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摘要
農(nóng)作物秸稈成型燃料的發(fā)展在世界上。農(nóng)作物秸稈壓塊粒狀和棒狀兩大類農(nóng)作物秸稈成型燃料加工技術和設備狀態(tài)，以及農(nóng)作物秸稈成型燃料加工技術分類。秸稈成型燃料加工設備設計的作物特性，作物秸稈壓塊成型燃料加工設備，原材料，適應國內(nèi)農(nóng)作物秸稈被樹枝，樹皮，秸稈等農(nóng)林廢棄物為原料，廣泛的，這些原料來源，的分散性，許多種的質(zhì)地是不均勻的。
關鍵詞：秸稈成型;加工;設計
Abstract
The crop straw briquette development in the world. Crop straw briquette processing technology and equipment status, and crop straw briquette processing technical classification of crop straw briquette granular and rod-like two broad categories. Straw briquette processing equipment design features of the crop, crop straw briquette briquette processing equipment, raw materials, adaptive domestic crop stalks are twigs, bark, straw and other agricultural and forestry residues as raw materials, the wide range of sources of these raw materials, dispersion, many kinds of The texture is not uniform.
Key words: straw molding; processing; design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1緒論 1
1.1設計的目的與意義 1
1.2國內(nèi)外生物碳成型機的發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.3目前主要的成型機類型及其成型方法 12
1.4生物碳顆粒成型加工技術與裝備發(fā)展趨勢 13
1.5生物碳成型技術存在的問題 15
2 生物碳顆粒擠壓成型機的結構及成型原理 16
2.1生物碳顆粒擠壓成型機的結構設計 16
2.2生物碳顆粒擠壓成型機的成型原理 18
3主要部件的設計 20
3.1電動機的選擇 20
3.2套筒的設計 20
3.3模頭的設計 21
3.4螺桿的設計 23
3.5傳動裝置的設計 27
3.6軸的設計 30
3.7軸承的選擇 33
4結 論 34
參考文獻 35
致 謝 37
總 結 38
34
黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)論文（設計）
1緒論
1.1設計的目的與意義
伴隨著人類社會的不斷進步，在利用資源取得一個又一個的勝利的同時源人們驚異地發(fā)現(xiàn)：地球母親能夠提供給我們的資源已越來越少了，而且這些資也自然而然的包括了為我們的生活提供保障的那些能源。這絕對是我們應該重視起來的問題，否則能源問題將帶來毀滅性的災難。因此，為了人類社會持續(xù)發(fā)展，開發(fā)新能源已勢在必行。
目前，世界上能源消耗主要是以煤炭、石油和天然氣為主的不可再生的化石能源。由于他們的不可再生性，其利用是以消耗地球資源為代價。據(jù)統(tǒng)計：目前占全球能源消耗總量近50％的石油和天然氣在21世紀中葉將耗盡，而其他常規(guī)能源也將隨著全球人口的迅速增加、經(jīng)濟的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高而逐漸要枯竭，中國的能源狀況比起全球的能源狀況來就更為嚴峻了。人類使用能源的無限性與常規(guī)能源儲量的有限性形成一對尖銳矛盾，而解決這一矛盾的主要辦法就是“開源節(jié)流”，開源即開辟新的能量源泉，節(jié)流即節(jié)約常規(guī)能源，兩者缺一不可。
另外，作為世界主要能源的化石能源在為人類作出巨大貢獻的同時，也在嚴重地破壞人類的生存環(huán)境，其主要表現(xiàn)在：排放大量的和，而和等氣體濃度的增加將會對人類的健康造成直接的危害，并產(chǎn)生“溫室效應”。另外就是石化能源的燃燒產(chǎn)生大量的粉塵，這也是直接威脅人類健康的。
所以，現(xiàn)在作為新能源出現(xiàn)的可再生能源將是人類社會未來能源的基石，它必將在不久的將來替代石化能源。
可再生能源主要有風能、水能、太陽能和生物碳。其中生物碳是指利用生物碳產(chǎn)生的能源，是一種高效和廉價的太陽能濃縮儲存方式，是唯一一種可儲存和運輸?shù)目稍偕茉?，而且由于生物碳是指有機物中除化石燃料外的所有來源于動植物并能再生的物質(zhì)，所以生物碳分布最廣，不像風能、水能、太陽能，要受到天氣和自然條件的限制，只要有生命的地方即有生物碳存在，也就可以利用生物碳。因此，可以說生物碳是地球上一個巨大的能源庫。
生物碳的種類很多，通常包括以下幾個方面：一是木材及森林工業(yè)廢棄物；二是農(nóng)業(yè)廢棄物；三是水生植物；四是油料植物；五是城市和工業(yè)有機廢棄物；六是動物糞便。全世界約有25億人生活能源的90％以上是生物碳。
生物碳儲量大，燃燒容易、污染少，有害成分低，更具特色的是生物碳燃料燃燒所釋放出的大體上相當于其生長時通過光合作用所吸收的，所以燃用生物碳時的排放量可以認為是零，甚至有所減少（考慮到燃燒后草木灰中含有大量的），這是氣、油、煤等常規(guī)能源所無法比擬的。因此，生物碳在世界能源結構中占有十分重要的地位，特別是在廣大農(nóng)村和經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)，生物碳的應用仍占有很大的比例。
目前，歐盟許多國家已經(jīng)把發(fā)展生物碳源作為解決本國就業(yè)、替代化石能源和減少大氣污染等問題的戰(zhàn)略措施來對待。
然而作為生物碳的一部分秸桿和穎殼等農(nóng)業(yè)廢棄物在我國卻仍在被極大的浪費著：我國每年生產(chǎn)生物碳6億多t，其中大約0.28億t用于造紙，1.13億t用作飼料，1.08億t還田，3.5億t用作燃料或就地荒燒。當前收獲、打捆、運輸、儲藏、干燥等環(huán)節(jié)的加工利用水平都比較低。人們雖然對某些環(huán)節(jié)進行了研究，但沒有進行大面積的推廣，尤其是在利用農(nóng)作物生物碳作為煤的替代燃料方面基本上沒有成功的模式，這樣就導致了近幾年出現(xiàn)的大面積荒燒現(xiàn)象，造成每年數(shù)億噸的生物碳源白白浪費，還造成了大氣的嚴重污染，大大加重了政府工作的負擔。社會的需求把科學研究推向了研究的前沿，生物碳顆粒擠壓成型機技術的研究就是為適應這種需求而開展的。但是，生物碳也有其缺點——熱值及熱效率低，體積大，不易運輸，直接燃燒生物碳的熱效率僅為10％～30％，因此作為高效潔凈燃料必須加工成型。
生物碳致密成型技術就是在這種情況下產(chǎn)生的，他是將各類松散的生物碳原料（主要是農(nóng)作物生物碳、農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物、林木加工廢棄物等）用機械加壓(加熱或不加熱)的方法，使原來松散的、沒有一定形狀的原料壓縮成具有一定形狀的、密度較大（0.8～1.4g/cm）的成型燃料成型后的原料的熱性能要優(yōu)于木材,熱值為伴隨著人類社會的不斷進步，在利用資源取得一個又一個的勝利的同時源人們驚異地發(fā)現(xiàn)：地球母親能夠提供給我們的資源已越來越少了，而且這些資也自然而然的包括了為我們的生活提供保障的那些能源。這絕對是我們應該重視起來的問題，否則能源問題將帶來毀滅性的災難。因此，為了人類社會持續(xù)發(fā)展，開發(fā)新能源已勢在必行。
目前，世界上能源消耗主要是以煤炭、石油和天然氣為主的不可再生的化石能源。由于他們的不可再生性，其利用是以消耗地球資源為代價。據(jù)統(tǒng)計：目前占全球能源消耗總量近50％的石油和天然氣在21世紀中葉將耗盡，而其他常規(guī)能源也將隨著全球人口的迅速增加、經(jīng)濟的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高而逐漸要枯竭，中國的能源狀況比起全球的能源狀況來就更為嚴峻了。人類使用能源的無限性與常規(guī)能源儲量的有限性形成一對尖銳矛盾，而解決這一矛盾的主要辦法就是“開源節(jié)流”，開源即開辟新的能量源泉，節(jié)流即節(jié)約常規(guī)能源，兩者缺一不可。
另外，作為世界主要能源的化石能源在為人類作出巨大貢獻的同時，也在嚴重地破壞人類的生存環(huán)境，其主要表現(xiàn)在：排放大量的和，而和等氣體濃度的增加將會對人類的健康造成直接的危害，并產(chǎn)生“溫室效應”。另外就是石化能源的燃燒產(chǎn)生大量的粉塵，這也是直接威脅人類健康的。
所以，現(xiàn)在作為新能源出現(xiàn)的可再生能源將是人類社會未來能源的基石，它必將在不久的將來替代石化能源。
可再生能源主要有風能、水能、太陽能和生物碳能。其中生物碳能是指利用生物碳產(chǎn)生的能源，是一種高效和廉價的太陽能濃縮儲存方式，是唯一一種可儲存和運輸?shù)目稍偕茉?，而且由于生物碳是指有機物中除化石燃料外的所有來源于動植物并能再生的物質(zhì)，所以生物碳分布最廣，不像風能、水能、太陽能，要受到天氣和自然條件的限制，只要有生命的地方即有生物碳存在，也就可以利用生物碳。因此，可以說生物碳是地球上一個巨大的能源庫。
生物碳的種類很多，通常包括以下幾個方面：一是木材及森林工業(yè)廢棄物；二是農(nóng)業(yè)廢棄物；三是水生植物；四是油料植物；五是城市和工業(yè)有機廢棄物；六是動物糞便。全世界約有25億人生活能源的90％以上是生物碳。
生物碳儲量大，燃燒容易、污染少，有害成分低，更具特色的是生物碳燃料燃燒所釋放出的大體上相當于其生長時通過光合作用所吸收的，所以燃用生物碳時的排放量可以認為是零，甚至有所減少（考慮到燃燒后草木灰中含有大量的），這是氣、油、煤等常規(guī)能源所無法比擬的。14～17 MJ/kg,相當于中質(zhì)煙煤,可直接燃燒,同時具有黑煙少,火力旺、燃燒充分,不飛灰、干凈衛(wèi)生等優(yōu)點, 和極微量排放。
生物碳固化成型燃料具有加工簡單、成本較低、便于儲存和運輸、易著火、燃燒性能好、熱效率高的優(yōu)點，可作為炊事、取暖的燃料，也可以作為工業(yè)鍋爐和電廠的燃料。對生物碳源資源豐富的貧油、貧煤國家來說，生物碳源必將成為一種發(fā)展前景非?？捎^的替代能源。
中國作為一個迅速崛起的發(fā)展中農(nóng)業(yè)大國，在保護環(huán)境的前提下，要實現(xiàn)國民經(jīng)濟的持續(xù)增長，必須改變傳統(tǒng)的能源利用和能源生產(chǎn)方式，開發(fā)利用生物碳資源，生產(chǎn)清潔能源是一項必然的選擇。作為人類傳統(tǒng)燃料的農(nóng)作物生物碳，是來源于太陽能的一種可再生能源，具有資源豐富含碳量低的特點，加之在其生長過程中吸收大氣中的而成為碳元素的匯（Sink）而被稱為清潔能源。近年來隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟水平的不斷提高，農(nóng)村生活用能中高品位的商品能源的比例增加，生物碳所占的比重正逐步下降。燃燒生物碳成為被替代的對象，田間地頭或田間焚燒的生物碳量逐年增加，這種污染在收獲季節(jié)集中排放，使得短時間內(nèi)大氣質(zhì)量嚴重惡化，成為一個嚴重的社會問題。本課題主要研究了廢棄的農(nóng)作物生物碳轉(zhuǎn)化為高品位的能源，替代部分煤炭、石油等化石燃料，來提高農(nóng)民的收入，緩解農(nóng)村能源緊張的局面，從而實現(xiàn)農(nóng)村能源的可持續(xù)發(fā)展。開發(fā)利用生物碳對中國農(nóng)村更具特殊意義。中國80％人口生活在農(nóng)村，生物碳和薪柴等生物碳是農(nóng)村的主要生活燃料。盡管煤炭等商品能源在農(nóng)村的使用迅速增加，但生物碳仍占有重要地位。1998年農(nóng)村生活用能總量3.65億噸標煤，其中生物碳和薪柴為2.07億噸標煤，占56.7％。因此發(fā)展生物碳技術，為農(nóng)村地區(qū)提供生活和生產(chǎn)用能，是幫助這些地區(qū)脫貧致富，實現(xiàn)小康目標的一項重要任務。由上述可知，生物碳成型技術是我們目前必須加緊研究的重大課題，而且需要我們?nèi)ヅ鉀Q的問題還非常多。
1.2國內(nèi)外生物碳成型機的發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀
從20世紀30年代美國開始了壓縮成型燃料技術的研究，并研制了螺旋壓縮機至今共有包括：日本、西德、意大利、丹麥、法國、德國、瑞典、瑞士、比利時，泰國、印度、越南、菲律賓、南非等國家先后加入了生物碳成型技術的研究行列。目前這些國家生物碳顆粒擠壓成型機技術己基本成熟，并進入了規(guī)?；a(chǎn)及應用階段。并且一些機型極具代表性，如：比利時研制成功的T117型螺旋壓塊機，其主要性能為：壓塊燃料的出模溫度180℃，軸向壓縮力大于686kN，壓塊的移動速度1700～2500mm/min，耗能量45～55kWh/t，壓塊燃料的低位熱值為19.7MJ/kg，燃料外表面有一層自然纖維保護膜。還有就是聯(lián)邦德國研制的KAHI系列壓粒機可生產(chǎn)直徑為3～40mm的壓縮粒，所用電機的功率為20～400kW，能耗為15～40kWh/t。泰國、印度、菲律賓等國80年代研制成的加粘結劑的生物碳壓縮成型機等。
1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
而我國是在20世紀80年代引進螺旋擠壓式生物碳成型機后開始參與生物碳壓縮成型技術的研究開發(fā)的，至今已有二十多年的歷史，并且取得了明顯成果，如：清華大學清潔能源研究與教育中心已開發(fā)出生物碳顆粒燃料冷成型技術和設備，并在北京懷柔區(qū)組織了示范項目，環(huán)境科學與工程系也有相關研究。浙江大學生物機電工程研究所能源清潔利用國家重點實驗室也在生物碳成型理論、成型燃料燃燒技術等方面進行了研究。國內(nèi)部分廠家生產(chǎn)的成型機信息見表1-2。
表1-2我國生物碳致密成型設備的主要性能指標
研究單位與生產(chǎn)單位
產(chǎn)品型號
規(guī)格 臺/年
生產(chǎn)率kg/h
電耗kwh/t
江蘇省連云港市東海糧食機械廠
OBM-88
150
120
120.5
陜西省武功縣輕功機構廠
SX-7.5,11
200
85～150
100
廣西林市安無機械炭機械廠
150
120
100
河北正定廠宏木炭設備制造廠
JD-A
150
120
100
西北農(nóng)業(yè)大學能源研究室
SZJ-8A
80
71.4
江蘇林產(chǎn)化學工業(yè)研究室
HD
120
100
遼寧省能源研究所產(chǎn)業(yè)基地
200
100
110～130
中國農(nóng)機院能源動力所
SYJ-35
50～100
83.3
江蘇盯治國營九三O五廠
HD型
100
110～130
102.9
河南農(nóng)業(yè)大學
HPB-Ⅲ型
100
60～80
39.7～47.9
1）螺旋擠壓技術
螺旋擠壓成型技術是目前生產(chǎn)生物碳顆粒擠壓成型機最常用的技術，尤其是以機制炭為最終產(chǎn)品的用戶，大都選用螺旋擠壓成型機。
1990年，通過實施國家“七五”公關項目“木質(zhì)棒狀（螺旋擠壓）成型機的的開發(fā)研究”工作，國內(nèi)建立了第一條年產(chǎn)1000噸棒狀成型燃料生產(chǎn)線；1993年前后，國內(nèi)一部分企業(yè)和有關省的農(nóng)村能源辦公室從日本、中國臺灣、比利時、美國引進了近20條生物碳壓縮成型生產(chǎn)線，這些生產(chǎn)線基本上都是采用螺旋擠壓式，大多數(shù)是以木屑為原料，生產(chǎn)“炭化”燃料棒狀成型燃料的形狀為直徑50mm左右、長度450mm左右，橫截面為圓形或六角形，每根重約1kg,用于蒸發(fā)量1000kg/h工業(yè)鍋爐或民用爐灶。
螺旋擠壓成型技術的優(yōu)點：
(1)成品密度高。以木屑、稻殼、麥草等為原料，國內(nèi)生產(chǎn)的幾種螺旋擠壓式成型機加工的成型棒料的密度1100-1400kg/.
(2)成品質(zhì)量好、熱值高，更適合再加工成為炭化燃料、
螺旋擠壓成型技術的缺點是：
(1)產(chǎn)量低。目前國產(chǎn)設備的最高臺時產(chǎn)量不到150kg/h，距離規(guī)?；a(chǎn)的產(chǎn)量要求相差較大。
(2)能耗高。粉料在螺旋擠壓成型前先要經(jīng)過電加溫預熱，擠壓成型過程的噸料電耗就在90kw*h/t以上。
(3)易損件壽命短。國產(chǎn)設備主要工作部件螺桿的最高壽命不超過500h，距離國際先進水平1000h以上還有不小的距離。
(4)原料要求苛刻。螺旋擠壓成型機采用連續(xù)擠壓，成型溫度通常在之間，為了避免成型過程中原料水分的快速汽化造成成型塊的開裂和“放炮”現(xiàn)象的發(fā)生，一般要將原料含水率控制在8%-12%之間，所以對有的物料要進行預干燥處理，增加了加工成本。這一點，對于移動式的成型燃料加工系統(tǒng)來說也許是一個致命傷，因此與螺旋擠壓成型工藝相銜接還需要配套的烘干機。
2）活塞沖壓技術
這種技術的優(yōu)點是成型密度較大，允許物料水分高達20%左右。但因為是油缸往復運動，間歇成型，生產(chǎn)率不高，產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定，不適宜炭化?；钊降某尚湍Ｇ蝗菀啄p，一般100h要修1次，有的含少的生物碳材料可維持300h。
2003年，通過實施科技部“生物碳壓塊成型燃料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的可行性研究”項目，開發(fā)了液壓驅(qū)動式生物碳成型機，該設備采用活塞套筒雙向擠壓間歇成型。生產(chǎn)率為400kg/h;噸料電耗為60kw*h/t左右。
3）輥模擠壓技術
生物碳顆粒燃料的輥模擠壓成型技術是在顆粒飼料生產(chǎn)技術基礎上發(fā)展起來的，兩者的主要區(qū)別在于纖維性物料含量的多少和成型密度的高低。用輥模擠壓式成型機生產(chǎn)顆粒成型燃料一般不需要外部加熱，依靠物料擠壓成型時產(chǎn)生的摩擦熱，即可使物料軟化和黏合。對原料的含水率要求較寬，一般在10%-40%之間均能成型。其成型最佳水分為18%左右，相比于螺旋擠壓和活塞沖壓而言，輥模擠壓成型法對物料的適應性最好。因此，國內(nèi)一些生產(chǎn)生物碳顆粒飼料的企業(yè)在生產(chǎn)顆粒飼料的同時也生產(chǎn)顆粒燃料，以提高設備的利用率。
目前國內(nèi)一些知名的飼料機械企業(yè)，在環(huán)模制粒機和平模制粒機的設計、制造方面，已積累了豐富的經(jīng)驗，某些方面已達到世界先進水平。在生物碳顆粒成型燃料加工機械的研發(fā)方面也進行了多年的探索，并取得了可喜的成績。
（1）環(huán)模擠壓成型技術。1994年-1998年，通過實施國家林業(yè)局“林業(yè)剩余物制造顆粒成型燃料技術研究”項目，成功開發(fā)了以木屑和刨花為主要原料的顆粒燃料成型機，當時產(chǎn)量在250kg/h,成型燃料產(chǎn)品的規(guī)格為直徑6mm，長8-15mm,顆粒密度>1000kg/m,其熱值為20096.7Kj/kg左右。產(chǎn)品質(zhì)量達到日本“全國燃料協(xié)會”公布的顆粒成型燃料標準的特級或一級。但是由于當時在材料和加工工藝等方面的原因，主要易損件環(huán)模在面對粗纖維物料時暴露出了使用壽命短的缺陷。使用成本高成為環(huán)模式制粒機難以在生物碳顆粒擠壓成型機領域大面積推廣的重要原因。但是，該項目的開展，為我國輥模擠壓成型燃料技術的發(fā)展打下了良好的基礎。
（2）平模擠壓成型技術。由于在平模制造工藝水平和主要加工物料對象方面與國外的差距等原因，以前國內(nèi)在對平模式制粒機的研究方面不夠深入，國內(nèi)能生產(chǎn)的最大平模直徑只有400mm.2000年，通過實施農(nóng)業(yè)部引進國際先進農(nóng)業(yè)科學技術項目“生物碳顆粒飼料加工技術與設備引進”，在引進國際上著名的德國卡爾公司的38-780型大型平模制粒機的基礎上，結合我國實際，又進行了多處技術改進和創(chuàng)新。研制的具有自主知識產(chǎn)權的SZLP-780型平模制粒機的主要技術參數(shù)為：顆粒直徑12mm;生產(chǎn)能力：2100kg/h;噸粒耗電量：31Kw*h/t;顆粒成型率：94%；顆粒成型密度：920；平模直徑：780mm.
與其他生物碳成型顆粒加工技術相比，大型平模式制粒機的優(yōu)點在于：
(1)原料適應性廣。
(2)產(chǎn)量大。
(3)噸粒耗電低。
(4)輥模壽命長。
(5)成型密度可調(diào)。
2004年，一些發(fā)電企業(yè)利用SZLP-780型平模制粒機生產(chǎn)的顆粒燃料來發(fā)電，（配套電機為75KW電機）進行了以棉桿為原料的制粒試驗，當成型顆粒密度在1100kg/時，產(chǎn)量達到1300kg/
但總體來看，目前，我國的生物碳固化成型裝備在設備的實用性、系列化、規(guī)?；线€是不足，距估計先進水平還有不小的差距。這一問題以成型機最為突出，表現(xiàn)在生產(chǎn)率低、成型能耗高、主要工作部件壽命短、機器故障率多、費用高等方面。
1.3目前主要的成型機類型及其成型方法
目前世界各地的成型機主要有兩種:壓塊和顆粒成型機。根據(jù)成型原理的不同可分為:活塞成型機、螺旋式成型機和模壓顆粒成型機。
1.3.1活塞式成型機
按驅(qū)動動力的不同可分為兩類:一類是用發(fā)動機或電動機通過機械傳動驅(qū)動的稱為機械驅(qū)動活塞式成型機;另一類是用液壓機構驅(qū)動的稱為液壓驅(qū)動活塞成型機。這兩類成型機的成型過程是靠活塞的往復運動實現(xiàn)的。其進料、壓縮和出料都是間歇進行的，即活塞往復運動一次可以形成一個壓塊，在成型套內(nèi)壓塊之間被緊密擠在一起，但其端面之間的連接不牢固。因此，當壓塊從成型機的出口被擠出時，一般在重力的作用下自行分離。根據(jù)壓縮室末端有無擋板又分為開式和閉式兩種。閉式柱塞壓塊依靠壓縮室末端的擋板形成擠壓阻力，壓塊形成后再開啟擋板排出，這種機構不需要很大的擠壓力，消耗能量較少;開式成型機依靠被壓縮物與壓縮室壁之間的摩擦力和錐形壓模形成擠壓阻力實現(xiàn)原料的壓縮成型，這種形式的成型機出料方便，不需要特殊的擠出成型塊機構和動作。
1.3.2螺旋式成型機
根據(jù)成型過程中粘結機理的不同可分為加熱和不加熱兩種形式。一種是先在物料中加入粘結劑，然后在錐型螺旋輸送器的壓送下，壓在原料上的壓力逐漸增大，到達壓縮喉口時物料所受的壓力最大。物料在高壓下體積密度增大，并在粘結劑的作用下成型，然后從成型機的出口處被連續(xù)擠出。另一種是在成型套筒上設置加熱裝置，利用物料中的木質(zhì)素受熱塑化的粘結性，使物料成型。此類成型機最早被研制開發(fā)，也是目前各地推廣應用較為普遍的一種機型。
1.3.3模壓顆粒成型機
根據(jù)壓模型形狀的不同可分為:平板模顆粒成型機和環(huán)板模顆粒成型機，其中環(huán)模成型機根據(jù)其結構布置方式又可分為立式和臥式兩種形式。由于立式環(huán)模成型機具有壓模易更換、保養(yǎng)方便、易進行系列化設計等優(yōu)點而成為現(xiàn)有顆粒成型機的主流機型，其生產(chǎn)率可達1-3t/h。臥式環(huán)模成型機的壓模和壓輥的軸線都為垂直設置。平板模顆粒機的工作原理是平板上有4-6個輥子，輥子隨軸作圓周運動，并與平模板間有相對運動，原料在輥子和模板間受擠壓，多數(shù)原料被擠入模板孔中，切割機將擠出的成型條按一定的長度切割成粒。
1.4生物碳顆粒成型加工技術與裝備發(fā)展趨勢
進入二十一世紀以來，人們愈加感覺到石化能源漸趨枯竭，在對可持續(xù)發(fā)展、保護環(huán)境和循環(huán)經(jīng)濟的追求中，世界開始將目光聚焦到了可再生能源與材料，“生物碳經(jīng)濟”已浮出水面。以生物能源和化工產(chǎn)品為主的生物碳產(chǎn)業(yè)正在興起，引起了世界各國政府和科學家的關注。許多國家都制定了相應的計劃，如日本的“陽關計劃”，美國的“能源農(nóng)場”，印度的“國家戰(zhàn)略行動”等、2005年“可再生能源法”在我國正式頒布實施，所有這些，也預示著各國在包括生物碳顆粒擠壓成型機開發(fā)在內(nèi)的生物碳技術領域的競爭進入一個白熱化時代。
雖說生物碳產(chǎn)業(yè)是世界發(fā)展之大勢和新興的朝陽產(chǎn)業(yè)，但其當前成本與價格尚難與石油基本產(chǎn)品競爭，這一點對于成型燃料來說，表現(xiàn)得尤其明顯。因此，以降低生產(chǎn)成本為目的，尋找技術上的創(chuàng)新、突破，成為生物碳燃料領域最大的命題。降低顆粒燃料的噸料能耗、降低設備的使用成本，也成為目前所追求的最大目標。
在生物碳固化成型技術裝備研究、開發(fā)方面，國內(nèi)外發(fā)展總的趨勢是：裝備生產(chǎn)專業(yè)化、產(chǎn)品生產(chǎn)批量擴大化、生產(chǎn)裝備系列化和標準化。尤其國內(nèi)則在設備實用性、系列化上下功夫，不斷降低成本并提高技術水平，為21世紀大規(guī)模開發(fā)利用生物碳提供必要的技術儲備。
(1)生物碳顆粒擠壓成型機加工技術向?qū)嵱?、高效、低成本方向發(fā)展
生物碳顆粒擠壓成型機加工技術能否在生產(chǎn)中得以廣泛應用，與技術本身的實用性、效率的高低、使用成本的多少有著密不可分的關系。因此，今后生物碳顆粒擠壓成型機加工技術的發(fā)展將以實用、高效、低使用成本為方向。在實用性方面將以冷成型壓縮技術為主，在高效和低使用成本方面將以平模式壓制技術為主。
(2)生物碳顆粒擠壓成型機加工設備向可移動、自動化方向發(fā)展
我國農(nóng)作物生物碳資源豐富，分布分散，集中在固定場地加工，運輸成本過高，經(jīng)濟性較差，不利于農(nóng)作物生物碳顆粒擠壓成型機加工技術的推廣和應用。因此，生物碳顆粒擠壓成型機加工設備必須具有可移動性，以方便千家萬戶使用。同時，由于生物碳顆粒擠壓成型機加工設備使用對象的文化水平參差不齊，這就要求生物碳顆粒擠壓成型機加工設備應能實現(xiàn)自動化，使用者只需完成簡單的原料供給工作，就能完成生物碳顆粒擠壓成型機加工。總之，今后生物碳顆粒擠壓成型機加工設備的發(fā)展將以產(chǎn)品規(guī)格系列化、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)質(zhì)化、性能價比合理化、生產(chǎn)加工標準化為方向，實現(xiàn)生物碳顆粒擠壓成型機加工過程的連續(xù)化、自動化，為推動我國農(nóng)作物生物碳資源化利用，商品化生產(chǎn)，提供技術和裝本支撐。
1.5生物碳成型技術存在的問題
雖然，生物碳成型機的研制目前已初具規(guī)模，但要真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有一些技術障礙亟待解決。
1.5.1成型機的問題
目前大部分機組可靠性能差，運行不平穩(wěn)，易損件使用壽命太短，維修和更換不方便。技術較成熟的螺旋擠壓式成型機的螺桿壽命極其有限，由于物料的壓縮是靠螺桿和出料套筒配合完成的，螺桿的幾何尺寸和出料筒的幾何尺寸必須在一定的范圍內(nèi)，才能在較快的擠出速度下獲得較大密度的成型燃料。螺桿是在較高溫度和壓力下工作的，與物料始終處于干摩擦狀態(tài)，導致螺桿的磨損非?？?。螺桿磨損到一定程度時，會與出料套筒失去尺寸配合，使成型無法進行。
1.5.2成型原料問題
生物碳原料的特點是具有季節(jié)性、分散性，因此嚴重的影響了生物碳致密成型燃料的工業(yè)化生產(chǎn)，根據(jù)中國特色，必須考慮生物碳的收集半徑。建議采取分散設點加工及就地使用和集中調(diào)配使用的方法。解決上述問題?？紤]到收集范圍問題，生物碳致密成型設備的生產(chǎn)率不宜過大。
1.5.3配套設備問題
由于成型機對原料的粒度和含水率要求較高，而成型設備自動化低、粉碎、干燥、進料和包裝設備沒有形成配套的生產(chǎn)線，工作時原料往往達不到生產(chǎn)要求。建議在研制和生產(chǎn)生物碳致密成型設備的同時，
要配套相應的粉碎和干燥設備。
2 生物碳顆粒擠壓成型機的結構及成型原理
2.1生物碳顆粒擠壓成型機的結構設計
本次設計的機器主要有驅(qū)動裝置、進料裝置、螺桿、機筒、成型裝置等幾個部分組成，如圖2-1所示。
圖2-1生物碳顆粒擠壓成型機
1. 螺桿
螺桿是生物碳顆粒擠壓成型機的最重要的工作部件。是用來產(chǎn)生必須的壓力，使物料擠出模頭。螺桿通常設計矩形、梯形或三角形的阿基米德螺線，可以是單頭或多頭。有的是為了提高產(chǎn)品的混煉效果，可將螺紋中斷或?qū)⑵渥龀扇舾蓚€缺口，成為缺斷式螺紋。
2. 套筒
套筒是生物碳料成型機的另一個重要部件。在擠壓機套筒內(nèi)壁，刻有連續(xù)的倒槽，可以是直的，也可以是帶螺旋形，其螺旋方向與螺桿旋向相反。倒槽使物料避免隨螺桿作軸向旋轉(zhuǎn)，這樣，如果螺桿十分光滑，物料易與螺桿發(fā)生滑動，而不與套筒發(fā)生軸向滑動則物料的推進速度與螺桿速度大致成正比。
3. 成型裝置
擠壓機的成型裝置是最終決定產(chǎn)品形狀和結構的主要部件，它的主要部件擠壓成型機前端的模頭。模頭借助螺釘固定在機筒出料端的法蘭上，模頭上有不同形狀的孔，以使擠壓過的生物碳通過模頭來成型。模頭是一個很精確的零件，必須有足夠的強度來承受擠壓機機筒內(nèi)的高壓。?？子蓸O耐磨的材料組成，常用的材料有鉻鋼、青銅合金，有時在?？變?nèi)鑲嵌聚四氟乙烯材料。
模頭的構造對產(chǎn)品結構影響頗大，不同模頭的設計對產(chǎn)品結構的影響不同。作為圓錐形?？?，它將降低螺腔內(nèi)的壓力要求，使產(chǎn)品獲得光滑的表面。具有突變截面，?？组L度短的模頭，它會對壓出的產(chǎn)品造成較大的機械損傷從而導致產(chǎn)品組織細?；⑷彳浕彤a(chǎn)生髓化結構。
4. 加熱與冷卻裝置
加熱與冷卻是擠壓加工過程順利進行的必要條件。伴隨螺桿的轉(zhuǎn)速、擠出壓力、外加熱功率以及擠壓系統(tǒng)周圍介質(zhì)的溫度變化，機筒中的溫度也會相應的發(fā)生變化。以使生物碳物料始終能在其加工工藝所要求的溫度范圍擠壓，通常采用電阻或電感應加熱和水冷卻裝置來不斷調(diào)節(jié)機筒溫度
5. 切割裝置
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，可分為飛速和中心兩種切割器。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)。
6. 控制裝置
擠壓加工系統(tǒng)控制主要有微電腦、電器、傳感器、顯示器、儀表和執(zhí)行機構等組成，其主要作用是：控制電機，使其滿足所需的轉(zhuǎn)速，并保證各部分協(xié)調(diào)的運行；控制溫度、壓力、位置和產(chǎn)品質(zhì)量；實現(xiàn)整個擠壓加工系統(tǒng)的自動控制。
2.2生物碳顆粒擠壓成型機的成型原理
植物細胞中除了含有纖維素、半纖維素外，還含有木質(zhì)素（木素），在闊葉木、針葉木中木素含量為27-32%（絕干原料），禾草類中含量為14-25%?，F(xiàn)在知道，木素是具有芳香特性的結構單體為苯丙烷銑型的立體結構高分子化合物。雖然各種植物都含水素，但它們的組成、結構并不完全一樣。在常溫下木素主要部分不溶于任何有機溶劑，木素屬非晶體，沒有熔點但有軟化點，當70-100時，粘合力開始增加。木素在植物組織中有增加細胞壁、粘合纖維的作用，不能被動物消化，在土壤中能轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)。用化學方法分離木素可制成木質(zhì)塑料，如苯酚木素樹脂，其物理機械性能類似熱塑性酚醛壓塑粉，用途也相仿，但熔融時粘度高，成品脆性大、耐水性差、木素在適應溫度下（200-300）會軟化，此時加以一定壓力使之與纖維素緊密黏結，并與相鄰生物碳顆粒相互膠接，冷卻后即可固化成型。因此，采用熱壓法成型生物碳顆?？刹挥萌魏翁砑觿⒄辰Y劑，大大降低了加工成本，而且利用木質(zhì)素軟化的特點適當提高熱壓成型時的溫度有利于減小擠壓動力。
因此，生物碳擠壓加工就是：將粉碎的小塊狀物料置于擠壓機的高溫高壓狀態(tài)下，突然釋放到常溫常壓，使物料內(nèi)部結構和性質(zhì)發(fā)生變化的過程。擠壓加工方法是借助擠壓機螺桿的推動力，將物料向前擠壓，物料受到混合、攪拌、摩擦以及高剪切力作用，使木素粒解體，同時機腔內(nèi)溫度壓力升高（溫度可達到150-200，壓力可達1MP以上），然后從一定形狀的模孔瞬間擠出，其中游離水分在此壓差下急劇汽化，水的體積可膨脹大約2000倍，有高溫高壓突然降至常溫常壓，從而使產(chǎn)品定型。
3主要部件的設計
3.1電動機的選擇
設計生物碳顆粒擠壓成型機的要求產(chǎn)量Q=250kg/h,度電量為40kg/kw*h,則工作機所需功率為：
比較選的型號為Y160M-6型電機：
額定功率P=7.5kw 轉(zhuǎn)速n=970r/min 效率
3.2套筒的設計
3.2.1套筒結構設計
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作用。套筒的結構形式關系到熱量傳遞的穩(wěn)定性和均勻性。并且對于一些新型的擠壓系統(tǒng)來說，套筒在加料段上的結構形式也影響道固體輸送效率。套筒的機械加工和使用壽命也影響到固體輸送效率。套筒的機械加工和使用壽命也影響到整個擠壓系統(tǒng)的工作性能。因此，套筒在擠壓系統(tǒng)中是僅次于螺桿的重要零部件之一。
在本次設計中，選擇整體式結構，如圖3-1所示。其特點是長度大，加工要求比較高，在加工精度和裝配上容易得到保證（特別是螺桿和套筒的同軸度要求），也可簡化裝配工作，在套筒上設置外加熱不易受到限制，套筒受熱均勻。一般專業(yè)制造廠用的比較多。
圖3-1整體式套筒
3.2.2套筒基本參數(shù)的確定
（1）套筒內(nèi)徑D
（2） 套筒壁厚d
3.3模頭的設計
3-2所示生物碳顆粒的形狀取決于模頭的形狀，本次設計的模頭如圖:
圖3-2 模頭的結構
3.3.1模頭設計的基本原則
（1）熔融料的流道呈十分光滑的流線型，不得有 突變區(qū)，更不能有死角和滯留區(qū)。物料的粘度愈大，流道變化的角度反應愈光銳。
（2）保證模頭內(nèi)有足夠的壓縮比，使物料能在模頭內(nèi)形成必要的壓力。
（3）在強度足夠的條件下，結構緊湊，易加工制造和裝拆維修。同時結構應盡量對稱。以使傳熱均勻。
3.3.2模頭材料要求
（1）耐腐蝕和耐磨損。
（2）在模頭的內(nèi)壓力作用下有足夠的強度和剛度。
（3）在高溫下不變形。
3.4螺桿的設計
3.4.1螺桿結構的設計
單螺桿擠壓機的螺桿按其螺紋升程和螺槽深度的變化可分為三種形式：等螺距變深螺桿，等深變距螺桿，變深變距螺桿。本次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功能。
螺桿與套筒基本結構示意圖，如圖3-3所示：
圖3-3螺桿基本結構示意圖
3.4.2螺桿基本參數(shù)的確定
（1）螺桿轉(zhuǎn)速
本次設計采用300r/min.
（2）螺桿外徑
式中： --- 螺桿外徑
Q --- 生物碳顆粒擠壓成型機的產(chǎn)量
--- 經(jīng)驗系數(shù)，取0.005
取標準值55mm
（3）螺桿各段長度確定
長徑比=6,則L=6=655=310mm
進料段長度=(10%-25%)L=25%310=82.5mm
均化段長度=(50%-60%)L=50%310=165mm
擠壓段長度=(10%-25%)L=25%310=82.5mm
（4）螺槽深度
=
=15.5mm
（5）導程I:從一個螺紋的前沿道同一個螺紋向前旋轉(zhuǎn)一周后的前沿在它們的外徑處軸向距離。因為本機采用等螺距變深螺桿，因此選取導程I=30mm
（6）螺旋角：螺紋和垂直于螺桿軸線的平面之間所形成的夾角。
（7）螺道的軸向?qū)挾菳：從一個螺紋的前沿道同一螺紋旋轉(zhuǎn)一周后的后沿在螺桿直徑處的軸向距離。本次設計B取25mm
（8）螺道長度Z
因為采用等螺距變深螺桿，所以
（9）螺紋的軸向厚度b:在螺桿直徑處測得的螺紋厚度。
B=I-B=30-25=5mm
（10）螺紋厚度e:垂直于螺紋面測得的螺紋厚度。
（11）螺桿直徑間隙：套筒內(nèi)徑和螺桿直徑之差。
查參考文獻表取
3.4.2螺桿的強度校核
在擠壓過程中，螺桿和套筒由于大量的機械能被耗散，在正常工作狀態(tài)下，磨損隨時都在發(fā)生，是不可避免的，同時由于所加工物料種類的不同，還可能發(fā)生化學磨損，使得螺桿和套筒之間磨損機理更加復雜化。
在擠壓時其螺桿端部在套筒內(nèi)浮動，因而其自重引起的彎曲應力可忽略。所以，在實際計算時都可近似的視為一端固定的懸臂梁。
螺桿的受力狀態(tài)如圖3-4所示。在螺桿的全長上主要受物料的壓力P、克服物料的阻力所需的扭矩和自重G的作用。由于螺桿徑向所受的壓力P大小相等，方向相反而相互抵消。故計算時對P的影響只考慮軸向壓力P對螺桿的作用（即螺桿所受的軸向力），并且螺桿的縱向彎曲問題也忽略。因此，對螺桿的強度計算，可歸結為壓、扭、彎聯(lián)合作用下的復合計算。由于在一般情況下螺桿根莖處的承載能力最差，所以，對螺桿的強度計算，可進一步歸結為在上述復合應力作用下螺桿根莖特別是加料段端面的強度計算。
圖3-4螺桿的受力分析
(1)軸向力的壓縮應力
可由下式求出：
=
式中--螺桿軸向最大壓力，
--螺桿最小斷面的根莖m
(2)由扭矩產(chǎn)生的剪切力
式中Ws—抗扭截面模量，
Nmax—擠壓機主電機最大傳動功率，kw
--螺桿最高轉(zhuǎn)速，r/min
---擠壓機的傳動效率
（3）有螺桿自重產(chǎn)生的彎應力
=
=0.4
式中
-- 螺桿自重產(chǎn)生的彎矩，N*m
-- 抗彎截面模量，
L ——螺桿有效螺紋長度，m
---螺桿材料密度，這里取
（4）螺桿的合成應力
=
故螺桿強度符合要求。
3.5傳動裝置的設計
3.5.1設計功率
工作工況系數(shù)Ka=1.2
3.5.2選取V帶型號
根據(jù)Pc和電機轉(zhuǎn)速查參考文獻選取型號為A型
3.5.3確定帶輪基準直徑
（1）由于占用空間限制不嚴，取對傳動有利，查《機械設計》P-118表6-9取
（2）驗算帶速V
在之間，故合乎要求
（3）確定從動輪基準直徑
取標準值
（4）實際從動輪轉(zhuǎn)速和實際傳動比I
不計影響，若算與預訂轉(zhuǎn)速相差為允許
故合乎要求
3.5.4確定中心距a和帶的基準長度
（1）初定中心距
由上式可得：
取
（2）確定帶的計算基準長度
=
=2166
（3）查參考文獻得
（4）確定中心距a
a的調(diào)整范圍
3.5.5驗算包角
故符合要求
3.5.6確定帶的根數(shù)
式中：
-- 實際工作條件下單根V帶額定功率的增量，由傳動 i可查得
-- 小帶輪包角修正系數(shù)，有小帶輪包角查得
-- 帶長修正系數(shù)，由A型帶和，查得
所以
取
3.5.7定初拉力
=
=490
3.5.8計算軸壓力
3.6軸的設計
3.6.1軸材料的選擇
由于合金重量輕，耐高溫，耐腐蝕性能好，故選40調(diào)質(zhì)處理，其，
3.6.2軸徑的確定
由
故取軸的最小直徑為35
加上軸上皮帶拉力
傳動軸扭矩
根據(jù)軸上零件的布置，軸的受力如圖3-5：
圖3-5 軸的受力圖
則
軸的彎矩圖如圖3-6
3-6 軸的彎矩圖
軸的扭矩圖如圖3-7所示
3-7 軸的扭矩圖
從圖中可以看出B截面為危險截面
當量彎矩
式中為根據(jù)轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生應力的性質(zhì)而定的應力校正系數(shù)
故取截面B取直徑為50mm
故設計的軸如圖3-8所示：
圖3-8軸的整體結構
3.7軸承的選擇
（1）距軸的直徑靠近螺桿一側軸承型號為6208
（2）靠近帶輪一側軸承選擇圓錐滾子軸承，型號為30208
4 結 論
1.生物碳顆粒擠壓成型加工方法適用范圍廣泛，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量號，便于存貯、運輸，并且可提高農(nóng)作物生物碳利用率，即做到了廢物利用，也增加了農(nóng)民的收入。因此，推廣生物碳擠壓成型加工技術，對于發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟，開發(fā)農(nóng)村新能源增加農(nóng)民收入具有重要意義。
2．對擠壓機的套筒和模頭進行了設計；對螺桿進行了結構設計并確定了螺桿各部分的參數(shù)，對螺桿的關鍵部位進行了強度校核；對傳動裝置中的帶輪、傳動軸進行了結構設計，對其進行了強度校核，并依據(jù)設計出傳動軸各部分尺寸選擇了合適的軸承。
3．本次設計的生物碳顆粒擠壓成型機具有結構簡單，操作方便，便于維修，成本低廉等特點，特別適用于個體戶和小型企業(yè)的使用，可以考慮在農(nóng)村推廣使用，以此來增加農(nóng)民收入，改進農(nóng)村能源類型。
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致謝
在此次設計即將完成之時，我向在設計中給予我無私幫助的各位老師同學表示深深的謝意，我深知，以我自己的微薄知識來使這次設計達到要求是非常困難的。設計伊始，得到了王宏立老師及其他老師的大力幫助，讓我明白了設計思路。最后又為我指點設計中的錯誤，并提出改正方案，使我的設計能夠順利的完成。使我在這次畢業(yè)設計中受益匪淺。
最后再次向給予我?guī)椭睦蠋熂巴瑢W們表示我最忠心的謝意。
總 結
生物碳粉碎機、成型機的加工工藝并不復雜，成本較低，成型機易損件的使用壽命在1000h 以上，粉碎與成型單位產(chǎn)品能耗可降至60 kW·h/t，將生物碳的粉碎和成型放在農(nóng)區(qū)，可有效地解決了生物碳儲存的難題，運輸也更為方便，貯運成本可降低70％左右。農(nóng)民購置一套成型設備可在2～3年時間內(nèi)收回成本，完全可以在農(nóng)村中推廣應用。燃爐的應用可設在中、小城鎮(zhèn)或農(nóng)村，這樣生物碳從粉碎、成型到燃燒即可形成產(chǎn)業(yè)化。據(jù)國際可再生能源組織的預測地下石油、天然氣及煤的貯量，按目前的利用速率只夠用60年左右，因此，生物碳生物碳可再生能源熱壓成型后作燃料，使其得到高品位的利用，是未來可再生能源的一個發(fā)展方向。