度较模孔直径小时要容易，克服秸秆原料弹性变形所需吨料电耗就低。
2、水平环摸成型颗粒机总体设计
2.1传动方案的拟定环模成型颗粒机按照压辊与环模的运动方式分为以下3种：模动、辊动、模辊双动。目前应用较多的运动方式是辊动的方式。设计突破了传统的设计理念，采用立式结构，通过联轴器将电动机与减速机相连，环模固定在主轴上，通过物料作为中间介质从而带动压辊转动，通过环模与压辊的转动挤压出颗粒物料，这种传动方式结构简单，传动路线短、功率损耗低。
2.2电机及减速装置的选择生物质燃料成型颗粒机对动力设备没有特殊的要求，在我国三相交流电源容易获得，因此选用市面上常见的Y系列三相异步电动机，型号为Y180L-4。
电动机输出的转速高，不能完全被环模所利用，因此需在电机与主轴之间配置减速装置。考虑到成型颗粒机工作场合条件恶劣，而且要求减速机的输出转矩较大，因此选用两级斜齿轮和一级弧齿锥齿轮构成的减速机。
2.3压辊的设计压辊是成型颗粒机中的重要部件也是易磨损件之一，为了达到提高压辊使用寿命的目的既要合理选择压辊轴系中各个零件的材料，又要对各个零件进行适当的热处理使其达到一定的硬度要求。压辊和压辊轴是压辊轴系的核心部件。压辊轴要承受较大的转矩，因此应选用合金结构钢如40Cr并对其进行调质处理，使其表面硬度达到HB360以上；压辊材料则选择合金结构钢20 CrMnTi，并对其表面做渗碳处理提高其硬度。
压辊根据受力分布合理性，以3只压辊为最佳。模辊之间要留有合理间隙，若间隙过小，则会使磨损加剧；若间隙过大，则又会导致打滑，影响颗粒质量。压辊的轴系结构主要由一根压辊轴、一个压辊、一对圆锥滚子轴承、一对轴承盖组成，如图2所示。压辊轴最小直径尺寸可根据相关理论公式求得，根据各轴段所安装零件的安装尺寸确定各个轴段的直径及长度尺寸。
2.4环模的结构设计
2.4.1环模材料的选择。环模材料的选择能够直接影响环模的强度，耐磨性和抗腐蚀性。目前，环模常用的材料有3种：碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢。碳素结构钢以45钢最为常见，通常将其热处理使其硬度达到约HRC45左右，但其耐磨性和抗腐蚀型均不好，所以现在很少采用此种钢；合金结构钢主要有20CrMnTi．其经过表面渗碳处理后可使其硬度达到约HRC50，用此种材料生产的环模优点是强度和耐磨性好，但是抗腐蚀能力较差。不锈钢材料主要有4Cr13，经过整体淬火后，可使其硬度高于HRC50，具有良好的刚度、韧性、耐磨性和抗腐蚀性，用它作为环模的制作材料不仅寿命长，吨料环模费用也是最低的。
2.4.2环模速度的确定。环模速度（环模内径处线速度）是环模设计中的重要参数，它将影响挤压区料层厚度和物料通过模孔的时间，从而影响成型颗粒机的产量和成型颗粒的质量。若线速度过高，就会导致就会导致挤压区内料层比较薄，料层分布会不均匀，会使挤压区物料断层，成型颗粒松软；若线速度过低，成型颗粒质量好，但生产时间长，产量低，自然成本就提高了。
设计中减速机输出的转速通过主轴直接传递给环模，因此环模的转速即为减速机的输出转速。根据所选减速机的型号可查得减速机的相关性能参数，其中减速机的输出转速为36r/min，根据速度与转速的关系式，可算得环模的速度为1.88m/s。
2.4.3环模的结构参数的确定。环模的各项结构参数对成型颗粒机环模的寿命、成型颗粒的产量以及成型燃料的性能都有直接的影响，进而将影响到成型燃料的加工成本。
(1)环模孔的有效长度(L)。环模孔的有效长度是指物料固化成型的模孔长度。模孔的有效长度￡越长，物料在模孔中的成型时间也就越长，所得到的成型颗粒越紧实，强度越高。本设计模孔的有效长度L=40 mm。
(2)模孔长径比(Ud)。模孔的长径比即模孔的有效长度L与模孔直径d之比。长径比的大小影响着成型颗粒的密度、成型颗粒机的能耗和产量。长径比值大，成型颗粒密度大，对应成型颗粒机的能耗大，但产量小，反之亦然。长径比数值的选择与多种因素有关，如成型燃料的种类、环模的材料等等。本设计中环模的有效长度为40mm，模孔的直径d=8 mm，因此长径比为5。
(3)模孔的孔型。环模模孔的孔型主要有外锥孔、内锥孔、直孔和阶梯孔，如图3所示。每种孔型的适用场合不同，对于高纤维物料适用于外锥形孔，而一些牧草类物料则选用内锥形孔，混合型物料选用圆柱型孔。本设计的物料主要是秸秆，属于高纤维物料，因此选择外锥形孔。
(4)环模厚度(T)。环模厚度与固话过程中的压力、物料特性、能耗、模孔有效长度、环模强度以及减压孔深度等因素有关；环模厚度大，孔径越小，孔壁阻力越大，强度和刚性大，成型燃料密度也大。本设计的环模厚度T=60 mm。
(5)模孔的排列和开孔率。模孔的排布分为整齐阵列排布和错位排布，如图4所示。环模大多选择错位排布，这种排布方式能够使物料均匀进入模孔。
模孔的开孔率是指环模模孔总面积与有效面积之比。开孔率高虽提高了生产效率，但使模孔的加工工艺变得复杂，并且在确定模孔开孔率时还要考虑模孔间要有足够的抗断能力和结构强度。比较合理的环模模孔开孔率应在20%·30%之间。本设计的环模开孔率经过理论计算约24%。
3、结论
目前，国内外对成型颗粒机的研究很多，大多成型颗粒机多用于生产饲料，随着成型颗粒机技术的日趋成熟，全世界各国也对环保节能提出了自己的要求，越来越多以农作物秸秆为原料的燃料成型颗粒机逐渐研发出来。但环模成型颗粒机仍然普遍存在环摸、压辊易磨损、生产率偏低、故障率高、稳定性差等一系列问题。针对目前成型颗粒机存在的问题应从压辊、环摸的结构参数人手，合理设计成型颗粒机结构，从而提高环摸和压辊的寿命，提高生产效率，真正做到成型颗粒机的高效率低能耗。
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