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1.緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 國(guó)內(nèi)生物質(zhì)成型機(jī)研究現(xiàn)狀外 1
1.3 秸稈壓縮成型研究現(xiàn)狀 1
1.3.1 秸稈的物理特性 1
1.3.2 秸稈的切碎特性 1
1.3.3 秸稈的壓縮特性 2
1.3.4 壓縮成型工藝 2
1.4 目前主要的成型機(jī)類型 2
1.4.1 活塞式成型機(jī) 2
1.4.2 螺旋式成型機(jī) 2
1.4.3 模壓顆粒成型機(jī) 2
1.4.4 各類生物質(zhì)成型機(jī)存在的缺陷 2
1.4.5生物質(zhì)成型機(jī) 2
1.5 本課題的提出目的及意義 3
2.設(shè)計(jì)上的問(wèn)題分析 3
2. 1 加工上的問(wèn)題分析 4
3.設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想 5
3.1液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5
3.1.1 主油缸的設(shè)計(jì) 5
3.1.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5
3.2成型機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6
3.3設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)參數(shù) 7
3.3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo) 7
3.3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù) 7
3.4成型機(jī)工作流程 7
4.雙出頭秸稈液壓成型機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程 7
4.1 擬定液壓系統(tǒng)圖 7
4.2 主要計(jì)算過(guò)程 7
5.結(jié)束語(yǔ) 11
參考文獻(xiàn) 12
致 謝 13
作物秸稈成型機(jī)成型模具的設(shè)計(jì)
1.緒論
1.1 研究背景
當(dāng)今人類使用的主要能源是石油、天然氣、煤炭,它們都是不可再生的能源。能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)賴以生存和發(fā)展的物資基礎(chǔ)。能源工業(yè)一方面滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活對(duì)能源的需求,另一方面又是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)。1995年,我國(guó)能源工業(yè)(煤炭、石油、天然氣開(kāi)采和發(fā)電)的增加值為2 361 億元,占全國(guó)工業(yè)增加值的28.4% ,占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的13.7%。能源工業(yè)就業(yè)人數(shù)868 萬(wàn)人,占工業(yè)就業(yè)職工人數(shù)的13.1%[1]。改革開(kāi)放30余年來(lái)我國(guó)能源工業(yè)已得到巨大的發(fā)展,為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。同時(shí),能源也是制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié),能源的可持續(xù)利用至關(guān)重要。
我國(guó)作為一個(gè)迅速崛起的發(fā)展中大國(guó)，面臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。2003年我國(guó)能源消費(fèi)總量16.78億，位居世界第二，約占世界能源消費(fèi)總量的11%，其中煤炭占67.1%，原油占22.7%，天然氣占2.8%，可再生能源及其它能源占7.4%。并且能源消耗還以每年6%～7%的速度增長(zhǎng)[2][3]。我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，一次能源消費(fèi)仍以煤炭為主，煤在直接燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的CO2、 SO2、 NOx、粉塵及其它有害物質(zhì)，對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，而中國(guó)《防止大氣污染法》和中國(guó)簽定的“京都議定書”都對(duì)中國(guó)城鎮(zhèn)直接燃煤?jiǎn)栴}提出了量的限制和技術(shù)改造要求。所以研究開(kāi)發(fā)可替代煤的清潔燃料勢(shì)在必行。
利用秸稈成型技術(shù)，將松散細(xì)碎的無(wú)定型的秸稈擠壓成質(zhì)地致密、形狀規(guī)則的成型燃料。原料擠壓成型后，密度可達(dá)0.8～1.3kg/m3，能量密度與中值煤相當(dāng)，成型后的秸稈成型燃料燃燒特性較成型前有明顯改善，火力持久、黑煙小、爐膛溫度高，且儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用方便、干凈衛(wèi)生，可代替礦物能源用于生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。
1.2 國(guó)內(nèi)生物質(zhì)成型機(jī)研究現(xiàn)狀外
中國(guó)從20世紀(jì)80年代引進(jìn)螺旋推進(jìn)式秸稈成型機(jī)，生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)已有二十多年歷史。20世紀(jì)90年代期間河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，中國(guó)農(nóng)機(jī)能源動(dòng)力研究所分別研究出PB-I型機(jī)械沖壓式成型機(jī)、HPB系列液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)、CYJ-35型機(jī)械沖壓式成型機(jī)[8][9]。盡管引進(jìn)和研究的有很多種生物質(zhì)成型機(jī)械，但我國(guó)的壓縮成型機(jī)基本上就兩種：螺旋擠壓成型機(jī)和液壓沖壓成型機(jī)[9-13]。目前這些設(shè)備大都停止了運(yùn)行，主要原因是：以木屑為原料，市場(chǎng)和資源的針對(duì)性差，成本高。螺旋擠壓設(shè)備磨損嚴(yán)重，維修周期短(60～80h)，耗能高。由此看來(lái)螺旋式成型機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是螺桿的使用壽命。而液壓式生物質(zhì)成型機(jī)是液壓驅(qū)動(dòng)活塞沖壓成型，其運(yùn)行性能穩(wěn)定，延長(zhǎng)了易損件的使用壽命。
國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)秸稈等生物質(zhì)致密成型技術(shù)都普遍重視，并投入了大量的資金和技術(shù)力量研究和開(kāi)發(fā)致密成型技術(shù)。20世紀(jì)30年代，美國(guó)就開(kāi)始研究壓縮成型燃料技術(shù)，并研制了螺旋壓縮機(jī)[8][14];日本、西德等國(guó)也開(kāi)始研究成型技術(shù)處理木材廢棄物、農(nóng)業(yè)纖維物等。進(jìn)入20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著全球性石油危機(jī)的沖擊和環(huán)保意識(shí)的提高，世界各國(guó)越來(lái)越認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)和高效轉(zhuǎn)換生物質(zhì)能的重要性，相應(yīng)地投入一定的資金和技術(shù)力量研究開(kāi)發(fā)生物質(zhì)成型燃料技術(shù)及設(shè)備。日本1983年前后從美國(guó)引進(jìn)顆粒成型燃料生產(chǎn)技術(shù)，1987已有10多個(gè)顆粒成型燃料工廠投入運(yùn)行，年生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒成型燃料超過(guò)10萬(wàn)噸，現(xiàn)已經(jīng)形成工廠化規(guī)模[15]。
1.3 秸稈壓縮成型研究現(xiàn)狀
為解決秸稈合理利用問(wèn)題，歐美工業(yè)化國(guó)家如丹麥、瑞典、荷蘭、美國(guó)等，還有亞洲的印度、日本等國(guó)都在秸稈成型方面做了大量的研究，我國(guó)在這方面的研究起步較晚。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外壓縮成型的研究文獻(xiàn)來(lái)看，各國(guó)研究的側(cè)重點(diǎn)雖有所不同，但主要研究以下幾方面內(nèi)容：
1.3.1 秸稈的物理特性
秸稈本身的物理特性是影響秸稈切碎和壓縮成型的主要因素之一。秸稈的物理特性受物種、品種、產(chǎn)區(qū)、成熟度等多種因素的影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)麥秸、飼草等軟莖稈的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量、剛度模量等物理特性研究較多。
1.3.2 秸稈的切碎特性
切碎能耗、切碎長(zhǎng)度和切斷效率對(duì)秸稈的切碎特性均有影響，如切割速度、割刀參數(shù)、受切根數(shù)等因素對(duì)切割過(guò)程的影響。秸稈切割過(guò)程中有一臨界速度，在15～30 m/s范圍內(nèi)，低于臨界速度，能耗和無(wú)效切割快速增加；大于臨界速度，能耗基本不變，實(shí)際切割長(zhǎng)度接近于理論長(zhǎng)度。
1.3.3 秸稈的壓縮特性
由于植物纖維物料的材料特性不同，國(guó)內(nèi)外在對(duì)其壓縮特性的研究中也提出了各種研究方法。國(guó)外許多學(xué)者都把秸稈當(dāng)作理想的線性粘彈體，運(yùn)用流變學(xué)的理論，采用各種不同的流變模型來(lái)描述物料的壓縮流變過(guò)程。相對(duì)于金屬、塑料等材料而言，植物纖維物料壓縮過(guò)程中的應(yīng)力與應(yīng)變的變化畢竟是非常復(fù)雜的，因此還有待于進(jìn)一步探討，從而更接近實(shí)際情況。
1.3.4 壓縮成型工藝
秸稈壓縮成型工藝可以分為加粘結(jié)劑和不加粘結(jié)劑的成型工藝,根據(jù)對(duì)物料加溫形式不同，不加粘結(jié)劑的成型工藝又可劃分為常溫成型(不加溫)、熱壓成型(成型過(guò)程中原料在擠壓部位被加熱)、預(yù)熱成型(擠壓之前加溫)和成型碳化(擠壓后熱解碳化)4種主要形式。
1.4 目前主要的成型機(jī)類型
目前世界各地的成型機(jī)主要有兩種：壓塊和顆粒成型機(jī)。根據(jù)成型原理的不同可分為：活塞成型機(jī)，螺旋式成型機(jī)和模壓顆粒成型機(jī)。
1.4.1 活塞式成型機(jī)
按驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的不同可分為兩類：一類是用發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)的稱為機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)；另一類是用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的稱為液壓驅(qū)動(dòng)活塞成型機(jī)。這兩類成型機(jī)的成型過(guò)程是靠活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。其進(jìn)料、壓縮和出料都是間歇進(jìn)行的，即活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次可以形成一個(gè)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(dāng)壓塊從成型機(jī)的出口被擠出時(shí)，一般在重力的作用下自行分離。根據(jù)壓縮室末端有無(wú)擋板又分為開(kāi)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(kāi)啟擋板排出，這種機(jī)構(gòu)不需要很大的擠壓力，消耗能量較少；開(kāi)式成型機(jī)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(shí)現(xiàn)原料的壓縮成型，這種形式的成型機(jī)出料方便，不需要特殊的擠出成型塊機(jī)構(gòu)和動(dòng)作。
1.4.2 螺旋式成型機(jī)
根據(jù)成型過(guò)程中粘結(jié)機(jī)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(jié)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(dá)壓縮喉口時(shí)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(jié)劑的作用下成型，然后從成型機(jī)的出口處被連續(xù)擠出。另一種是在成型套筒上設(shè)置加熱裝置，利用物料中的木質(zhì)素受熱塑化的粘結(jié)性，使物料成型。此類成型機(jī)最早被研制開(kāi)發(fā)，也是目前各地推廣應(yīng)用較為普遍的一種機(jī)型。
1.4.3 模壓顆粒成型機(jī)
根據(jù)壓模型形狀的不同可分為：平板模顆粒成型機(jī)和環(huán)板模顆粒成型機(jī)，其中環(huán)模成型機(jī)根據(jù)其結(jié)構(gòu)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(jī)具有壓模易更換、保養(yǎng)方便、易進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)有顆粒成型機(jī)的主流機(jī)型，其生產(chǎn)率可達(dá)1～3t/h。臥式環(huán)模成型機(jī)的壓模和壓輥的軸線都為垂直設(shè)置，生產(chǎn)率可達(dá)500～800kg/h。平板模顆粒機(jī)的工作原理是平板上4～6個(gè)輥?zhàn)?，輥?zhàn)与S軸作圓周運(yùn)動(dòng)，并與平模板間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，原料在輥?zhàn)雍湍０彘g受擠壓，多數(shù)原料被擠入模板孔中，切割機(jī)將擠出的成型條按一定的長(zhǎng)度切割成粒。
1.4.4 各類生物質(zhì)成型機(jī)存在的缺陷
（1）螺桿式成型機(jī)
雖然這種成型機(jī)造價(jià)低，成型時(shí)的力度要求小，但是它對(duì)粉碎程度要求比較高。另外它的生產(chǎn)率比較低，約為130kg/h。它最大的不足在于其螺桿容易磨損，即使是耐熱材料使用時(shí)間60小時(shí)。而更換新的造價(jià)又非常高為1000元/個(gè)。
（2） 沖壓式成型機(jī)
優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，但是其造價(jià)高為10萬(wàn)/臺(tái)，還有就是生產(chǎn)率比螺桿式高。但還是低，僅為300kg/h。如果壓力過(guò)大，危險(xiǎn)性大且易出現(xiàn)“放炮”現(xiàn)象。另外這種成型機(jī)對(duì)物料含水率要求比較高,要求在16%以下。
1.4.5生物質(zhì)成型機(jī)
液壓活塞式雙向成型機(jī)，其主要工作部件有活塞沖桿、保型筒、錐形筒、夾緊套、活塞套筒、加熱圈、液壓裝置、電控柜等。它的工作原理是油泵在電機(jī)帶動(dòng)下，將油通過(guò)換向閥泵入油缸的一腔，把電能轉(zhuǎn)化成液體的壓力能，驅(qū)動(dòng)活塞、活塞桿、沖桿向一端運(yùn)動(dòng)，沖桿將進(jìn)料斗加入的生物質(zhì)壓入成型套內(nèi)的錐形套中，秸稈在機(jī)械壓力和溫度的作用下發(fā)生塑性變形，秸稈被擠壓成成型
原料
粉碎
右進(jìn)料斗
左進(jìn)料斗
成
型
棒
塊
成
型
棒
狀
右
成
型
筒
左
成
型
筒
電控裝置
液壓泵站
電流閥
右液壓缸
左液壓缸
液壓缸
圖1-1 成型機(jī)工作路線與控制系統(tǒng)方框圖
棒后，經(jīng)保型筒穩(wěn)型后擠出。在換向閥的作用下，油被泵入油缸的另一腔，則活塞、活塞桿、沖桿向另一端運(yùn)動(dòng)，完成另一端成型[19]。其工作路線如圖1所示。
該套設(shè)備采用活塞沖壓成型，避免了生物質(zhì)原料與成型部件連續(xù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦，解決了螺旋推進(jìn)成型機(jī)螺旋桿頭部磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，并且該系統(tǒng)是在不加任何粘結(jié)劑的條件下對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱壓成型的，所以可以節(jié)約成本。但該成型機(jī)也存在一些缺陷，如當(dāng)進(jìn)料出現(xiàn)堵塞時(shí)不能增大壓力使其正常工作，運(yùn)行壓力過(guò)高，設(shè)備振動(dòng)太大，從進(jìn)料斗進(jìn)料時(shí)攪拌機(jī)攪拌易出現(xiàn)死角，發(fā)生進(jìn)料堵塞現(xiàn)象。
1.5 本課題的提出目的及意義
在中國(guó)，作物秸稈傳統(tǒng)的利用方式是作為農(nóng)村生活燃料、大牲畜草料與有機(jī)肥料的主要來(lái)源?，F(xiàn)在隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)農(nóng)作物秸稈資源的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深，對(duì)農(nóng)作物秸稈的利用日益重視，而且在如何科學(xué)有效的利用秸稈資源上已取得進(jìn)展。但發(fā)展速度較慢，這不僅與人們對(duì)開(kāi)發(fā)利用秸稈資源的認(rèn)識(shí)程度有關(guān)，更重要的是與相關(guān)技術(shù)設(shè)備研究嚴(yán)重滯后有關(guān)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，提高壓塊成型效率，我們可使用液壓設(shè)備對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行初壓，將生物質(zhì)加一定的壓力，保持一定時(shí)間，然后將已有一定壓力的生物質(zhì)在模具中沖壓以使生物質(zhì)達(dá)到成型的效果。并且在沖壓時(shí)對(duì)成型塊加熱以使生物質(zhì)中的木質(zhì)素在一定溫度下軟化，以便在沖壓過(guò)程中得到一定密度的生物質(zhì)壓塊。
成型機(jī)造價(jià)低，生產(chǎn)效率較高，預(yù)計(jì)可達(dá)0.5t/h。能夠達(dá)到農(nóng)村采暖需要生物質(zhì)壓塊的密度要求，大大提高生產(chǎn)效率，盡可能的降低能量的消耗。以便生物質(zhì)壓塊在一定程度和一定范圍內(nèi)作為煤的替代能源得到推廣和應(yīng)用。在部分緩解能源危機(jī)的同時(shí)，也避免生態(tài)環(huán)境受到秸桿焚燒等不合理用能的破壞。
吸收己有生物質(zhì)成型機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并盡可能的克服其不足之處，使生物質(zhì)能更好的、效率更高的達(dá)到成型的效果。主要從采用機(jī)械方式為主，并采用液壓原理來(lái)設(shè)計(jì)出新的設(shè)備。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)分析對(duì)于這種成型機(jī)理的各個(gè)影響因素，為以后的改進(jìn)提供參考依據(jù)。
因此，通過(guò)本課題的研究，在生物質(zhì)成型機(jī)的一種新型成型機(jī)，使其系統(tǒng)的性能更穩(wěn)定，工況更好;使秸稈成型機(jī)械在常規(guī)能源相對(duì)缺乏、生物質(zhì)原料充足、經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)較落后的農(nóng)村進(jìn)行推廣，為秸稈資源得到合理的能源利用提供一個(gè)更為有效的利用途徑。
2.設(shè)計(jì)上的問(wèn)題分析
(1)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題：主缸和預(yù)壓油缸的換向都是靠電液換向閥控制換向，沒(méi)有安裝順序閥，當(dāng)進(jìn)料出現(xiàn)堵塞時(shí)不能增大壓力使其正常工作;液壓泵的選型是選用了柱塞變量泵，變量泵最大的弊端是功率是定值，功率N＝P×Q，外載壓力和泵的流量成反比，當(dāng)外載需要很大的壓力時(shí)泵流量反而下降，提供不了足夠的工作壓力，當(dāng)外載小時(shí)能量反而浪費(fèi)；油路管線布置不規(guī)范，增加了局部阻力損失。
(2)運(yùn)行壓力太高：由于主缸是單缸單活塞，根據(jù)F＝P×S，泵提供的壓力一定，活塞的表面積越小，運(yùn)行壓力就會(huì)越高，但是實(shí)際上秸稈成型壓力是一定的。運(yùn)行壓力在20MPa左右，對(duì)于預(yù)壓油缸來(lái)說(shuō)當(dāng)沒(méi)有負(fù)載回油時(shí)，易產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲，在90dB左右;由于運(yùn)行壓力高還經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。
(3)設(shè)備振動(dòng)太大：有兩個(gè)原因，一是機(jī)身重心太高，設(shè)備在高壓狀態(tài)運(yùn)行下易產(chǎn)生振動(dòng);二是設(shè)備工作壓力在20MPa左右，工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊力太大。
圖2-1 進(jìn)料系統(tǒng)示意圖
1一方錐形進(jìn)料斗2一預(yù)壓筒 3一預(yù)壓缸沖頭
2. 1 加工上的問(wèn)題分析
加工上的問(wèn)題主要在于整個(gè)設(shè)備的選材和主要部件的機(jī)械加工沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致了諸多不該發(fā)生故障都發(fā)生了，主要在以下幾個(gè)方面：
(1)機(jī)身機(jī)座的選材，用的是厚度為20mm左右的鋼板，使得機(jī)座的剛度不夠，抗振性較差，在很大的工作壓力的沖擊下，設(shè)備振動(dòng)比較厲害。
(2)成型套筒和活塞桿沖桿不同心。主要有三個(gè)方面的原因造成的：一是沖桿和活塞桿的選材和熱處理程度沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求；二是設(shè)備在強(qiáng)壓力的推動(dòng)下振動(dòng)厲害導(dǎo)致沖桿偏離軸心；三是套筒與沖桿的間隙配合不合要求，由于長(zhǎng)時(shí)間的工作，大量的粉塵進(jìn)入間隙，在加熱狀態(tài)下粉塵發(fā)生炭化，極其堅(jiān)硬(如圖3的指示2部分)，使得沖桿偏離軸心，還容易對(duì)沖桿表面擦出很多溝壑
圖2-2 主缸沖頭與預(yù)壓油缸沖頭進(jìn)料堵塞示意圖
1—主缸沖頭 2—灰塵堅(jiān)硬層 3—物料 4—預(yù)壓缸沖頭
5—易堵塞位置 6—成型筒
(3)噪聲太高(90dB左右)，影響工人工作環(huán)境。主要原因是設(shè)備振動(dòng)大和運(yùn)行壓力高。
3.設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想
（1）以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)HPB-III型液壓秸稈成型機(jī)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以降低工作壓力提高機(jī)器穩(wěn)定性、生產(chǎn)率，降低能耗為目標(biāo)，設(shè)計(jì)新型液壓式秸稈成型機(jī)。
（2）除關(guān)鍵專用部件外，盡可能多用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，以降低成本。
（3）堅(jiān)持以秸稈(玉米稈、小麥稈、稻稈)為主要原料的設(shè)計(jì)方向。
（4）用大系統(tǒng)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)，著力解決實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、工廠化的相關(guān)問(wèn)題。
（5）比能耗、成本、磨損三項(xiàng)指標(biāo)有所突破。
3.1液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1.1 主油缸的設(shè)計(jì)
生物質(zhì)成型機(jī)運(yùn)行壓力在20MPa左右，主油缸是單缸單活塞，一個(gè)閥控制進(jìn)油路，使得單位活塞截面積承受的壓力太大，根據(jù)F＝P×S，秸稈成型所需的壓力F一定，增大活塞截面積S可以有效地降低工作壓力P，結(jié)合設(shè)備實(shí)際尺寸的需要，將主油缸改為兩個(gè)液壓缸，雙向壓縮，不僅可以增大活塞截面積，還可以不增大設(shè)備的大小。
3.1.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
按照總體設(shè)計(jì)思路對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)液壓系統(tǒng)作了較好的改進(jìn)：主油缸單缸改為雙缸雙活塞，進(jìn)油路改為雙閥控制，增加一個(gè)高壓小流量定量泵，可以避免主油缸活塞推不動(dòng)而改為手動(dòng)換向、預(yù)壓裝置由于連續(xù)推不動(dòng)而堵塞等現(xiàn)象，并且增大油箱容積，在油箱上蓋上集成液壓元件，新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理圖如圖5。
液壓系統(tǒng)工作原理：按動(dòng)自動(dòng)按鈕，1DT通電，電液換向閥6的左位接通，主油缸10的活塞右行。
進(jìn)油路：由高壓小流量定量泵3和低壓大流量定量泵16輸出的液壓油經(jīng)電液換向閥6的左位分別進(jìn)入預(yù)壓油缸7的上腔和預(yù)壓油缸13的下腔，預(yù)壓油缸7的活塞行止下死點(diǎn)和預(yù)壓油缸13的活塞行止上死點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)的壓力繼續(xù)升高。當(dāng)系統(tǒng)壓力升高到順序閥8的調(diào)定壓力時(shí)，順序閥8被打開(kāi)，液壓油經(jīng)順序閥8進(jìn)入主油缸左油缸的前腔和右油缸的后腔，推動(dòng)主油缸的活塞右行，同時(shí)帶動(dòng)柱塞、沖桿右行。
回油路：預(yù)壓油缸7下腔和預(yù)壓油缸13上腔的液壓油經(jīng)電液換向閥6的右位直接回油箱。主油缸左油缸的后腔和右油缸的前腔的液壓油先經(jīng)順序閥12的旁通閥后經(jīng)電液換向閥6的右位回油箱。當(dāng)主油缸右活塞右行到預(yù)定位置時(shí)，觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)11發(fā)出信號(hào)，使1DT失電，2DT得電。
圖3-1 雙出頭秸稈液壓成型機(jī)的液壓系統(tǒng)圖
1、18—油箱 2、17—濾油器 3—高壓小流量定量泵 4、14—溢流閥
5、15—單向閥 6—電液換向閥 7、13—預(yù)壓油缸 8、12—順序閥
9、11—行程開(kāi)關(guān) 10—主油缸 16—低壓大流量定量泵
3.2成型機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
主要是從選材、加工工藝和部分不合理的結(jié)構(gòu)上做了些改進(jìn)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3-2。
圖3-2 雙出頭秸稈液壓成型機(jī)結(jié)構(gòu)整體布置簡(jiǎn)圖
1一主油缸(2個(gè)) 2一進(jìn)料斗 3一預(yù)壓油缸 4一成型筒 5一機(jī)架
6一預(yù)壓成型筒
(1)選材和加工工藝上，對(duì)于一些易產(chǎn)生變形和易磨損構(gòu)件采用加厚鋼板和
耐磨鑄鐵。機(jī)座由于受到壓力的沖擊易發(fā)生振動(dòng)導(dǎo)致兩端翹變形，所以機(jī)座采用加厚鋼板增加整個(gè)機(jī)座的剛度;成型套筒與沖桿之間易進(jìn)粉塵，這些粉塵在摩擦熱下炭化變得堅(jiān)硬，使成型套筒和沖桿易磨損，對(duì)此采用耐磨鑄鐵，加工工藝簡(jiǎn)單，成本低;對(duì)于一些要求精度高的構(gòu)件在加工時(shí)提高其加工精度。
(2)降低機(jī)座的重心，進(jìn)而可以降低整個(gè)設(shè)備的重心，可以有效地減少設(shè)備的振動(dòng);進(jìn)料斗設(shè)計(jì)為圓錐筒(如圖7 )，攪拌進(jìn)料時(shí)不會(huì)產(chǎn)生死角，使進(jìn)料更順暢，提高物料的喂入量進(jìn)而提高機(jī)器的生產(chǎn)率;行程控制開(kāi)關(guān)開(kāi)口放在成型筒的下面，可以減少粉塵進(jìn)入成型筒，這種沖桿成型筒成型系統(tǒng)顯著地減少了成型部件之間的摩擦，提高成型部件的使用壽命;將沖桿頂端的沖頭表面中央加一個(gè)小圓錐體(如圖8)，這樣的設(shè)計(jì)可以起到切割的效果，無(wú)需另加切割裝置，就可以使成型棒料的形狀比較有規(guī)則;在成型部分的錐形筒的四周利用線切割技術(shù)做一些小孔，可以起到排氣效果，降低筒內(nèi)水蒸氣的壓力，減少“放炮”現(xiàn)象。
圖3-3 進(jìn)料斗 圖3-4 活塞
3.3設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)參數(shù)
3.3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)
生產(chǎn)率：400～500㎏/h
能耗：70kWh/t
成型棒的直徑：l00mm左右
成型工作壓力：6～8MPa，預(yù)壓工作壓力：3～4MPa
成型密度：1000～1300kg /m3
成型周期：15ｓ
秸稈粒度：30mm左右
3.3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)
由設(shè)計(jì)指標(biāo)，成型棒的直徑取為l00mm，主缸工作壓力P＝8MPa，預(yù)壓油缸工作壓力P＝4MPa
取主沖桿套內(nèi)徑d＝108mm
主油缸：長(zhǎng)2×630mm，內(nèi)徑240mm，活塞桿直徑120mm
主油缸的活塞桿長(zhǎng)度：1845mm
F＝P×(S1－S2)＝8×106×3.14×(0.22-0.1052)＝727852N
預(yù)壓油缸：長(zhǎng)600mm，內(nèi)徑80mm，活塞桿直徑40mm
預(yù)壓油缸的活塞桿長(zhǎng)度：800mm
由F＝P×(S1－S2)＝4×106×3.14×(0.082-0.042)＝60288N，即約為6噸力
根據(jù)上述參數(shù)，液壓系統(tǒng)具體參數(shù)?。?
額定壓力：20MPa，最大壓力：25MPa
額定壓力：20MPa，最大壓力：25MPa
3.4成型機(jī)工作流程
改進(jìn)后的新型成型機(jī)運(yùn)行性能更穩(wěn)定，出料更順暢，尤其是進(jìn)料斗改為圓錐形使進(jìn)料沒(méi)有死角，進(jìn)料量加大，大大提高了產(chǎn)量，其成型系統(tǒng)控制圖見(jiàn)圖８。一個(gè)成型周期的壓縮過(guò)程可分一下六個(gè)步驟：
(1)液壓泵在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，通過(guò)電液換向閥將液壓油壓入左、右預(yù)壓油缸，右進(jìn)料斗的物料進(jìn)入右預(yù)壓室，在右預(yù)壓油缸活塞、活塞桿及沖桿的作用下被預(yù)壓并推入右成型筒，同時(shí)左預(yù)壓油缸活塞回位。
(2)右預(yù)壓油缸活塞運(yùn)行到上死點(diǎn)后，左順序閥被打開(kāi)，液壓油經(jīng)進(jìn)入主油缸左油缸的前腔和右油缸的后腔，推動(dòng)主油缸的活塞右行，同時(shí)帶動(dòng)柱塞、沖桿右行，將預(yù)壓后的物料擠入右成型套筒內(nèi)的錐形筒中，在機(jī)械壓力和右加熱圈加熱溫度的作用下，生物質(zhì)發(fā)生塑性變形并被擠壓成塊，經(jīng)保型筒保型后擠出。
(3)當(dāng)右沖桿到右行程開(kāi)關(guān)位置時(shí)，在電控裝置的控制下，電液換向閥換向。
(4)液壓泵在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，通過(guò)電液換向閥將液壓油泵入左、右預(yù)壓油缸，左進(jìn)料斗的物料在左攪拌電機(jī)的攪拌下進(jìn)入左預(yù)壓室，在左預(yù)壓油缸活塞、活塞桿及沖桿的作用下被預(yù)壓并推入左成型筒，同時(shí)右預(yù)壓油缸活塞回位。
(5)左預(yù)壓油缸活塞運(yùn)行到上死點(diǎn)后，右順序閥被打開(kāi)，液壓油經(jīng)進(jìn)入主油缸右油缸的后腔和左油缸的前腔，推動(dòng)主油缸的活塞左行，同時(shí)帶動(dòng)柱塞、沖桿左行，將預(yù)壓后的物料擠入左成型套筒內(nèi)的錐形筒中，在機(jī)械壓力和左加熱圈加熱溫度的作用下，生物質(zhì)發(fā)生塑性變形并被擠壓成塊，經(jīng)保型筒保型后擠出。
(6)在電控裝置的控制下，電液換向閥換向，照此循環(huán)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
4.雙出頭秸稈液壓成型機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程
4.1 擬定液壓系統(tǒng)圖
秸稈液壓成型機(jī)的液壓系統(tǒng)圖的擬定，如圖５所示。
4.2 主要計(jì)算過(guò)程
（1）工作負(fù)載的計(jì)算
為得到所要求推力F，應(yīng)使pA＝F
式中：A-液壓缸的有效工作面積
P-作用在活塞上的有效面積
-液壓缸的機(jī)械效率
F＝PA＝π××P＝3.14××70×0.95＝522025（N） （4-1）
（2）初選系統(tǒng)工作壓力
根據(jù)各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力，選缸的工作壓力為：主缸工作壓力
P ＝ 8MPa，預(yù)壓油缸工作壓力P＝4MPa系統(tǒng)工作壓力P1＝20MPa
（3）活塞桿外徑和活塞直徑的確定
活塞受壓時(shí)：F＝P1A1-P2A2
＝(P1-P2)A
式中：P1A1-受壓腔壓力和面積
P2A2-回油腔壓力和面積
因?yàn)闉殡p桿活塞缸A1＝A2＝A
執(zhí)行元件背壓力取P＝0.5MPa
則P2＝0.5MPa
A＝＝＝26770.5(mm2) （4-2）
?。?.5
式中：d-活塞桿直徑
D-活塞直徑
則D＝2d
A＝[(2d)2-d2] （4-3）
d＝＝＝106.62(mm)
查手冊(cè)，取d＝110mm，則D＝2×110＝220(mm)
（4） 活塞行程L的確定
根據(jù)成型和進(jìn)料的需要，取L＝250mm
（5） 活塞桿強(qiáng)度演算
當(dāng)活塞桿在穩(wěn)定狀態(tài)下，僅承受軸向載荷時(shí)，可以近似地采用直桿受拉、壓載荷簡(jiǎn)單強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。
d≥ mm （4-4）
式中 P-活塞桿所受的軸向載荷 N
-活塞桿制造材料的許用應(yīng)力 MPa
＝ （4-5）
-材料的抗拉強(qiáng)度MPa
n-安全系數(shù)（n＝3.5-6），一般取n＝5
根據(jù)GB8162-87
＝590 MPa
＝＝118 MPa
d≥＝77（mm）
活塞桿外徑100 mm，達(dá)到強(qiáng)度要求。
又因?yàn)椋剑?.27?<10
故不需進(jìn)行活塞桿穩(wěn)定性校核。
（6） 鋼筒壁厚δ的選擇
液壓缸工作壓力P≤20MPa，材料選45號(hào)鋼管。根據(jù)JB1068-67工程機(jī)械用外徑系列，選缸外徑：D1＝259mm
則δ＝＝19.5
又需δ≥＝＝17.96 （4-6）
取δ＝20mm
式中：-材料的抗拉強(qiáng)度極限（MPa）
-活塞桿材料的許用應(yīng)力（MPa）
P-液壓缸最高工作壓力（MPa）
根據(jù)GB8162-87 ＝590 MPa
＝，此處n取12. （4-7）
＝＝49.166 MPa
（7）液壓泵的選擇及配套電機(jī)
1） 確定液壓泵的最大工作壓力Pp
Pp≥P1+ΣΔP （4-8）
式中 P1-液壓缸的實(shí)際最大工作壓力
ΣΔP-從液壓泵出口到液壓缸入口之間的管路損失.
P1＝＝＝11.29(MPa) （4-9）
由系統(tǒng)圖可見(jiàn),從泵到液壓缸之間中串一換向閥
取ΣΔP＝0.3 MPa
則Pp＝11.29+0.3＝11.59(MPa)
為使液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)備，所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25%。
P＝11.29(1+25%)＝14.11(MPa)
取泵最大壓力為：20MPa
2） 確定液壓泵的流量Qp
Qp≥kQ （4-10）
式中 k-系統(tǒng)泄漏系數(shù),一般取K＝1.1～1.3.
Qmax-油缸的最大流量,加上溢流閥的最小溢流量(一般取0.5×10-4m3/s)
3） 液壓缸工作時(shí)所需流量
Q＝AV＝(2202-1102)＝53.43 (L/min)
Qmax＝53.43+0.510-3100060＝56.43(L/min)
取K＝1.2
Qp≥1.256.43＝67.72(L/min)
根據(jù)上述計(jì)算的Qp、P選：CB-P80-HF型齒輪泵
其額定壓力P＝20MPa
排量Q＝80mL/r
額定轉(zhuǎn)速n＝2000r/min
4） 確定液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率
N＝(KW) （4-11）
式中：
N-驅(qū)動(dòng)功率
Pp-液壓泵的最大工作壓力
Qp-液壓泵的額定流量（m3/s）
N＝＝19.32（KW）
由于壓縮主要在末了2s內(nèi)進(jìn)行，而電動(dòng)機(jī)一般允許短時(shí)間超載25%，這樣電機(jī)的功率可以降低一些。
N＝19.32＝18.54（KW）
（8） 管道尺寸計(jì)算
管道內(nèi)徑計(jì)算
d＝ （4-12）
式中： Q-通過(guò)管道內(nèi)的流量
v-管內(nèi)允許流速 m/s, v≤3～6m/s
d＝＝＝16.29（mm）
（9） 液壓閥的選擇
選擇液壓閥主要是根據(jù)閥的工作壓力和通過(guò)閥的流量。本系統(tǒng)的最大工作壓力為22.17MPa，流量80L/min，所選閥的規(guī)格型號(hào)如下：
名稱
流量（L/min）
選擇規(guī)格
備注
三位四通電液換向閥
160
DSHG-03-2N-12
溢流閥
125
FBG-03-125-10
調(diào)壓1－25MPa
（10） 液壓油的選用
根據(jù)泵、工作環(huán)境、溫度等要求，選擇N46抗磨液壓油。
（11） 回路中的壓力損失
1） 沿程壓力損失
主要是進(jìn)油管路的壓力損失，所需管長(zhǎng)（L）0.85m，內(nèi)徑（d）0.015m,快速時(shí)通過(guò)的流量（v）9.6710-4 m2/s ,正常運(yùn)轉(zhuǎn)后N46抗磨油的運(yùn)動(dòng)粘度?。?.616m2/s,密度＝910kg/m3 。
油在管路中的實(shí)際流速為：
V＝＝＝7.55(m/s) （4-13）
Re＝＝＝2461.96>2300
油在管路中成層流狀態(tài)，其沿層阻力系數(shù)為：
＝0.026（MPa） （4-14）
Ｐ1＝＝0.038(MPa)
2） 控制閥的局部壓力損失
Ｐ2＝ＰnPa （4-15）
式中：Ｑn－閥的額定流量ｍ/s
Ｐa－閥門的額定壓力損失 Pa
Q-通過(guò)閥的流量 ｍ/s
Ｐ２＝0.8 ＝0.2（MPa）
Ｐ＝0.038+0.2＝0.238<0.3 MPa ,
故所選泵合適。
（12） 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率
液壓系統(tǒng)工作中，除執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)外在和輸出有效功率外，其余功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量，使溫度升高。這些功率損失主要有：
1） 液壓泵的功率損失
2） 溢流閥的功率損失
3） 液壓油液流經(jīng)閥或管路的功率損失
4） 液壓執(zhí)行元件的功率損失
為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們用下式來(lái)計(jì)算，即：
Phr＝Pr-Pc （4-16）
Pr-液壓系統(tǒng)的總輸入功率
Pc-輸出有效功率；
Pr＝ ＝7.471
Pc＝ ＝6.155
Phr＝7.471-6.155＝1.316(kW)
（13） 油箱容量的確定
由經(jīng)驗(yàn)公式：V＝αQv
Qv-液壓泵每分鐘排出壓力油的容積.
α-經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取α＝4
則V＝480＝320(L)
5.結(jié)束語(yǔ)
查閱了多篇相關(guān)資料，對(duì)目前的生物質(zhì)成型工藝類型，現(xiàn)有生物質(zhì)成型技術(shù)及現(xiàn)狀進(jìn)行了比較，認(rèn)為液壓式成型機(jī)無(wú)論從技術(shù)上還是綜合投資比上都是優(yōu)于其他成型技術(shù)的，說(shuō)明這個(gè)設(shè)計(jì)思路是可取的，有必要再進(jìn)行改進(jìn)，再進(jìn)行完善。用前面的分析設(shè)計(jì)思想，以液壓驅(qū)動(dòng)、雙向成型為基礎(chǔ)，從產(chǎn)業(yè)化的角度對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)的液壓系統(tǒng)和成型部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，主油缸采用雙缸雙活塞，進(jìn)油路用雙閥控制，使該成型機(jī)運(yùn)行壓力在8MPa左右，低壓運(yùn)行，穩(wěn)定性提高，綜合性能提高，生產(chǎn)率達(dá)到500kg/h，單位能耗70kW/h左右。
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致 謝
在本次課題的設(shè)計(jì)中，我的指導(dǎo)老師安靜傾注了大量的心血，從選題的開(kāi)題報(bào)告，從思路指導(dǎo)到整體設(shè)計(jì)，一遍又一遍耐心的指出我的問(wèn)題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，在此我表示由衷的感謝。同時(shí)我還要感謝在我設(shè)計(jì)期間給予我極大關(guān)心和支持的各位老師和同學(xué)們。
做畢業(yè)設(shè)計(jì)是一次再次系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過(guò)程，畢業(yè)課題的完成，標(biāo)志著我們新的學(xué)習(xí)生活的開(kāi)始。我將銘記我是一名塔大的學(xué)子，在今后的工作中把塔大的優(yōu)良傳統(tǒng)發(fā)揚(yáng)光大。